Металл-Диэлектрик-Металл-Диэлектрик-Металл фотодетектор

Изобретение относится к детекторам излучения, полевым транзисторам, туннельным усилителям с потоком горячих электронов, МДМДМ туннельным структурам для приема излучения миллиметровых и субмиллиметровых волн. Эти структуры в литературе имеют аббревиатуры МИМИМ, МДМДМ, НИНИН, где под М или Н понимают нормальный металлический проводник, Д или И обозначают туннельный диэлектрический слой изолятора.

Известно устройство-аналог: Основанные на электромагнитной тепловой чувствительности многопиксельные матрицы изображения [патент US 2011/0062333 А1], в которых чувствительным элементом является трехслойная структура металл-изолятор-металл (МИМ), принимающая излучение на частотах до 38 ТГц. К недостаткам аналога относится невысокая чувствительность, связанная со слабой нелинейностью МИМ перехода. Одним из вариантов конструкции предлагается использовать планарную МИМИМ туннельную структуру, которая также использует слабую нелинейности МИМ перехода.

Известно устройство-аналог: МИМ диод на основе графена и связанные методы [патент US 9,202,945 В2], в котором используется слой графена в качестве нижнего металлического проводника. Нелинейность устройства связана со сравнительно малым значением работы выхода графена по сравнению с вторым металлическим слоем, например сплава ZrCuAlNi, или чистых металлов Cr, Au, Al, Ni, Сu, Pt, W. В качестве изолятора толщиной несколько нанометров могут быть использованы Al₂O₃, НfO₂, BN. На устройство подается постоянное напряжение смещения ниже туннельного барьера и туннелирование происходит только тогда, когда энергия поглощенного фотона позволяет преодолеть энергетическую щель. К недостаткам такого устройства можно отнести невысокую нелинейность, низкую квантовую эффективность, низкую воспроизводимость и плохую технологичности графеновых пленок.

Известно устройство-аналог: Многослойный фотодиод и метод его изготовления [патент US 8,497,535 В2], в котором реализована вертикальная многослойная структура с чередующимися слоями металла, разделенными туннельным барьером. В такой конструкции необходимо сформировать первый металлический слой, поглощающий излучение, приходящее через прозрачную подложку. Принцип действия устройства основан на фотоэмиссии, когда поглощение фотона вызывает рождение электрона и дырки, вызывая затем лавинообразный рост тока за счет приложенного электрического поля. Принцип действия похож на работу PIN диода, в котором структура имеет горизонтальную геометрию, которая не позволяет реализовать большой градиент напряжения. К недостаткам устройства можно отнести пороговую чувствительность фотоэффекта, ограничивающую снизу энергию кванта излучения на уровне ИК диапазона.

Известно устройство-аналог: Устройство с поверхностными плазмонами [патент US 7,418, 179 В2], в котором реализован распределенный туннельный МИМ переход, в котором излучение возбуждает поверхностные плазмоны, распространяющиеся как в волноводе в виде бегущей волны и вызывающие взаимодействие с электронами и стимулированную эмиссию электрического тока. К недостаткам такого устройства можно отнести невысокую эффективность, связанную с потерями при распространении плазмонов в таком волноводе. Вторым ограничением является высокая граничная частота возбуждения плазмонов.

Известно устройство-прототип: горизонтальная МДМДМ структура для приема излучения на частотах до 200 ГГц [И.Б. Вендик, А.Н. Ермоленко, В.В. Есипов, В.М. Пчелкин, М.Ф. Ситникова, Вольтамперные характеристики МДМДМ структуры, содержащей квазиодномерный проводник иодида тетратиатетрацена, ЖТФ, 58, в. 12, 2323-2329 (1988)]. Устройство представляет собой кристаллы квазиодномерного органического проводника металлического типа длиной несколько миллиметров с поперечным сечением 30×50 мкм. Контакты к кристаллам выполняются нанесением контактного материала на боковую поверхность кристалла. В качестве контактного материала использовался графит на органической связке (аквадаг) и серебряная паста. Таким образом, формируются туннельные диэлектрические контакты (Д) к металлическим электродам (М) из мелкодисперсного графита. Структура проявляет детекторный отклик на частотах до 200 ГГц. К недостаткам устройства можно отнести невысокую чувствительность на уровне -25 дБм или 2 мкВт, ограниченную шумом в контактах. Чувствительность и верхняя частота ограничены слишком большими размерами структуры порядка 30 мкм.

