Детектор субмиллиметровых волн на основе квазинульмерной структуры с примесными комплексами A+e во внешнем магнитном поле Российский патент 2025 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к оптонаноэлектронике, в частности к устройствам на основе квантовых точек (КТ), и может быть использовано для регистрации электромагнитных волн субмиллиметрового (терагерцового) диапазона.

Известен детектор терагерцового диапазона на джозефсоновской структуре, содержащий джозефсоновский переход на основе тонкопленочной структуры, содержащей слои сверхпроводникового материала, между которыми размещен связанный с источником измеряемого сигнала абсорбер из нормального металла. (см., например, заявка №2010137284/28, 2010.09.08.). Слои сверхпроводникового материала подключены параллельно к источнику тока смещения и измерительной цепи, индуктивно связанной с датчиком магнитного поля на основе СКВИДа и схемой регистрации. Абсорбер из нормального металла имеет форму удлиненной полоски и размещен через слои диэлектрика между слоями сверхпроводникового материала, при этом упомянутая полоска связана с источником измеряемого сигнала посредством элементов, присоединенных через слои изолятора к ее торцам с возможностью обеспечения взаимно перпендикулярных направлений протекания сверхтока и измеряемого сигнала. Также известны многоэлементные приемники субмиллиметрового и дальнего инфракрасного излучения. В таких приемниках (см., например, заявка №2012148605/28, 2012.11.15) матрица сверхпроводящих детекторов на электронном разогреве содержит соединенные друг с другом планарные антенны в каждую из которых интегрирован элемент, чувствительный к ИК-излучению, причем ветви антенн имеют форму логарифмических спиралей. Однако, для корректной работы таких детекторов требуются очень низкие температуры, что создает значительные ограничения для их практического применения.

Известны пироэлектрические приемники ИК и субмиллиметрового диапазона. Так, например, в приемнике (патент RU №2570235 С1) представляющем собой пироэлектрический преобразователь электромагнитных волн, и содержащем теплоизолированную пластину пиродиэлектрика с проводящими пленочными обкладками на противоположных поверхностях пластины, подключенными к измерителю электрического сигнала, одна обкладка является последовательно включенным участком электрической цепи высокочастотного тока антенны приема электромагнитных волн. Технический результат заключается в обеспечении возможности приема сигналов в терагерцовом диапазоне спектра. Недостатком таких приемников является высокое внутреннее сопротивление и возможные потери энергии электромагнитной волны при поглощении антенной и прохождении высокочастотного тока через элементы приемника.

В большинстве рассматриваемых аналогов прием электромагнитных волн субмиллиметрового диапазона достигается за счет преобразования энергии электромагнитной волны в энергию высокочастотного электрического тока с его последующей регистрацией, при этом неизбежны энергетические потери.

Прогресс в изготовлении полупроводниковых наноструктур привел к росту исследований периодических структур на квантовых ямах-сверхрешетках. Благодаря модуляции блоховских осцилляций электронов в минизонах, эти структуры могут быть использованы как широкополосные ТГц-детекторы, а использование циклотронного резонанса и квантового эффекта Холла позволило создать ТГц-детекторы с чувствительностью 11МВ/Вт и обнаружительной способностью 4,0⋅10¹³ см⋅Гц^1/2/Вт при 4,2 К. Аналогичный механизм детектирования может быть получен в структурах на квантовых точках на основе InAs/InGaAs на GaAs подложке (см., например, Приемники излучения терагерцового частотного диапазона. В.Л. Вакс, Е.Г. Домрачева, А.А. Ластовкин, С.И. Приползин, Е.А. Собакинская, М.Б. Черняева, В.А. Анфертьев. Радиофизика. Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского, 2013, №6(1), С. 81-87). Недостатком таких детекторов являются сверхнизкие температуры и сложность преобразования сигнала.

