Устройство и способ для детектирования электромагнитного излучения
Использование: для детектирования электромагнитного излучения. Сущность: заключается в том, что быстродействующая и миниатюрная система детектирования, в частности, электромагнитного излучения в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах содержит полупроводниковую структуру, имеющую двумерный слой носителей заряда или квазидвумерный слой носителей заряда с включенным одним дефектом или многочисленными дефектами, по меньшей мере первый и второй контакты для слоя носителей заряда и устройство для измерения фотоэлектродвижущей силы между первым и вторым контактами. Работа системы согласно различным осуществлениям основана на резонансном возбуждении плазменных волн в полупроводниковой структуре. Технический результат: обеспечение возможности детектирования электромагнитного излучения в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах посредством быстродействующей и миниатюрной системы детектирования. 2 н. и 34 з.п. ф-лы, 32 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к области устройств детектирования излучений, и, в частности, к устройству и способу детектирования электромагнитного излучения.
Предшествующий уровень техники
В последнее время к диапазону электромагнитных волн, находящемуся в гига-терагерцовой (ТГц) полосе частот, проявляется возрастающий интерес в различных областях науки и техники. Отчасти такой интерес вызван будущей потребностью в высокочастотных компьютерных каналах и системах связи. Кроме того, крупные токсичные молекулы биологических и химических веществ имеют линии резонансного поглощения в терагерцовом диапазоне, что позволяет осуществлять, например, томографию различных тканей человека. Кроме того, можно осуществлять детектирование определенных (химических) боеприпасов и взрывчатых веществ. Другие потенциальные применения могут включать детектирование структурных и других дефектов в материалах, контроль качества пищевых продуктов и исследование астрономических объектов.
Краткое изложение существа изобретения
Нижеследующее является кратким описанием иллюстративных вариантов осуществления изобретения. Оно представлено в качестве предпосылки, чтобы помочь специалистам в данной области техники быстрее усвоить последующее подробное конструктивное рассмотрение, и не предполагается как ограничивающее каким-либо образом объем формулы изобретения, которая прилагается, чтобы акцентировать внимание на изобретении.
Согласно осуществлениям, раскрытым ниже, предложен новый быстродействующий переносный, миниатюрный детектор электромагнитного излучения, основанный на резонансном возбуждении плазмонов в полупроводниковых системах, содержащих двумерные (2D) слои носителей (электронов или дырок) заряда с включенным дефектом. Рабочая частота детектора лежит в миллиметровом/субмиллиметровом диапазонах (соответствующих частотам между 1 ГГц и 10 ТГц). Устройство может содержать одну или несколько полупроводниковых структур, каждая из которых содержит по меньшей мере один двумерный заряженный слой (электронов или дырок) с по меньшей мере одним преднамеренно включенным дефектом и по меньшей мере два потенциальных контакта для слоя или слоев. «Дефект» может представлять собой любую неоднородность, введенную в двумерный заряженный слой. Например, такой дефект можно реализовать в виде вытравленной площади, сужения или расширения, металлического покрытия, примесного легирования, дефекта диэлектрического окружения, структурного дефекта и т.д. В материалах с сильной анизотропией может допускаться движение носителей заряда в трех измерениях, но преимущественно движение осуществляется в двух измерениях, таким образом, содержится «квазидвумерный» слой носителей заряда.
При желании устройство может включать в себя устройство для приложения магнитного поля перпендикулярно к слою носителей заряда и/или средство для настройки плотности электронов в слое носителей заряда. Излучение, воздействию которого подвергается устройство, можно детектировать, измеряя напряжение/ток, наводимый излучением. Матричные камеры можно без труда создавать на основе раскрытого базового детектора вследствие его небольшого размера (обычно порядка нескольких микрометров) и отсутствия движущихся компонентов.
Выходной сигнал измерительного устройства или детектора обеспечивает информацию по меньшей мере одном из наличия электромагнитного излучения и интенсивности падающего электромагнитного излучения. Осуществление системы детектирования может включать в себя матрицы детекторов для получения информации о пространственном распределении по меньшей мере одного из наличия электромагнитного излучения и интенсивности падающего электромагнитного излучения.