Целью предлагаемого изобретения является: повышение чувствительности, снижение шумов, расширение динамического диапазона, расширение диапазона рабочих температур, повышение воспроизводимости и технологичности изготовления такого устройства.

Поставленные цели достигаются тем, что:

в детекторе МДМДМ, содержащем металлический проводник поглотителя излучения и контакты к этому проводнику с размещением контактного материала через прослойку изолятора, причем проводник поглотителя выполнен в виде тонкой узкой пленки металла, отделенной от металлического контактного материала внешних электродов туннельным барьером. Поставленные цели достигаются также тем, что характерные параметры устройства выбирают в диапазоне: толщина металлопленочного проводника поглотителя 10-30 нм, его ширина 0.1-0.5 мкм, поглотитель может быть выполнен из меди, палладия, гафния, туннельный барьер из Al₂O₃, AlN, НfO формируется толщиной 1-2 нм с удельным сопротивлением 0.5-1 кОм/мкм². Материал поглотителя может быть расположен как снизу, так и поверх контактного материала. Проводник поглотителя излучения может быть выполнен по известной технологии подвешенным над подложкой и не касающимся ее.

Перечень фигур графических изображений

Фигура 1а. Схематическое изображение конструкции МДМДМ структуры, где П - подложка, M1, М3 - контактный материал, расположенный на подложке под металлическим проводником поглотителя М2, Д - диэлектрики, К - подводящие проводники.

Фигура 1б. то же, что (а), но контактный материал M1, М3 расположен поверх металлического проводника поглотителя.

Фигура 1в. то же, что (а), но металлический проводник поглотителя М2 расположен поверх контактного материала M1, М3 висящим над подложкой и не касающемся ее.

Фигура 2. Энергетическая диаграмма при поглощении фотона в поглотителе М2, где 1 - дырки, 2 - электроны проводимости.

Фигура 3а. Оптическая фотография матрицы из 100 последовательно соединенных кольцевых антенн (а); на вставке (б) - изображение в электронном микроскопе собственно МДМДМ структуры: 3 - туннельный МДМ-переход, 4 - поглотитель; (в) - вариации структуры с одним и тремя поглотителями.

Фигура 4. Отклик по напряжению МДМДМ детектора при температуре 0.163 К на излучение при двух напряжениях на источнике излучения черного тела 5 В и 6 В.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

На МДМДМ структуру подается напряжение постоянного смещения. Для умеренного напряжения смещения V отклик по току S_I классического болометра на мощность излучения Р теоретически может достигать S_I=dI/dP=1/V при снижении смещения вплоть до V=kT/e, что соответствует предельному болометрическому отклику S_I=dI/dP=e/kT. Умножив на сопротивление структуры R, получим отклик по напряжению S_V=dV/dP=eR/kT. Увеличением нормального сопротивления туннельных переходов в идеале можно достичь высокого отклика по напряжению МДМДМ в режиме квантового отклика с мультипликацией числа возбужденных электронов [I.A. Devyatov, Р.А. Krutitskii, M.Yu. Kupriyanov, Investigation of various operation modes of a miniature superconducting detector of microwave radiation, JETP Letters, 2006, vol. 84, no. 2, pp. 57-61, doi: 10.1134/S0021364006140037]. Для квантового механизма поглощения излучения без достаточной термализации отклик может оказаться меньше и соответствовать случаю фотонного счетчика, когда токовый отклик снижается до одного электрона на квант S_I=e/hf=900, тогда как при термализации S_I=e/kT=4*10⁴ (для 300 ГГц и 0.3 К).

