Терагерцевый болометр на горячих электронах
TERAHERTZ HOT ELECTRON BOLOMETER

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для детектирования излучения терагерцевого (ТГц) диапазона частот, а именно к прямым детекторам ТГц излучения болометрического типа. Изменение сопротивления активной фотопоглощающей части полупроводниковой структуры при поглощении ТГц фотонов происходит за счет использования специальной конструкции, содержащей одномерные нанонити из атомов олова, образующие потенциальные ямы с локализованными в них электронами. Поглощение ТГц излучения увеличивает энергию локализованных электронов, что приводит к их делокализации и появлению электрического тока в поперечном направлении (между потенциальными ямами). Отличительной особенностью такого прибора является простота конструкции, высокая чувствительность и эффективная работа в большом диапазоне температур, вплоть до комнатной (300 К). Также за счет наличия у нанонитей выделенного направления, возможно обеспечить поляризационную селективность при детектировании ТГц излучения.
Для детектирования ТГц излучения используется множество методов, основанных на различных физических принципах. Их разделяют на два больших класса: когерентные и некогерентные. Некогерентные методы, основанные на прямом поглощении ТГц импульса, позволяют получить информацию об амплитуде сигнала. К таким методам относятся детекторы, основанные на ячейке Голея, полевых транзисторах (ПТ), различные болометрические детекторы и др. Когерентные методы детектирования позволяют извлечь информацию не только про амплитуду, но также и про фазу ТГц импульса. Такие приемники обладают максимальной чувствительностью и быстродействием, а также обеспечивают максимально возможное спектральное разрешение. Чаще всего используются когерентные детекторы на основе фотопроводящих антенн и нелинейных кристаллов. Хотя когерентные детекторы дают больше информации об объекте, они требуют применения более сложной схемы измерений, включающей в себя расщепление сверхкороткого оптического импульса или генератор промежуточной частоты (гетеродин), что сильно затрудняет создание широкоформатных детекторов для систем визуализации на их основе. Кроме этого, в ТГц диапазоне частот они больше подвержены влиянию дробового шума, возникающего вследствие поглощения фонового излучения [F. Sizov, “Terahertz radiation detectors: the state-of-the-art,” Semicond. Sci. Technol. 33(12), 123001 (2018)].
Некогерентные детекторы, к которым относятся и болометры на горячих электронах, используют более простую измерительной схему, что позволяет создать многоэлементную матрицу из множества отдельных элементов для применений, не требующих высокого спектрального разрешения. Поэтому большинство систем визуализации основано на системах прямого детектирования. Болометрические детекторы основаны на принципе изменения сопротивления активной области в результате нагрева после поглощения электромагнитного излучения. Наибольшая чувствительность у охлаждаемых до температуры < 1 К детекторов, что сильно влияет на стоимость и размеры измерительной схемы, а также ограничивает возможности их применения. У неохлаждаемых болометров чувствительность намного ниже из-за паразитного теплового шума, который еще больше возрастает из-за разогрева при поглощении излучения. Что приводит к необходимости использования эффективной системы теплоотвода от активной области. Предлагаемая конструкции болометра на горячих электронах позволяет минимизировать тепловой шум за счет подбора потенциала на затворе и создания потенциального барьера для носителей заряда, что может обеспечить высокую чувствительность прибора даже при комнатной температуре. Также важно отметить, что из-за очень малой энергии ТГц фотона (составляющей около 4 мэВ для частоты 1 ТГц) создание материала, способного напрямую поглощать это излучение при комнатной температуре, само по себе является нетривиальной задачей.
