阅读说明：本技术 集成式整流器 (Integrated rectifier ) 是由 亚历山大·罗津 于 2018-03-06 设计创作，主要内容包括：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。(Provide the novelty electric rectification device used in RECTIFYING ANTENNA device.RECTIFYING ANTENNA device may be advantageously used with various applications.Electric rectification device includes integrated structure, the integrated structure includes: diode structure, the diode structure includes the first and second electrodes being located in the first and second conductive layers and the insulating layer between first and second electrode, which is configured and can be used to receive input signal and generate the output signal for indicating the input signal；And collocation structure, the collocation structure are electrically connected in parallel with the diode structure, and are configured as compensating the parasitic capacitance of diode structure when the frequency spectrum of input signal is more than the cutoff frequency of diode.)

集成式整流器

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。

本发明通过修改传统的MIM结构来解决该问题，通过下述操作进行上述修改：引入串联连接的人工电感器和人工电容器(通常为MIM电容器)，从而在具有寄生电容的情况下为预定电磁谱创建具有并联谐振状态的谐振电路，并且其中，寄生电容被中和，从而在谐振状态下保持电路的方向性运行。由于其不对称的几何形状，新颖的MIM二极管在本文中有时被称为不对称MIM二极管结构(AMIM-DS)。

更具体地，电谐振以两种模式发生：(a)低于红外(IR)和可见(VIS)范围的频率处的串联谐振，以及(b)在IR和VIS频率处的并联谐振。串联谐振主频率与人工电感器和人工MIM电容器的串联连接对应。并联谐振主频率与人工电感器和等效电容器之间的并联连接对应，该等效电容器是人工MIM电容器与MIM二极管寄生电容器之间的串联连接的产物。由于人工MIM电容器的电容大于等效电容器的电容，因此串联谐振主频率远低于太阳光谱的VIS和IR范围，并且不影响VIS和IR范围处的AMIM-DS效率。

因此，包括人工电感器和人工电容器的串联连接的电路被并联连接到传统配置的MIM二极管。此外，人工电容器经由人工电感器的有效电阻防止整流的直流(DC)电压的反向放电。将人工电容器引入其中使得人工电感器能够具有更大的电感从而(a)增加谐振电路的品质因数，其又提高了AMIM-DS转换效率，以及(b)促进适于纳米制作技术的人工电感器的制作。

应当注意，人工电感器和电容器的串联布置是双向的或可交换的，即人工电感器和电容器中的每一者均可以连接到二极管的阳极或阴极，而另一者相应地连接到二极管阴极或阳极。

相应地，本发明的AMIM-DS是隧道MIM二极管的集成式结构，该集成式结构具有金属层和绝缘体层的布局(相关联金属区域及其间的绝缘体区域的几何形状和相对调适)，该集成式结构包括固有寄生电容器，并且其另外包括人工电感器与人工电容器的串联连接，从而限定谐振电路配置。

因此，根据本发明的广义方面，提供了用于在整流天线装置中使用的电整流器，该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。

在一些实施方式中，补偿结构在输入信号的预期频率处提供与二极管结构的电谐振。

在一些实施方式中，二极管结构是不对称的，使得第一和第二导电层分别具有不同的第一和第二功函数。

在一些实施方式中，当电流从第二电极通过二极管向第一电极流动时，第一功函数大于第二功函数。第一导电层可以由相邻区域的铝和铂制成，第二导电层可以由铝制成。

在一些其他实施方式中，当电流从第一电极通过二极管向第二电极流动时，第二功函数大于第一功函数。第二导电层可以由相邻区域的铝和铂制成，第一导电层可以由铝制成。

在一些实施方式中，补偿结构包括串联连接的电感器和电容器，并且两者均被配置为在输入信号的主频率处谐振。电感器可以被配置成弯曲的带状件，和/或可以由第一或第二导电层的材料制成，和/或可以位于第一或第二导电层中。

在一些实施方式中，电容器包括分别位于第一和第二导电层中并且由绝缘体间隔开的第一和第二导电板。当电流从第一电极通过二极管向第二电极流动时，第一和第二导电板可以由第一导电层的材料制成；或者当电流从第二电极通过二极管向第一电极流动时，第一和第二导电板可以由第二导电层的材料制成。电容器的绝缘体可以被定位在二极管结构的绝缘层中。

