СТРУКТУРА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СУБТЕРАГЕРЦОВОГО И ТЕРАГЕРЦОВОГО ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА
STRUCTURE FOR GENERATING SUB-TERAHERTZ AND TERAHERTZ RANGE ELECTROMAGNETIC RADIATION

Структура для генерации электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотного диапазона
Данное изобретение найдет применение в качестве приборных структур для компактных и мощных импульсных генераторов, детекторов и смесителей субтерагерцового и терагерцового диапазона частот.
Известна гетероструктура для резонансно-туннельного диода (РТД), реализующая «квантовый» режим генерации и усиления электромагнитных волн субтерагерцового и терагерцового диапазона частот /1/. Такой режим должен проявляться в стороне от области отрицательной дифференциальной проводимости ВАХ и только на частотах, соответствующих условию ħω>Δ, где Δ - квантовая ширина резонансного уровня. Недостатками такой структуры и устройства (РТД) на ее основе являются как чрезвычайно жесткие условия для реализации указанного «квантового» режима, так и достаточно низкие для множества прикладных применений выходные мощности (предельно достижимые расчетные значения мощности не превышают 10 мВт).
4
В качестве прототипа заявляемой в настоящем изобретении структуры для генератора субтерагерцового диапазона мы выбираем мультислойную структуру для резонансно-туннельных гетеропереходных диодов на основе твердых растворов GaAs-AlAs, позволяющую реализовать частоты субтерагерцового диапазона частот /2/. Однако, и это решение не способно обеспечить на указанных частотах генератору выходную мощность превышающую 100 мкВт (для генераторов на основе резонансно-туннельных структур мощность убывает с частотой как 1/ω) /2/.
Задача изобретения - существенное увеличение мощности твердотельных генераторов субтерагерцового и терагерцового диапазона частот излучения.
17
18
-3
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
Это достигается тем, что в мультислойной гетеропереходной структуре, состоящей из подложки арсенида галлия, и расположенных на ней чередующихся слоев GaAs и GaAlAs, предлагается: толщины чередующихся слоев выбираются одинаковыми и лежат в диапазоне 30…100 нм, слои GaAs легируются донорами до концентраций 5·10…1·10см а слои GaAlAs не легированы, количество периодов пар чередующихся слоев GaAs и Ga Al As гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, мольная доля Х выбирается из диапазона 0,20…0,35, слой Ga Al As из пары наиболее удаленной от подложки покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga Al As из пары наиболее удаленной от подложки, либо пары наиболее приближенной к ней понижена и составляет значение (0,65…0,75)·Х.
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
17
18
-3
Структуру по п.2 Формулы предлагается выполнить на основе пар из чередующихся полупроводниковых узкозонных GaN и широкозонных GaAlN слоев, отличающихся тем что их толщины выбираются в диапазоне 30…100 мкм, мольная доля Х в слоях GaAlN выбирается из диапазона 0,35…0,55, слои GaN легируются донорами до концентраций 5·10…1·10см а слои GaAlN не легированы, количество периодов пар чередующихся GaAs и Ga Al N слоев гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, слой Ga Al As, из пары наиболее удаленной от подложки, покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga Al N из пары наиболее удаленной от подложки, либо пары наиболее приближенной к ней понижена и составляет значение (0,65…0,75)·Х, при этом подложкой является сапфир либо карбид кремния. Положительный эффект в заявляемых по п.п.1, 2 гетероструктурах для генераторов субтерагерцового и терагерцового диапазона частот достигается благодаря реализации в них термоинжекционной неустойчивости, следствием которой является бистабильность или, что тоже самое, S-образность статических вольтамперных характеристик (ВАХ). Доказательством тому является выполненный нами с использованием методов математического моделирования анализ изменений характера пространственных зависимостей потенциала, концентрации носителей и электронной температуры в рассматриваемой многослойной структуре с изменением приложенного напряжения /3, 4/. Установлено, что:
- в области сравнительно малых и промежуточных значений тока большая часть приложенного напряжения парциально падает на слаболегированных слоях широкозонного материала;
- главным механизмом электропроводности в предлагаемой структуре является термоинжекция электронов из высоколегированных узкозонных слоев в широкозонные не легированные слои, определяемая как электронной температурой на гетеробарьерах так и электрическим полем в широкозонных слоях;
- в процессе высокополевого дрейфа электронов в широкозонных слоях за счет джоулева разогрева увеличивается поток электронной температуры, поступающий в последующий узкозонный слой, где происходит частичное остывание электронов, но определенная часть избыточного теплового потока достигает следующей гетерограницы, стимулируя тем самым термоинжекцию электронов в следующий широкозонный слой, что обусловливает определенное снижение падающего на нем потенциала.
