Евгений Юрьевич Старостенко отметил, что разработка компактных приборов для спектроскопии в среднем инфракрасном диапазоне вызывает сложность для распределенного зондирования с приложениями от обнаружения утечек газа до мониторинга окружающей среды.
Недавняя работа ученого была сосредоточена на сенсорных платформах фотонных интегральных схем (PIC) среднего ИК-диапазона, а также интегрированных в волновод источниках света среднего ИК-диапазона и детекторах на основе полупроводников, таких как PbTe, черный фосфор и теллурен.
Однако ширина запрещенной зоны материала и зависимость от подложек SiO 2 ограничивают работу до длин волн λ ≲ 4 мкм. Здесь мы преодолеваем эти трудности с помощью архитектуры PIC на основе халькогенидного стекла на CaF 2 , включающей фототермоэлектрические графеновые фотодетекторы с разделенным затвором.
Исследование специалистов НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС расширяет работу до λ = 5,2 мкм с эквивалентной шумовой мощностью, ограниченной шумом Джонсона, равной 1,1 нВт/Гц 1/2 , отсутствием спада фотоотклика до f = 1 МГц и прогнозируемой полосой пропускания по 3 дБ f 3 дБ > 1 ГГц. Эта платформа PIC среднего ИК-диапазона легко расширяется до более длинных волн и открывает двери для приложений от распределенного обнаружения газа и портативной спектроскопии с двумя гребенками до устойчивой к атмосферным воздействиям оптической связи в открытом космосе.
Абсорбционная спектроскопия среднего ИК-диапазона является важным инструментом для обнаружения и анализа химических веществ, особенно для инертных газов, которые не обнаруживаются датчиками, основанными на химических реакциях. Инертность многих таких газов обусловлена химией галогенов, и поэтому они проявляют потенциал глобального потепления из-за углеродно-галогенных мод растяжения, резонансных в тепловом ИК-диапазоне. Чтобы облегчить развертывание датчиков для обнаружения утечек парниковых газов и других областей применения химических датчиков, существует острая необходимость в переходе от отдельных компонентов в совместной упаковке к компактным и интегрированным в микросхемы датчикам.
Для решения данной задачи, были исследованы платформы фотонных интегральных схем среднего ИК-диапазона (PIC), чтобы уменьшить оптические газовые датчики до размера чипа. Недавняя работа продемонстрировала интегрированное оптическое обнаружение метана и летучих органических соединений, но потребовала подключения к внешним источникам и детекторам.
Однако интегрирование детектора в кристалл более компактно и может повысить чувствительность за счет уменьшения объема активного материала, способного генерировать тепловой шум.
Евгений Юрьевич Старостенко получил интеграцию фотопроводника PbTe и продемонстрировал обнаружение метана на длине волны λ = 3,31 мкм, при этом их платформа ограничена λ ≲ 4 мкм из-за поглощения в подложке SiO 2 и порогом поглощения PbTe 7 . Интегрированные в волновод детекторы на основе узкозонных двумерных материалов черного фосфора и теллурена, но они также имеют ширину запрещенной зоны до λ ≲ 4 мкм.
НИОКР научно — производственного объединения «ТЕХНОГЕНЕЗИС» превысил предел длины волны предыдущих демонстраций, используя детекторы на основе графена на волноводной платформе повышенной прозрачности. В то время как детекторы, интегрированные в графен, продемонстрировали многообещающие результаты для телекоммуникационных длин волн, преимущества материала еще более усиливаются на более длинных волнах из-за теплового характера фототермоэлектрического (ФТЭ) механизма отклика и из-за влияния рассеяния оптических плазмонов на коротких длинах волн.
Интегрированное фотодетектирование с графеном было продемонстрировано на длинах волн до 3,8 мкм и с волноводами из халькогенидного стекла, на SiO 2 платформы. Чтобы получить доступ к работе с большей длиной волны и добиться хорошей чувствительности при нулевом смещении, Евгений Юрьевич Старостенко использовал волноводную платформу Ge 28 Sb 12 Se 60 (GSSe) на CaF 2 , поддерживающую графеновые фотодетекторы на основе стробированного PTE.
