ПРОЛЕТНЫЙ ДИОД С ПЕРЕМЕННОЙ ИНЖЕКЦИЕЙ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ И ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
FLIGHT DIODE WITH VARIABLE INJECTION FOR GENERATION AND DETECTION OF TERAHERTZ RADIATION

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может быть использовано для изготовления генераторов и приемников терагерцового излучения.
При продвижении в область частот электромагнитного излучения от 0.5 до 10 ТГц как со стороны оптических генераторов, так и со стороны электронных приборов, наблюдается резкое падение мощности [1]. Создание компактных и эффективных источников, работающих в данном диапазоне частот при комнатной температуре и обладающих достаточной для практических целей мощностью 5 мВт и выше, является актуальной задачей.
Предлагаемое устройство основано на использовании в качестве пролетного диода твердотельной структуры, которая может быть изготовлена, в частности, с помощью хорошо развитой планарной кремниевой технологии [2].
Описание устройства дается со ссылками на прилагаемые чертежи, где цифрами обозначены: 1 - сильно легированные области полупроводника; 2 - металлические контакты; 3 - пролетный нелегированный промежуток, и на которых представлены:
Фиг. 1. Вид сверху на пролетный диод с одним пролетным промежутком, сформированный на полупроводниковой подложке и имеющий две области сильного легирования с лежащими на них металлическими контактами, соединяющимися с антенной и источником постоянного напряжения;
19
-3
Фиг. 2. Качественное пояснение переменной инжекции. Представлена рассчитанная зонная диаграмма диода [4], а именно, положение края зоны проводимости полупроводника. В пролетном промежутке возникает потенциальный барьер в результате натекания электронов из сильнолегированных областей с уровнем легирования 10 см. При приложении напряжения между контактами вершина барьера смещается к одному из контактов, который служит инжектором электронов, в данном случае это правый контакт, при этом второй контакт играет роль стока. Изменение напряжения на диоде приводит к изменению высоты потенциального барьера, следовательно, к изменению инжекционного тока;
0
0
Фиг. 3. Рассчитанные частотные зависимости активной ReY (сплошная кривая) и реактивной ImY (пунктирная кривая) частей адмиттанса пролетного промежутка без учета емкости контактов по отношению к статическому адмиттансу (дифференциальной проводимости) Y; ω - круговая частота, t - пролетное время;
Фиг. 4. Вид сверху на пролетный диод с тремя пролетными промежутками, сформированный на полупроводниковой подложке и имеющий области сильного легирования. На крайних областях расположены металлические контакты, соединяющиеся с антенной и источником постоянного напряжения.
Наиболее важным свойством структуры для генерации терагерцового излучения является наличие отрицательной проводимости, другими словами отрицательной активной части адмиттанса, в линейном режиме слабого сигнала на частоте генерации. В этом случае энергия на генерацию колебаний черпается из энергии постоянного напряжения, приложенного к структуре. Колебания самовозбуждаются из термических флуктуаций тока и напряжения, но только при правильном согласовании элемента с внешней цепью, например волноводом или антенной.
Пролетный диод состоит из полупроводниковой подложки с областями сильного легирования, на крайние области нанесены металлические контакты, как показано на фиг. 3 и фиг. 4. Между областями сильного легирования находятся нелегированные пролетные области длиной приблизительно 100 нм, и по ним протекает ток в результате термоэмиссии.
0
При работе диода на металлические контакты подается постоянное напряжение V от внешнего источника. Возникающий переменный ток терагерцовой частоты поступает на антенну. В какой-то степени структура напоминает диодную электронную лампу, в которой осуществляется баллистический, без рассеяния, режим протекания тока, что существенно для возникновения отрицательной проводимости.
Добиться баллистического режима в полупроводниковом диоде с пролетным промежутком 100 нм при комнатной температуре невозможно, однако существует эффект, обеспечивающий возникновение отрицательной проводимости даже в случае сильного рассеяния - это эффект переменной инжекции. Впервые он был рассмотрен в работе [3] применительно к BARITT (Barrier Injection Transit-Time) диоду. Была предложена инжекция через туннельный контакт р-n перехода, но туннельный ток являлся слабым и приводил к малой мощности. Кроме того, большая емкость контакта не позволяла получать высокую частоту генерации.
В работе [2] была рассмотрена термоэмиссионная инжекция (фиг. 2): напряжение на пролетном промежутке изменяет высоту потенциального барьера, что приводит к изменению потока электронов, влетающих в пролетный промежуток из одного контакта. По сравнению с BARITT диодом в этой конструкции токи больше, а емкость между контактами меньше, что и обеспечивает существенные преимущества.
s
7
Активная ReY и реактивная ImY части адмиттанса пролетного промежутка представлены на фиг. 3 [4]. Режим насыщения дрейфовой скорости был принят во внимание. Для кремния скорость насыщения v=10 см/с, что и задает длину пролетного промежутка приблизительно равную 100 нм для генерации на терагерцовой частоте. Области с отрицательной проводимостью ReY(ω)<0 определяют диапазоны частот, на которых может происходить генерация. Следует особо отметить, что самовозбуждение колебаний, возникающих из термических флуктуаций тока и напряжения, происходит только при правильном согласовании пролетного диода с внешней цепью, т.е. антенной и/или волноводом.