Иллюстративный способ детектирования электромагнитного излучения, раскрытый ниже, включает этапы, на которых направляют излучение на устройство, посредством чего вызывают возбуждение плазмонов при наличии электромагнитного излучения; детектируют возбуждение плазмонов при измерении фотоэлектродвижущей силы или фототока, связанного с ним; и формируют/оценивают результат измерения, чтобы получать информацию об электромагнитном излучении.
В соответствии с раскрытыми ниже принципами при рассмотрении работы иллюстративных осуществлений также могут учитываться следующие особенности:
- Падающее электромагнитное излучение связано с электрическими зондами, и/или с двумерным заряженным слоем, и/или с антенной структурой, напыленной на верхнюю поверхность кристалла, в результате чего на них наводится переменный потенциал.
- Переменное напряжение приводит к созданию плазменных волн, которые распространяются в резонаторе, образованном двумерным заряженным слоем.
- Плазменные волны частично отражаются дефектами и резонируют в резонаторе, образованном по меньшей мере одним электрическим зондом и по меньшей мере одним дефектом, и/или в резонаторе, образованном по меньшей мере двумя дефектами. При этом внутри устройства генерируется сложное осциллирующее электрическое поле. Амплитуда этого поля определяется отношением размера резонатора к длине волны плазмонов, которая, в свою очередь, является функцией частоты излучения, приложенного магнитного поля и плотности носителей в устройстве.
- Осциллирующее электрическое поле внутри устройства выпрямляется вследствие нелинейной характеристики устройства, что приводит к появлению напряжения постоянного тока между различными парами электрических контактов. Нелинейная характеристика может быть вызвана нелинейными вольтамперными характеристиками перехода между контактом и заряженным слоем и/или вследствие наличия по меньшей мере одного дефекта. Амплитуда измеряемого сигнала содержит информацию об интенсивности излучения.
Только что рассмотренный в качестве примера принцип работы детектора был продемонстрирован в GaAs/AlGaAs устройствах с квантовыми ямами, изготовленных в виде полоски с двумя контактами на концах, с дефектом или рядом дефектов, включенных на протяжении полоски. Вследствие фотоэлектрического эффекта создавался сигнал, без труда детектирующийся при температурах до 200 K. Должно быть понятно, что в соответствии с принципами, излагаемыми в этой заявке, могут быть выполнены осуществления, работающие при более высоких температурах, до и выше температуры окружающей среды. Безотказная работа детектора согласно иллюстративным осуществлениям подтверждена для частотного диапазона от 1 ГГц до 600 ГГц.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схематичный вид сбоку детектора согласно иллюстративному осуществлению;
фиг.2 изображает схематичный вид сверху детектора с фиг.1;
фиг.3 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления;
фиг.4 изображает схематичный вид сверху осуществления с фиг.3;
фиг.5 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления;
фиг.6 изображает схематичный вид сверху осуществления с фиг.5;
фиг.7 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления;
фиг.8 изображает схематичный вид сверху осуществления с фиг.7;
фиг.9 изображает схематичный вид сверху варианта осуществления, содержащего слой заряда, образованный в виде гетероперехода;
фиг.10 изображает схематичный вид сбоку осуществления с фиг.9;
фиг.11 изображает диаграмму энергетических зон, иллюстрирующую одно осуществление устройства согласно фиг. 9 и 10;
фиг.12 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления, содержащего дефект в виде сужения;
фиг.13 изображает схематичный вид сверху устройства с фиг.12;
фиг.14 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления, содержащего дефект вытравленной площадки;
фиг.15 изображает схематичный вид сверху осуществления с фиг.14;
фиг.16 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления, содержащего ступенчатый дефект;
фиг.17 изображает схематичный вид сверху осуществления с фиг.16;
фиг.18 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления, содержащего два затворных дефекта;
фиг.19 изображает схематичный вид сверху осуществления с фиг.18;
