БЫСТРЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Полезная модель относится к устройствам для детектирования электромагнитного излучения терагерцового (ТГц) диапазона на основе углеродных нанотрубок (УНТ) и может быть использована в медицинской и космической промышленностях, телекоммуникационных сетях нового поколения, а также в системах безопасности.
В последнее время наблюдается повышенный интерес к так называемому терагерцовому (ТГц) диапазону электромагнитного (ЭМ) излучения (0.1-10 ТГц), который занимает промежуточное положение в ЭМ спектре между инфракрасным и микроволновым излучением. Этот интерес связан как с прикладными аспектами, так и с новыми научными данными, которые могут быть получены в этом диапазоне частот. С одной стороны, большинство диэлектрических материалов являются практически прозрачными для ТГц излучения. С другой стороны, многие материалы имеют уникальные спектральные характеристики, лежащие в ТГц диапазоне. Идея визуализации и спектрометрического определения скрытых объектов может найти применение в различных областях: от медицины до систем безопасности.
В силу своего положения в ЭМ спектре ТГц технологии лежат на стыке фотоники и электроники. При этом традиционные методы этих областей науки практически не работают в данном диапазоне, получившем название «терагерцовая щель». Таким образом, поиск новых методов детектирования, генерации и манипулирования ТГц излучением, а также разработка высокопроизводительных, стабильных и компактных ТГц-устройств являются крайне необходимы.
Одним из перспективных подходов к созданию быстрых, эффективных детекторов ТГц излучения является использование наноструктур в качестве чувствительного элемента. Помимо очевидного прикладного интереса, исследование взаимодействия ТГц излучения с электронной подсистемой низкоразмерных систем может существенно развить наши представления об электронной структуре данных структур. В частности, может быть исследована зонная структура нанообъектов с шириной запрещенной зоны в несколько мэВ, динамика носителей заряда в ТГц диапазоне, а также роль коллективных и одночастичных возбуждений электронной подсистемы при взаимодействии наноструктур с терагерцовым излучением.
Последние годы графен и углеродные нанотрубки, благодаря своим уникальным оптоэлектронным свойствам, привлекают внимание специалистов в области ТГц технологий. Недавно были предложены и реализованы различные конфигурации детекторов ТГц излучения на основе УНТ и графена [Vicarelli L. et al. Graphene field-effect transistors as room-temperature terahertz detectors // Nature materials. - 2012. - T. 11. - №. 10. - C. 865. Cai X. et al. Sensitive room-temperature terahertz detection via the photothermoelectric effect in graphene // Nature nanotechnology. - 2014. - T. 9. - №. 10. - C. 814. Chudow J. D. et al. Terahertz detection mechanism and contact capacitance of individual metallic single-walled carbon nanotubes // Applied Physics Letters. - 2012. - T. 100. - №. 16. - C. 163503]. Было продемонстрировано широкополосное фотодетектирование в суб-ТГц диапазоне с чувствительностью, достигающей десятков В/Вт, и эквивалентной мощностью шума не более сотни пВт/√Гц в графеновых полевых транзисторах, спроектированных в конфигурации, где падающее излучение связано между электродами истока и затвора [Vicarelli L. et al. Graphene field-effect transistors as room-temperature terahertz detectors // Nature materials. - 2012. - T. 11. - №. 10. - C. 865]. В этой конфигурации фотоотклик обычно связывают с так называемым выпрямлением Дьяконова-Шура (ДШ), возникающим в результате возбуждения плазменных волн в канале полевого транзистора [Dyakonov М., Shur М. Detection, mixing, and frequency multiplication of terahertz radiation by two-dimensional electronic fluid // IEEE transactions on electron devices. - 1996. - T. 43. - №. 3. - C. 380-387]. Однако, другие эффекты также могут также влиять на отклик устройства. Например, фототермоэлектрический эффект (ФТЭ) [Cai X. et al. Sensitive room-temperature terahertz detection via the photothermoelectric effect in graphene // Nature nanotechnology. - 2014. - T. 9. - №. 10. - C. 814], возникающий вследствие возникновения градиента температуры в канале полевого транзистора, подверженного воздействию излучения, а также диодное выпрямление [Chudow J. D. et al. Terahertz detection mechanism and contact capacitance of individual metallic single-walled carbon nanotubes // Applied Physics Letters. - 2012. - T. 100. - №. 16. - С. 163503] могут привести к дополнительному выпрямлению входящего высокочастотного сигнала. В большинстве предыдущих работ была проанализирована зависимость фотоотклика от напряжения затвора только при комнатной температуре, что, как будет показано ниже, затрудняет различение вкладов эффектов ФТЭ и ДШ. Для дальнейшего улучшения характеристик ТГц детекторов на основе УНТ и графена необходимо более глубокое понимание механизмов, лежащих в основе наблюдаемого выпрямления.
