Широкополосный излучатель инфракрасного и терагерцевого диапазонов длин волн
BROADBAND EMITTER OF INFRARED AND TERAHERTZ WAVELENGTH RANGES

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а именно к источникам излучения инфракрасного и терагерцевого диапазонов длин волн, и предназначенным, в основном, для использования в оптоэлектронике, в измерительной технике, в медицине, в системах безопасности, а также в качестве элементной базы квантовых компьютеров.
Известно Изделие с покрытием из карбида кремния (Патент RU 2684128, опубл. 04.04.2019), которое, как отмечено в описании к патенту применимо, в том числе, для создания специальных оптических покрытий. Изделие содержит основу из материала, температура плавления которого превышает 950°С, в частности, как это отмечено в описании к патенту, это могут быть материалы, используемые для создания электронных компонент, а также двухслойное покрытие из карбида кремния на поверхности основы. Двухслойное покрытие из карбида кремния имеет нижний слой из карбида кремния с нанопористой губчатой структурой и расположенный на нем покрывающий слой карбида кремния с моно- или поликристаллической структурой. Однако описанное в RU 2684128 Изделие не является шорокополосным источником инфракрасного и терагерцевого излучения.
12
14
-2
21
-3
Известен Излучатель, описанный в статье (N.T. Bagraev, V.Yu. Grigoryev, L.E. Klyachkin. High-temperature quantum kinetic effect in silicon nanosandwiches, Low Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur, 2017, v. 43, No. 1, pp 132-142), принятый в качестве прототипа. Ниже приведено описание Излучателя по прототипу и теоретические основы физических эффектов, на которых осуществляется работа прототипа и заявляемого излучателя. Излучатель по прототипу имеет полупроводниковую монокристаллическую подложку из кремния n-типа проводимости. На подложке методом легирования из газовой фазы создан сверхмелкий р-n переход с экстремально высокой концентрацией примеси бора, которая выше предела растворимости бора в кремнии. Высокая концентрация бора приводит к тому, что сверхтонкая р-область р-n перехода самоорганизуется в сандвич-наноструктуру (далее наносандвич), состоящую из сверхузкой (шириной менее 5 нм) продольной квантовой ямы p-типа проводимости с двумерной концентрацией носителей заряда (дырок) в пределах 10-10 см, сверху и снизу ограниченную двумя дельта-барьерами по 3 нм каждый с концентрацией атомов бора не менее 5×10 см. Внутри квантовой ямы сформированы самоорганизованные в процессе технологических термообработок микрорезонаторы. В статье на этом не акцентировано внимание, но для специалиста очевидно, что излучатель снабжен металлическими контактами, сформированными на поверхности наносандвича для протекания продольного тока исток - сток вдоль квантовой ямы (далее - продольный ток).
-
+
+
-
0
Сверхвысокая концентрация бора в дельта-барьерах приводит к тому, что бору энергетически "выгодно" образовать negative-U тригональные дипольные центры из двух атомов бора, один из которых отдает один свой электрон другому и становится ионом с положительным зарядом, а тот, что приобрел дополнительный электрон, становится ионом с отрицательным зарядом. Т.е. образуется связанный дипольный центр В-Впо negative-U реакции 2В→В+В. Такие negative-U тригональные дипольные центры бора самоорганизованно выстраиваются в цепочки, ориентированные в кристаллографическом направлении [110], формируя дельта-барьеры, ограничивающие квантовую яму.
2
В этих условиях в квантовой яме баллистический перенос одиночных носителей заряда может осуществляться по системе параллельных каналов сечением 2×2 нм, каждый из которых ограничен четырьмя цепочками (две в верхнем дельта-барьере, две в нижнем) negative-U тригональных дипольных центров бора. Однако реально баллистическая проводимость осуществляется только в краевых каналах из множества параллельных [Buttiker М., Edge-state physics without magnetic fields, Science, v. 325, p. 278 (2009)].
Таким образом, в излучателе по прототипу сформирована сандвич-наноструктура, содержащая ограниченную дельта-барьерами сверхузкую квантовую яму с краевым каналом, в котором осуществляется баллистическая проводимость одиночных носителей заряда при протекании стабилизированного продольного тока.
