Быстродействующий фотодетектор
HIGH-SPEED PHOTODETECTOR

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для регистрации импульсного или быстропеременного оптического излучения, и может быть использовано для измерения параметров оптических импульсов (форма и длительность сигнала, интенсивность), состояния поляризации излучения и его направления в пространстве, а также для формирования одиночных или последовательности электрических импульсов или быстропеременных электрических сигналов.
.
Известны устройства, предназначенные для регистрации оптического излучения, функционирование которых основано на использовании различных физических принципов и материалов [1, 2]. К числу важных параметров таких устройств, определяющих области их возможного использования, относятся быстродействие, спектральный диапазон фоточувствительности и др. Конкретные значения (или диапазоны) этих параметров, кроме физических принципов, лежащих в основе их функционирования, и характеристик используемых материалов,  определяются также и его техническим исполнением. К числу быстродействующих детекторов можно отнести, например, лавинные фотодиоды, имеющие высокую чувствительность к свету с определенной длиной волны и обладающие способностью к внутреннему усилению энергии сигнала за счет лавинного размножения носителей вследствие ударной ионизации [1, 2]. Характерная инерционность лавинных фотодиодов составляет около 1 нс. Для обеспечения работоспособности таких фотодетекторов требуется использование внешнего источника питания
Известен фотодетектор, основанный на эффекте увлечения электронов фотонами (photon drag effect), приведенный в [2]. Физическая природа данного эффекта состоит в передаче импульса от фотонов носителям заряда в проводящем материале. Приобретение дополнительного импульса приводит к возникновению электрического тока (или фото-э.д.с.), который возникает одновременно с поглощением света в материале. Таким образом, возбуждение фотоиндуцированного сигнала не требует использования внешних источников питания.
Величина и направление возникающего электрического тока определяются характеристиками оптического излучения (энергия фотонов, угол падения и поляризация) и свойствами материала. Длительность процесса передачи импульса от фотона к электрону определяется физическими механизмами эффекта увлечения электронов фотонами и может составлять менее 1 фс, что потенциально определяет возможность получения высокого быстродействия фотодетекторов на его основе [3]. Практически достижимое быстродействие таких фотодетекторов зависит также от их конструкции и составляет около 1 нс [4, 5]. Возникновение и наблюдение (измерение) электрического сигнала (тока), в результате эффекта увлечения электронов фотонами требует выполнения ряда условий, включая наличие совокупности определенных свойств у материалов, используемых для создания таких фотодетекторов [6]. В частности, такими свойствами обладают кристаллические полупроводниковые материалы типа Si, Ge, A3B5, которые нашли применение для изготовления фотодетекторов на основе эффекта увлечения электронов фотонами [4, 5]. Некоторыми преимуществами, по сравнению с кристаллическими полупроводниками, обладают фотодетекторы на основе гетероструктур, например GaAs/AlGaAs [7,8]. Одной из особенностей детекторов на основе кристаллических полупроводников является то, что условия необходимые для возникновения и наблюдения (измерения) тока электронов, увлекаемых фотонами, происходит при поглощении света с участием внутризонных электронных переходов. Это определяет диапазон спектральной чувствительности таких фотодетекторов, включающий только инфракрасную область спектра [2, 4, 5, 7, 8].
Расширение диапазона фоточувствительности детекторов на основе эффекта увлечения электронов фотонами возможно при использовании углеродных материалов с графеноподобной структурой. Известны примеры наблюдения эффекта увлечения электронов фотонами в одно- и многослойном графене [9], пленках, образованных пластинчатыми кристаллитами графита нанометровой толщины (которые также называют нанографитными чешуйками, углеродными наностенками и др.) [10, 11], углеродных нанотрубках (цилиндрических образований из графена) [12]. Диапазон фоточувствительности в таких материалах простирается от ультрафиолетовой области до дальней инфракрасной (включая ТГц диапазон) [11].
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является фотоприемник по патенту РФ 2351904, H03B 17/00, G01J 11/00, принятый за прототип.
На фиг. 1 представлена схема устройства-прототипа, где обозначено:
1 – проводящая нанографитная пленка;
1.1 – кристаллиты графита;
2 – проводящая подложка;
3.1, 3.2 –электроды;
α - угол падения луча на поверхность фотоприемника;
φ – угол между графеновыми слоями, составляющими кристаллит, и плоскостью подложки.
