ПЛАЗМОННЫЙ ФОТОДЕТЕКТОР Российский патент 2024 года по МПК H01L31/236 B82Y30/00 

Техническое решение относится к области приборостроения и может быть использовано для регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ) в узком спектральном диапазоне, принадлежащем к видимой или ИК областям спектра.

Известна полезная модель [RU, 110505, опубликована 20.11.2011] датчика излучения, содержащего слой нанокластера в виде ленты из графена, расположенного на буферном слое нитрида бора, где указанные слои заключены в моноблок с наружным изолирующим покрытием из нейтрального к излучениям материала, причем на концах ленты графена выполнены электроды из проводящего материала.

Недостатком этого датчика являются его неизбирательность, как при детектировании широкой полосы электромагнитного излучения, так и при детектировании различных видов радиоактивного излучения. Это не позволяет его использовать для регистрации электромагнитного излучения в узком спектральном диапазоне. Вторым недостатком является высокая сложность моноблока датчика, включающего многослойный набор из различных нанослоев.

Известен многослойный пироэлектрический чувствительный детектор (RU №2413186), основанный на температурной зависимости спонтанной поляризации пироэлектриков, содержащий тонкопленочную структуру, сформированную на подложке, по крайней мере, из трех слоев, расположенных один над другим поликристаллических сегнетоэлектрических релаксоров, верхний и нижний электроды, причем верхний электрод нанесен на внешнюю поверхность тонкопленочной структуры, перпендикулярную полярной оси чувствительного элемента, слои поликристаллических сегнетоэлектрических релаксоров сформированы на подложке из керамического электретного материала, содержащей сегнетоэлектрик на основе цирконата титаната свинца с добавкой стекла, причем материал первого слоя сегнетоэлектрического релаксора в направлении от подложки к верхнему электроду имеет состав - 0,75 PbMg_1/3Nb_2/3O3- 0,25 РbTiO₃ (0,75 PMN - 0,25 PT), материал второго слоя имеет - 0,85 PbMg_1/3Nb_2/3O₃ - 0,15 РbТiO₃ (0,85 PMN - 0,15 PT) и материал третьего слоя - 0,925 PbMg_1/3Nb_2/3O₃- 0,075 РbTiO₃ (0,925 PMN - 0,075 PT), при этом нижний электрод нанесен на внешнюю поверхность подложки, перпендикулярную полярной оси чувствительного элемента.

Недостатками этого устройства также являются неселективность детектируемого ЭМИ, высокая стоимость изготовления как самих материалов, из которых затем получают различные слои, так и многослойного набора.

Известен полупроводниковый детектор [7], регистрирующий излучение одновременно в нескольких оптических диапазонах. Детектор [7] содержит несколько слоев эпитаксиально согласованных полупроводниковых материалов, которые наносят последовательно на общую подложку и располагают их по одну ее сторону. Подложка прозрачна для регистрируемого излучения, поэтому освещение детектора производят через нее. Ширина запрещенной зоны чувствительных слоев последовательно уменьшается по направлению от подложки. Поэтому первый чувствительный слой регистрирует излучение с максимальной энергией кванта. Чувствительные к излучению слои чередуют с контактными элементами. Последние имеют также электрический контакт с тыльной стороной чувствительных слоев. Напряжение смещения подают на подложку и контактные слои в виде индиевых столбиков. Такая конструкция контактов обеспечивает электронной схеме считывания сигнала независимый доступ к любому чувствительному элементу.

Известна система [3], состоящая из двух близко расположенных вдоль одной оси наноразмерных прямоугольных брусков, состоящих из благородных металлов (золото, серебро). При этом размер нанобрусков (30 нм) выбирается намного меньше длины света на частоте локализованных плазмонов (ЛП), возникающих в каждом из нанобрусков в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне. Благодаря взаимодействию ЛП в близкорасположенных нанобрусках частота ЛП смещается из видимого в ИК диапазон. Недостатком данной системы является невозможность перевода сигнала от возбужденных в данной системе плазмонов в электрический сигнал, обрабатываемый стандартными электронными схемами.

Известен фотодетектор [4], содержащий металлические наночастицы и пленку перовскита, работающий в видимом и ИК диапазонах ЭМИ, использующий эффект усиления ЭМИ благодаря возбуждению поверхностных локализованных плазмонов (ЛП). Он состоит из диэлектрической подложки, на которую нанесен массив из золотых наночастиц в виде треугольных призм. Сверху на этом массиве располагается тонкая пластина из полупроводникового материала - перовскита состава CH₃NH₂PbI₃, к двум краям которой присоединены золотые электроды. При падении потока внешнего ЭМИ в видимом и ИК диапазоне он поглощается в слое перовскита, образую пары свободных носителей в виде электронов и дырок. Эти носители движутся под действием разницы потенциалов, приложенных к электродам, образуя детектируемый фототок, пропорциональный потоку приложенного ЭМИ. Недостатком данного фотодетектора является недостаточно быстрый отклик на изменение потока внешнего ЭМИ (~ 0.03 сек), который объясняется медленным дрейфом возбужденных в слое перовскита носителей заряда между электродами

Известен фотодетектор и способ его изготовления [US9329339 В2], являющийся наиболее близким аналогом к предлагаемому плазмонному фотодетектору, содержащий на диэлектрической подложке два наноразмерных металлических стержня, соединенных с источником напряжения; причем полость, образованная между ближайшими концами двух данных стержней заполняется поглощающим полупроводниковым материалом для преобразования в нем энергии электромагнитного поля в электрический ток для его вывода в электрическую цепь.