Среди прямых ТГц детекторов наиболее близким к предложенному по принципу действия является детектор на основе полевых транзисторов (field-effect transistor, FET-детектор). В нем на полупроводниковую структуру, содержащую двухмерный электронный газ, являющийся каналом транзистора, нанесены электроды истока, стока и затвора. Поскольку частота плазменных колебаний электронного газа в канале находится в ТГц диапазоне, то детектирование излучения возможно за счет создания стабильных осцилляций благодаря физическому механизму отражения плазменных волн от границ транзистора с последующим усилением их амплитуды. В патенте [US7420225B1], принятом за прототип, описывается FET-детектор, состоящий из структуры с одной или несколькими квантовыми ямами и полевого транзистора на ее поверхности с решетчатым затвором. Решетчатый затвор может состоять из нескольких электродов и иметь как минимум один управляемый независимо от остальных электрод. Подача на такой электрод потенциала в области отсечки ПТ существенно повышает величину резонансного отклика детектора. Решетчатый затвор при подаче напряжения пространственно модулирует плотность электронного газа в канале транзистора и определяет волновой вектор возбуждаемых плазмонных волн, в то время как резонансная частота колебаний плазмонных волн зависят от периода этой решетки и слоевой концентрации электронов в канале. За счет этого авторы смогли повысить чувствительность FET-детектора при работе в селективном (узкополосном) режиме без ухудшения широкополосного режима детектирования по сравнению с ранее предложенными вариантами FET-детекторов [X. G. Peralta et al., “Terahertz photoconductivity and plasmon modes in double-quantum-well field-effect transistors,” Appl. Phys. Lett., vol. 81, no. 9, pp. 1627–1629, 2002]. По сравнению с FET-детектором предложенная конструкция болометра на основе структуры с нанонитями из атомов олова за счет точной настройки затворного потенциала может обеспечить бóльшую чувствительность при работе в широкополосном режиме во всем диапазоне температур, а также возможность поляризационной селективности при поглощении ТГц излучения.
Для создания широкоформатных ТГц приемников, обеспечивающих высокое пространственное разрешение и скорость визуализации изображения, используются двухмерные массивы, состоящие из отдельных пикселей. Каждый пиксель включает в себя тонкий металлический поглощающий слой, нанесенный на термоизолированную мембрану болометра. Для повышения эффективности поглощения ТГц излучения обычно формируются воздушные полости между поглощающим и отражающим слоем на подложке, служащие оптическим резонатором. Размер резонатора определяется длиной волны детектируемого излучения λ и обычно составляет λ/4. Такая конструкция представлена, например, в [US7741604B2]. Недостатками являются невысокая чувствительность и сложность изготовления массива. Малый размер одного пикселя в массиве, общая сложность конструкции и хрупкость висящей в воздухе мембраны болометра вынуждают искать различные способы повышения надежности, как например заполнение полости резонатора диэлектрическим слоем различной толщины [US8541742B2].
Большинство изобретений, связанных с болометрическим принципом детектирования излучения, направлено на поиск эффективного способа обеспечения электромагнитной связи (coupling) ТГц излучения с поглощающим слоем. В [WO2011048170Al] предлагается конструкция детектора, позволяющая организовать емкостной тип связи. Детектор состоит из множества антенн лепесткового типа, расположенных по кругу. В центре находится изолированная от антенн подвешенная мембрана с фотопоглощающим слоем на ней. После попадания ТГц фотонов  на лепестки антенны происходит  преобразование энергии ТГц фотонов в электрический ток за счет фокусирования этой энергии на мембрану посредством емкостной связи. Метод, основанный на использовании резистивной связи, предлагается в [US10393649B2], где используется конструкция болометра, состоящая из направленной антенны 1, которая переизлучает принятое ТГц излучение на антенну 2. Обе антенны ориентируются соосно таким образом, чтобы длина антенны 1 была меньше длины антенны 2 и располагаются над болометрическим детектором. Сигнал формируется за счет определения нагрева антенны 2 при протекании тока в ней. Необходимо отметить, что поскольку прямое поглощение ТГц излучения в материале происходит без потерь мощности, оно всегда будет эффективнее нескольких преобразований энергии с использованием приемной антенны.
Техническим результатом изобретения является простой в изготовлении детектор ТГц излучения болометрического типа с высокой чувствительностью и поляризационной селективностью, способный работать в широком диапазоне температур от 4,2 до 300 К.
