Поляризаційно-чутливий плазмон-поляритонний фотодетектор на основі бар’єра шотткі

Реферат: Поляризаційно-чутливий плазмон-поляритонний фотодетектор на основі бар'єра Шотткі належить до області розробки оптоелектронних твердотільних пристроїв, дія яких базується на методах спектроскопії поверхневих плазмонних поляритонів (ППП), зокрема до плазмонполяритонних фотодетекторів для високоточного та ефективного аналізу стану поляризації світла та фізичних і хімічних властивостей різноманітних речовин. Такі пристрої можуть знайти застосування в промисловості, медицині, енергетиці та для неруйнівного контролю стану навколишнього середовища. Поляризаційно-чутливий плазмон-поляритонний фотодетектор на UA 103379 C2 (12) UA 103379 C2 основі бар'єра Шотткі, який складається з поверхнево-бар'єрної гетеростуктури, а саме напівпровідникової підкладки, на яку нанесено шар металу, що має періодично-профільовану межу поділу метал/повітря у вигляді дифракційної ґратки, який відрізняється тим, що напівпрвідникова підкладка є плоскою, а для формування періодично-профільованого рельєфу на межі поділу метал/повітря використовується багатошарова структура на основі шару металу та нанодротів халькогенідного напівпровідника, яка має антикорельований рельєф, коли профілі інтерфейсів метал/напівпровідник та метал/повітря мають різну форму, а її товщина є періодичною функцією планарної координати з періодом, що дорівнює періоду дифракційної ґратки. За допомогою створеного фотодетектора для видимого спектрального діапазону (0,50,8 мкм), досягається підвищення його чутливості при збереженні простоти конструкції, невеликих габаритів та малих матеріальних і енергетичних затратах, котрий об'єднує в одному елементі як збудження ППП, так і реєстрацію вихідного сигналу. UA 103379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області розробки оптоелектронних твердотільних пристроїв, дія яких базується на методах спектроскопії поверхневих плазмонних поляритонів (ПППП), зокрема до плазмон-поляритонних фотодетекторів для високоточного та ефективного аналізу стану поляризації світла та фізичних і хімічних властивостей різноманітних речовин. Такі пристрої можуть знайти застосування в промисловості, медицині, енергетиці та для неруйнівного контролю стану навколишнього середовища. ППП - це особливий вид неоднорідних електромагнітних хвиль ТМ-типу, які розповсюджуються вздовж межі поділу двох середовищ (одне із яких обов'язково є поверхневоактивним) та характеризуються сильною локалізацією напруженості електромагнітного поля на цій межі [1, 2]. Обов'язковою умовою збудження ППП є фазовий синхронізм збуджуючої однорідної електромагнітної та ППП хвиль. Резонансні умови збудження ППП, при інших незмінних умовах, визначаються оптичними властивостями контактних шарів. Зміна властивостей одного із середовищ впливає на умови взаємодії між збуджуючою хвилею і ППП, що може бути зареєстроване за зсувом плазмон-поляритонного резонансного максимуму на спектральній або кутовій характеристиках. Таким чином, використання спектроскопії ППП внаслідок високої чутливості методу до зміни параметрів контактних шарів, є одним із перспективних аналітичних методів на сучасному етапі розвитку сенсорики, медицини, біології ті ін. Відомий поляризаційно-чутливий детектор поверхневого-плазмонного резонансу, який працює на основі резонансного перетворення електромагнітного випромінювання спочатку в ППП, а потім ППП в електричний сигнал у бар'єрі Шотткі, може бути застосований як у фізичних, так і у хімічних сенсорах. Принцип дії сенсора для визначення малих концентрації газу (наприклад, NO2) в навколишньому середовищі, описаний у статті [3]. Детектор містить поверхнево-бар'єрну гетероструктуру p-Si/Cr-Au з періодично-профільованими межами поділу метал/напівпровідник