在一些实施方式中，第一和第二导电层中的每个导电层均可以由下述制成：金属、超材料、在输入信号的频率中介电常数具有负实数部分的材料、或其任何组合。

在一些实施方式中，绝缘层可以由氧化铝(Al₂O₃)制成。

在一些实施方式中，电整流器还可以包括在第一导电层下方的介电层。介电层可以由二氧化硅制成。

在一些实施方式中，电整流器还可以包括在介电层下方的硅基板层。

在一些实施方式中，输入信号的频率与红外、可见或紫外光谱对应。

附图说明

为了更好地理解本文公开的主题并例示如何在实践中执行该主题，现在将参考附图仅通过非限制性实施例来描述实施方式，在附图中：

图1例示了具有整流MIM二极管的整流天线的等效电路图；

图2a例示了传统MIM二极管的示意性截面；

图2b例示了又一传统MIM二极管的示意性截面；

图3例示了目前现有技术水平的MIM二极管的参数；

图4例示了在远低于截止频率f_C的频率范围内的等效MIM二极管的电路图，在该远低于截止频率的频率范围内，寄生电容器的反应电阻可忽略。

图5a和图5b例示了在超过截止频率f_C的频率范围内的等效MIM二极管的电路图。

图6例示了包括超高效不对称金属-绝缘体-金属二极管AMIM-DS模型的电整流器的等效电路图，该等效电路图包括集成式附加人工电感和附加人工MIM电容器；

图7例示了集成式人工谐振电路的谐振特性；

图8例示了具有等效并联电容器C_E的超高效不对称金属-绝缘体-金属二极管AMIM-DS模型的等效电路图；

图9a例示了整流天线的等效电路图，其包括具有等效并联电容器C_E的AMIM-DS；

图9b例示了在谐振期间AMIM-DS二极管中的电流；

图10a例示了AMIM-DS的整流天线的反应电阻X_CD和X_LD处于并联谐振的电路图；

图10b例示了与整流天线串联连接的AMIM-DS的总等效阻抗的电路图；

图11a例示了包括具有负载和滤波电容器的超高效不对称金属-绝缘体-金属二极管(AMIM-DS)的整流天线模型的等效电路图；

图11b例示了具有经交换的C_A和L_D的整流天线模型的等效电路图。

图12a和图12b例示了AMIM-DS的电压和功率图；

图13例示了与等效电AMIM-DS图结合的AMIM-DS构造的截面；

图14例示了AMIM-DS构造图的底层；

图15例示了AMIM-DS构造图的俯视图；

图16例示了具有AMIM-DS构造图的第二实施方式的人工电感器的底层；

图17例示了第二实施方式AMIM-DS构造图的俯视图；

图18a例示了标准CMOS图像传感器的量子效率曲线；以及

图18b例示了标准CCD图像传感器的量子效率曲线。

图19a例示了由Vatsia、Stich和Dunlap测量的月亮的各种阶段的夜空光谱辐射立体角密度。

图19b例示了AMIM-DS与用于数字图像传感器的复合半导体材料之间从近IR到热IR光谱的灵敏度比较。

具体实施方式

参考图1，示出了具有传统整流MIM二极管的整流天线的等效电路图。纳米天线被建模为交流电(AC)电压源V_A与纳米天线电阻R_A串联。MIM二极管被建模为电阻器R_D与固有寄生电容器C_D并联。

对于由V_A在正向方向上生成的电信号，电阻R_D必须低，以允许电流流动通过。对于由V_A在逆向方向上生成的电信号，电阻R_D必须高，以防止电流流动。由于正向方向和逆向方向的R_D差，提供了AC电流整流。

参考图2a，其例示了平面MIM二极管结构经典结构诸如在专利US8436337和US8822978中描述的平面MIM二极管结构经典结构的实施例。平面MIM二极管结构描述了电子结构，该电子结构包括：(a)第一金属层；(b)第二金属层；(c)以及位于第一金属层和第二金属层之间的至少一个绝缘体层，其中，金属层中的至少一个金属层包括非晶多组分金属膜。在某些实施方式中，构成体是金属-绝缘体-金属(MIM)二极管。