Данный фотодетектор работает следующим образом. При падении на него внешнего ЭМИ в двух металлических стержнях генерируются ЛП при условии совпадения частоты ЭМИ и частоты этих плазмонов. Амплитуда электромагнитного поля, создаваемого данными плазмонами усиливается вблизи концов стержней и особенно - внутри полости, в которой находится полупроводниковый материал. В данном материале при поглощении ЭМИ генерируются электронно-дырочные пары, которые образуют ток при приложении напряжения к металлическим стержням через провода.

Недостатком данного фотодетектора является невысокая чувствительность, объясняемая небольшим количеством электронно-дырочных пар, рождающихся в полупроводниковом материале при малой величине поля ЭМИ в наноразмерной полости.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности фотодетектора.

Технический результат достигается тем, что в плазмонном фотодетекторе, состоящем из металлических наноструктур на диэлектрической подложке, соединенных с источником постоянного напряжения, резистором и индикатором напряжения, новым является то, что металлические наноструктуры представлены в виде двух рядов регулярно расположенных одинаковых нанопластин, разделенных слоем диэлектрика толщиной не более 5 нм, имеющих в плоскости подложки в направлении ряда заостренные края c углом ≤ 60°, при этом нанопластины обоих рядов наложены друг на друга в шахматном порядке так, что их заостренные края перекрываются на расстояние не больше 25% от длины нанопластины.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами.

На фигуре представлена принципиальная схема предложенного плазмонного фотодетектора.

Заявляемый фотодетектор состоит из диэлектрической подложки 1, на которую наносится первый ряд 2 регулярно расположенных одинаковых нанопластин, имеющих в плоскости подложки в направлении ряда заостренные края c углом ≤ 60°. Сверху на первый ряд нанопластин 2 наносится слой диэлектрика 3 толщиной не более 5 нм, на который наносится второй регулярный слой таких же нанопластин 4. При этом заостренные края нанопластин первого и второго рядов накладываются друг на друга в шахматном порядке на расстояние не больше 25% от длины нанопластины через слой диэлектрика 3. Противоположные края первой и последней нанопластин первого ряда соединены в последовательную электрическую цепь с источником постоянного напряжения 5 и с резистором 6, который соединяется с индикатором напряжения 7.

Заявляемый плазмонный фотодетектор работает следующим образом.

При облучении плазмонного фотодетектора внешним ЭМИ с частотой, соответствующей частоте основной продольной моды плазмонов этих нанопластин, в них возбуждаются данная мода ЛП. При этом вектор электрической поляризации ЛП направлен вдоль нанопластин (2, 4), а противоположные заостренные края каждой нанопластины имеют переменный электрический потенциал противоположного знака в любой момент времени.

Экспериментальные измерения, также, как и числовые расчеты [1-3] показывают, что благодаря заостренным краям нанопластин амплитуда электрического поля Е₁, в области наложения заостренных краев нанопластин вырастает в ~20-60 раз относительно амплитуды внешнего ЭМИ Е₀, что определяется добротностью основной продольной моды плазмонных колебаний нанопластин.

В области наложения под действием поля Е_1, возникает переменная во времени разность потенциалов Δϕ(t), достаточная для прохождения через слой диэлектрика 3 туннельного тока I(t), текущего далее через все другие нанопластины и области наложения, резистор 6 к полюсам источника постоянного напряжения 5.

Без приложения источника постоянного напряжения 5 при усреднении по времени переменный туннельный ток I(t) приводит к нулевому среднему току <I(t)>=0 в электрической цепи. Но при приложении источника постоянного напряжения 5 симметрия во времени для разности потенциалов Δϕ(t) и для туннельного тока нарушается, приводя к появлению ненулевого среднего тока <I(t)>≠0. Данный средний ток, проходя по резистору 6, вызывает падение напряжения на этом резисторе, которое детектируется индикатором напряжения 7.

Для наибольшей чувствительности фотодетектора статическая разница потенциалов Δϕ, приложенная к области наложения краев пластин, определяемая как Δϕ=U/N, где U - напряжение, а N-число областей наложения краев пластин, должна равняться амплитуде переменной разницы потенциалов Δϕ(t). При детальном рассмотрении туннельного тока с помощью подхода Ландауэра-Буттикера [2] можно показать, что средний ток через фотодетектор пропорционален переменной разнице потенциалов Δϕ(t), которая пропорциональна амплитуде ЭМИ в области наложения.