Ряд патентов раскрывают технологию единичных детекторов ТГц излучения на основе УНТ (CN 103399349, JP 5107183 (В2), CN 104075811 А, US 8253104 B2, GB 2564981 (A), WO 2018207780 (A1), WO 2018207815 (A1), CN 108731824 (А), WO 2018159638 (А1)). Рассмотрим более подробно принципы функционирования предлагаемых детекторов.
Из открытых источников известны детекторы ТГц излучения на основе УНТ, описанные в статьях Response of asymmetric carbon nanotube network devices to sub-terahertz and terahertz radiation (Gayduchenko I et al, J. Appl. Phys. 118, 194303, 2015) и Carbon nanotube based Schottky diodes as uncooled terahertz radiation detectors (Fedorov G, Phys. Status Solidi В 255 1700227, 2018). Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является ТГц детектор, предложенный в работе 2015 года. В основе работы единичного детектора лежит эффект выпрямления переменного сигнала на нелинейности канала полевого транзистора.
Рассмотрим подробнее принцип работы, основные преимущества и недостатки предложенных детекторов. В работе 2015 года предложены две конфигурации асимметричных ТГц детекторов основе УНТ. В устройствах первого типа асимметрия достигается за счет различного теплового контакта сетки УНТ у электродов исток и сток. В устройствах второго типа сетка УНТ имеет контакт с различными металлами у электродов исток и сток. За основу предлагаемых детекторов взята конфигурация полевых транзисторов, в которых каналом выступает не упорядоченная сетка одностенных углеродных нанотрубок. УНТ синтезируются на подложке методом химического осаждения из газовой фазы. После синтеза УНТ формирования канала транзистора и контактной металлизации осуществляется стандартными литографическими методами. Электроды исток и сток образуют спиральную антенну логарифмического типа и служат для связи с излучением. В качестве подложке используется кремний (с сопротивлением 10 Ом*см), покрытый оксидом. Использование такой подложки позволяет электростатически перестраивать электронные свойства канала транзистора с помощью заднего кремниевого затворного электрода. Отметим, что данная технология изготовления детекторов является промышленно применимой.
Авторами продемонстрирована возможность детектирования суб-ТГц излучения частотой 140 ГГц при комнатной температуре. При этом большую чувствительность проявляют детекторы с асимметричной металлизацией. При температуре 4.2 к устройствам детектируют излучение частотой 2.5 ТГц. В качестве основного механизма детектирования ТГц излучения авторами рассматривается комбинация фототермоэлектрического эффекта (возникающего за счет неравномерного разогрева канала транзистора) и диодного эффекта (выпрямление излучения на барьере, возникающем на границе УНТ/ванадий). К недостаткам представленных детекторов стоит отнести невысокую чувствительность при комнатной температуре 10 В/Вт, а также невысокое быстродействие.
Для увеличения чувствительности детектора в своей работе 2018 года авторы использовали конфигурацию полевого транзистора с асимметричной металлизацией, в котором каналом выступает индивидуальная УНТ. При этом в случае полупроводниковой УНТ чувствительность при комнатной температуре достигала 150 В/Вт на частоте 130 ГГц, а частота отсечки составляет 500 ГГц. Металлические УНТ демонстрируют меньшую чувствительность, при этом их отклик является более широкополосным (до 2.5 ТГц при температуре 300 К). Отметим, что не смотря на то, что авторам удалось увеличить чувствительность устройств, предложенная технология не является промышленно применимой. Устройства на основе индивидуальных УНТ не обладают воспроизводимыми свойствами, а также трудно изготовимы в промышленных условиях.
0.5
Детектор прототип описан в патенте RU 186169 U1 (2018). В нем описан ТГц детектор в конфигурации полевого транзистора, в котором каналом служит сетка углеродных нанотрубок, а электроды исток и затвор образуют плоскую спиральную антенну логарифмического типа. Авторы заявляет о широкополосном детектировании ТГц излучения (0.1 -2Гц) в широком диапазоне температур от 4.2к до 300к. При этом эквивалентная мощность шума детектора не превышает 1 нВт/Гц. Несмотря на то, что характеристики детектора близки к характеристикам коммерчески доступных детекторов, он обладает существенным недостатком. В качестве подложки в рассматриваемом детекторе используется кремний (10 Ом*см), покрытый оксидом. С одной стороны, это дает возможность использовать кремний в качестве затворного электрода. С другой стороны, создается паразитная емкость, которая ограничивает быстродействие устройства. В предыдущих работах этих авторов, известных из открытых источников (Gayduchenko I et al, J. Appl. Phys. 118, 194303, 2015), показано, что быстродействие подобных детекторов определяется их геометрией. Проводящий кремний подложки образует конденсатор с контактными электродами, и время отклика τ=RC, где С - емкость конденсатора, a R - сопротивление канала транзистора. Легко оценить, что выбранная геометрия антенны и сопротивление транзистора (порядка 10 кОм), дают ограничение на быстродействие детектора порядка мкс. При этом, физические процессы, лежащие в основе эффекта детектирования ТГц излучения, обладают гораздо меньшими характерными временами.
