ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕРАГЕРЦЕВОГО ДИАПАЗОНА
THz-BAND POLARIZATION SENSITIVE DETECTOR

Изобретение относится к устройствам, служащим для детектирования (приема) излучения терагерцового диапазона и установления направления линейной поляризации, а также степени эллиптичности для эллиптической, или же факта циркулярной или степени анизотропии смешанной поляризации. Устройство применяется для исследования сверхпроводников, кристаллов, газов, а также органических соединений, включающих биологические соединения и других объектов, демонстрирующих анизотропные свойства при взаимодействии с излучением терагерцового диапазона, как по причине своего внутреннего строения, так и под воздействием различных внешних возмущений (электрическое поле, механические напряжения и т.д.), приводящих к возможности возникновения анизотропных свойств. Кроме того, устройство применяется при тестировании источников терагерцового излучения с целью определения направления поляризации.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой (длиной волны), интенсивностью и поляризацией (направление электрического поля волны). В каждом конкретном случае наличие определенной поляризации дает информацию о свойствах среды, в которой распространяется излучение и об источнике излучения.
13
18
-3
Из уровня техники известен германиевый детектор для детектирования дальнего инфракрасного диапазона, содержащий кристалл германия, содержащий акцепторную примесь цинка в диапазоне 10 - 10 см, устройство для согласования данного кристалла с излучением, устройство для установления температуры данного образца близкой к абсолютному нулю (холодильник) и устройство для определения уровня энергии указанного образца. Варианты, кроме указанного, включают кристалл германия, содержащий вместо цинка медь (с той же концентрацией) или другой элемент из группы цинка и меди. Принцип действия указанного устройства состоит в возникновении тока, вызванного ионизацией акцепторов в германии через поглощение излучения дальнего инфракрасного излучения. Величина кванта энергии, который несут фотоны указанного диапазона, соответствует энергии ионизации акцепторов в германии. Акцепторы в отсутствии излучения при температуре, близкой к абсолютному нулю, не дают ток, что вызвано их «вымораживанием», то есть захватом на атом примеси. Для уменьшения воздействия излучений других диапазонов предполагается использование фильтров (патент на изобретение US 2816232(A), МПК F17C 3/08, G01J 5/28, H01L 21/00, 10.12.1957).
Недостатком такого устройства является отсутствие поляризационной чувствительности.
15
16
-3
16
Также известен фотопроводящий детектор на основе германия, легированного бериллием. Данное устройство служит для детектирования дальнего инфракрасного диапазона и содержит кристалл германия, содержащий акцепторную примесь бериллия в диапазоне 1×10 - 2×10 см, устройство для согласования данного кристалла с излучением, устройство для установления температуры данного кристалла близкой к абсолютному нулю (холодильник) и устройство для определения уровня проводимости указанного кристалла. Варианты, кроме указанного, включают кристалл германия, содержащий акцепторную примесь бериллия с концентрацией 1×10. Принцип действия указанного устройства состоит в возникновении тока, вызванного ионизацией акцепторов в германии через поглощение излучения дальнего инфракрасного излучения. Величина кванта энергии, который несут фотоны указанного диапазона, соответствует энергии ионизации акцепторов в германии. Акцепторы в отсутствии излучения при температуре, близкой к абсолютному нулю, не дают ток, что вызвано их «вымораживанием». Для уменьшения воздействия излучений других диапазонов предполагается использование фильтров (патент на изобретение US 3457409(A), МПК H01L 31/08, H01J 39/00, H01J 39/12, H01L 13/00, 22.07.1969).
Недостатком такого устройства является отсутствие поляризационной чувствительности.
14
14
-3
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является детектор терагерцового диапазона, включающий кристалл германия, содержащий донорную примесь сурьмы с концентрацией 10 - 3×10 см, вырезанный в виде прямоугольного параллелепипеда с нанесенными металлическими контактами, к которым приложено напряжение, охлаждающее устройство (холодильник) для обеспечения температуры кристалла германия не выше температуры жидкого гелия, входное окно для ввода излучения, устройство регистрации сигнала, представляющее собой электрическую схему, которая позволяет регистрировать изменение проводимости кристалла германия при поглощении терагерцового излучения. В случае необходимости для слабых сигналов используется электрическая схема с усилителем (Beeman, J.W., Hansen, W.L., Dubon, O.D., & Haller, E.E. Hight performance antimony-doped germanium photoconductors. Infrared physics & technology, 37(7), p. 715-721(1996)).