Устройство-прототип состоит из проводящей нанографитной пленки 1, которая, в свою очередь, состоит из наноразмерных кристаллитов графита 1.1. Нанографитная пленка 1 нанесена на подложку 2, а два проводящих параллельных электрода 4 и 5 фотоприемника выполнены таким образом, что они имеют электрический контакт с кристаллитами на поверхности пленки (фиг.1). Причем один из электродов 4 соединен с положительным входом измеряющего устройства, а другой электрод 5 (как показано на фиг. 1) – с отрицательным входом. Подложка 2 изготавливается из материала, имеющего существенно более низкую электропроводность по сравнению с нанографитной пленкой 1. Электроды 4, 5 могут быть выполнены из любого хорошо проводящего материала, например, из меди. Нанографитная пленка 1 образована кристаллитами графита 2, состоящих из нескольких (примерно от 5 до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев графена. Толщина кристаллитов находится в пределах от 2 до 20 нм, при размерах в других измерениях около 1-3 микрометров. Атомные слои графена всех кристаллитов преимущественно наклонены под некоторым углом φ<90° к поверхности подложки и параллельны между собой в каждом отдельном кристаллите.
Фотоприемник-прототип работает следующим образом. Пучок импульсного оптического излучения (см. фиг. 1) попадает на нанографитную пленку 1, и импульсное оптическое излучение наводит импульсную разность потенциалов между электродами 4 и 5, расположенными на пленке 1. Нанографитная пленка 1 может располагаться как под некоторым углом (угол α), так и нормально к падающему излучению. При нормальном расположении пленки относительно пучка лазера (α=0) величина и знак амплитуды электрического сигнала, снимаемого с электродов, зависит от величины угла φ.
Однако для создания фотодетекторов такие материалы обладают рядом недостатков:
- несмотря на высокое удельное поглощение света в графене и углеродных нанотрубках, абсолютное поглощение в них имеет незначительную величину из-за их небольшой толщины; при этом увеличение толщины поглощающего слоя, например, посредством создания толстых пленок, приводит к увеличению рассеяния электронов на границах раздела между отдельными листами графена или углеродными нанотрубками, что приводит к общему снижению эффективности детектирования оптического излучения с помощью эффекта увлечения электронов фотонами;
- использование пленок, состоящих из пластинчатых кристаллитов позволяет достижение практически полного поглощения света, однако их использование затрудняется наличием массивных подложек, необходимых для получения таких пленок в ходе газофазного осаждения углерода; в случае металлических подложек с высокой собственной проводимостью ток, возникающий в результате увлечения электронов фотонами, шунтируется низким сопротивлением материала подложки; при использовании кремниевых подложек, с относительно высоким сопротивлением, облучение светом приводит к возникновению паразитного сигнала, связанного с градиентом температур (эффект Дембера), такой паразитный сигнал имеет существенно большую длительность по сравнению с быстрым фотооткликом, возникающем в результате эффекта увлечения электронов фотонами, что затрудняет измерение быстропеременных сигналов.
Задача предлагаемого технического решения состоит в устранении шунтирования фотоиндуцируемого электрического сигнала и/или возникновения паразитного медленно изменяющегося сигнала, обусловленного эффектом Дембера и аналогичных ему, связанных с градиентом температур, возникающих под действием оптического излучения.
Для решения поставленной задачи в быстродействующем фотодетекторе на основе эффекта увлечения электронов фотонами, содержащем проводящую нанографитную пленку, представляющую собой кристаллиты графита, и пару электродов, расположенных на пленке по разные ее стороны и имеющие с ней электрический контакт, согласно изобретению, проводящая нанографитная пленка выполнена свободной от проводящей подложки, при этом, по меньшей мере, одна пара электродов размещена на концах отрезков прямых, проходящих через центральную область проводящей нанографитной пленки, на которую направлено оптическое излучение, причем угол между отрезками прямых имеет целочисленные доли от 90 градусов.
Поставленная задача решается тем, что для создания детектора используется тонкопленочный материал, состоящий из пластинчатых кристаллитов графита, имеющих толщину, примерно, от 2 до 20 нм (т.е. состоящих примерно, от 5 до 50 слоев графена, расположенных параллельно друг другу), и преимущественно ориентированных своими боковыми гранями (т.е. составляющими их слоями графена) перпендикулярно поверхности пленки. Такая нанографитная пленка создается посредством синтеза материала с указанными характеристиками на подложке (металл, кремний) и последующего удаления подложки методом, исключающим изменение свойств пленки. Для измерения фотоиндуцированного сигнала пленка электрически соединяется с контактными площадками (электродами). Для обеспечения механической прочности электродов и пленки они могут быть нанесены на массивное основание (подложку) из диэлектрического материала.