і метал/повітря та джерело р-поляризованого монохроматичного випромінювання. Металева плівка, нанесена на профільовану напівпровідникову підкладку, утворює бар'єр Шотткі та має корельований рельєф її поверхонь. Таким чином, бар'єрна структура одночасно є чутливим елементом та перетворювачем сигналу сенсора. Селективність до двоокису азоту досягається нанесенням плівки фталоціаніну 18-crown-6 Н2рс товщиною 15 нм на поверхню металу. Принцип роботи сенсора полягає у вимірюванні кутової залежності фотоструму бар'єрної структури при опромінюванні її поляризованим монохроматичним світлом певної довжини хвилі (633 нм або 670 нм) в режимі збудження ППП. По зміщенню та розширенню резонансного максимуму внаслідок поглинання селективно-чутливою плівкою газу NO2 детектують його наявність та визначають концентрацію. Перевагами запропонованої схеми є її компактність, простота конструкції та можливість суміщення з промисловими технологіями опто- та мікроелектроніки. До недоліків описаного приладу можна віднести необхідність травлення напівпровідникової підкладки з метою створення поверхневого рельєфу, що є причиною погіршення бар'єрних властивостей гетероструктури та накладає обмеження на її тип, легування і мінімальну товщину. Використання для виготовлення фотодетектора Si, порівняно з прямозонним напівпровідником (GaAs), який має більший коефіцієнт поглинання, зменшує ефективність перетворення ППП у фотострум. Найбільш близьким до приладу, що заявляється, можна вважати плазмон-поляритонний фотодетектор для визначення концентрації домішок етанолу в газових сумішах [4]. Чутливий елемент фотодетектора є фотоприймачем на основі бар'єра Шотткі з періодичнопрофільованою межею поділу метал/напівпровідник типу дифракційної ґратки. Дифракційна ґратка з періодом 750 нм та глибиною штриха 55 нм на поверхні напівпровідника (GaAs) формувалась методом фотоіндукованого інтерференційного травлення [5]. Бар'єр Шотткі формувався при нанесенні металевої плівки на профільовану поверхню напівпровідника методом термічного осадження у вакуумі. При цьому форма металевої плівки задається корельованим рельєфом, тобто її товщина залишається незмінною вздовж планарної осі координат, а інтерфейси (електромагнітні хвилі, що поширюються вздовж поверхні) метал/напівпровідник та метал/повітря повторюють періодичний профіль напівпровідникової підкладки. Селективно-чутлива плівка калікс[4]резоциноларену товщиною 51 нм (40 моношарів) осаджувалася на поверхню металу методом Ленгмюра-Блоджетт, її оптимальна товщина визначалася з умов досягнення достатньої чутливості сенсорної системи до етанолу. При опроміненні поверхні детектора р-поляризованим світлом із довжиною хвилі λ=750 нм при куті падіння (Θ), що забезпечує виконання закону збереження імпульсу, на межі поділу селективно-чутлива плівка/метал збуджується ППП і відповідно на кутовій залежності 1 UA 103379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фотоструму спостерігається резонансний максимум. При фіксованій довжині хвилі кутове положення резонансу фотоструму чітко визначається товщиною і показником заломлення селективно-чутливої плівки калікс[4]резоциноларену, які залежать від кількості абсорбованих на її поверхні і в об'ємі парів речовини, що детектується, а, отже, від їх концентрації у газових сумішах. До переваг сенсорної системи можна віднести застосування одного структурного елемента як для збудження поверхневого плазмонного резонансу, так і для його реєстрації, що дозволяє суттєво спростити механічну систему сканування. Використання прямозонного напівпровідника GaAs із більшим коефіцієнтом поглинання (порівняно з Si) дозволяє підвищити ефективність перетворення ППП у фотострум. Недоліком системи є технологічна необхідність травлення поверхні напівпровідника для створення