Приведем два численных примера отклика для стандартных температур 280 мК и 4.2 К. Оптимальные напряжения смещения составляют V_0.28=kT/e=2.3*10^-5=23 мкВ и V_4.2=kT/e=3.4*10^-4=340 мкВ, отклики по току S_0.28=1/V_0.28=4.3*10⁴ А/Вт и S4.2=1/V_4.2=2.9*10³ А/Вт.Можно также оценить эквивалентную шуму мощность МЭШ как отношение тока теплового шума I_n=(4kT/R)^0.5 к отклику по току S=e/kT, т.е. MЭШ=(kT/e)*(4kT/R)^0,5=(2/e)(k³T³/R)^0,5. Для МДМДМ сопротивлением 100 кОм получим МЭШ_0.28=2.8*10^-19 Вт/Гц^1/2 и МЭШ_.2=1.6*10^-17 Вт/Гц^1/2. Спектральная плотность теплового токового шума составляет I_0.28^noise=12 фА/Гц^1/2 и I_4.2^noise=47 фА/Гц^1/2. Эти значения шума сравним с токовыми шумами серийного операционного усилителя на полевых транзисторах типа AD743 и MOSFET типа ОРА111, составляющими 7 фА/Гц^1/2 и 0.5 фА/Гц^1/2, так что оба подходят для системы считывания. Качественное описание квантового поглощения фотонов в МДМДМ структуре с рождением электрон-дырочной пары и появление фототока (детекторный отклик) можно проиллюстрировать с помощью энергетической диаграммы, см. Фиг. 2. Возбужденный высокоэнергетичный электрон туннелирует влево, а высокоэнергетичная дырка вправо, от минуса к плюсу. В итоге через структуру проходит дополнительный фототок. Обычный ток при малых смещениях достаточно мал, поскольку плотности состояний при малом смещении отличаются мало. В случае оптимального выбора геометрии поглотителя и сопротивления туннельных переходов возможна мультипликация (размножение, лавина) возбужденных электронов, что значительно увеличивает токовый отклик.

Оптимальный выбор геометрии заключается в уменьшении объема и линейных размеров поглотителя излучения до толщины 10-30 нм, ширины до 0.1-0.5 нммкм, длины до нескольких микрон, что соответствует уменьшению объема до величин порядка v=10^-20 м³. Это приводит к пропорциональному объему v уменьшению электрон-фононного взаимодействия и мощности тепловых потерь как P=5vΣT⁴ где Σ параметр материала и Т температура образца.

Для получения формулы зависимости отклика МДМДМ от смещения можно рассмотреть три возможных механизма, отклик по току в классическом болометре S_I=dI/dP=1/V, которая работает при снижении смещения вплоть до V=kT/e, формулу для квантового отклика при большом смещении S_I=dI/dP=e/hf, и формулу для отклика в случае термализации в абсорбере S_I=dI/dP=e/kT, которую можно получить домножив предыдущую формулу на коэффициент мультипликации n=hf/kT. Формула квантового отклика при малом смещении содержит два члена, один для прямого тока, совпадающего с полярностью смещения, другой для обратного. В нуле оба тока равны и отклик равен нулю. При напряжении смещения V<hf/e (1.3 мВ для 350 ГГц) и минимальном отклике как для однофотонного счетчика, то формула токового отклика можно записать как:

Считаем, что термализация тем больше, чем меньше смещение, т.е. n=hf/(eV+kT), можем записать полуэмпирическое выражение для токового отклика как