Схематическое изображение предлагаемого устройства представлено на фиг. 2 А, где обозначено:
1 – проводящая нанографитная пленка;
2 – диэлектрическая подложка (основание);
3.1, 3.2 – электроды (контактные площадки);
4 – детектируемое оптическое излучение, направляемое на проводящую нанографитную пленку;
α - угол падения луча на поверхность фотоприемника.
На фиг. 2 Б представлена схема предлагаемого устройства с четырьмя электродами.
На фиг. 3 – показаны изображения лицевой (А) и тыльной (Б) сторон нанографитной пленки, полученные с помощью растровой электронной микроскопии.
Для создания быстродействующего фотодетектора используется проводящая нанографитная пленка 1, получаемая посредством газофазного химического осаждения из смеси водорода и метана, активированной разрядом постоянного тока при условиях, аналогичных тем, при которых получены нанографитные пленки, представленные в [10, 11]. Такие пленки обладают близким к 100% поглощением света [13]. Проводящая подложка из металла (никель) или кремния, необходимая для осуществления процесса осаждения пленки, удаляется химическим травлением (удаление никеля производится травлением в концентрированной азотной кислоте, удаление кремния производится травлением в плавиковой кислоте). После травления свободная от проводящей подложки (самоподдерживающаяся) пленка отмывается в дистиллированной воде. При достаточно аккуратном проведении процедур травления в кислоте и последующей промывки в воде, структура и морфология нанографитных пленок остаются такими же, как исходный материал, полученный после осаждения и такие пленки состоят, согласно изображениям, представленным на фиг. 3, из кристаллитов графита, имеющих толщину, примерно, от 2 до 20 нм на лицевой (внешней) поверхности пленки, которые объединяются в структуры толщиной до 1 мкм на ее тыльной стороне (примыкающей к проводящей подложке до ее удаления).
После промывки пленка переносится на диэлектрическую подложку (основание) 2 (на фиг. 2), например, текстолитовую пластину с нанесенными на нее контактными площадками (электродами) 3 (на фиг. 2). Указанные электроды 3 обеспечивают регистрацию (измерение) электрического сигнала в виде напряжения (фото-э.д.с.) или тока (заряда), индуцируемые в результате эффекта увлечения электронов фотонами под действием излучения 4 (на фиг. 2), падающего на пленку в области между электродами 3. В соответствии с закономерностями, описывающими эффект увлечения электронов фотонами, максимальное значение сигнала [3, 6, 9-12] наблюдается при угле падения ɑ близком к 45 градусам. Для регистрации сигнала могут использоваться 2 электрода (контактные площадки), расположенные на противоположных концах отрезка прямой, являющейся проекцией плоскости падения излучения на поверхность пленки, и равном расстоянии от центра освещаемой области. Также могут использоваться 2, 3 или большее число пар контактных площадок (электродов), что позволяет получать информацию о взаимном расположении пленки и плоскости падения излучения (в том случае, если они не известны заранее), а также о состоянии поляризации падающего излучения путем сопоставления результатов измерений, полученных для различных групп контактных площадок (электродов), с известными закономерностями эффекта увлечения электронов фотонами [3, 6, 9-12]. Такие электроды 3 (контактные площадки) размещаются попарно на концах отрезков прямых, проходящих через центральную область фоточувствительной пленки, на которую направляется детектируемое излучение. Целесообразно выбирать угол между этими прямыми, равными целочисленным долям от 90 градусов (90, 45 и т.д.).
Отсутствие массивных проводящих подложек (никель, кремний) определяет получение максимально возможной величины электрического сигнала (из-за отсутствия его шунтирования) и паразитных медленных составляющих сигнала (из-за отсутствия эффекта Дембера и аналогичных ему, связанных с градиентом температур, возникающих под действием оптического излучения).
Проведенные измерения также показали, что предлагаемые фотодетекторы на основе нанографитных пленок, использующие эффект увлечения электронов фотонами, обладают фоточувствительностью в диапазоне длин волн от 200 нм до 10 мкм, аналогично результатам измерений, представленных в [11].