Результаты моделирования также указывают на специфическую особенность электроразогревного процесса в первой (присоединенной к отрицательному полюсу источника питания) элементарной ячейке предлагаемой мультибарьерной структуры. У первой гетерограницы электронная температура (отвечающая термодинамическому равновесию) минимальна и, следовательно, эту гетерограницу отличает пониженная термоинжекция при той же высоте гетеробарьера, как и в последующих элементарных ячейках. Эта пониженная инжекционная способность компенсируется повышенным падением потенциала на первом широкозонном слое и, соответственно, повышенном электроразогреве электронов в нем. Столь сильно разогретые электроны практически беспрепятственно преодолевают последующие гетеробарьеры, что и обусловливает соответствующий переход структуры в сильно токовое состояние через участок с достаточно малым, но положительным дифференциальным сопротивлением. Поэтому для обеспечения S-образной формы ВАХ с участком отрицательного дифференциального сопротивления используются пониженные значения высоты первого энергетического барьера.
2
Расчеты показывают, что из-за разницы между характерными временами термоинжекции (разогрева) электронов в широкозонных GaAlAs слоях и охлаждения электронов в легированных узкозонных GaAs слоях ячейки гетеродиодной структуры реализуется бистабильный характер ВАХ гетеродиодов. При этом, в случае работы в импульсном режиме (цуги длительностью до 10 мс со скважностью ≥10 мс) предельные частоты генерации могут достигать многих сотен гигагерц (0,6…0,8 ТГц), при токах ~ 100 мА, и выходной мощности достигающей ~0,2…0,5 Вт/ячейка с площадью 20×20 мкм. Посредством набора совокупности параллельно включенных гетеродиодных ячеек указанной площади можно конструировать генераторы импульсов с характерными частотами, лежащими в области 0,5…0,8 ГГц и суммарной мощностью от 0,5 до 2,0 Вт.
1-x
Заявляемая структура по п.2 формулы позволяет увеличить длительность цуга и мощность за счет значительного повышения коэффициента теплопроводности материала многослойной гетероструктуры и подложки, и добротности приборов. Основанием для положительных ожиданий является больший перепад значений токов «пик-долина» на ВАХ резонансно-туннельного диода на основе гетероструктуры GaN/GaAlyN. Благодаря этому существенно расширяется область применений генераторов и схем на их основе и упрощается интеграция генераторных ячеек в управляющие схемы и электронные радиотехнические устройства.
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
18
-3
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
<mrow><mover><mi>A</mi><mn>0</mn></mover></mrow>
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
AlxGa1-x
На фиг.1 изображена многослойная структура по п.1 Формулы изобретения, где: 1-GaAs подложка, 2-GaAs:Si 10 cm толщиной 7000
, 3-AlGaAs x=0.4 нелегированный, толщиной 450
, 4-GaAs:Si 10 cm толщиной 450
, 5-AlGaAs х=0.4 нелегированный, толщина 450
, 6-GaAs:Si 10 cm толщиной 450
, 7- AlGaAs х=0.4 нелегированный, толщина 450
, 8-GaAs-Si 10 cm толщиной 450
, 9-AlGaAs х=0.4 нелегированный, толщина 450
, 10-GaAs:Si 10 cm толщиной 450
, 11-AlGaAs х=0.4 нелегированный, толщина 450
, 12-GaAs:Si 10 cm толщиной 450
, 13-AlGaAs x=0.4 нелегированный, толщина 450
, 14-GaAs:Si 10 cm толщиной 450,
15-AlGaAs x=0.4 нелегированный, толщина 450
, 16-GaAs:Si 10 cm толщной 450
, 17-As x=0.4 нелегированный, толщина 450
, 18-GaAs:Si 10 cm толщиной 1500
.
Для указанной гетероструктуры выполнены теоретические расчеты статических ВАХ и получены оценки динамических характеристик генераторов на ее основе. На фиг.2 представлены экспериментально измеренные статические ВАХ генераторных ячеек, выполненных с использованием микроэлектронных технологий на основе многослойной гетероструктуры.