мікропрофільованого рельєфу, що впливає на концентрацію дефектів у приповерхневій області напівпровідника, якість бар'єрної структури і зменшує ефективність перетворення падаючого випромінювання в ППП. Процес травлення напівпровідника накладає також обмеження на його легування і мінімальну товщину. Таким чином, аналіз існуючих поляризаційно-чутливих плазмон-поляритонних фотодетекторів, робочий елемент яких формується на основі бар'єра Шотткі з періодичнопрофільованою межею поділу метал/напівпровідник, показав існування проблем, які пов'язані з необхідністю травлення поверхні напівпровідникової підкладки для створення періодичного рельєфу. В основу винаходу, що заявляється, поставлено задачу створити поляризаційно-чутливий плазмон-поляритонний фотодетектор на основі бар'єра Шотткі для видимого спектрального діапазону (0.5-0.8 мкм), виготовлення якого не потребує травлення поверхні напівпровідника і дозволяє підвищити його чутливість при збереженні простоти конструкції, невеликих габаритів та малих матеріальних і енергетичних затрат, котрий об'єднує в одному елементі як збудження ППП, так і реєстрацію вихідного сигналу. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що поляризаційно-чутливий плазмонполяритонний фотодетектор на основі бар'єра Шотткі, який складається з поверхнево-бар'єрної гетеростуктури, а саме напівпровідникової підкладки, на яку нанесено шар металу, що має періодично-профільовану межу поділу метал/повітря у вигляді дифракційної ґратки, який відрізняється тим, що напівпровідникова підкладка є плоскою, а для формування періодичнопрофільованого рельєфу на межі поділу метал/повітря використовується багатошарова структура на основі шару металу та нанодротів халькогенідного напівпровідника, яка має антикорельований рельєф, коли профілі інтерфейсів метал/напівпровідник та метал/повітря мають різну форму, а її товщина є періодичною функцією планарної координати з періодом, що дорівнює періоду дифракційної ґратки. Фіг. 1 - демонструє схематичне зображення перерізу поверхнево-бар'єрної гетероструктури "Аu/ХНФ/Au/GaAs" із плоскою межею поділу (1-2) метал/напівпровідник і антикорельованим рельєфом металевої плівки, де 1 - комплексний плазмон-несучий металевий (Аu) шар; 2 напівпровідник (GaAs); 3 - халькогенідний напівпровідниковий фоторезист (ХНФ); 4 - тильний омічний контакт (In). Λ - період структури, h - глибина модуляції рельєфу, hАu1 - товщина нижньої металевої плівки, hAu2 - товщина верхньої металевої плівки. Фіг. 2 - зображення типової поверхні поляризаційно-чутливого плазмон-поляритонного фотодетектора, що заявляється, отримане на атомному силовому мікроскопі (АСМ). Фіг. 3 - спектральні (а) та кутові (б) залежності фотоструму поверхнево-бар'єрної структури з антикорельованим рельєфом плазмон-несучої плівки при різних кутах падіння поляризованого випромінювання, до і після нанесення селективно-чутливої плівки резорцином[4]каліксарену. Параметри структури: період Λ=750 нм, глибина модуляції рельєфу h=75 нм. Фіг. 4 - Робоча схема випробуваного сенсора для вимірювання концентрації етанолу у повітрі на основі запропонованого поляризаційно-чутливого плазмон-поляритонного фото детектора, де: 1 - джерело р-поляризованого випромінювання з довжиною хвилі 760 нм, 2 селективно-чутлива до етанолу плівка резорцином[4]каліксарена, Iр - фотострум, що вимірюється. На фіг. 5 - приведено залежність фотоструму сенсорної структури від концентрації етанолу в повітрі. Похибка визначення концентрації ±75ррm. У винаході запропонована принципово нова конфігурація поляризаційно-чутливого плазмонполяритонного фотодетектора на основі бар'єра Шотткі з антикорельованим рельєфом металевого шару на основі металевої плівки та нанодротів халькогенідного напівпровідника, коли його товщина є періодичною функцією координати, а профілі інтерфейсів метал/напівпровідник та метал/повітря не повторюють один-одного (Фіг. 1). 