Таким образом, предлагаемый быстродействующий фотодетектор обеспечивает регистрацию быстропеременного (импульсного) оптического излучения с быстродействием выше 1 нс в диапазоне длин волн от 200 нм (ультрафиолетовое излучение) до 10 мкм (дальнее инфракрасное излучение) и может использоваться для измерения зависимости от времени интенсивности быстропеременного оптического излучения, его состояния поляризации и направления распространения, а также для генерации ультракоротких электрических импульсов или быстропеременного электрического сигнала (напряжения или тока).
Техническим результатом является создание быстродействующего широкополосного фотодетектора, предназначенного для регистрации формы импульсного и измерения зависимости от времени интенсивности быстропеременного оптического излучения, а также для генерации ультракоротких электрических импульсов или быстропеременных электрических сигналов, в котором отсутствует шунтировани фотоиндуцируемого электрического сигнала и/или возникновение паразитного медленно изменяющегося сигнала, обусловленного эффектом Дембера, и аналогичных ему, связанных с градиентом температур, возникающих под действием оптического излучения, благодаря отсутствию массивных проводящих подложек. Причем для крепления электродов (контактных площадок) и обеспечения механической целостности проводящей нанографитной пленки может быть использовано диэлектрическое основание (подложка).
Источники информации.
[1] И.Д. Анисимова, И.М. Викулин, Ф.А. Заитов, Ш.Д. Курмашев /Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. – М.: Радио и связь, 1984. – 216 с.
[2] A. Rogalski / Infrared Detectors – NY: CRC Press (2nd Edition), 2010. – 898 p.
[3] J. E. Goff, W. L. Schaich / Theoryofthephoton-drageffectinsimplemetals. - PHYSICAL REVIEW B, 2000, VOLUME 61, NUMBER 15, pp. 10 471-10 477.
[4] Product specification“Photon drag detector Model B749”. – Hamamtsu Photonics K.K., Cat. No. KIRD1038E04 2012.
[5] Product specification “Fast Detectors for Pulsed Radiation”. – ARTAS Advanced Research and Technology and System Vertriebsgesellshaft GmbH, Hopfenweg, Germany.
[6] R. Loudon, S.M. Barnett, C. Baxter/ Radiationpressureandmomentumtransferindielectrics: Thephotondrageffect. - PHYSICAL REVIEW A 2005, Volume 71, pp. 063802.
[7] H. Sigg, S. Graf, M.H. Kwakernaak, B. Margotte, D. Erni, P. van Son, K. Koehler / Ultrafast photon dragdetectorforintersubbandspectroscopy.- Superlattices and Microstructures, 1996. Volume 19, No. 2, pp. 105-114.
[8] S. Graf, H. Sigg, K. Koehler, W. Baechtold / Photondraginvestigationsofcurrentrelaxationprocessesin a two-dimensionalelectrongas. - PHYSICAL REVIEW B 2000. VOLUME 62. NUMBER 15. pp. 10 301-10309.
[9] P.A. Obraztsov, T.M. Kaplas, S.V. Garnov, M. Kuwata-Gonokami, A.N. Obraztsov, Yu.P. Svirko / All-optical control of ultrafast photocurrents in unbiased graphene.- Scientific Reports 2014. Volume 4.Pp.4007.
[10] G.M. Mikheev, R.G. Zonov, A.N. Obraztsov, Yu.P. Svirko / Giant optical rectification effect in nanocarbon films.- Applied Physics Letter 2004, Volume 84, No. 24, pp. 4854-4856.
[11] P.A. Obraztsov, G.M. Mikheev, S.V. Garnov, A.N. Obraztsov, Yu.P. Svirko / Polarisation-sensitive photoresponse of nanographite.-Applied Physics Letter 2011. Volume 98.Pp. 091903.
[12] A.N. Obraztsov, D.A. Lyashenko, S. Fang, R.H. Baughman, P.A. Obraztsov, S.V. Garnov, Yu.P. Svirko / Photon drag effect in carbon nanotube yarns.- 2009. Volume 94.Pp. 231112.
[13] M. Juuti, K.-E.Peiponen, A.N. Obraztsov, R. Silvennoinen, K. Myller / A glossmeterforinspectionofsurface quality of low glossnano-carbon surfaces.-OpticalMaterials2007. Volume 29. Pp.1719–1722.