Описанный в статье Излучатель изготовлен с использованием кремниевой планарной технологии. Технология включает сухое окисление кремниевой монокристаллической подложки ориентации 100) n-типа проводимости, последующую фотолитографию и травление с формированием окон в окисленном слое. После этого осуществляется легирование в окна методом кратковременной (5 мин) низкотемпературной (800-900°С) диффузии бора из газовой фазы в атмосфере сухого водорода и диборана в качестве источника легирующей примеси. На завершающем этапе технологии на поверхности структуры методами термического напыления и последующей фотолитографии формируются металлические контакты.
В процессе окисления, химического травления и последующей диффузии внутри структуры квантовой ямы образуются самоорганизованные микродефекты. Изначально в любом монокристалле имеется значительная концентрация собственных междоузельных атомов и вакансий, способных при термообработке активно перемещаться внутри структуры и сформировываться в микродефекты в виде кристаллографически ориентированных пирамидок различных размеров и расстояний между ними. Набор таких пирамидок в квантовой яме создает систему микрорезонаторов для излучения инфракрасного и терагерцевого диапазонов длин волн, поскольку их размеры и расстояния между ними соответствуют длинам волн этих диапазонов. Наличие negative-U дипольных центров бора обеспечивает подавление электрон-электронного взаимодействия, что позволяет функционировать Излучателю при "высоких" температурах, вплоть до комнатной.
-7
2
13
-2
ind
Инфракрасное и терагерцевое излучение из таких структур осуществляется следующим образом. К контактам на поверхности наносандвича подается питание от источника тока, в результате чего в краевом канале квантовой ямы протекает стабилизированный продольный ток. Благодаря эффективному подавлению электрон-электронного взаимодействия, дырки внутри краевых каналов формируют цепочки квантовых гармонических осцилляторов, генерирующих излучение вследствие квантового эффекта Фарадея в условиях стабилизированного тока исток - сток, который индуцирует возникновение магнитного поля при протекании вдоль краевых каналов наносандвича. В свою очередь, возникающие кванты магнитного потока, захватываются на отрезки краевых каналов, содержащие одиночные дырки вследствие подавления электрон-электронного взаимодействия и в результате эффекта Фарадея индуцируют в них ток, приводящий к генерации излучения. Будем называть фрагмент краевого канала с одним свободным носителем пикселой. Пиксела способна захватывать кванты магнитного потока либо внешнего, либо, что важно для настоящего изобретения, возникающего при протекании тока вдоль квантовой ямы. В краевом канале осуществляется баллистическая проводимость, причем один свободный носитель (дырка) приходится на длину 16.6 мкм описанного выше краевого канала. В зависимости от величины стабилизированного тока исток-сток возможна реализация двух механизмов генерации излучения. При малых токах (<9⋅10А) доминирует вышеуказанный механизм, возникающий вследствие генерации тока в пикселах при захвате одиночных квантов магнитного потока. При значениях тока много превышающих вышеуказанную величину генерация излучения происходит аналогично рамке, ограниченной двумя встречными джозефсоновскими переходами. В этом случае частота генерации определяется из известного соотношения [Bagraev N.T., Khromov V.S., Klyachkin L.E., Malyarenko A.M., Mashkov V.A., Romanov V.V., RuV N.I., Composite Bosons in Silicon Nanosandwiches. Boson J. Mod. Phys., v. 4, №1, p. 323-337, 2018]: hv=2e где IR, R=h/2e- квант сопротивления, возникновение которого связано с присутствием в системе пикселы с одной дыркой. Так если значение плотности двумерных дырок в используемых наносандвичах 3⋅10 m, размеры пикселы с одиночной дыркой соответствуют 16,6 мкм × 2 нм, что, в свою очередь, приводит к преимущественной генерации ТГц-излучения с частотой 2,8 ТГц. Захват квантов магнитного потока осуществляется не только на одиночные пикселы, но и на все возможные комбинации групп пиксел. Поскольку комбинаций пиксел может быть достаточно много, то в излучателе формируется их распределение по размерам и конфигурациям, а в соответствие с этим возникает и распределение по числу квантов магнитного потока. Очевидно, что подобное распределение пиксел, с захваченными на них квантами магнитного поля и приводит к формированию широкополосного спектра их частот. Дополнительное присутствие в данной системе микрорезонаторов с размерами, сравнимыми с размером пиксел или их групп, которые встроены в краевые каналы, также ведет к дополнительному росту мощности излучателя по прототипу, по сравнению с известными. Кроме того, варьируя параметры микрорезонаторов, которые встроены в краевые каналы наносандвича можно проводить селекцию частоты генерируемого ТГц-излучения. Это обеспечивается наличием negative-U дипольных центров бора в данной структуре.