Недостатком указанного устройства является отсутствие поляризационной чувствительности.
Так как германий является кубическим полупроводником, то коэффициент поглощения в нем является изотропным, то есть не зависит от поляризации падающего на детектор излучения, следовательно, данный детектор не является поляризационно-чувствительным (избирательным).
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании такой конструкции поляризационно-чувствительного детектора терагерцового диапазона, которая исключала бы указанный выше недостаток.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, состоит в создании детектора терагерцового диапазона обладающего поляризационной чувствительностью.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является расширение функциональных возможностей устройства, так как оно позволяет определять направление поляризации детектируемого излучения терагерцового диапазона.
Определение поляризации излучения необходимо в случае, когда происходит измерение свойств оптически активных веществ, то есть веществ, обладающих определенной симметрией и способных изменять поляризацию при облучении их излучением лазера с известной поляризацией. В частности, речь может идти о кристаллах с двулучепреломлением и некоторых органических молекулах. Определение поляризации излучения позволяет получить данные о пространственной ориентации кристаллов и молекул. Кроме того, исследование поляризации излучения может дать информацию о свойствах некоего удаленного (неизвестного, нового) источника излучения или свойствах среды, в которой распространяется излучение.
14
16
-3
Технический результат достигается в поляризационно-чувствительном детекторе терагерцового диапазона, включающем оптически связанные входное окно для ввода излучения и монокристаллический германий, вырезанный в форме прямой призмы и связанный электрически или оптически с устройством регистрации сигнала. Поляризационно-чувствительный детектор терагерцового диапазона включает холодильник, служащий для установления температуры монокристаллического германия. Монокристаллический германий содержит донорную примесь сурьмы или фосфора или мышьяка или висмута или лития с концентрацией 10 - 10 см. Поляризационно-чувствительный детектор терагерцового диапазона включает модуль давления, выполненный с возможностью изменения взаимной ориентации монокристаллического германия и поляризации входного излучения в плоскости, перпендикулярной направлению входного излучения, и возможностью одноосного сжатия монокристаллического германия в направлении, перпендикулярном направлению входного излучения. При этом одноосное сжатие направлено вдоль:
- кристаллографической оси кристалла [111], перпендикулярной основаниям прямой призмы, в форме которой вырезан монокристаллический германий или
- эквивалентной оси из семейства <111>, перпендикулярной основаниям прямой призмы, в форме которой вырезан монокристаллический германий или
- оси, составляющей с ближайшей из кристаллографических осей семейства <111> кристалла угол, меньший половины наименьшего угла между двумя эквивалентными кристаллографическими осями <111>, перпендикулярной основаниям прямой призмы, в форме которой вырезан монокристаллический германий.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
14
16
-3
Поляризационно-чувствительный детектор терагерцового диапазона, включающий оптически связанные входное окно для ввода излучения 1 и монокристаллический германий 2, вырезанный в форме прямой призмы и связанный электрически или оптически с устройством регистрации сигнала 3. Поляризационно-чувствительный детектор терагерцового диапазона включает холодильник 4, служащий для установления температуры монокристаллического германия 2. Монокристаллический германий содержит донорную примесь сурьмы или фосфора или мышьяка или висмута или лития с концентрацией 10 - 10 см. Поляризационно-чувствительный детектор терагерцового диапазона включает модуль давления 5, выполненный с возможностью изменения взаимной ориентации монокристаллического германия 2 и поляризации входного излучения в плоскости, перпендикулярной направлению входного излучения, и возможностью одноосного сжатия монокристаллического германия 2 в направлении, перпендикулярном направлению входного излучения. При этом одноосное сжатие направлено вдоль:
- кристаллографической оси кристалла [111], перпендикулярной основаниям прямой призмы, в форме которой вырезан монокристаллический германий 2 или
- эквивалентной оси из семейства <111>, перпендикулярной основаниям прямой призмы, в форме которой вырезан монокристаллический германий 2 или
- оси, составляющей с ближайшей из кристаллографических осей семейства <111> кристалла угол, меньший половины наименьшего угла между двумя эквивалентными кристаллографическими осями <111>, перпендикулярной основаниям прямой призмы, в форме которой вырезан монокристаллический германий 2.
На чертеже изображена стрелка 6, показывающая направление распространения исследуемого излучения.
Направление [111] и направления [1-1-1], [-1-11], [-11-1] кубического кристалла считают эквивалентными направлениями, поскольку ориентация кубического кристалла определяется с точностью до эквивалентного направления. Эквивалентные направления указывают при помощи угловых скобок. В соответствии с этим обозначение <111> относится к семейству направлений, эквивалентных направлению [111].