фиг.20 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления, содержащего шесть затворных дефектов;
фиг.21 изображает схематичный вид сверху осуществления с фиг.20;
фиг.22 изображает схематичный вид сбоку варианта осуществления с использованием чередующихся дефектов;
фиг.23 изображает схематичный вид сверху осуществления с фиг.22;
фиг.24 изображает график зависимости фотоэлектрической движущей силы от плотности электронов для иллюстративного осуществления устройства с фиг.10;
фиг.25 изображает график, показывающий результаты измерений при смешении (зависимость нормированной характеристики от частоты в гигагерцах) для иллюстративного осуществления устройства с фиг.10;
фиг.26 изображает график зависимости напряжения детектора от напряженности магнитного поля;
фиг.27 изображает график зависимости напряжения детектора от напряженности магнитного поля;
фиг.28 изображает график зависимости амплитуды сигнала детектора от температуры в градусах Кельвина (K);
фиг.29 изображает график зависимости напряжения детектора от ширины шейки для иллюстративных осуществлений устройства с фиг. 12 и 13;
фиг.30 изображает график зависимости напряжения детектора от магнитного поля для иллюстративного осуществления устройства с фиг. 14 и 15;
фиг.31 изображает график зависимости напряжения детектора от магнитного поля для иллюстративного осуществления устройства с фиг. 18 и 19; и
фиг.32 изображает график зависимости фотоэлектрической движущей силы от магнитного поля.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Существует повышенный интерес к характеристикам элементарных возбуждений, таких как плазменные возбуждения (плазмоны), в низкоразмерных электронных системах. Тенденция такого интереса происходит из научного интереса и многих возможных применений в области детектирования миллиметрового и субмиллиметрового излучения. Плазмоны представляют собой элементарные возбуждения в твердых телах, связанные с осцилляциями плотности заряда относительно фона экранированных примесей. Плазмоны в двумерной электронной системе первоначально регистрировались и наблюдались в жидком гелии в 1976 году, а позднее в кремниевых обращенных слоях (1977) и GaAs гетероструктурах (1979). Спектр двумерных плазмонов в длинноволновом пределе (
) был вычислен еще в 1967 году Штерном в соответствии с:
.
(1)
Здесь 
является волновым вектором плазмона, тогда как 
и 
представляют собой плотность и эффективную массу двумерных электронов. Диэлектрическая проницаемость вакуума и эффективная диэлектрическая проницаемость окружающей среды обозначены как 
и 
, соответственно. Спектр двумерных плазмонов обладает двумя особенностями: (i) он является бесщелевым, то есть частота двумерных плазмонов приближается к нулю, когда 
приближается к нулю, и (ii) частота плазмонов нарущается геометрией и диэлектрическими свойствами вещества в непосредственной близости к двумерной электронной системе посредством эффективной диэлектрической проницаемости 
в уравнении (1). Например, в реальном случае кремниевой МОП-структуры (металл-оксид-полупроводник) спектр двумерных плазмонов принимает вид:
,(2)
где 
и 
представляют собой эффективные диэлектрические проницаемости оксидного и кремниевого слоев, а 
является толщиной оксидного слоя. Для большей части экспериментально демонстрируемых случаев в GaAS/AlGaAs гетеропереходах и квантовых ямах 
, при этом диэлектрическая постоянная GaAs равна 
.
При внесении внешнего перпендикулярного магнитного поля уравнение (1) больше не описывает плазмонные возбуждения в двумерной электронной системе и изменения спектра плазмонов происходят скачком. Магнитное поле вызывает плазменные волны, которые ограничены краем электронной системы и распространяются вдоль края в направлении, определяемом ориентацией поля. Дисперсию этих краевых магнитоплазмонов Волков и Михайлов вычислили в 1988 году в предположении равномерного тензора удельной электропроводности по образцу и крутого падения удельной электропроводности на краю образца:
.(3)
Электропроводность Холла обозначим как 
. Краевые магнитоплазмоны могут наблюдаться, если прикладываемое магнитное поле 
удовлетворяет условию 
. В данном случае 
является циклотронной частотой.