图2b中例示了根据专利US8436337和US8822978的平面MIM二极管结构实施方式的另一实施例。实际上，平面MIM二极管构成体完全类似于平行板电容器。

平面MIM二极管的截止频率f_C被定义为f_C＝1/(2πR_DC_D)。截止频率f_C独立于平面MIM几何形状的接触面积，因为接触的电容C_D与接触面积A成正比，而电阻R_D与A成反比。R_D越小——MIM二极管整流效率越好，但是固有寄生电容C_D越大。对公式f_C＝1/(2πR_DC_D)的分析表明必须使R_D或C_D最小化。在过去的几十年中，MIM二极管电阻从兆欧姆降低到几百欧姆。然而，由于MIM二极管中存在非晶绝缘层，所以电阻不能仅仅是小的，并且其最小值是受到限制的。例如，目前现有技术水平的MIM二极管在零偏压下达到在100至500欧姆范围内的R_D，其例示在图3中。这四种MIM二极管的接触面积在从0.0576μm²至0.0045μm²之间的范围内。根据公式计算MIM二极管电容，其中，ε0≈8.854×10^-12[法拉每米或F/m]是真空的介电常数，εr是绝缘体材料的相对介电常数，A是MIM二极管的面积，并且d是绝缘体厚度。该计算表明：

(a)对于电阻R_D等于100欧姆并且面积为0.0576μm²的MIM二极管，寄生电容C_D＝0.68fF(毫微微法拉)。因此fc对应于2.3THz。

(b)对于电阻R_D等于505欧姆并且面积为0.0045μm²的MIM二极管，寄生电容C_D＝0.052fF。因此fc对应于6.1THz。

到达地球表面的太阳辐射红外光谱从约120THz开始。可见光谱与430至770THz附近的频带对应。明显的是，平面MIM二极管结的实际截止频率f_C的和需要的截止频率之间的差距对于可见光谱和红外光谱的整流而言太大。

因此，由于在MIM二极管中电阻不能是无限小的，所以应该对保持在相同数量级上的寄生电容C_D进行补偿。

参考图4，其例示了在远低于截止频率f_C的频率范围内的等效MIM二极管的电路图，在该远低于截止频率的频率范围处，寄生电容器的反应电阻是可忽略的。此处，寄生电容器的反应电阻X_CD远大于R_D(X_CD＞＞R_D)。对于正向电压方向，MIM二极管执行有源电阻R_D。

图5a和图5b例示了在超过截止频率f_C的频率范围内的等效MIM二极管的电路图。此处，寄生电容器的反应电阻X_CD与有源电阻R_D并联连接。在太阳能范围X_CD＜R_D处，对于MIM二极管，通过下述公式计算总等效阻抗Z的模数：

由于在可见(VIS)频率和红外(IR)频率处，寄生电容的反应电阻X_CD远小于MIM二极管的正向有源电阻(X_CD＜＜R_D)，所以所得的交流电(AC)I_D0将直接沿两个方向流动通过寄生电容并且不会被整流。

在数字上其看起来如下。根据公式X_CD＝1/ωC_D计算寄生电容的反应电阻X_CD，其中，ω是角频率(单位是弧度每秒)，其被计算为ω＝2πf。频率f被计算为f＝c/λ，其中，c是真空中的光速，并且λ是真空中的太阳光谱电磁辐射的特定波长。该计算表明，对于电阻R_D等于100欧姆并且面积为0.0576μm²——其中绝缘体厚度为4nm并且介电常数εr＝4——的MIM二极管，对于650nm(f＝461THz)的红色波长，寄生电容的反应电阻X_CD等于0.67欧姆。

在超过截止频率的范围内，MIM二极管的相对转换效率E_D被定义为如在图5a中所见的当在正向方向上X_CD小于或远小于R_D(即，X_CD＜R_D，或X_CD＜＜R_D)时在超过截止频率f_C的情况下(即，在太阳光谱范围处)通过R_D的电功率(或电流I_D1的平方)与参见图4的当寄生电容器的反应电阻X_CD远大于R_D(即，X_CD＞＞R_D)时在远低于截止频率f_C的情况下通过R_D的电功率(或电流I_D0的平方)的比率：

因此，通过使用有源电阻值和反应电阻值，通过下述公式计算MIM二极管相对转换效率E_D：

对于电阻R_D等于100欧姆并且寄生电容反应电阻X_CD等于0.67欧姆的MIM二极管，相对转换效率E_D将等于

以百分比计，转换效率E_D将等于0.004489％。

因此，明显的是，在超过截止频率的情况下，即在红外范围和可见范围处，MIM二极管固有寄生电容显著地降低了MIM二极管的转换效率。因此，应该补偿MIM二极管寄生电容C_D。

