Терагерцовые наноректенны

Электроника для детектирования и приема инфракрасного или оптического излучения развивается высокими темпами. Исследования, связанные с преобразованием терагерцового излучения в электрический ток является важной задачей для поиска новых, перспективных способов преобразования солнечной энергии и энергии теплового излучения, конструкции новых ИК детекторов и других целей. Технологический уровень развития производства электронных приборов позволяет изготавливать структуры антенны, характерный размер которых сравним с длиной волны электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Этим и обусловлена идея применения хорошо известных и проработанных устройств (ректенн) для преобразования инфракрасного и видимого излучения в энергию электрического тока.

Актуальность применения ректенн для сбора оптического или инфракрасного излучения можно обосновать следующими положениями. Эффективность полупроводниковых элементов ограничена теоретически пределом Шокли–Квейснера. Этот предел составляет примерно 33% для однопереходных фотоэлементов. Использование ректенн может позволить улучшить этот показатель. Кроме того, в инфракрасном диапазоне получаемая при помощи полупроводниковых устройств мощность существенно меньше эквивалентной мощности шума в данном диапазоне. Преимуществом ректенн также является то, что их спектральные свойства определяются не материалами, а структурой. Это позволяет производить гораздо более тонкую настройку этих устройств, чем полупроводниковых фотоэлементов. Создание эффективных ректенн в терагерцовом диапазоне длин волн осложняется отсутствием эффективных выпрямляющих устройств: диодов. Одним из перспективных вариантов является использование диодов МДМ (металл-диэлектрик-металл), которые отличаются от других наноструктур, используемых в качестве выпрямляющего элемента, относительной простотой изготовления.

МДМ — диод может быть классическим выпрямителем только на относительно низких частотах, порядка нескольких терагерц. Для изучения процессов на более высоких частотах можно воспользоваться полуклассическим подходом, основанном на теории туннелирования, стимулированного фотонами (PAT, photon-assisted tunneling). В рамках этой теории влияние переменного сигнала можно смоделировать как модуляцию уровня Ферми одной из сторон перехода, в то время как уровень другой остается постоянным (рис.3).

Рис.3. Модель МДМ диода

Установлено наличие трех режимов работы наноректенны. Тип режимов зависит от параметра

При значениях α<<1 структура работает в квантовом режиме, электроны могут поглощать только отдельные фотоны. В переходном режиме (α~1) на световой вольт-амперной характеристике начинают появляться характерные ступеньки. Для электронов становится доступным поглощение нескольких фотонов одновременно. В классическом пределе (α>>1) результат теории туннелирования, стимулированного фотонами, для светового тока переходит в выражение:

,

где V0 — напряжение на нагрузке, подключенной параллельно диоду.

Использование классического режима работы может позволить существенно повысить эффективность подобных структур, но его осуществление при работе на высоких частотах сопряжено с рядом трудностей, в частности, может приводить к пробою структуры.

Проведено моделирование процессов взаимодействия решетки наноантенн с плоской электромагнитной волной. Получены значения токов и напряжений на выходе единичной антенны и ее эффективности, а также установлено, что в рамках модельных предположений ректенна работает в квантовом режиме. В практических конструкциях ректенны необходимо объединение наноректенн для подключения к одному диоду.

Одним из многообещающих диодов является новый тип диода — геометрический диод, который представляет собой электронное устройство, в котором текущий через него ток контролируется его геометрией и обладает низкими значениями сопротивления и ёмкости, необходимыми для работы в терагерцовом диапазоне длин волн.

Рис. 4 Схема геометрического диода с баллистическими траекториями движения носителей заряда в графене

Геометрический диод представляет собой тонкий проводящий слой ассиметричной формы. Такая структура позволяет реализовать низкие значения сопротивления и емкости. Вся сложность реализации этой идеи заключена в микроскопических размерах данного диода. Принцип работы геометрического диода может быть наглядно показан на рис. 4. Частицы продолжают баллистическое движение до тех пор, пока не претерпевают столкновение с границами геометрического диода. В простейшем случае столкновения можно считать упругими, после соударения частица продолжает движение по случайной траектории, также испытывая влияние приложенного напряжения.

Одним из важных параметров такого диода является размер перешейка, соединяющего различные по геометрии части диода, имеющий порядок длины свободного пробега заряженной частицы. Соответственно, нужно выбирать материалы, в которых длина свободного пробега достаточно велика. Кроме того, перешеек должен выдерживать высокие значения плотности тока, до значений 106A/см2.

Графен идеально подходит для работы в терагерцовом диапазоне из-за высокой подвижности носителей заряда при комнатной температуре и независимости поглощения излучения от частоты [1]. Отметим, что высококачественные образцы графена поддерживают слабозатухающие плазменные волны [1]. Возможный диапазон работы простирается до величины в 176 ТГц соответствующий длине волны в 1.7 мкм.

В ходе работы создана численная модель геометрического диода основанная, на теории Друде, произведен анализ и систематизация данных. Проведенное моделирование поведения носителей заряда в геометрическом диоде на основе модели Друде показало, что электроны, помещенные в различных местах внутри диода, продолжают движение до столкновения с границами или с фононами. Показано, что эффективность системы зависит от эффективности приема излучения: — ηin, «чувствительности» диода, — βd, эффективности выпрямления излучения — ηrect.

с.н.с. Г.М. Казарян, доцент В.Л. Саввин

Доцент В.Л. Саввин, с.н.с. Г.М. Казарян, аспиранты Р.В. Егоров, К.Т.Ч. Ву