Применительно к вариантам осуществления настраиваемых детекторов электромагнитного излучения, разработано устройство со специальной геометрией. Этой геометрией ограничивается распространение плазмонов в определенное пространство - плазмонический резонатор. Если геометрическая длина резонатора составляет 
, то вследствие интерференции, возбуждаются только плазменные волны с волновыми числами 
(
). Частоту плазмонов можно легко получить на основании законов дисперсии, принятых до настоящего времени.
Фотоэлектрический эффект, наводимый падающим гига-терагерцовым излучением, наблюдался в ряде осуществлений устройства. В частности, в иллюстративных осуществлениях использованы двумерные электронные и/или дырочные системы, при этом плазменные волны возбуждаются падающим излучением. Для простоты ниже использована электронная система, однако должно быть понятно, что эти результаты также применимы к дырочной системе. Семейство устройств схематично показано на фигурах 1-22.
На фигурах 1 и 2 показан иллюстративный вариант устройства 11 согласно иллюстративному осуществлению. Двумерный (2D) электронный газ 13 образуется на границе раздела между подложкой 15 и барьерным слоем 17. Электроны притягиваются к границе раздела электрическим полем, возникающим вследствие наличия потенциала на затворах 23. Соответствующая диаграмма 29 энергетических зон показана справа на фиг.1, где Ef представляет уровень Ферми и Ес и Ev представляют границы зоны проводимости и валентной зоны, соответственно. В устройстве 11 с фигур 1 и 2 двумерный электронный газ 13 удерживается в треугольной потенциальной яме, которая образуется на одной стороне вследствие изгиба границ энергетических зон (изгиба электронных энергетических уровней) и на другой стороне в результате разрыва зоны проводимости.
Электронная система устройства 11 содержит дефект, который образован затворной щелью 27. Для сохранения канала устройства ширина щели 27 должна быть порядка толщины оксида. На каждом конце устройство 11 заканчивается соответствующими контактами 19, 21. Дефект 27 и контакты 19, 21 ограничивают области электронной системы длинами 
и 
. При наличии падающего излучения эти области действуют как объемные плазмонные резонаторы, настраиваемые с помощью потенциала затворов и/или магнитного поля.
Дополнительные осуществления показаны на фигурах 3-22. Все эти осуществления различаются количеством и видом включенных дефектов. Например, устройство 31 с фиг.3 содержит ступенчатый дефект 32, тогда как устройство 33 с фиг.5 включает в себя два ступенчатых дефекта возле позиции 34, разграничивающих три резонатора плазмонов с длинами 
, 
и 
. Наконец, устройство 35 с фиг.7 включает в себя два щелевых дефекта 36, 37.
На фигурах 9-11 показан вариант осуществления, в котором устройство 41 содержит слой 43 заряда, образованный в виде гетероперехода. Устройство 41 включает в себя подложку 47, двумерный слой 43 заряда и два краевых контакта 49, 51. Кроме того, устройство 41 включает в себя единственный металлический затворный дефект 53.
В качестве примера на фиг.11 показана диаграмма 45 энергетических зон для случая AlGaAs/GaAs гетероперехода в устройстве 41. Двумерный электронный газ возникает в потенциальной яме, которая образована на границе между материалами с различными запрещенными зонами. Как показано на фиг.11, иллюстративная структура устройства содержит начальную 10-нанометровую (нм) область из GaAs; 50-нанометровую область из Al0036Ga0,36 с дельта-легированием; 18-нанометровую область из GaAs в виде квантовой ямы (КЯ); область «сверхрешетки» из AlAs, Al0,36Ga0,64As и GaAs; и последнюю область GaAs подложки.
