[发明专利]集成式整流器

说明书

提供了在整流天线装置中使用的新颖电整流器。整流天线装置可以有利地用于各种应用。电整流器包括集成式结构，该集成式结构包括：二极管结构，该二极管结构包括分别位于第一和第二导电层中的第一和第二电极以及在该第一和第二电极之间的绝缘层，该二极管结构被配置并可操作用于接收输入信号并生成指示该输入信号的输出信号；以及补偿结构，该补偿结构与所述二极管结构并联地电连接，并且被配置为当输入信号的频率谱超过二极管的截止频率时补偿二极管结构的寄生电容。

技术领域

本发明涉及光电子学领域，特别地涉及电磁辐射的电整流。

背景技术

太阳能是地球上最大的能源。如今，太阳能采集增长迅速，并有望在不久的将来与传统发电相竞争。太阳能采集基于光学整流天线结构，该光学整流天线结构基本上包括纳米天线和二极管整流器(例如金属-绝缘体-金属(MIM)二极管)，被指定用于将太阳能直接转换成电力。阻止整流天线结构激增的主要困难之一是效率。据报道的现有的整流天线结构的转换效率仅为0.01％，尽管估计的理论转化效率为约86％。

整流天线的转换效率极低的主要原因是整流MIM二极管的寄生电容器的超大值。

目前探索的用于补偿二极管的寄生电容的方向之一是使用点接触二极管。点接触二极管由抵靠氧化金属带状件布置的薄纳米线制成。通常，点接触二极管执行整流天线功能，其中，薄纳米线充当纳米天线，并且纳米线尖端与氧化金属带状件一起充当用于IR和光辐射的整流器。取决于金属类型，纳米线尖端执行阴极功能，并且氧化金属带状件起阳极功能。在一些示例中，整流天线可以使用非常小的、纳米大小的真空间隙例如1nm，代替介电绝缘体，在这种情况下，隧道结由金属-真空-金属(MVM)结构提供。

用于补偿二极管的寄生电容的另一已知方向是碳纳米管(CNT)光学整流天线，该碳纳米管光学整流天线由具有点接触状整流结的平面基板上的竖向纳米线/CNT组成。该装置使用具有点接触状的结的依赖于波长定大小的竖向纳米结构阵列。纳米线或金属CNT(mCNT)作为纳米天线运行。纳米线或mCNT尖端形成MVM或MIM结势垒。电荷经由隧道效应传输穿过势垒。由于这些隧道效应势垒的不对称性，正的净DC电流被递送到外部电路。

发明内容

本发明提供了新颖高效整流金属-绝缘体-金属二极管(MIM二极管，例如平面MIM二极管)的集成式结构，该集成式结构通过补偿MIM二极管在所使用的频率范围内的固有寄生电容来高效运行。特别地，该新颖二极管结构特别地被配置用于与高频操作光谱诸如红外(IR)、可见(VIS)和紫外(UV)光谱一起使用。固有寄生电容影响用作低通滤波器的平面MIM二极管的截止频率。本发明的新颖二极管结构以比其截止频率高的频率运行，相应地，本发明的二极管结构可以用作光学整流天线中的整流器，用于有效地将电磁辐射即光子转换成DC电流，诸如将入射太阳能转换成DC电流。如下面将进一步描述的，本发明可以用于各种工业和医学应用，范围有太阳能收集、数字成像、红外传感等。

先前探索的补偿寄生电容的尝试遭受各种弱点。点接触二极管结构和竖向mCNT结构在IR和VIS频率处具有非常低的效率，因为与隧道结面积成反比的隧道结电阻非常高(例如，对于mCNT，约为1TΩ)。而且，截止频率仍然低。另外，点接触二极管结构不适合于商业制造，因为点接触二极管要求间隙是在1nm范围内，这在现有制作纳米技术中是不可获得的。竖向mCNT结构也不适合商业制造为光学整流天线，因为长度直径比应该在200:1至400:1的范围内，而直径在0.6÷5nm的范围内。

平面MIM二极管相对容易制造，并且因此优选用于半导体工业。

用于分析MIM二极管的性能和电路内部的运行的传统MIM二极管等效电路图包括与固有寄生电容并联的电阻器。当传统的MIM二极管经受高频输入信号时，寄生电容即电容器的反应电阻远小于电阻器的有效电阻，因此电路运行是双向的。