В заявленном устройстве монокристаллический германий 2 содержит донорную примесь сурьмы или фосфора или мышьяка или висмута или лития. Таким образом, монокристаллический германий 2 легирован мелкими донорами, что обусловлено энергией активации этих доноров, соответствующей терагерцовому диапазону.
14
16
-3
Диапазон допустимых концентраций 10 - 10 см указанной донорной примеси определяется важностью такой характеристики как чувствительность, то есть способность детектора обнаруживать сигнал излучения минимальной мощности. Как правило, увеличение концентрации доноров приводит к увеличению чувствительности, то есть чувствительность прямо пропорциональна концентрации. Однако, при достижении уровня концентрации, когда орбиты электронов, принадлежащие соседним донорам, начинают перекрываться, возникает примесная зона, что приводит к увеличению темнового тока детектора и заметному снижению чувствительности.
Оценку уровня концентрации, при которой начинает происходить перекрытие, можно сделать исходя из следующего выражения:
1/3
N*R≈0.25,
15
-3
17
-3
где N - концентрация, a R - радиус возбужденного электронного состояния (орбиты). Так, для высоковозбужденых состояний радиусы могут достигать величин ста нанометров, что дает концентрацию около 10 см. Так как нижележащие уровни обладают меньшими радиусами, то для них включение в примесную зону происходит при больших концентрациях. В случае самого нижнего возбужденного уровня р-типа сурьмы в германии характерный радиус достигает 5 нм в изотропном приближении, что дает характерную концентрацию около 10 см.
17
-3
18
-3
Дальнейшее увеличение концентрации приводит к переходу детектора в режим детектора, работающего на другом механизме, а именно, прыжковой проводимости при концентрации выше 10 см, и поглощении свободными носителями при концентрации выше 10 см. Указанные режимы также должны обладать свойством поляризационной избирательности при одноосной деформации, однако различные механизмы поглощения требуют различных подходов к конструкции детектора.
11
12
-3
-1
-1
2
-14
-15
2
14
16
-3
Нижняя граница концентрации определяется также нижним уровнем достаточной чувствительности и может быть сколь угодно малой, так как уменьшение концентрации до определенной степени можно компенсировать увеличением толщины детектора в направлении прохождения излучения. Однако существует уровень концентрации, который можно зарегистрировать с помощью различных методов, а также уровень контролируемого введения примеси. Оба эти параметра находятся в районе 10 - 10 см. Как известно, сигнал детектора пропорционален количеству поглощенных фотонов, а значит, определяется коэффициентом поглощения среды. Кроме того, чтобы излучение эффективно поглощалось в детекторе, характерная толщина должна быть порядка α, где α - коэффициент поглощения, измеряемый в см. В свою очередь, α=σ*N, где: σ - сечение поглощения, измеряется в см и для доноров в германии в терагерцовом диапазоне составляет порядка 10 - 10 см, N - концентрация поглощающих атомов. На практике наиболее удобно выбрать диапазон концентраций 10 - 10 см, как контролируемый и позволяющий достичь оптимального уровня чувствительности при разумных размерах детектора.
Кристаллический германий является многодолинным полупроводником, в котором четыре долины в зоне проводимости ориентированы вдоль кристаллографических направлений <111>. В отсутствие деформации кристалла все долины эквивалентны. Каждая из долин представляет собой эллипсоид вращения, вытянутый в обратном (энергетическом) пространстве вдоль осей <111>. Таким образом, отдельно взятая долина анизотропна, причем анизотропия определяется продольной (при движении вдоль оси долины) и поперечной (при движении поперек оси долины) массами 1.58 и 0.082 от массы свободного электрона. Однако с учетом всех долин кристалл изотропен, то есть его оптические свойства не зависят от направления. Если кристалл подвергнут давлению, то кристалл может перестать быть изотропным.
t
l
Изотропное сечение определяется по формуле: σ=(2*σ+σ)/3
t
где: σ - сечение для поляризации излучения поперек оси долины,
l
σ - сечение для поляризации излучения вдоль оси долины.