Фотоэлектрический эффект, наводимый падающим гига-терагерцовым излучением, экспериментально наблюдался в ряде осуществлений устройств. Эксперименты выполнялись на GaAS/AlGaAs гетероструктуре 41 с квантовой ямой, показанной на фиг.11. Первое осуществление устройства, которое было проверено, дополнительно показано на вкладке фиг.24. Устройство содержит двумерный слой 43 электронов, преобразованный в геометрию полосы с единственным металлическим затворным дефектом 53. Геометрические параметры устройства были следующими: ширина 
полоски (0,1 мм и 0,5 мм) и различные расстояния L между измерительным электродом 51 и затвором 53 (200 мкм, 100 мкм, 50 мкм, 30 мкм, 10 мкм). Исследования выполнялись при различных положениях затвора на полоске 43, но эти обстоятельства не способствовали значительно пониманию физики работы устройства. Характеристика устройства была представлена сочетанием сигналов от двух резонаторов, образованных дефектом и двумя последовательными контактами. Плотность электронов в образце составляла около n=2×1011 см-2 и низкотемпературная (4,2 K) подвижность около 1×106 см2/В·с. Образец помещали в волновод большого размера, 16×8 мм, или в оптический криостат, позади окна. В случае криостата терагерцовое излучение фокусировали на образец с помощью квазиоптических отражателей и линз. Генераторы перекрывали частотный диапазон от 1 ГГц до 1 ТГц при уровнях выходной мощности в диапазоне от 10 до 0,1 мВт.
На фиг.24 показана зависимость сигнала (мВ) устройства от плотности 
электронов под затвором 53 при микроволновом излучении с частотой f=43 ГГц. Плотность 
электронов настраивали, прикладывая напряжение к затвору 53, эксперимент осуществляли при нулевом магнитном поле. Устройство 41 имеет ширину W=0,1 мм и длину L=0,2 мм. Следует заметить, что в соответствии с уравнением (1) на частоте 43 ГГц первый плазмонный режим возбуждался в резонаторе, образованном между затвором 53 и электрическим зондом 51.
Снова обратившись к фиг.24, мы видим, что на характеристику устройства существенно влияет граничное условие, создаваемое затворным дефектом 53. Сигнал (мВ) детектора возрастает в несколько тысяч раз при изменении 
от n1=n=2×1011 см-2 до 0,2×1011 см-2. На основании экспериментальных данных были сделаны оценки чувствительности 
и эквивалентной мощности 
шума устройства при рабочей температуре 200 K с получением результатов R=103 В/Вт, NEP=10-13 Вт/Гц0,5. Эти значения 
и 
являются сравнимыми со значениями для промышленных гигагерцовых-терагерцовых детекторов, таких как диоды Шоттки, элементы Голея, пироэлектрические детекторы и микроболометры. Однако по сравнению с упомянутыми выше промышленными детекторами, раскрытый плазменно-волновой детектор обладает преимуществом намного меньшего времени отклика (до 10 пс). На фиг.25 показаны для примера результаты измерений со смешением излучений для устройства 41 с затворным дефектом. Излучения от двух микроволновых генераторов с различными частотами смешивали и направляли на устройство. Вследствие нелинейной характеристики устройства выходной сигнал содержал гармонику на разностной частоте двух генераторов. На фиг.25 представлена амплитуда этой гармоники в зависимости от разностной частоты при двух температурах. Ширина полосы смешения достигает 50 ГГц, что соответствует времени отклика τ=20 пс.
Резонансную частоту плазмонного резонатора можно без труда настраивать, изменяя плотность электронов и/или прикладывая внешнее магнитное поле (см. уравнения (1)-(3)). На фиг.26 показано, каким образом магнитное поле (Тл) влияет на сигнал (мВ) устройства. Последовательные максимумы соответствуют возбуждению в резонаторе различных плазмонных режимов с 
(где N=1,2,.. являются целыми числами). Из рассмотрения фигуры становится очевидно, что размер резонатора сильно влияет на расстояние 
между резонансами. Эта особенность подтверждает основную идею плазмонного резонатора. В соответствии с уравнением (3) дисперсия плазменных волн во внешнем магнитном поле 
имеет следующий вид:
.
Последовательные резонансы соответствуют возбуждению плазмонных режимов с (где N=1,2,.. являются целыми числами). То есть, выполняя объединение с уравнением (3), мы получим следующее выражение для расстояния между соседними резонансами:
.