2 UA 103379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Формування структури може бути здійснено методом інтерференційної літографії [6] при реалізації наступних технологічних етапів: 1 - послідовне вакуумне напилення на плоску напівпровідникову підкладку тонкої металевої (золотої або срібної) плівки (10-30 нм) та ХНФ (100-300 нм); 2 - засвічення фоторезистивної структури в періодичному полі інтерференції двох променів з періодом 200-800 нм; 3 - формування маски шляхом хімічного травлення ХНФ, в результаті якого на поверхні металевої плівки залишається періодична система нанодротів із ХНФ; 4 - видалення відкритих ділянок металевої плівки; 5 - напилення верхньої металевої (золотої або срібної) плівки визначеної товщини (10-50 нм). На фіг. 1 та фіг. 2 представлено схематичне зображення перерізу структури та АСМзображення поверхні зразка, відповідно. Як видно з креслень, періодичне включення халькогенідних дротів в активний плазмон-несучий шар утворює антикорельований рельєф, що визначає періодичну зміну товщини металевої плівки із включенням ХНФ та наявність різних типів рельєфів на двох інтерфейсах: метал/напівпровідник - плоский, метал/повітря періодично-профільований. Чутливий елемент поляризаційно-чутливого плазмон-поляритонного фотодетектора, що заявляється, є фотоприймачем на основі багатошарової поверхнево-бар'єрної гетероструктури типу бар'єра Шотткі з періодично-профільованою поверхнею плазмон-несучого покриття (Фіг. 1, 2). Збудження ППП в системі здійснюється світлом р-поляризації із певними довжиною хвилі (λ) та кутом падіння (Θ), які відповідають умові фазового синхронізму, про що свідчить виникнення резонансного максимуму на спектральній залежності фотоструму (Фіг. 3). Енергія світла перетворюється в енергію хвилі (ППП), яка локалізована поблизу межі поділу метал/повітря та проникає в фоточутливу область напівпровідника, що і викликає різке зростання фотоструму. При фіксованих кутах падіння спектральне положення резонансу чітко визначається оптичними параметрами контактних середовищ, допоміжних шарів та їх товщиною. Таким чином, підвищення чутливості поляризаційно-чутливого плазмон-поляритонного фотодетектора на основі бар'єра Шотткі при збереженні простоти конструкції досягається за рахунок запропонованого періодичного профілювання активної плазмон-несучої поверхні, що не потребує додаткового травлення напівпровідникової підкладки і тим самим дозволяє покращити бар'єрні властивості структури. Запропонований підхід формування плазмон-несучого шару відкриває широкі можливості у виборі напівпровідника, його легування та товщини. Крім того, як фоточутливий шар можна використати: (а) тонку плівку неорганічного або органічного напівпровідника (молекулярних кристалів) товщиною 50-1000 нм, що забезпечує можливість переходу до тонкоплівкових гнучких матеріалозберігаючих елементів; (б) серійний фотодетектор або матрицю фотоелементів (CCD фоточутливу лінійку або матрицю) на актуальний спектральний діапазон, на якій наноситься плазмон-несуче покриття запропонованим способом. Заміна корельованого рельєфу металевої плівки прототипу на антикорельований дозволяє збільшити пропускання електромагнітної енергії в підкладку за умови резонансного збудження ППП на ~ 20-25 %, тим самим збільшуючи поляризаційну чутливість (Іp/Іs) приладу. Природа ефекту пов'язана із особливостями взаємодії ППП на протилежних рельєфах металевої плівки, що зумовлює ефективний перенос енергії крізь періодично-профільовану багатошарову систему за рахунок утворенням каналів перетікання ЕМ-енергії в тонких місцях плівки за участю ППП [7]. Крім того, у випадку антикореляції між профілями металевої плівки (на