参考图6，例示了超高效AMIM-DS模型的等效电路图，其包括：(a)整流隧道MIM二极管D；(b)MIM二极管寄生电容C_D；以及(c)集成式附加人工电感器L_D；以及(d)集成式附加人工MIM电容器C_A。在AMIM-DS中出现两种谐振类型：串联谐振和并联谐振。串联谐振主频率与人工电感器L_D和附加人工MIM电容器C_A的串联连接对应。并联主频率与人工电感器和等效电容器C_E之间的并联连接对应，该等效电容器是附加人工MIM电容器C_A与MIM二极管寄生电容C_D之间的串联连接的产物。由于附加人工MIM电容器C_A的电容大于等效电容器C_E的电容，所以串联谐振主频率远低于太阳光谱的VIS和IR范围并且不影响在VIS和1R范围处的AMIM-DS性能和效率。

此外，附加人工MIM电容器C_A防止经整流和滤波的DC电压通过人工电感放电回到AC电流源(例如，到纳米天线)。

参考图7，其描绘了AMIM-DS谐振特性。通过下述公式计算的并联谐振主频率f_P：

与所选择的在光学范围内的主频率对应。串联谐振——其频率f_S与C_A和L_D的串联连接对应——被设置为远低于所选择的主频率f_P。根据下述公式计算频率f_S：

集成式人工谐振电路的谐振特性明确地说明了频率f_S被设置为远低于被选择为在太阳光谱的VIS和NIR范围内的f_P，因此，串联谐振不影响在所选择的光学范围处的AMIM-DS性能和效率。

为便于分析在图7中描绘的等效电路图，应根据下述公式将C_D和C_A转换成单个等效并联电容器C_E：

其中，C_E与整流隧道MIM二极管D和附加人工电感L_D并联连接，如在图8中描绘的。

公知的是，在并联谐振期间，通过电容器的电流与通过电感器的电流相等且相反。因此，通过人工电感器的电流对通过等效并联电容器的电流进行补偿。因此，实现了寄生电容器C_D的自补偿。

图9a例示了整流天线的等效电路图，其包括具有等效并联电容器C_E的整流AMIM-DS。为了进一步分析电路，MIM二极管D被建模为与MIM二极管D在正向方向上的电阻相等的电阻器R_D。因此，在图9a中，AMIM-DS被建模为电阻器R_D以及等效并联电容器C_E和人工电感L_D的并联布置。纳米天线被建模为与电阻R_A串联的交流电(AC)电压源。图9b例示了AMIM-DS内的电流流动。

在并联谐振期间，当阻抗X_CE＝-j/ωC_E并且X_LD＝j_ωL_D时，电流将在L_DC_E-电路内循环并且将不会影响电流I_A和I_D1。换言之，通过L_D的电流将补偿通过C_E的电流，即L_CD＝-I_LD。因此，寄生电容C_D的负面效应将被补偿。因此，AMIM-DS建立了寄生电容C_D的自补偿。

参考图10a和图10b。图10a例示了图9b的整流天线，但是其中，等效并联电容器C_E和人工电感L_D被描绘为与R_D并联连接的对应的反应电阻X_CE和X_CD。

图10b例示了整流天线电路图，其中，X_CE、X_LD和R_D用AMIM-DS的总等效阻抗Z代替。

根据下述公知的公式计算反应电阻绝对值X_CE和X_LD：

以及X_LD＝ωL_D

其中，ω是角频率(单位是弧度每秒)，其被计算为ω＝2πf，其中，频率f被计算为下述比率：在真空中的电磁波速度除以IR和VIS范围内的所选择的主谐波的波长。

在谐振期间，人工电感器反应电阻X_LD必须等于电容器反应电阻X_CE：

X_LD＝～X_CE，

其中，符号负号表示电流沿相反的方向流动。

对于谐振状态，基于上述公式，人工电感器L_D的值被计算如下：

角频率ω必须被选择为在太阳光谱的峰值能量附近。通过下述公式计算AMIM-DS的总等效阻抗Z——其被例示在图10b中——的模数：

根据最后的公式，对于当模数X_CE＝X_LD时的完美谐振状态，AMIM-DS的总等效阻抗Z等于电阻R_D，这说明寄生电容C_D被完全补偿。

在没有纳米天线(即，“独立”)的情况下，AMIM-DS相对转换效率E_AMIM被定义为在X_CD小于或远小于R_D(即，X_CE＜R_D，或X_CE＜＜R_D)的情况下在超过截止频率f_C的范围处通过R_D的电功率(或电流I_D1的平方)与在寄生电容器反应电阻X_CD大于或远大于R_D(即，X_CE＞R_D，或X_CE＞＞R_D)并因此可忽略的情况下在远低于截止频率f_C的范围处通过MIM二极管的R_D的电功率(或电流I_D0的平方)的比率：