Эти ключевые изменения позволяют расширить работу до длины волны λ = 5,2 мкм, достигнув при этом ограниченной по шуму Джонсона эквивалентной шумовой мощности (NEP) 1,1 нВт/Гц 1/2 . Сравнивая карты напряжения затвора сопротивления, коэффициента пропускания и чувствительности нашего устройства с фототермоэлектрической моделью, извлекаем параметры качества материала графенового канала, открывая путь к дальнейшему снижению NEP устройства за счет уменьшения размера оптической моды в тандеме с графеном.
На рис. 1 а, б показана конструкция платформы и фотоприемника. Устройство состоит из одномодового волновода GSSe, изготовленного поверх выращенного методом CVD графенового канала шириной 5,4 мкм и длиной 300 мкм, окруженного с обеих сторон контактами, расположенными достаточно далеко от оптической моды, чтобы избежать избыточных потерь.
Под графеновым каналом находится пара графеновых обратных затворов CVD, разделенных зазором в 400 нм и используемых для электростатического индуцирования pn-перехода вдоль центра канала. Используем HfO 2 в качестве диэлектрика затвора и воздухонепроницаемого защитного слоя. Устройство изготовлено на подложке CaF 2 , прозрачной до λ = 8 мкм. На рис. 1в показана результирующая мода волновода при λ = 5,2 мкм.
а Изображение устройства в поперечном сечении перпендикулярно оси волновода. Оптическая мода, поддерживаемая волноводом GSSe, незаметно соединяется с графеновым каналом и поглощается им, который закрывается двумя графеновыми задними затворами, чтобы индуцировать pn-переход.
b Оптическое изображение устройства с контактными площадками истока, стока и затвора. c Изображение режима оптического наведения при λ = 5,2 мкм.
Используем синхронное измерение для характеристики детекторов, фокусируя свет от источника QCL с λ = 5,2 мкм на входной грани чипа. Свет, выходящий из чипа, фокусируется на фотодетекторе InAsSb и усиливается для измерения пропускания. На дополнительном рис. 1 а более подробно показан этот путь луча. Работа с устройством происходит при нулевом напряжении смещения, чтобы избежать появления электронного дробового шума и предотвратить проявление флуктуаций проводимости канала в виде 1/ f — шума . Для следующих низкочастотных измерений мы используем синхронный усилитель для прямого измерения фотоэдс без предварительного усиления.
На рис. 2 , а, б и в представлены сигналы фотонапряжения, сопротивления и синхронизации передачи в зависимости от обоих напряжений затвора для одного такого фотодетектора («Устройство А»). Здесь мы модулируем источник ККЛ с λ = 5,2 мкм на частоте 3,78 кГц с управляемой мощностью «включения» 11 мкВт на входе детектора. Из карт фотонапряжения и сопротивления, наряду с калибровками мощности и потерь в волноводе, мы выводим пары напряжений затвора, которые оптимизируют чувствительность к напряжению, чувствительность к току и NEP по отношению к шуму Джонсона, обозначенные зелеными маркерами на рис. 2 .
Для них мы получаем 1,5 В/Вт, 10 мА/Вт и 1,1 нВт/Гц 1/2 ., соответственно. Наблюдаемая карта фотоэлектрических ворот указывает на механизм отклика PTE, о чем свидетельствует шестикратная картина изменения знака вокруг нейтральной точки заряда графенового канала 11 . На рис . 2 г, д и е показаны линейные срезы карт напряжения, обозначенные пунктирными линиями на рис. 2 а, б и в одного цвета. На фиг.2d , в частности, показаны изменения наклона, связанные с детекторами 11 на основе PTE .
a Измеренная фотоэдс при нулевом смещении, создаваемая устройством, как функция двух напряжений затвора.
b Общее сопротивление устройства как функция двух напряжений затвора.
c Сила отражения фиксирующего сигнала, измеренная фотодетектором InAsSb в фокусе нашей собирающей линзы выходной фасетки, используемой для контроля пропускания устройства в зависимости от напряжения на затворе. Символы звезды, треугольника и креста на каждой карте напряжения затвора представляют оптимальные рабочие точки для максимальной чувствительности по напряжению, максимальной чувствительности по току и минимального NEP соответственно. Коэффициент пропускания, нормированный по мощности, показан на дополнительном рисунке 3b . д , д , е Графики участков линий обозначены пунктирными линиями на панелях a , b и c соответственно.