Требования согласования выглядят следующим образом:
1) согласование по амплитуде обеспечивает условие на активные части адмиттансов:
a
- ReY > ReY
где Y - адмиттанс пролетного промежутка без учета емкости контактов диода, а
a
Y - адмиттанс внешней цепи, например антенны.
Очевидно, что, условие выполнимо только при отрицательном значении ReY.
2) согласование по фазе обеспечивает условие на реактивные части адмиттансов:
a
-ImY-ωC=ImY
где С - емкость контактов диода, а
ω - круговая частота.
Это условие не может быть выполнено при большой величине емкости С. Иными словами можно сказать, что большая емкость С производит шунтирование пролетного промежутка и колебания не могут быть выведены наружу.
-1
Структура диода с одним пролетным промежутком схематично описана в работе [2]. Для оценки емкости контактов С рассмотрим реалистическую структуру, которая может быть изготовлена с помощью современной кремниевой технологии (фиг. 1). Структура имеет пролетный нелегированный промежуток 100 нм между областями сильного легирования. Размер промежутка по ширине составляет около 100 мкм. Учитывая, что глубина сильного легирования составляет 30 нм и толщина металлического слоя 30 нм, оценка емкости диода дает ~ 0.04 пФ. Реактивная часть адмиттанса ωС, создаваемого этой емкостью на тактовой частоте 1 ТГц составляет всего 0,24 Ом, что затрудняет согласование диода с антенной, рассчитанной на терагерцовый диапазон частот. Отметим, что тривиальный метод уменьшения емкости диода за счет уменьшения его ширины приводит к уменьшению мощности генерации.
Для уменьшения выходной емкости диода можно использовать последовательное расположение двух и более пролетных промежутков в диоде (фиг. 4). Это уменьшает выходную емкость диода и одновременно увеличивает мощность генерации.
tot
Действительно, общий адмиттанс диода Y становится равным
tot
Y=(Y+iωC)/N
где N - количество пролетных промежутков.
На самом деле, уменьшение емкости существеннее по величине, ввиду того, что промежуточные области сильного легирования не имеют металлических электродов.
0
0
Если в рабочем состоянии диода с одним пролетным промежутком к нему прикладывается постоянное напряжение V, то к диоду, имеющему N пролетных промежутков, следует приложить постоянное напряжение NV, при этом величина протекающего тока сохраняется, а его мощность возрастает N раз. Во столько же раз возрастает мощность генерации. Число промежутков N может увеличиваться с целью увеличения мощности до тех пор, пока не нарушается условие согласования по амплитуде 1), приведенное выше. Это и определяет максимальную достижимую мощность генерации.
Рассматриваемый диод может служить и детектором излучения за счет эффекта выпрямления тока, который может быть качественно описан следующей формулой:
где V - постоянное напряжение, подаваемое на структуру;
- амплитуда переменного напряжения, поступающего с антенны;
ω - круговая частота переменного напряжения, поступающего с антенны;
ϕ(ω) - фазовый сдвиг переменного тока относительно переменного напряжения, поступающего с антенны, зависящий от частоты сигнала;
<…> - усреднение по времени.
Численные коэффициенты здесь опущены. Первое слагаемое описывает постоянный ток, второе - переменный ток, поступающий с антенны, третье - выпрямленный переменный ток, обусловливающий детектирование.
Для достижения максимальной чувствительности диода в режиме детектирования опять-таки требуется выполнение условий его согласования с антенной 1) и 2), приведенных выше. Хорошее согласование может быть достигнуто за счет увеличения количества пролетных промежутков N.
Таким образом, предлагаемая конструкция пролетного диода с переменной инжекцией обеспечивает согласование диода с антенной, повышает мощность генерации и увеличивает чувствительность детектирования излучения.
Источники информации
1. S.S. Dhillon, M.S. Vitiello, Е.Н. Linfield et al. "The 2017 terahertz science and technology Roadmap (Topical Review) ". J. Phys. D: Appl. Phys., 50, p. 043001, 2017.
2. V. Vyurkov, A. Miakonkikh, A. Rogozhin, M. Rudenko, K. Rudenko, V. Lukichev. Barrier-injection transit-time diodes and transistors for terahertz generation and detection, Proc. of SPIE Vol. 11022, 1102202 (2019) https://doi.org/10.1117/12.2522493.
3. Coleman D.J., Jr., "Transit-Time Oscillations in BARITT Diodes," J. Appl. Phys. 43, 1812-1818(1972).
4. V.V. Vyurkov, R.R. Khabutdinov, A.B. Nemtsov, I.A. Semenikhin, M.K. Rudenko, K.V. Rudenko, and V.F. Lukichev. Analytic Model of Transit-Time Diodes and Transistors for the Generation and Detection of THz Radiation, Russian Microelectronics, 2018, Vol. 47, No. 5, pp. 290-298. DOI: 10.1134/S1063739718050104.