двох інтерфейсах: метал/повітря та метал/напівпровідник) форма резонансного піка трансформується у Фано-тип (див. фіг. 3), для якого характерне збільшення кута нахилу одного із його схилів, що підвищує точність визначення спектрального положення, тим самим підвищуючи чутливість системи до зміни її оптичних параметрів. Приклад конкретного виконання. Періодичне профілювання межі поділу метал/навколишнє середовище з періодом 750 нм та глибиною модуляції профілю 75 нм здійснювалося методом інтерференційної літографії. Відповідно до розробленого технологічного процесу на очищену напівпровідникову підкладку (GaAs) наносили послідовно адгезійний (Сr), плазмон-несучий (Аu) та фоторезистивний (As40S30Se30) шари товщиною 2 нм, 20 нм та 200 нм, відповідно. Всі шари осаджувались способом термічного напилення без проміжної розгерметизації вакуумної камери. Ця умова забезпечує можливість уникати контакту з атмосферним середовищем на проміжних етапах виготовлення багатошарової структури і суттєво зменшує ймовірність утворення дефектів та покращує адгезійні характеристики шарів. Після експонування в зоні інтерференції променів аргонового лазера ЛГН-503 (довжина хвилі 488 нм) проводилось селективне травлення фоторезистивного шару в розчині на основі органічних лугів (зокрема, розчин етилендіаміну в диметилсульфоксиді). В результаті травлення 3 UA 103379 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на поверхні металевої плівки утворюється система нанодротів із ХНФ з періодом 750 нм. Для підвищення якості формування рельєфних елементів в процесі рідинного травлення компоненти травників вибиралися таким чином, щоб травник змочував тільки той шар, який він травить, для запобігання негативних ефектів "підтравлювання" та спотворення форми елементів структур. Шар золота видалявся в розчині KJ-J2-C2H5OH-H2O, також виготовленому за принципом селективного змочування. Омічний контакт сформовано шляхом нанесення In на зворотну сторону підкладки. Верхня плівка золота (30 нм) наносилася на періодичну систему -6 халькогенідних нанодротів способом термічного напилення у вакуумі 10 мм рт. ст. Розглянемо конкретний приклад використання поляризаційно-чутливого плазмонполяритонного фотодетектора на основі бар'єра Шотткі з антикорельованим рельєфом металевого (плазмон-несучого) покриття на прикладі визначення концентрацій парів етанолу у газових сумішах. Прилад комплектується поляризаційно-чутливим плазмон-поляритонним фотодетектором з додатковою селективно-чутливою плівкою, тип якої визначає чутливість системи до конкретної речовини. В даному випадку це плівка резорцинол[4]каліксарену товщиною  25 нм (20 моношарів), осаджена на поверхню фотодетектора методом ЛенгмюраБлоджетт [8] при кімнатній температурі. Крім того, до складу приладу входить джерело рполяризованого випромінювання з довжиною хвилі λ=760 нм з можливістю зміни кута падіння (Фіг. 4). Трансформація резонансного максимуму після нанесення селективно-чутливої плівки на поверхню зразка представлена на фіг. 3. Відомо, що товщина і показник заломлення селективно-чутливої плівки калікс[4]резоциноларену визначаються кількістю абсорбованих на поверхні і в об'ємі молекул етанолу, а значить їх концентрацією у газовій суміші. Робота приладу полягає у вимірюванні інтенсивності фотоструму в робочій точці на половині схилу резонансного піка. На Фіг. 5 представлено криву відгуку (фотострум) фотодетектора при зміні концентрації парів етанолу в повітрі при встановленні робочої точки на половині схилу резонансу. Оцінка коридору похибки при визначенні концентрації парів етанолу для даної системи складає ±75 ррm. Технічні характеристики приладу представлені в таблиці. Нахил залежності відносного фотоструму від концентрації етанолу в 1,7 разів більший для антикорельованого рельєфу і