Наши экспериментальные результаты измерения отклика по напряжению для МДМДМ устройств на уровне 1 мкВ при сопротивлениях 1 МОм и 50 МОм соответствуют токовому отклику 1 пА и 20 фА. Токовый отклик составляет dI/dP=e/kT. Фундаментальный предел эквивалентной шуму мощности рассчитывается из собственных шумов детектора. Основным источником шума при низких температурах в туннельных переходах будет дробовой шум тока смещения. Если взять оптимальное напряжение смещения для МДМДМ равное V_b=kT/e, то ток смещения составит I_b=kT/eR, спектральная плотность дробового шума S_In=(2kT/R)^1/2. Это соответствует токовому шуму 100 фА/Гц^1/2 для 1 kОм и 300 мK или 15 фА/Гц^1/2 для 0.1 K и 10 kОм сопротивления. В результате можем записать выражение для эквивалентной шуму мощности МЭШ:

Это соответствует 2.5*10^-18 Вт/Гц^1/2 в первом случае и 1.2*10^-19 Вт/Гц^1/2 во втором. Нет необходимости создавать очень большие матрицы таких болометров для расширения динамического диапазона, поскольку МДМДМ с их линейной ВАХ не сильно перегружаются входным сигналом. Для оптимизации параметров нужно уменьшать площадь туннельных переходов и увеличивать их сопротивление, что позволит избежать токового перегрева таких детекторов и уменьшить МЭШ.

Уменьшение отклика может происходить с увеличением тока смещения, что объясняется джоулевым разогревом абсорбера. В нашем случае объем абсорбера составляет примерно 10^-20 м³. При криогенных температурах электронная температура абсорбера оценивается как P=IV=ΣvT⁵ или T=(V²/RΣv)^0.2. Для сопротивления 1 кОм и напряжения смещения 1 мВ рост температуры составит на 2.5 K, что соответствует снижению отклика как 1/Т, или на порядок по сравнению с базовой температурой 250 мК.

Примеры реализации представлены на Фиг. 3.

Для исследования МДМДМ детекторов мы изготовили образцы, содержащие последовательные цепочки из 100 кольцевых антенн, содержащих по четыре МДМДМ структуры, аналогичных по конструкции исследованным нами ранее в [М. Tarasov, A. Sobolev, A. Gunbina, G. Yakopov, A. Chekushkin, R. Yusupov, S. Lemzyakov, V. Vdovin, V. Edelman, Annular antenna array metamaterial with SINIS bolometers, J. Appl. Phys. 125, 174501 (2019); doi: 10/1063/1.5054160]. В качестве материала поглотителя использована медь, контакты выполнены из алюминия. Толщина поглотителя составляет 20 нм, ширина 100 нм. Сопротивление туннельных контактов составляет 1 кОм/мкм². Оптическая фотография такой матрицы представлена на Фиг. 3а, изображение в электронном микроскопе собственно одной из МДМДМ структур - Фиг. 3б. Для согласования с антенной, сопротивление поглотителя (М2) может регулироваться как размерами пленки, так и путем изготовления нескольких параллельных поглотителей (Фиг. 3в).

Измерение вольтамперных характеристик и отклика на тепловое излучение МДМДМ структур проведено в криостате растворения [V.S. Edelman, A dilution microcryostat-insert, Instr. Exp.Techn., 2009, Vol. 52, No 2, pp. 301-307] при температуре 0.15 К - 1.5 К. Криостат представляет собой вставку в широкогорлый транспортный гелиевый дьюар и обеспечивает предельно малошумящие измерения, поскольку не требует использования шумящих и вибрирующих компрессоров и насосов. Отклик по напряжению на тепловой сигнал в диапазоне 300 ГГц был исследован в этом криостате растворения при использовании электрически нагреваемого источника излучения черного тела и полоснопропускающего фильтра, зависимости отклика по напряжению от смещения на МДМДМ структуре приведены на Фиг. 4.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в достижении эквивалентной шуму мощности не хуже 10^-18 Вт/Гц^1/2 и ампер-ваттной чувствительности не хуже 10⁵ А/Вт при сопротивлении МДМДМ структуры 100 кОм и температуре 0.1 К.