Исходя из того, что коэффициент поглощения большинства полупроводниковых материалов, обладающих подходящей шириной щели, в диапазоне длин волн 1-6 мкм, часто используемом в ИК фотодетекторах, составляет величину ~10¹⁴/см, легко подсчитать, что в аналоге к предлагаемому плазмонному фотодетектору внутри полости с размерами 50х50х50 нм, в которой находится полупроводниковый материал, поглощается всего ~2% энергии ЭМИ, усиленному благодаря возбуждению ЛП в обоих металлических стержнях. При этом энергия ЭМИ пропорциональна квадрату амплитуды ЭМИ. Поглощенная энергия ЭМИ затрачивается на генерацию электронно-дырочных пар, которые образуют ток во внешней цепи.

В предлагаемом плазмонном фотодетекторе нет слабого поглощения энергии в полупроводниковом материале, а есть генерирование среднего туннельного тока под действием поля ЭМИ, также усиленного благодаря возбуждению ЛП вблизи заостренных краев нанопластин, но из-за эффекта заостренных краев и толщины слоя диэлектрика 3 не более 5 нм усиление поля ЭМИ в области наложения нанопластин в ~ 10 раз больше, чем усиление поля в аналоге. Под действием этого усиленного поля ЭМИ генерируется средний туннельный ток в цепи, который пропорционален разнице потенциалов Δϕ(t) и, следовательно, амплитуде поля ЭМИ.

Таким образом, в аналоге ток в фотодетекторе пропорционален квадрату амплитуды поля ЭМИ, а в предложенном фотодетекторе ток пропорционален амплитуде поля ЭМИ, что при малых величинах амплитуды детектируемого ЭМИ приводит к гораздо большей чувствительности плазмонного фотодетектора.

Пример конкретного выполнения плазмонного фотодетектора представлен ниже.

Заявляемый плазмонный фотодетектор включает диэлектрическую подложку 1, состоящую из диоксида кремния, на которую наносится первый ряд регулярно расположенных одинаковых нанопластин 2 из золота в виде удлиненных ромбов со сторонами 100 нм и толщиной 15 нм, имеющих в плоскости подложки в направлении ряда заостренные края c углом 30°. Сверху на первый ряд нанопластин 2 наносится слой диэлектрика 3 из диоксида кремния толщиной 0.5 нм, на который наносится второй ряд регулярно расположенных нанопластин 4. При этом заостренные края нанопластин первого и второго рядов накладываются друг на друга в шахматном порядке на расстояние 20 нм через слой диэлектрика 3 (фигура).

Противоположные края первой и последней нанопластины первого ряда соединены в последовательную электрическую цепь с источником постоянной напряжения 5 величиной около 3 В и с резистором 6 величиной 10 МОм. Резистор 6 соединяется с индикатором напряжения 7, показания которого пропорциональны напряженности внешнего ЭМИ.

Для дальнейшего повышения чувствительности плазмонного фотодетектора может использоваться множество параллельно расположенных на подложке пар из первого и второго рядов нанопластин, где для первого ряда конец последней нанопластины одной пары соединяется с началом первой нанопластины следующей пары, а в последовательную электрическую цепь с источником постоянного напряжения 5 и с резистором 6 соединяются противоположные края крайних нанопластин первого ряда из крайних пар.

Литература:

1) K. L. Kelly, E. Coronado, L. L. Zhao at al., J. Phys. Chem. B, Vol. 107, No. 3, 2003.

2) Dmitry A Ryndyk, Theory of Quantum Transport at Nanoscale. - Springer Series in Solid-State Sciences 184, (2016)

3) Basyooni MA, Ahmed AM, Shaban M, Plasmonic hybridization between two metallic nanorods, Optik (2018), https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2018.07.135

4) Plasmon enhanced perovskite-metallic photodetectors, Qiongchan Gu, Chunhai Hu, Jiming Yang, Jiangtao.L, Yu Yingd, Xiaoxiao Jiang, Guangyuan Si, Materials and Design 198 (2021) 109374

5) Infrared detectors / Antoni Rogalski. - 2nd ed., ISBN 978-1-4200-7671-4.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для регистрации электромагнитного излучения в узком спектральном диапазоне. Предлагается плазмонный фотодетектор, состоящий из металлических наноструктур на диэлектрической подложке, соединенных с источником постоянного напряжения, резистором и индикатором напряжения, при этом металлические наноструктуры представлены в виде двух рядов регулярно расположенных одинаковых нанопластин, разделенных слоем диэлектрика толщиной 0,5-5 нм, имеющих в плоскости подложки в направлении ряда заостренные края ≤ 60°, при этом нанопластины обоих рядов наложены друг на друга в шахматном порядке так, что их заостренные края перекрываются на расстояние не больше 25% от длины нанопластины. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности фотодетектора. 1 ил.

Плазмонный фотодетектор, состоящий из металлических наноструктур на диэлектрической подложке, соединенных с источником постоянного напряжения, резистором и индикатором напряжения, отличающийся тем, что металлические наноструктуры представлены в виде двух рядов регулярно расположенных одинаковых нанопластин, разделенных слоем диэлектрика толщиной 0,5-5 нм, имеющих в плоскости подложки в направлении ряда заостренные края ≤ 60°, при этом нанопластины обоих рядов наложены друг на друга в шахматном порядке так, что их заостренные края перекрываются на расстояние не больше 25% от длины нанопластины.