F
b
ph
Технический результат достигается за счет использования специальной полупроводниковой структуры с нанесенными электродами стандартной топологии ПТ, состоящей из системы проводящих нанонитей из атомов олова, встроенных в объем кристалла GaAs. За основу взята наноразмерная структура, предложенная в патенте [RU126511U1]. Реализовать такую структуру можно, используя вицинальную подложку GaAs с углом разориентации 0,3˚ от исходной плоскости (100) в направлении плоскости типа (111). Вицинальная поверхность подложки представляет собой террасы шириной 500 Å и высотой, равной половине параметра решетки GaAs (2,83 Å), образующие ступени. Такая ступенчатая поверхность характеризуется всплеском потенциальной энергии на краях ступеней для адсорбированных адатомов эпитаксиально наращиваемого вещества, например, атомов Ga [Y. Tokura, H. Saito, T. Fukui. Terrace width ordering mechanism during epitaxial growth on a slightly tilted substrate // J. Cryst. Growth, 94, 46 (1989)]. Подбирая условия роста и точно дозируя количество электрически активных атомов донорной примеси, попадающих на поверхность, можно сформировать на поверхности одномерные нити, представляющие собой цепочки атомов, занявших вакантные связи на краях ступеней [Khabibullin, R.A., Yachmenev, A.E., Lavrukhin, D.V. et al. Electron transport and optical properties of structures with atomic tin nanowires on vicinal GaAs substrates. Semiconductors 50, 185–190 (2016)]. В данном случае для легирования используется олово, поскольку его атомы проявляют заметную миграционную активность на поверхности, обеспечивающую их эффективную доставку к краям ступеней вицинальной подложки без образования зародышей на террасах. После заращивания системы нитей слоем GaAs получается полупроводниковая структура, зонная структура которой представляет собой множество потенциальных ям с локализованными в них электронами (фиг. 1). Свободные электроны образуют проводящие каналы вдоль направления нанонитей, а электронный транспорт в такой структуре будет проявлять явную анизотропию проводимости в направлении вдоль и поперек нанонитей. Далее на поверхности формируются электрические контакты в стандартной топологии ПТ, включающие в себя сток, исток и затвор таким образом, чтобы ток в канале ПТ тек в направлении перпендикулярно нанонитям. Плотность электронов в ямах может управляться с помощью потенциала на затворе, изменение которого перемещает уровень Ферми на зонной структуре (положение Eпри Ug<0 на фиг.1). Таким образом, прикладывая отрицательный запирающий потенциал на затвор, можно получить как полностью изолированные друг от друга каналы, так и плавно заглублять уровень Ферми в потенциальную яму, оставляя величину барьерного потенциала U нужной величины. Приложив небольшой тянущий потенциал < 1 В между контактами истока и стока и подобрав затворный потенциал таким образом, чтобы за счет заглубления уровня Ферми проводимость в поперечном направлении практически отсутствовала, можно сократить регистрируемый темновой ток исток-сток почти до нуля. Принцип действия предлагаемого болометра на горячих электронах основан на увеличении числа делокализованных электронов при поглощении ТГц излучения и увеличению регистрируемого тока исток-сток (i на фиг.1) при заданном потенциале на затворе. За счет сильной зависимости количества делокализованных электронов от их энергии такой детектор будет обладать повышенной чувствительностью по сравнению с болометрами на базе стандартных наноструктур, а работоспособность обеспечиваться в максимально широком диапазоне температур до 300 К. Поляризационная селективность обеспечивается наличием выделенного направления у нанонитей, блокирующего поглощение излучения с поляризацией, ориентированной в поперечном относительно нанонитей направлении.
Фиг. 1. Принципиальная схема формирования фототока при поглощении ТГц фотонов в структуре, содержащей нанонити из атомов олова, встроенные в кристалл GaAs.
Пример 1
Методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается эпитаксиальная структура, состоящая из системы нанонитей из атомов олова, встроенных в кристалл GaAs. Методом термического, магнетронного или электронно-лучевого распыления на поверхность структуры наносятся металлические контакты в стандартной топологии полевого транзистора, включающие в себя исток, сток и затвор. При этом:
1) Используется вицинальная подложка GaAs с углом разориентации 0,3˚ или 0,4˚ от исходной плоскости (100) в направлении плоскости типа (111);
12
-2
2) Для легирования используются атомы олова со слоевой концентрацией ~ 8×10 см, обеспечивающей формирование цепочек из атомов олова вдоль краев вицинальных террас;
3) Металлические контакты должны быть ориентированы таким образом, чтобы ток в канале полевого транзистора тек в направлении, перпендикулярном сформированным нанонитям из атомов олова;
4) На контакты истока и стока приложено слабое тянущее поле, соответствующее напряжению < 1 В;
5) Затворный потенциал выбирается таким образом, чтобы проводимость в поперечном направлении практически отсутствовала.