В качестве наиболее близкого к предлагаемому способу детектирования электромагнитных волн ТГц-диапазона можно привести способ (см. патент RU №2599332 С1) включающий в себя направление потока терагерцового излучения на преобразователь с формированием в последнем сигнала, регистрируемого детектором. В качестве преобразователя используют систему квантовых точек в матрице с терагерцовой прозрачностью, помещенную во внешнее магнитное поле с индукцией В=ħ×ν/g×μБ, в качестве детектора используют магнитометр, который регистрирует изменение намагниченности системы квантовых точек. Интенсивность излучения определяют как jвн=1/[g×μ_Б×n×b/ΔJ×(1+b⋅j0)-b], где B - индукция внешнего магнитного поля; ħ - постоянная Планка; ν - частота регистрируемого излучения; g - множитель Ланде; μБ - магнетон Бора; jвн - интенсивность регистрируемого излучения; n - объемная плотность квантовых точек; b=с2/4πν3 - параметр, определяемый частотой; j0- интенсивность фонового (теплового) терагерцового излучения. Недостатком такого способа является низкая чувствительность детектора.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача получения возможности регистрации электромагнитного излучения субмиллиметрового (терагерцового) диапазона за счет изменения электрической емкости системы.

Технический результат достигается тем, что терагерцовое излучение направляется на квазинульмерную структуру (см. Фиг. 1), представляющую собой прозрачную матрицу из боросиликатного стекла находящуюся во внешнем магнитном поле и содержащую InSb-КТ (InSb-QD) с примесными комплексами «A⁺+e». Последние представляют собой дырку, локализованную на A⁰-центре и взаимодействующую с электроном, локализованном в основном состоянии КТ. При поглощении падающего на квазинульмерную структуру терагерцового излучения примесные комплексы «A⁺+e» переходят в возбужденное состояние (см. Фиг. 2) и при этом возникает фотодиэлектрический эффект (ФДЭ), поскольку эффективный радиус возбужденного состояния примесного комплекса превышает эффективный радиус основного состояния, то за счет роста поляризуемости происходит заметное изменение диэлектрической проницаемости полупроводниковой квазинульмерной структуры Δε и как следствие электрической емкости системы ΔC. При этом динамика изменения диэлектрической проницаемости идентична динамике электрической емкости: Внешнее магнитное поле выступает в качестве параметра, с помощью которого можно эффективно управлять ФДЭ. Измерение электрической емкости системы производится посредством торцевых электродов (EL) играющих роль обкладок конденсатора.

Как известно (см,. например, Энергетический спектр и оптические свойства примесного комплекса A⁺+e в структурах с квантовыми точками / Левашов А.В., Кревчик В.Д. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион, «Естественные науки». - 2007. - № 2. - С. 153 - 164), возбужденные состояния примесных комплексов «A⁺+e» могут вносить вклад в диэлектрическую проницаемость полупроводниковой квазинульмерной структуры при внутризонном оптическом переходе электрона. Резонансные частоты ν₀, характеризующие дисперсию низкочастотной диэлектрической проницаемости Δε, находятся в субмиллиметровом диапазоне. Например, для КТ на основе InSb с комплексом «A⁺+e», как показали оценки, Таким образом, при облучении полупроводниковой квазинульмерной структуры с комплексами «A⁺+e» квантами с энергией hν₀ может заметно изменяться коэффициент преломления субмиллиметровых волн. В этой связи ФДЭ может служить эффективным механизмом воздействия на распространение субмиллиметровых волн в полупроводниковых наноструктурах и как метод их регистрации.

Рассмотрение ФДЭ в квазинульмерной структуре с примесными комплексами «A⁺+e» во внешнем магнитном поле можно провести в рамках модели потенциала нулевого радиуса в адиабатическом приближении и с учетом дисперсии радиуса КТ, описываемых моделью “жесткой стенки”.

Процесс фотовозбуждения примесного комплекса A⁺+e связан с оптическими переходами электрона из основного состояния КТ в возбужденные состояния размерно - квантованной зоны проводимости во внешнем магнитном поле (см. Фиг 2). Учет кулоновского взаимодействия между электроном и дыркой, локализованной на A⁰- центре, приводит к тому, что в результате электронных переходов будет изменяться энергия связанного состояния дырки, вследствие изменения электронного адиабатического потенциала, который при фиксированном радиусе КТ, зависит только от начального и конечного состояния электрона. Взаимодействие электрона, находящегося в основном состоянии КТ с дыркой, локализованной на A⁰ - центре рассматривается в рамках адиабатического приближения. В этом случае электронный потенциал , действующий на дырку можно записать в виде

где - цилиндрические координаты; - постоянная Эйлера; Ci(x) - интегральный косинус; эффективная масса дырки; - циклотронная частота; R₀ - радиус КТ; ε - диэлектрическая проницаемость материала КТ; e - заряд электрона.