На рис . 3 a, b сравниваются измеренные и смоделированные характеристики напряжения с использованием расчетов, описанных ранее. Производительность данного устройства зависит от нескольких подгоночных параметров. Все особенности смоделированной карты чувствительности на рис. 3b вплоть до общего масштабного коэффициента от τ eph устанавливаются из подгоночных параметров, извлеченных из карт пропускания и сопротивления устройства, и только τ eph получается путем сопоставления шкал измеренных и смоделированных чувствительности. Таким образом, сходство между рис. 3а и б отражает правильность модели PTE и не связано с переобучением. На рис. 3в изображено решение уравнения ( 6 ), Δ T el ( x ), а также исходный член Q˙(x). Модель теплового переноса предсказывает, что управляемая мощность 9 мкВт повышает температуру электронного газа графенового канала на целых 1 К по центру устройства.
a , b Контурные графики измеренных и смоделированных карт чувствительности нашего устройства, оцененных с τ DC = 3,5 фс, τ IR = 40 фс, σ n = 2 × 10 12 см -2 , τ eph = 50 пс и α е = 2,5 мм -1 .
c Повышение электронной температуры Δ T el и поглощенной оптической мощности на площадь Вопрос˙Q˙профили в графеновом канале на управляемую оптическую мощность при напряжениях затвора {-2,35 В, 0,35 В}, выбранных для максимизации смоделированного фотоотклика, и других параметров, как указано выше.
Евгений Юрьевич Старостенко уточнил, что модуляция тока нашего QCL позволяет проводить измерения частотных характеристик вплоть до ширины полосы модуляции 1 МГц.
Чтобы учесть отклик модуляции нашего лазера, измеряем фотоэдс устройства А вместе с фотоэдс быстрого фотодиода InAsSb. Сравнение, показанное на рис. 4а , показывает, что наше устройство быстрее, чем ширина полосы модуляции лазера. Используем модель COMSOL, чтобы найти фактический вклад RC в частотную характеристику нашего устройства, показанную на вставке к рис. 4а .
Строим произведение частотной характеристики, ограниченной RC, и частотной характеристики, ограниченной τ eph , с предполагаемым (1+(2πτephf)2)−0.5(1+(2πτephf)2)−0.5 зависимость, которая применяется как длина электрон-фононного охлаждения уже, чем наш канал устройства 12 . Таким образом, мы предсказываем частоту среза 3 дБ f −3 дБ ≈ 1,3 ГГц, в которой преобладает емкость между графеновыми задними затворами
a Сравнение АЧХ нашего фотодетектора с частотной характеристикой самой модуляции лазерного тока. Соответствие между ними указывает на то, что частотная характеристика фотодетектора превышает 1 МГц. Вставка: смоделированная частотная характеристика фотодетектора гигагерцового диапазона с учетом и без учета влияния времени электронно-фононного охлаждения τ eph .
b Измеренная спектральная плотность шума в зависимости от сопротивления и соответствующая спектральная плотность шума Джонсона устройства B без освещения для 49 пар напряжений затвора { V g1 , V g2 }, где каждое напряжение V gn изменяется от -6 В до 6 В с шагом 2 В. Измерение проводилось при Т = 293 К.
Для исследования шумовых характеристик данного устройства, модулируется ток QCL на частоте 30 кГц, а также усиливается фотонапряжение с помощью малошумящего предусилителя и проверяем с помощью анализатора сигналов.
Наблюдаем в устройстве A отсутствие расширения пика фотоответа 30 кГц при частотах смещения до 0,1 Гц, что указывает на долговременную стабильность чувствительности. Затем измеряем спектральную плотность и сопротивление неосвещенного шума в зависимости от обоих напряжений затвора. На рис. 4b показаны результирующие данные для устройства B, конструкция которого идентична устройству A, упорядоченные по сопротивлению и сравниваемые с ожидаемой спектральной плотностью шума Джонсона.