Недостатком Излучателя по прототипу является малая суммарная удельная мощность во всем спектре излучения, явно недостаточная, в частности, для применения в медицинских диагностических комплексах и в сканирующих модулях систем безопасности, и отсутствие физической возможности для ее повышения. Для достижения положительного эффекта при таких применениях через подобные излучатели необходимо пропускать большие рабочие токи, что приводит как к усложнению аппаратуры в целом, так и к нежелательным деградационным последствиям для самих излучателей, сокращающим срок их эксплуатации.
В основу изобретения поставлена техническая проблема расширения арсенала средств и создания нового излучателя инфракрасного и терагерцевого диапазонов длин волн.
Достигаемый технический результат - повышение суммарной удельной мощности во всем спектральном диапазоне и повышение КПД излучателя.
12
14
-2
21
-3
Заявляемый излучатель имеет основу из кремния n-типа проводимости, на которой сформировано покрытие в виде эпитаксиальной пленки карбида кремния, под которой имеется напористая переходная структура от кремния к карбиду кремния. Поверхность покрытия легирована бором с образованием квантовой ямы p-типа проводимости толщиной менее 5 нм и двумерной плотностью бора в пределах 10-10 см. Квантовая яма ограничена двумя дельта-барьерами с концентрацией примеси бора свыше 5×10 см, толщина каждого из которых не превышает 3 нм. Внутри квантовой ямы сформированы самоорганизованные микрорезонаторы в виде кристаллографически ориентированных пирамидок. На покрытии сформированы контакты.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан заявляемый излучатель. Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено:
Фиг. 1 - заявляемый излучатель (схематично) с выноской: увеличено схематическое изображение квантовой ямы, ограниченной дельта-барьерами.
Фиг. 2 - заявляемый излучатель (схематично) в виде мезаструктуры, с выноской: увеличено схематическое изображение квантовой ямы, ограниченной дельта-барьерами.
Фиг. 3 - зависимости суммарной (по всему диапазону длин волн) мощности излучения от величины рабочего тока: 1- заявляемый излучатель; 2- излучатель по прототипу,
Фиг. 4-Фиг. 6 - зависимости мощности излучения заявляемого излучателя от длины волны. Рабочий ток: 1 - 30 мА; 2 - 50 мА; 3 - 100 мА.
4
Заявленный излучатель, содержит основу 1 (подложку) в виде пластины из кремния п - типа проводимости, традиционно используемого в оптоэлектронике в качестве подложек. На этой основе сформирована эпитаксиальная пленка 2 карбида кремния, под которой находится напористая переходная структура 3 от кремния к карбиду кремния. Такая структура может быть получена по тому же принципу, как это описано в патенте RU 2522812. Кремниевую основу помещают в вакуумную печь, после чего в вакуумную печь подают смесь монооксида углерода с кремнийсодержащим газом (например, силаном SiH) и обеспечивают рост эпитаксиальной пленки 2 карбида кремния с нанопористой переходной структурой 3 протеканием термохимической (при температуре - 950-1400°С) гетерогенной реакции между кремниевой основой и вышеупомянутой газовой смесью.
В результате на поверхности основы 1 получают покрытие - эпитаксиальную пленку 2 карбида кремния, под которой находится напористая переходная структура 3 от кремния к карбиду кремния.