Этой формулой поясняется зависимость между 
и 
на фиг.26. Успешная работа детектора была подтверждена в диапазоне частот от 1 ГГц до 0,6 ТГц. На фиг.27 зависимость сигнальных трасс детектора от магнитного поля представлена для различных частот. Во-первых, из фиг.27 очевидно, что плазмонные резонаторы с различными размерами перекрывают различные частотные диапазоны. Во-вторых, чем выше рабочая частота устройства, тем меньше плазмонный резонатор, который необходим. В нижеследующей таблице показаны экспериментально полученные примерные максимальные рабочие частоты F для плазмонных резонаторов различных размеров L.
| Размер резонатора | L=400 мкм | L=200 мкм | L=100 мкм | L=50 мкм | L=20 мкм |
| Рабочая частота | <40 ГГц | <80 ГГц | <140 ГГц | <0,26 ТГц | <0,6 ТГц |
Таблица показывает, что терагерцовые частоты являются достижимыми без необходимости использования сложных и дорогих субмикронных технологий.
Все эксперименты, ранее рассмотренные, выполняли при температуре 4,2 K. Температурные зависимости фотоэлектрического эффекта для резонаторов с различными размерами представлены на фиг.28. Эксперименты выполняли при нулевом магнитном поле, при этом n1=1×1011 см-2. Кривые для различных 
масштабировали с тем, чтобы они начинались из одной точки при Т=4,2 K. В общем случае чувствительность детектора падает при повышении температуры. Однако для каждого размера резонатора амплитуда сигнала не сильно уменьшается до критической температуры Тс. Например, для L=0,1 мм критическая температура составляет Тс=125 K, но сигнал все еще может наблюдаться даже при Т=200 K. Описанное поведение сигнала можно приписать уменьшению длины когерентности плазмонов в зависимости от температуры. Крутое падение амплитуды сигнала происходит в случае, когда длина когерентности достигает размера резонатора. С теоретической точки зрения (см., например, S.A. Mikhailov, Appl. Phys. Lett. 89, 042109 (2006) длина когерентности плазмонов линейно зависит от концентрации электронов. Поэтому увеличением концентрации и снижением размера резонатора можно повысить рабочую температуру до температуры окружающей среды.
Осуществление устройства 65 (фигуры 12, 13), которое исследовалось экспериментально, представлено на фиг.29. Исследовавшаяся структура имела полосковый слой 67 заряда с встроенным дефектом 69 в виде сужения. Размеры, использовавшиеся при эксперименте, были следующими: L=0,15 мм, W=50 мкм. Частоту излучения выбирали из условия удовлетворения первому плазмонному режиму резонатора. На сигнал (мВ) детектора при нулевом магнитном поле сильно влияет геометрия сужения. В случае простейшей прямоугольной геометрии, показанной на фиг.29, сигнал (мВ) детектора возрастает в достаточной степени при уменьшении ширины W шейки.
На фиг.30 показана работа варианта осуществления, в котором устройство содержит дефект 70 вытравленной площадки (фиг. 14, 15). Плотность 
электронов на площади дефекта была сделана равной n1=n/2=1011 см-2. Исследовались две геометрии с L=0,2 мм и L=0,1 мм. Фотоэлектродвижущая сила устройства в зависимости от магнитного поля (Тл) отображает настраиваемую резонансную характеристику, обусловленную плазмонным резонатором между контактом 51 и дефектом 70. Если размер плазмонного резонатора увеличить в два раза, расстояние между резонансными пиками уменьшится в два раза. Это хорошо согласуется с уравнением (4) и отражает особенности дисперсии плазмонов. На фигурах 16 и 17 показаны варианты осуществления с включением ступенчатого дефекта 71.