通过电阻值得出的用于AMIM-DS的相对转换效率的公式看起来如下：

对于当X_LD＝-X_CE时在超过截止频率f_C的范围处的完美谐振状态，AMIM-DS相对转换效率等于1或100％。

在远低于谐振频率的情况下——其中X_LD＜＜R_D，以及在超过谐振频率的情况下——其中X_CE＜＜R_D，AMIM-DS相对转换效率E_AMIM＜＜1。

另一方面，在具有纳米天线的情况下，AMIM-DS的基于整流天线的相对转换效率E_{R_AMIM}被定义为：在参见图9b和图10a的X_CD小于或远小于R_D(即，X_CE＜R_D，或X_CE＜＜R_D)的情况下在超过截止频率f_C的范围处通过R_D的电功率(或电流I_D1的平方)与在寄生电容反应电阻X_CD大于或远大于R_D(即，X_CE＞R_D，或X_CE＞＞R_D)的情况下在远低于截止频率f_C的范围处通过MIM二极管(即，没有人工电感器L_D)的R_D的电功率(或电流I_D0的平方)的比率。通过电阻值得出的用于AMIM-DS的基于整流天线的相对转换效率的公式看起来如下：

根据最后的公式，AMIM-DS基于相对整流天线的转换效率还取决于纳米天线电阻R_A，以及R_A与R_D之间的阻抗匹配。

对于阻抗匹配，即对于R_A＝R_D，以及在超过截止频率f_C的范围处的谐振状态，并且对于等于1的RLC的电路品质因数——其意味着R_A＝R_D＝X_LD＝X_CE，基于AMIM-DS的相对整流天线的转换效率等于～25％。

对于阻抗匹配，即对于R_A＝R_D，以及在超过截止频率f_C的范围处的谐振状态，并且对于等于10的RLC的电路品质因数——其意味着R_A＝R_D＝0.1X_LD＝0.1X_CE，基于AMIM-DS的整流天线的相对转换效率将等于82.6％。应该注意的是，E_{R_AMIM}的计算涉及交流电的周期的二分之一。

参考图11a，其例示了整流天线模型的等效电路图，其包括与负载R_L和滤波电容器C_F连接的AMIM-DS模型。纳米天线模型包括与纳米天线电阻R_A串联的AC电压源V_A。滤波电容器C_F被要求用于对负载R_L上的经整流的半周期脉冲电压进行平滑和滤波。

附加人工MIM电容器C_A防止经整流和滤波的DC电压通过人工电感放电回到AC电流源(例如，到纳米天线)。C_A和L_D的串联连接是对称的：C_A或L_D可以直接连接到纳米天线，这不影响AMIM-DS模型和最终的AMIM-DS性能。图11b示出了经交换的C_A和L_D。C_A与L_D的自由交换促进了AMIM-DS模型的具体构成(实施)，其将更适合于特别的纳米制作工艺和降价，如在图13、图14和图16中进一步示出的。

现在将呈现附加人工MIM电容器C_A和集总人工电感器L_D的估计值的非限制性实施例。如在图6中看到的，根据超高效不对称金属-绝缘体-金属二极管AMIM-DS的等效电路图进行计算。

(a)初始给定参数

利用以下参数对AMIM-DS进行估计：

-隧道MIM二极管D的面积A＝0.0045μm²(直径约75nm或67×67nm的正方形)，

-绝缘体厚度d＝4nm，

-绝缘体材料的相对介电常数(epsilon)ε_r＝2。

(选择epsilon等于2，因为对于一些介电材料例如玻璃，epsilon在光频率处下降)。

-AMIM-DS正向电阻R_D＝100欧姆，

-中心谐振波长λ₀＝650nm，其对应于频率f₀＝461.5THz。

-所需的太阳光谱范围△λ＝λ₁-λ₂＝1,950nm-394nm。因此频率带宽BW将是：BW＝△f＝f₁-f₂＝615THz，其对应于RLC电路品质因数

(b)计算结果

计算结果与初始给定参数一起例示在下表中：

人工电感器的经估计的拓扑尺寸的实施例之一如下表中所示：

应注意，对于所描绘的实施例，人工电感器的形状被选择为半环电感器的外形。尽管如此，人工电感器可以以任何其他外形延展，包括L型、直的或略微弯曲的带状件。

此外，实际的弧长可以从半环长度的0.2变化至1.2，因为考虑了以下因素：(a)由于在光波长处特别是在640nm处存在等离子体效应而引起的有效波长缩放；(b)等效半环电感器的弧长约为100nm，其与对在640nm的中心谐振频率处的波长缩放进行修正的情况下约1/10÷1/6的波长相当；(c)制作工艺的精准度；以及(d)周围的金属表面。在实践中，必须根据所述因素计算在半环长度的0.2÷1.2的公差内的实际弧长，然后进行测试和调整以进行最终制作。