дорівнює 1,6 % на 10000 ррм, в порівнянні із корельованим рельєфом, де цей показник дорівнює 0,9 % на 10000 ррм. Отже, введення плазмон-несучої плівки антикорельованого типу при формуванні поляризаційно-чутливого плазмон-поляритонного фотодетектора на основі бар'єра Шотткі, що заявляється, дозволяє уникнути технологічної необхідності травлення поверхні напівпровідника при збереженні переваг конструкції, коли суміщуються в одному елементі як збудження ППП, так і реєстрація електричного відгуку, що дозволяє суттєво спростити механічну систему сканування (якщо вона необхідна). Крім того, заявлений спосіб формування періодичнопрофільованого рельєфу відкриває широкі можливості у виборі типу напівпровідникової підкладки, який тепер не обмежується необхідністю травлення для створення рельєфу. Джерела інформації: 1. Дмитрук Н.Л., Литовченко В.Г., Стрижевский В.Л… Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках. / К.: Наукова думка, 1989.-376 с. 2. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. / Springer, 2007.-223 p. 3. Белоглазов А.А., Валейко М.В., Никитин П.И. Оптоэлектронный резонансный преобразователь для тонкопленочных физических и химических датчиков // Приборы и техника эксперимента.-1995. -№ 6. -с. 137-149. 4. Пат. 39869 Україна, МПК (2009) G01N21/55 Плазмон-поляритонний фотодетектор для визначення концентрації домішок етанолу в газових сумішах / М.Л. Дмитрук, О.І. Маєва, С.В. Мамикін, М.В. Соснова, В.І. Минько, З.І. Казанцева; Заявл. 19.11.08; Опубл. 10.03.09, Бюл. № 5. 5. Венгер Є.Ф., М.Л. Дмитрук, О.Б. Яструбчак Дифракційні ґратки на поверхні напівпровідників та їх застосування в поляритонній оптоелектроніці // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1997. - Т32. - С. 116-138. 6. Е.Ф. Венгер, А.В. Мельничук, А.В. Стронский. Фотостимулированные процессы в халькогенидных стеклообразных полупроводниках и их практическое применение / К.: Академпериодика, 2007.-284 с. 7. Dmitruk N.L. A.V. Korovin. High light transmission through thin absorptive corrugated films // Optics Lett.-2008. - Vol. 33. - p. 893-895. 8. A.V. Nabok, N.V. Lavrik, Z.I. Kazantseva, B.A. Nesterenko, L.N. Markovskiy, V.I. Kalchenko, and A.N. Shivaniuk. Complexing properties of calyx[4]resorcinolarene LB films // Thin Solid Films.1995. - Vol. 259. -p. 244-247. 4 UA 103379 C2 Таблиця Поляризаційно-чутливий плазмон-поляритонний фотодетектор на основі бар'єра Шотткі Найменування та одиниця вимірювання Період ґратки, нм Глибина ґратки, нм Робочий метал Товщина селективно-чутливої плівки, нм Поляризаційна чутливість, Ip/Is Робоча довжина хвилі світла, нм Кутова півширина на половині висоти максимума резонансу, ΔΘ Фоточутливість в максимумі резонансу (760 нм), A/W Точність визначення концентрації парів етанолу, ррm Значення технічних показників розробленого пристрою 750 75 Аu 25 6:1 760 4.5° 0.07 ±75 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Поляризаційно-чутливий плазмон-поляритонний фотодетектор на основі бар'єра Шотткі, який складається з поверхнево-бар'єрної гетеростуктури, а саме напівпровідникової підкладки, на яку нанесено шар металу, що має періодично-профільований рельєф на межі поділу метал/повітря у вигляді дифракційної ґратки, який відрізняється тим, що напівпровідникова підкладка є плоскою, а для формування періодично-профільованого рельєфу на межі поділу метал/повітря використовується багатошарова структура на основі шару металу та нанодротів халькогенідного напівпровідника, яка має антикорельований рельєф, коли профілі інтерфейсів метал/напівпровідник та метал/повітря мають різні форми, а товщина багатошарової структури є періодичною функцією планарної координати з періодом, що дорівнює періоду дифракційної ґратки. 5 UA 103379 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6