На фиг.31 показан случай, когда два затворных дефекта 81 и 83 (например, фиг. 18, 19) реализованы в одном устройстве 72. Рассматриваемое устройство 72 имеет ширину W=50 мкм. Длина L1=150 мкм плазмонного резонатора 85, образованного контактом 49 и дефектом 81, равна длине второго плазмонного резонатора, образованного другим контактом 51 и дефектом 83. Длина третьего плазмонного резонатора, образованного дефектом 81 и дефектом 83, равна L1=40 мкм. На характеристике фотоэлектродвижущей силы устройства (фиг.31) выявляется комбинация сигналов, происходящих от трех независимых плазмонных резонаторов 85, 86 и 87. Осуществление устройства, рассмотренное применительно к фиг.30, обеспечивает благоприятную возможность измерения фотоэлектрической характеристики от отдельного плазмонного резонатора, ограниченного двумя легко настраиваемыми дефектами в отличие от дефекта и не настраиваемой границы контакта.
Возможность настройки варианта осуществления устройства с фиг.31 хорошо показана на фиг.32, где исследовавшееся устройство имеет следующие размеры: L1=300 мкм, L=50 мкм и ширину полоски W=50 мкм. Плотность электронов в устройстве равна n=1,4×1011 см-2. Кривая 107 соответствует случаю, когда только дефект 81 был активным, то есть напряжение прикладывают к затвору относительно контакта 49 и плотность электронов в области дефекта 81 была равна n=1,4×1011 см-2, и при этом плотность электронов в области дефекта 83 не изменялась, n1=n. В случае кривой 108 реализовывалась противоположная ситуация, только дефект 83 был активным. Характеристика фотоэлектродвижущей силы устройства, которая определяется плазмонным резонатором, образованным дефектами 81 и 83, изменяет полярность при перемене активного дефекта. Таким образом, симметрией сигнала устройства можно легко управлять при двух затворных дефектах. Кривая 109 соответствует симметричному случаю, когда функционируют оба дефекта. Очевидно, что асимметрия, вводимая в систему, приводит к значительному увеличению отклика устройства. На вкладке в фиг.31 представлена зависимость изменения амплитуды фотоэлектродвижущей силы, вычисленной для магнитного поля В=1 Тл, от плотности электронов при работающем затворном дефекте. Верхние точки соответствуют активному дефекту 83, а нижние точки соответствуют активному дефекту 81.
На фигурах 20 и 21 показан дополнительный вариант осуществления с использованием шести затворных дефектов 92, тогда как на фигурах 22 и 23 показан вариант осуществления с использованием чередующейся металлизации 101, 102, 103, 104, 105, 106, при этом чередующиеся дефекты обычно соединены.
Должно быть понятно, что экспериментальные данные изложены только для ясности и иллюстрации. Они не предполагаются исчерпывающими или ограничивающими изобретение точными раскрытыми примерами. Хотя различные аспекты изобретения были рассмотрены относительно способа детектирования электромагнитных волн, понятно, что раскрытые сведения и исследования применимы ко всем аспектам управления излучением. Эти аспекты охватывают генерирование, смешение и/или умножение частоты излучения, имеющего конкретную частоту.
Таким образом, изложенное выше описание различных осуществлений изобретения представлено для иллюстрации и описания. Поэтому должно быть понятно, что являются возможными многочисленные модификации и варианты. Такие модификации и варианты предполагаются включенными в объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Твердотельное детекторное устройство, содержащее:
полупроводниковую структуру, имеющую слой носителей заряда, в которой носители заряда движутся в двух измерениях (2D);
один или несколько дефектов, включенных в слой носителей заряда; и по меньшей мере первый и второй контакты для слоя носителей заряда, при этом контакты разнесены на расстояние.
2. Детектор по п.1, дополнительно содержащий:
измерительное устройство для измерения фотоэлектродвижущей силы или фототока между первым и вторым контактами, причем выходной сигнал измерительного устройства обеспечивает информацию по меньшей мере об одном из (а) наличия электромагнитного излучения и (b) интенсивности падающего электромагнитного излучения.
3. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один дефект содержит неоднородность плотности носителей.
4. Устройство по п.3, в котором неоднородность плотности является результатом добавления носителей или примесей или удаления носителей или примесей.
5. Устройство по п.3, в котором неоднородность плотности создана добавлением или удалением носителей путем приложения напряжения к затвору.
6. Устройство по п.5, включающее в себя средство для изменения амплитуды напряжения затвора.
7. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один дефект содержит сужение или расширение.
8. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один дефект содержит неоднородность в слое носителей.
9. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один дефект содержит неоднородность диэлектрического окружения слоя носителей заряда.
10. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере один дефект содержит структурную неоднородность, приводящую к неоднородности эффективной массы носителей.
11. Устройство по п.1, в котором множество дефектов слоя носителей заряда расположено периодически в пространстве.
12. Устройство по п.1, в котором множество дефектов слоя носителей заряда расположено не периодически в пространстве.
13. Устройство по п.1, в котором множество дополнительных контактов для слоя носителей заряда предусмотрено в дополнение к первому и второму контактам.
14. Устройство по п.1, включающее в себя средство для изменения амплитуды магнитного поля, прикладываемого к устройству.
15. Устройство по п.1, в котором магнитное поле включает в себя составляющую поля, перпендикулярную к слою носителей заряда.
16. Устройство по п.1, включающее в себя средство для изменения плотности заряда в слое носителей заряда.
17. Устройство по п.1, в котором двумерный слой носителей заряда является слоем электронов.
18. Устройство по п.1, в котором двумерный слой носителей заряда является слоем дырок.
19. Устройство по п.1, в котором полупроводниковая структура содержит GaAS/AlGaAs гетероструктуру, где Ga является галлием, As является мышьяком и Аl является алюминием.
20. Устройство по п.1, в которой полупроводниковая структура содержит одну из: Si структуры МОП-транзистора, InAs структуры или Si/Ge структуры, где Si является кремнием, In является индием, As является мышьяком и Ge является германием.
21. Устройство по п.1, в котором двумерный слой носителей заряда или квазидвумерный слой носителей заряда выполнен в виде единственной квантовой ямы.
22. Устройство по п.1, в котором двумерный слой носителей заряда или квазидвумерный слой носителей заряда выполнен в виде двойной квантовой ямы.
23. Устройство по п.1, в котором двумерный слой носителей заряда или квазидвумерный слой носителей заряда выполнен в виде сверхрешетки, содержащей множество квантовых ям.
24. Устройство по п.1, в котором двумерный слой носителей заряда или квазидвумерный слой носителей заряда выполнен в виде гетероперехода.
25. Устройство по п.1, содержащее множество одинаковых детекторов, сформированных на одном кристалле.
26. Устройство по п.1, дополнительно содержащее антенную структуру, соединенную с одним из контактов для слоя носителей заряда.
27. Устройство по п.1 в сочетании с по меньшей мере одним из линзы, рупора и волновода для направления электромагнитного излучения на устройство.
28. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя средство для охлаждения устройства до температуры между температурой окружающей среды и температурой кипения жидкого азота.
29. Способ детектирования электромагнитного излучения, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают устройство, включающее в себя двумерный (2D) слой носителей заряда с по меньшей мере одним дефектом; и
подвергают устройство воздействию электромагнитного излучения, посредством чего вызывают возбуждение плазмонов при наличии электромагнитного излучения.
30. Способ по п.29, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:
детектируют возбуждение плазмонов, основываясь на измерении фотоэлектродвижущей силы, и формируют результат; и
оценивают результат, чтобы получить информацию об электромагнитном излучении.
31. Способ по п.29, дополнительно содержащий этап, на котором настраивают частоту электромагнитного излучения.
32. Способ по п.31, в котором этап настройки включает в себя регулирование плотности слоя носителей.
33. Способ по п.31, в котором этап настройки включает в себя регулирование прикладываемого магнитного поля.
34. Устройство по п.1, содержащее множество неодинаковых детекторов, сформированных на одном кристалле.
35. Устройство по п.1, в котором носители заряда имеют возможность двигаться в трех измерениях вследствие сильной анизотропии материала, но преимущественно двигаться в двух измерениях (квазидвумерный слой носителей заряда).
36. Способ по п.29, в котором носителям заряда обеспечивают возможность двигаться в трех измерениях, но преимущественно двигаться в двух измерениях (квазидвумерный слой носителей заряда).