图12a例示了具有根据图11a和图11b的AMIM-DS的整流天线的归一化模拟电压传输特性。频率f_P与根据下述公式计算的并联谐振的频率对应：

图12b例示了纳米天线与具有根据图11a和图11b的AMIM-DS的整流天线的负载之间的归一化模拟功率的分布图。在此，整流天线上的RMS功率对应于曲线W(R_R)并且负载电阻器R_L上的RMS功率对应于曲线W(R_L)。W(R_R)等于没有在图11a和图11b上单独示出的整流天线R_A上的RMS功率与AMIM-DS正向电阻上的RMS功率之和。

整流天线绝对转换效率根据图11a和图11b定义，并且该绝对转换效率是负载R_L上的功率与整流天线上的总接收功率即与整流天线上和在负载电阻器R_L上的RMS功率之和的比率：

根据具有AMIM-DS的整流天线的模拟具体RLC参数，绝对转换效率E等于15％。

在图11a或图11b中描绘的超高效不对称金属-绝缘体-金属二极管AMIM-DS的等效电路图是完全通用的。这意味着对于纳米制作，可以通过许多不同的构造和布局来实现AMIM-DS结构。

AMIM-DS的上部沉积层——其包括(a)第二非绝缘层和(b)输出端子中的一个输出端子——在太阳辐射落在该上部沉积层上时作为纳米天线运行。

参考图13，其例示了本发明的电整流器(即，AMIM-DS装置)的非限制性示例的截面。如示出的，电整流器是集成式结构，其包括二极管结构100，该二极管结构包括分别位于第一和第二导电层中的第一电极1和第二电极7，以及在该第一电极和第二电极之间的绝缘层6。如从上述(例如图1)理解的，结构100是平面MIM二极管，其在电学上被建模为与具有电容C_D的固有寄生电容器并联的具有电阻R_D的电阻器。二极管结构100被配置且可操作用于接收输入信号，例如经由输出端子5并且产生指示该输入信号的输出信号。该装置还包括补偿结构200，该补偿结构在电学上与二极管结构100并联连接，并且该补偿结构被配置为在输入信号的频率超过二极管的截止频率时补偿二极管结构100的寄生电容C_D。优选地，电整流器被配置用于将太阳能转换为直流电，因此输入信号的频率在红外或可见范围内。补偿结构200的目的在于提供具有二极管的结构的谐振，使得二极管的寄生电容被补偿，从而得到高效的转换和整流。

如示出的，电整流器包括：基板14，其可以是硅或半导体工业中其他合适的材料；位于基板14顶部的介电层4，诸如二氧化硅(SiO₂)；以及位于介电层顶部的二极管100和补偿结构200，。

如由图中的不同图形所例示的，二极管结构是不对称的，使得第一和第二电极1和7分别具有不同的第一和第二功函数。如果第二电极7作为阳极起作用并且第一电极1作为阴极起作用，即，使得电流在二极管结构中从第二电极流到第一电极，则第一功函数大于第二功函数。例如，第二层由铝制成，第一层由铂制成。如果情况相反，即电流从第一电极(阳极)流到第二电极(阴极)，则第二功函数大于第一功函数。在后一情况中，铂和铝互换。

绝缘层6可以由非晶形绝缘材料制成，该非晶形绝缘材料可以是二极管的阳极的材料的氧化物。在阳极是由铝制成的实施例中，非晶绝缘层6可以由氧化铝Al₂O₃形成。

如图在13中进一步示出的，补偿结构200包括串联连接的人工电感器9L_D与和人工电容器13C_A。应该注意的是，可以颠倒顺序，使得电感器9可以被连接到二极管的结构的第一电极。电感器9可以是本领域已知的任何结构。在本实施例中，该电感器被构造为弯曲的带状件。无论电感器位于何处，其本身可以由第一电极(第一导电层)或第二电极(第二导电层)的相同材料制成。在所描述的实施例中，电容器13包括：第一导电板2，其位于第一导电层中并且由相同的材料(例如，铝)制成；以及第二导电板8，其位于第二导电层中由第一导电板(第一导电层的材料)的相同材料制成。第一和第二导电板由绝缘体15间隔开，该绝缘体可以位于绝缘层6的相同材料中并由该绝缘层的相同材料制成。