В рамках модели потенциала нулевого радиуса энергия связи дырки E_λh в комплексе A⁺+e в КТ в магнитном поле определяется решением следующего трансцендентного уравнения (детальный расчет энергии связи приведен в работе [Влияние магнитного поля на рекомбинационное излучение, связанное с A⁺ - центрами в квантовых точках/ В.Д. Кревчик, А.В. Разумов, П.С Будянский // Известия вузов. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2015. - № 3. - С. 125-143]):

где E_λh - энергия связи дырки, отсчитываемая от дна электронного адиабатического потенциала; E_h - эффективная боровская энергия дырки; - магнитная длина; E_i - энергия связанного состояния дырки локализованной на таком же A⁺ - центре в объемном полупроводнике; - эффективные боровская энергия и радиус дырки соответственно.

В случае, когда электрон находится в возбужденном состоянии КТ дисперсионное уравнение запишется в виде

где величины определяются следующим образом:

где n-й корень функции Бесселя полуцелого порядка 3/2; минимум адиабатического потенциала.

Детальное описание последовательности расчета содержится в работе [Особенности фотодиэлектрического эффекта, связанного с возбуждением примесных комплексов A⁺+e в квазинульмерныхструктурах во внешнем магнитном поле /В.Д. Кревчик, А.В. Разумов, П.С Будянский // Известия вузов. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2015. - № 4. - С.111-144], где получено выражение для спектральной зависимости изменения диэлектрической проницаемости Δε:

где I₀ - интенсивность излучения; средний радиус КТ; - функция ошибок; Δ₁ - находится из трансцендентного уравнения

Из Фиг.3 и Фиг.4 видно, что величина относительного изменения диэлектрической проницаемости (ОИДП) Δε/ε в квазинульмерной структуре с примесными комплексами «A⁺+e» может достигать 40% и выше, что доступно для регистрации, в том числе и емкостными методами. Как уже отмечалось, внешнее магнитное поле выступает управляющим параметром, позволяющим эффективно влиять на ФДЭ. Так, на Фиг. 3, 4 представлены спектральные зависимости ОИДП для случая продольной (Фиг. 3) и поперечной (Фиг. 4) по отношению к направлению внешнего магнитного поля поляризации электромагнитного излучения. Кривые 1 и 2, на представленных зависимостях соответствуют индукции магнитного поля в 1 и 2 Тл, соответственно. Как можно видеть из Фиг. 3, 4, рост величины магнитного поля приводит к сдвигу порога и максимума ОИДП, при этом в случае продольной поляризации порог смещается в сторону более коротких волн (ср. кривые 1 и 2 на Фиг. 3), что связано с динамикой уровней Ландау, а в случае поперечной поляризации в сторону длинных, субмиллиметровых волн (ср. кривые 1 и 2 на Фиг. 4). Кроме того, в последнем случае наблюдается расщепление полосы ОИДП в дублет Зеемана в соответствии с правилами отбора для магнитного квантового числа m=±1. Таким образом, меняя прикладываемое управляющее магнитное поле, можно подстраиваться под частоту регистрируемого излучения. Следовательно, ФДЭ в квазинульмерной структуре с примесными комплексами «A⁺+e», помещенной во внешнее магнитное поле можно использовать для управляемой регистрации терагерцового излучения.

Изобретение относится к оптонаноэлектронике, в частности к устройствам на основе квантовых точек (КТ), и может быть использовано для создания детектора электромагнитных волн субмиллиметрового (терагерцового) диапазона. Сущность изобретения заключается в том, что детектор субмиллиметрового-терагерцового диапазона содержит базовый элемент с возможностью помещения его во внешнее магнитное поле, включающий систему квантовых точек в матрице, торцевые электроды, при этом матрица представляет собой прозрачную диэлектрическую матрицу на основе боросиликатного стекла, содержащую полупроводниковые квантовые точки на основе InSb с «A⁺+e» примесными комплексами. Технический результат - обеспечение возможности регистрации электромагнитного излучения субмиллиметрового (терагерцового) диапазона за счет изменения электрической емкости системы. 4 ил.

Детектор субмиллиметрового-терагерцового диапазона, содержащий базовый элемент с возможностью помещения его во внешнее магнитное поле, включающий систему квантовых точек в матрице, отличающийся тем, что содержит торцевые электроды, при этом матрица представляет собой прозрачную диэлектрическую матрицу на основе боросиликатного стекла, содержащая полупроводниковые квантовые точки на основе InSb с «A⁺+e» примесными комплексами.