21
-3
12
14
-2
После этого полученное покрытие подвергают отмывке и осуществляют легирование поверхности бором по технологии, описанной в прототипе с применением методов планарной технологии. То есть, осуществляют кратковременную (5 мин) низкотемпературную (800-900°С) диффузию бора из газовой фазы в атмосфере сухого водорода с добавлением диборана в качестве источника легирующей примеси. Специалистам известно, что в любой монокристаллической подложке, какой совершенной она бы не была, всегда имеется высокая концентрация точечных дефектов двух типов: собственный междоузельный атом и вакансия. Известно, что распределение диффундирующих точечных дефектовпо глубине слоя покрытия, а также их способность самогруппироваться в кристаллически ориентированные микродефекты, сильно зависит от концентрации легирующей примеси, температуры и ее градиента. В результате экспериментов были определены температурные режимы, необходимые температурные градиенты и концентрация легирующей примеси в газовой фазе, обеспечивающие формирование на поверхности покрытия квантовой ямы 4 толщиной 2 нм и двух дельта барьеров 5 с концентрацией примеси бора свыше 5×10 см, толщина каждого из которых не превышает 3 нм. При этом экспериментально и теоретически установлено, что для достижения заявленного технического результата толщина квантовой ямы 4 р-типа проводимости должна быть менее 5 нм, а двумерная плотность носителей заряда в квантовой яме - в пределах 10-10 см. Само формирование квантовой ямы есть результат самоорганизации при диффузионном внедрении избыточной концентрации бора. При таких параметрах наносандвича квантовый транспорт работает при комнатной температуре и излучатель не требует охлаждения. Также установлено, что технологические режимы позволяют одновременно с формированием квантовой ямы формировать в ней микрорезонаторы в виде кристаллографически ориентированных пирамидок 6 различных размеров и расстояний между ними. Сами технологические режимы не патентуются, т.к. являются ноу-хау. На конечном этапе изготовления излучателя на поверхность наносят контакты 7 с применением стандартных в оптоэлектронике технологических операций.
Возможен вариант конструкции, при котором после диффузии с помощью фотолитографии и последующего химического травления формируют излучатель в виде мезаструктуры, представленной на Фиг. 2. Применение ИК-Фурье спектрометра Bruker-Physik VERTEX 70 дало возможность определить спектральный диапазон длин волн как прототипа, так и заявляемого излучателя, он составляет 1-668 мкм (частота 4.5 ГГц-30 ТГц).
Сравнительные испытания показали следующие результаты.
2
2
При рабочем токе 30 мА суммарная мощность заявляемого излучателя во всем спектральном диапазоне составляет 130±10 мВт. У излучателя по прототипу при точно такой же площади излучающей области такая мощность достигается при рабочем токе 90 мА. График, представленный на Фиг. 3 показывает, что значение суммарной мощности заявляемого излучателя существенно выше (в 2.6 раза при рабочем токе 30 мА). При рабочем токе 30 мА удельная мощность излучения заявляемого излучателя составляет 10±1 мВт/мм, у прототипа - 4±1 мВт/мм. Соответственно КПД около 21%, у прототипа 8%.
Повышение показателей достигаются за счет применения дополнительных слоев широкозонного полупроводника. Усиление генерации квантов магнитного потока и создание дополнительных условия для их транспорта в краевые каналы осуществляется путем введения в плоскость квантово-размерной структуры систем самоупорядоченных кристаллографически-ориентированных микродефектов.
Повышение показателей достигается также за счет полученного сверхмелкого р-n перехода и описанного выше наносандвича, а также за счет нанопористости переходной структуры 3 от кремния к карбиду кремния. Ток, в процессе протекания, огибает нанопоры переходной структуры. Подобное движение тока есть, ни что иное, как его циркуляция, которая приводит к возникновению микровихрей магнитного потока Дополнительные кванты магнитного потока, образующиеся вследствие дополнительной циркуляции тока, захватываются пикселами в краевом канале. Таким образом, наличие нанопор в излучателе приводит к образованию дополнительных квантов магнитного потока и, как следствие, к росту его удельной мощности.
Широкополосность спектра излучателя является очень важным параметром, особенно для его применения в медицине и в системах безопасности.
В терапии заболеваний различной итиологии широкополосность спектра излучения важна, потому что спектр заявляемого излучателя перекрывает весь энергетический спектр биохимических реакций человеческого организма. Именно это обстоятельство определяет всю широту патологий, подлежащих эффективному лечению с помощью аппаратуры на базе заявляемого излучателя. Кроме того, широкополосность спектра излучателя - ключ к созданию персонифицированной медицины. Поскольку формула ДНК уникальна для каждого человека, собственные колебательные моды белковых молекул также уникальны, но все они лежат в диапазоне частот, который перекрывается широкополосным спектром заявляемого излучателя. Таким образом, определив собственные колебательные моды конкретного человека, можно подобрать конкретный излучатель, спектр излучения которого будет наиболее оптимален.
В медицинской диагностической технике и в модулях построения изображений в системах безопасности широкополосность спектра также очень важна, поскольку в первом случае позволит диагносцировать максимально широкий круг патологий, а во втором - определять максимально широкий круг опасных химических веществ и предметов. При этом в заявляемом излучателе при столь широком спектральном диапазоне существенно увеличивается удельная мощность излучения по сравнению с прототипом.