当电流从第一电极通过二极管向第二电极流动时，第一和第二导电板2和8通常可以由第一导电层的材料制成。或者，当电流从第二电极通过二极管向第一电极流动时，第一和第二导电板可以由第二导电层的材料制成。

一般地，制成第一和第二导电层中的每个导电层的材料不限于铂和铝，如上面所例示的，而是可以由任何合适的导电材料制成，诸如金属、超材料、在运行频率中介电常数具有负实数部分的材料、或其任何合适的组合。在一个实施例中，当第一电极是阳极时，第一导电层可以由铝(较小的功函数)制成，第二导电层可以由相邻区域的铂(较大的功函数)和铝制成。在另一实施例中，当第一电极是阴极时，第二导电层可以由铝制成，第一导电层可以由相邻区域的铂和铝制成。

参考图14，其例示了图13中所示的AMIM-DS装置的底部的第一导电层。可以看出，当第一电极作为阳极起作用时，输出端子3、第一电极1和第一板2位于相同的第一导电层中，并且由相同的材料例如铝制成。

参考图15，其是与图13上例示的截面对应的电整流器AMIM-DS装置的俯视图。第二电极7与输出端子5以及人工电感器9一起由金属形成，该金属具有比第一导电层的功函数更高或更低的功函数，使得装置在能带图中表现出不对称性。第二导电层和第一导电层被定位成使得当太阳能入射在纳米天线上时电子的传输至少部分地包括通过隧道效应穿过非晶绝缘层6的传输，该纳米天线可以是第二导电层和/或输出端子5。

应注意，第一和第二导电层的形状不受限制，并且可以是正方形、矩形、三角形或任何其他形状。在本实施例中，电极1和7以及板2和8被制成圆形。此外，电极的形状可以与板的形状相同或不同。第一和第二电极、第一和第二板的形状和大小以及非晶形绝缘厚度和介电常数必须符合AMIM-DS模型的等效电路图的电参数。

本发明的电整流器的另一非限制性实施例示出在图16至图17中，并且与图11b的电路图对应。因此，图16和图17例示了具有人工电感器的电整流器，该人工电感器被实施为是布置在底部第一导电层上的弯曲的带状件。第二导电层包含可以由相邻区域的铂和铝制成的第二电极7和第二导电板8。从图16和图17中可清楚地看出该实施方式的规格，并且所使用的数字指示与图13至图15中所描述的是相同的功能和/或结构部分。

本发明的创新性AMIM-DS可以有用地且有利地用于涉及将光子转换成电子的多种应用中。如上所述，主要应用之一是将太阳能整流成DC电流。在下文中，描述了其他重要应用。

一种应用涉及数字成像。包括AMIM-DS的整流天线可以成功地用作数字图像传感器中的像素，代替当前的基于光电二极管的CMOS或CCD像素。以下两个表例示了CCD图像传感器像素的每个入射光子以及具有包括AMIM-DS的整流天线的像素的仅考虑量子理论的计算结果。对于CMOS图像传感器像素，灵敏度增益与关于CCD图像传感器的灵敏度增益将约在相同的数量级，这可以从图18a与图18b中所例示的量子效率图表的比较看出。为计算目的，充电电容器Cn电容被选择为等于0.05pF。举例说明若干在CCD运行频带内所选择的波长的灵敏度增益。所选择的1,050nm的波长对应于夜天光(没有月亮的照明度峰值)。

参考图18a和图18b，其例示了AMIM-DS量子效率分别与标准CMOS和CCD图像传感器的量子效率相比较的100％理论极限。该比较涉及由OnSemiconductor制造的MT9M001型CMOS图像传感器和KAF-16803型CCD图像传感器。