17
18
-3
18
-3
2
17
18
-3
1-x
x
Как показали расчеты, концентрация доноров в GaAs слоях может варьироваться в зависимости от задачи в диапазоне 5·10…10 см, при изменениях толщин GaAs и GaAlAs слоев в диапазоне 30…100 нм. При концентрациях меньших нижней границы диапазона, толщины областей пространственного заряда (ОПЗ) возникающих в GaAs из за наличия гетерограниц, станут соразмерными толщинам GaAs слоев, что резко изменяет сам механизм транспорта в многослойной структуре. При концентрациях больших 10см резко подает подвижность электронов (становиться меньшей 1500 см/Вс) в узкозонных GaAs слоях из-за увеличения рассеяния на легирующей примеси и структурных дефектах. Кроме того, наблюдается «прорастание» структурных дефектов в широкозонные Ga Al As слои, что способствует развитию подбарьерных механизмов транспорта (прыжковая термоактивированная проводимость по локализованным состояниям). Все это отрицательно сказывается на отношении времени разогрева и релаксации температуры электронного газа. определяющего возможность образования S-образности на ВАХ и характерные частоты генерации. В качестве подложки может использоваться либо подложка сильнолегированного донорами арсенида галлия, либо полуизолирующая подложка арсенида галлия с расположенным между ней и ближайшим по отношению к ней широкозонным слоем GaAlAs, сильнолегированным (5·10…10 см) слоем арсенида галлия толщиной 0,4…1,0 мкм.
Заявляемая гетероструктура изготавливается следующим образом (пример).
18
-3
17
18
-3
18
-3
1-x
На полупроводниковой подложке n - типа проводимости последовательно эпитаксиально выращиваются: узкозонный сильнолегированный (до 10 см) донорами GaAs слой, широкозонный нелегированный Gay Ali.y As слой (выбирается мольная доля в диапазоне у=0,27…0,35), узкозонный легированный (5·10…10 см) донорами GaAs слой - ((3…20 периодов чередующихся пар указанных широкозонных и узкозонных слоев), широкозонный нелегированный слой Gax Al As (выбирается мольная доля в диапазоне х=0,18…0,20) и узкозонный сильнолегированный донорами (до 10 см) слой GaAs (слои могут быть легированы, например, германием, кремнием, оловом).
2
При изготовлении генератора на указанной гетероструктуре выполняются следующие технологические процедуры. На тыльной стороне сильнолегированной nGaAs подложки формируется омический контакт.На выращенной гетероструктуре посредством литографических методов (электронная литография, фотолитография, либо наноимпринтинг в зависимости от выбранной геометрии мез) формируются ячейки гетеродиодов, в виде мезаструктур высотою большей суммарной толщины слоев многослойной эпитаксиальной гетероструктуры и площадью каждой мезы в диапазоне 20×20…50×50 мкм. Поверхность структуры пассивируется (покрывается) диэлектриком и планаризируется, и в диэлектрике посредством литографии вскрываются окна к сильнолегированному nGaAs слою верхней плоскости упомянутой мезы. Затем, во вскрытом в диэлектрике окне к поверхности мезы формируется омический контакт (например, с использованием системы Ge/Ni/Au). В зависимости от требуемых параметров генератора организуются с помощью проводящих ламелей гальванические связи между тем либо иным количеством гетеродиодных ячеек (мез) и формируются контактные площадки.
1-x
x
Структура по пункту 2 является частным решением п.1. Она позволяет дополнительно повысить предельную мощность генератора на многослойной гетероструктуре заявляемого типа. Действительно, в структуре по п.2 Формулы упомянутые слои мультислойной гетероструктуры выполняются на основе твердых растворов материалов системы GaN-AlN из пар чередующихся легированных nGaN и нелегированных GaAlN эпитаксиальных слоев; подложкой при этом, из технологических и мощностных соображений, может являться сапфир, либо карбид кремния. В силу общности физических процессов протекающих в гетероструктурах указанных типов, оставаясь в рамках предлагаемой в п.1 Формулы архитектуры мультислойной структуры, можно таким образом увеличить отбираемую (выходную) мощность за счет существенно лучшей, чем у GaAs, теплопроводности твердых растворов GaN-AlN и подложек из SiC, либо сапфира.
Литература
1. Елесин В.Ф. // ЖЭТФ, 1999. T.116, №2. C.704; ЖЭТФ, 2005. Т.127,№1. С.131.
2. Sollner T.C., Goodhue W.D. et al: // Appl.Phys.Lett. 1983, V.43(6). P.588
3. Гергель В.А., Зеленый А.П., Якупов М.Н. Исследование эффекта бистабильности токовых характеристик наноразмерных многослойных сильно легированных гетероструктур методами математического моделирования// Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, №3, с.325-330.
4. Гергель В.А., Якупов М.Н., Верховцева А.В., Горшкова Н.М. Механизм электрической неустойчивости в мультибарьерных гетероструктурах. Особенности высокочастотного импеданса. //Радиотехника и электроника, 2012, том 57, №4, с.1-4.