Таким образом, сечение выражается через продольное и поперечное сечения. В случае доноров в германии отношение величины поперечного к величине продольного сечения достигает 110 раз. В случае сжатия вдоль [111] одна долина (вдоль которой направлена сила) уходит вниз в энергетическом пространстве, а три - вверх; в случае направления [110]- две долины вверху, а две внизу; в случае [100] долины не сдвигаются друг относительно друга, и коэффициент поглощения в германии, легированном донорами остается изотропным. В общем случае величина сдвига долин зоны проводимости определяется скалярным произведением вектора давящей силы на единичный вектор, направленный вдоль оси долины. Случай давления вдоль [111] является наиболее удобным, так как при нем давление, когда вкладами верхних долин в основное состояние донора можно пренебречь, минимально. Возможны отклонения от направления [111] для давления в некотором конусе углов (максимально возможное отклонение от оси конкретной долины порядка 35 градусов), но чем больше отклонение, тем большее давление необходимо приложить, чтобы достичь такого же эффекта с точки зрения величины расщепления (разности энергий между верхними и нижними долинами), а значит, вкладов в основное состояние донора. Таким образом, если в отсутствии деформации анизотропия однодолинного сечения компенсируется вкладами всех долин, то при деформации кристалла вдоль [111] основное состояние донора становится однодолинным, что и приводит к анизотропии сечения поглощения.
Модуль давления 5 выполнен с возможностью изменения взаимной ориентации монокристаллического германия 2 и поляризации входного излучения в плоскости, перпендикулярной направлению входного излучения, и возможностью одноосного сжатия монокристаллического германия 2 в направлении, перпендикулярном направлению входного излучения.
Пример выполнения устройства
Входное окно для ввода излучения 1 выполняется из материала, прозрачного для терагерцового излучения и не влияющего на поляризацию, в качестве которого можно выбрать ТРХ (полиметилпентен) или алмаз.
15
3
Монокристаллический германий 2 легирован сурьмой с концентрацией 10 см и вырезан в виде прямоугольного параллелепипеда с нанесенными на две противоположные грани омическими контактами (на чертеже не показаны) для подключения монокристаллического германия 2 к электрической цепи (на чертеже не показана).
Устройство регистрации сигнала 3 может быть выполнено в виде источника напряжения и амперметра для измерения тока в электрической цепи (на чертеже не показаны), элементом которой является монокристаллический германий 2.
В качестве холодильника 4 может быть использован стандартный оптический заливной гелиевый криостат таких производителей, как Infrared Laboratories, Janis Research (США), Cryotrade (Россия), QMC Instruments (Великобритания) и другие.
Модуль давления 5 позволяет создавать одноосное сжатие монокристаллического германия 2 и может быть выполнен в виде устройства (на чертеже не показано), содержащего поршень, опору, винт, пружину, два цилиндра, один из которых вставлен в другой. Внутренний цилиндр имеет цилиндрическую полость в боковой поверхности конечной толщины, в которой находится винт, а также содержит пружину, расположенную между поршнем и винтом, имеющим ход в направлении от боковой поверхности цилиндра к оси вращения цилиндра. Давление передается от винта через пружину и поршень на монокристаллический германий 2, опору и внутреннюю поверхность внутреннего цилиндра, при этом кристаллографическая ось [111] монокристаллического германия 2 совпадает с направлением давления и перпендикулярна двум противоположным граням и оси вращения внутреннего цилиндра, а ось вращения внутреннего цилиндра совпадает с осью, проходящей через центр двух других противоположных граней, не имеющих нанесенных омических контактов и параллельных входному окну для ввода излучения 1.
Заявленное устройство работает следующим образом.
14
16
-3
Под действием модуля давления 5 происходит одноосное сжатие монокристаллического германия 2, содержащего донорную примесь сурьмы или фосфора или мышьяка или висмута или лития с концентрацией 10 - 10 см, находящемся в условиях охлаждения до температуры менее 10 Кельвин за счет воздействия холодильника 4, подавляющая часть донорных электронов находится на основных донорных уровнях и не дает вклад в проводимость кристалла. При этом устройство регистрации сигнала 3 регистрирует определенный уровень проводимости, обусловленный фоновым сигналом. В случае появления излучения линейной поляризации в терагерцовом диапазоне, оно проходит через входное окно для ввода излучения 1 и попадает на монокристаллический германий 2. Происходит поглощение этого излучения и переход электронов с основного состояния донора в зону проводимости германия, что приводит к увеличению проводимости монокристаллического германия 2, измеряемой устройством регистрации сигнала 3. Уровень сигнала при фиксированной интенсивности излучения зависит от угла между осью долины [111], или эквивалентной, и вектором поляризации, изменяясь по синусоидальному закону, будучи максимальным при угле 90 градусов и минимальным при угле 0 градусов.