Таким образом, основным недостатком детектора - прототипа является его недостаточное быстродействие.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка такого детектора ТГц излучения на основе углеродных нанотрубок, в котором электроды исток и затвор выполнены в виде плоской ТГц антенны для согласования с излучением, а быстрота функционирования делала бы его потенциально применимым в современных система коммуникации.
Новым в разработанном устройстве является то, что:
- детектор терагерцового излучения, содержащий подложку, углеродные нанотрубки, подсоединенные к контактным электродам - исток и сток, расположенным на подложке, затворный электрод, отделенный от углеродных нанотрубок слоем диэлектрика, в котором подложка выполнена из кварца.
Таким образом, технический результат, обеспечиваемый разработанной полезной моделью ТГц детектора на основе углеродных нанотрубок, заключается в увеличении быстродействия устройства.
Разработанная полезная модель детектора поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1 - Общий вид детектора терагерцового излучения на основе УНТ с контактными площадками, выполненными в виде bow tie ТГц антенны.
Фиг. 2 - Внутренние части электродов исток, сток, затвор и сетки УНТ.
Фиг. 3 - Схематическое изображение поперечного разреза детектора.
Фиг. 1 демонстрирует общий вид предлагаемого детектора терагерцового излучения на основе УНТ с контактными площадками, выполненными в виде плоской спиральной антенны логарифмического типа. За основу предлагаемого детектора взята конфигурация, предложенная Дьяконовым и Шуром в 1996. В этой работе рассмотрено детектирование ТГц с помощью полевых транзисторов, в которых каналом выступает двумерный электронный газ, а излучение связано с истоком и затвором. Детектирование излучения в такой системе происходит за счет возникновения плазменных волн в канале транзистора с высокой подвижностью электронов. При этом, если канал транзистора короткий и плазменные волны не успевают затухнуть, то возникает резонансное детектирование. В случае затухающих плазменных волн наблюдается широкополосное детектирование. Другим механизмом, приводящим к выпрямлению ТГц излучения в подобных структурах, является термо ЭДС. Асимметричного дизайн детектора, использующийся в наших устройствах, приводит к тому, что переменный ток, возникающий в детекторе под воздействием ТГц излучения, протекает прежде всего между истоком и затвором. Это в свою очередь приводит к большему нагреву УНТ в районе истока за счет выделения Джоулевого тепла. Возникающий в результате градиент температуры привод к термо-ЭДС. Важно отметить, что выпрямление Дьяконова-Шура и термоэлектрическое выпрямление имеют один знак.
2
3
Предлагаемый детектор представляет собой полевой транзистор, каналом которого является сетка УНТ 1. УНТ могут быть синтезированы методом химического осаждения из газовой фазы непосредственно на подложке детектора, либо синтезированы любым известным методом и перенесены на конечную подложку. Ширина канала транзистора составляет 50 мкм. Увеличение ширины канала транзистора приводит к уменьшению сопротивления устройства. Это в свою очередь приводит к лучшему согласование канала с падающим излучением, а также как будет показано ниже к увеличению быстродействия устройства. Электроды исток 2 и затвор 3 представлены в виде bow tie ТГц антенны. Затвор отделен от канала слоем диэлектрика 5. Затворные диэлектрик изготовлен из А10методом электронно-лучевого напыления. Фиг. 2 демонстрирует схематическое изображение внутренней части детектора. В качестве подложки используется кристаллический кварц. Использование в качестве подложки кристаллического кварца является принципиальным отличием предлагаемой полезной модели от детектора-прототипа. Используя диэлектрическую подложку, мы избавляемся от паразитной емкости, возникающей между металлическими электродами и кремнием подложки. Быстродействие нашего детектора определяется произведением сопротивления устройства на его емкость (характерные времена процессов, лежащих в основе эффектов детектирования, составляют пс). В случае кварцевой подложкой емкость устройства определяется емкостью конденсатора, образованного затворным электродом и графеном. Площадь обкладок этого конденсатора 1000 раз меньше, чем конденсатора, образованного металлическими электродами и кремнием. А быстродействия такого детектора в 1000 раз больше и достигает не.
Фиг. 3 демонстрирует принципиальную схему функционирования детектора. Изготовленный детектор фиксируется на плоской поверхности кремниевой линзы, с помощью которой излучение фокусируется в центре детектора. В результате взаимодействия падающего ТГц излучения с детектором возникает сигнал постоянного напряжения между электродами и исток и сток, который мы рассматриваем в качестве отклика детектора. Генерируемый сигнал может быть считан с помощью стандартного вольтметра.