CCD传感器的数据：

并且，在可见或IR辐射的极弱的或常规的强度下，用于包含本发明的AMIM-DS的整流天线的数据连同右侧最后一列中的灵敏度增益：

量子效率中的明显差异导致基于AMIM-DS整流天线的像素的灵敏度增益在CMOS/CCD像素之上，并且主要在IR范围附近。

与其中一组入射光子由于量子效率总是小于1而生成仅一个电子的通常的光电半导体转换器相反，在光学整流天线中，入射光子流在AMIM-DS的纳米天线上感应出波动的与入射光子的累积能量成比例的电能。该感应电能被描述为纳米天线中的电压与电流的乘积。纳米天线上的感应电压的量值打开MIM二极管在经典工作模式下的运行。在没有损失的情况下，感应电压的量值由经典公式V_A＝(W_ph＊R)^1/2描述，其中V_A是MIM二极管阳极上的电压，W_ph是入射光子流的累积功率，R是如从纳米天线看到的MIM二极管阳极与地之间的输入电阻。流动通过MIM二极管的经整流的电流对阳极充电电容器充电，该阳极充电电容器是任何数字图像传感器中的固有部件。在没有损失的情况下，电流由经典公式ID1＝(W_ph/R)^1/2描述，其中I_D1是通过MIM二极管的电流，W_ph是入射光子流的累积功率，R是如从纳米天线看到的MIM二极管阳极与地之间的输入电阻。因此，根据下述公知的公式计算节点充电电容器上的电压：

V_C＝I_D1＊t/Cn

其中V_C是节点充电电容器上的电压，I_D1是通过MIM二极管的电流，t是曝光时间，Cn是节点充电电容器的电容值。

参考图19a，其例示了由Vatsia、Stich和Dunlap测量的月亮的各种阶段的夜空光谱辐射立体角密度。在没有月亮的夜晚，在1,050nm的红外波长处，辐射能量密度约为2.4*10^-11W/cm²/sr/10nm，其对应于约1.3*10⁸光子/s/cm²/sr/10nm。在1,050nm的波长处，CCD图像传感器具有在2％的范围内的量子效率，其需要几十微米的像素面积、数十秒的曝光时间和用于捕获可接收的图像的冷却。公知的是，单个电子在0.05pF的节点充电电容器上产生3.2μV。为了达到1mV的可测量值，CCD像素必须生成312个电子，其对应于撞击CCD像素的15,625个光子，其中量子效率为2％。对于所描述的夜晚状态，曝光时间约为100ms。在通常的CCD图像传感器中，模数转换器输入上的饱和信号约为2.7V，因此对于使用全信号量值，曝光时间需要放大约2,700倍。

在具有1μm²的有效面积的AMIM-DS纳米天线上，在没有月亮的夜晚，辐射能量为2.4*10^-19W/10nm。即使带有小如1％的效率，具有100欧姆输入电阻R的AMIM-DS也将生成通过MIM二极管的约0.25pA的DC电流。在10ms的曝光时间内，AMIM-DS将在0.05pF的节点充电电容器上产生约50mV的电压。很明显，在近红外范围内，与CCD或CMOS传感器相比，AMIM-DS具有更高的速度和更高的灵敏度。

参考图19b，其例示了与用于热视觉相机中的数字图像传感器的复合半导体材料相比较的在近和热IR光谱内在100％转换效率下的AMIM-DS理论灵敏度极限。在近IR范围1.1÷1.5μm内，AMIM-DS灵敏度在10％至12％上更多。如在图19b中清楚地示出的，在从近IR到热IR的整个光谱中，AMIM-DS与用于热图像传感器的复合半导体材料的灵敏度相比较表明光子转换增益从1.2倍提高到24倍，该转换增益取决于波长、半导体材料、以及AMIM-DS转换效率E。例如，在与温度68÷-46℃的峰值波长辐射对应的IR波长8.5÷12.8μm处，5％转换效率下的AMIM-DS灵敏度将与为0.35÷0.38A/W的MCT16_-190℃的灵敏度对应。

与基于复合半导体材料的为达到必要的低温温度而是体积大的、昂贵的、耗能的且耗时的热图像传感器相对比，基于AMIM-DS的图像传感器将是便携的、便宜的、将不需要能量用于冷却，并且将在通电后立即执行。AMIM-DS的非常重要的优点是估计比当前半导体热图像传感器的成本低数千倍的低制造成本，其使得能够制造具有几百万像素分辨率的商用热图像传感器。

使用AMIM-DS装置的其他非限制性应用包括：

·用于医疗检查程序中的定量评定、测量和光谱分析的超灵敏纳米级光电检测器和/或图像传感器；

·用于生物调研和诊断程序中的定量评定、测量和光谱分析的超灵敏纳米级光电检测器和/或图像传感器；

·用于IR和可见数据通信的单光子纳米级检测器；

·用于在IR和可见范围下的非破坏性测试的超灵敏纳米级光电检测器和/或图像传感器。

如上所述，AMIM-DS可以成功地用于太阳能收集面板，代替当前的硅PV电池。

应理解，本发明可以用于各种应用和行业，并且以上实施例和实施方式主要旨在便于理解本发明及其不同方面，然而本发明决不限于上述实施例和实施方式。