ДЕТЕКТОР ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Настоящая полезная модель относится к приборам, детектирующим излучение в терагерцовом диапазоне частот, а именно детектор терагерцового излучения на основе полевого транзистора.
DS
DS
DS
В патенте США №7420225 описывается детектор терагерцового излучения представляющий собой полевой транзистор сформированный на полупроводниковой подложке, состоящей из гетероструктуры с двумерным электронным газом в канале между стоком и истоком транзистора, и периодического решеточного затвора из множества пальцев над каналом транзистора. Один из пальцев решеточного затвора управляется отдельно от остальной решетки. То есть, для управления каналом используются два независимых напряжения и, управляя одним пальцем можно локально создавать условия для отсечки канала транзистора. Под управляемым пальцем плотность носителей уменьшается, путем подачи соответствующего напряжения на него до состояния близкого к отсечке канала, таким образом, увеличивая температурный коэффициент сопротивления устройства dR/dT, где R - сопротивление канала транзистора, T - температура. При освещении структуры ТГц излучением разогревается двумерный электронный газ и с увеличением коэффициента dR/dT получаем более высокий отклик фотопроводимости или фотоЭДС, по сравнению с детектором, не имеющим отдельно управляемого пальца. Наличие двух управляющих напряжений значительно ухудшает помехозащищенность устройства, наводимые по цепям питания паразитные сигналы будут довольно велики.
В патенте США №2013/0277716 описывается конвертор терагерцового излучения, что, по своей сути, означает детектор терагерцового излучения. Цель устройства - усилить эффективность преобразования энергии терагерцовой электромагнитной волны и энергии постоянного тока посредством плазменных волн в канале полевого транзистора. Структура устройства имеет типовое содержание полевого транзистора с высокой подвижностью: подложку, буферный слой, канал, барьер, омические контакты (сток и исток). Отличает данный детектор геометрия затвора, он состоит из двух групп пальцев (имеется два решеточных затвора, пальцы которых чередуются от истока к стоку) управляемых независимо. Длина пальцев одного затвора отличается от длины пальцев другого затвора (один короткий, другой длинный). И при этом, что немаловажно, различаются ширины щелей между соседними пальцами, что привносит асимметрию в структуру детектора. Период решеточной структуры затвора состоит из двух затворов (короткий затвор плюс длинный) и двух последующих щелей между пальцами. При освещении терагерцовым излучением в канале устройства наводятся вынужденные колебания электронной плотности под затворами (плазменные колебания). В более узкой щели ближнее поле, возбуждающее двумерную плазму, сильнее, чем в более широкой щели. Таким образом, создаются асимметричные условия по обеим сторонам каждого затвора, и в канале транзистора появляется постоянный ток (происходит детектирование). Путем изменений напряжений на затворах и тока смещения через канал можно добиться увеличения отклика на терагерцовое излучение. Хотя применение тока смещения через канал ухудшает шумовые характеристики прибора. В наиболее эффективном режиме на один из затворов подается напряжение близкое к напряжению отсечки канала, и достигается максимум отклика. Авторы это связывают с тем, что к асимметрии связанной с геометрией затвора добавляется асимметрия скоростей плазменной волны под затворами, поскольку она зависит от концентрации носителей. Хотя в данном случаем получение отклика в режиме отсечки можно было объяснить как в США №7420225, так и обратно, разницей скоростей плазмонов можно объяснить усиление отклика в детекторе США №7420225.Однако в данном исполнении потенциал на затворном контакте будет одинаковым, а расположить пальцы затвора точно в местах с одинаковым фазовым распределением терагерцового сигнала невозможно. В силу этого несинфазные сигналы будут взаимно компенсировать друг друга и суммарный сигнал окажется меньше.
Задача, на решение которой направленно заявленное нами техническое решение, заключается в увеличении полезного сигнала на падающее терагерцовое излучение детектора на основе полевого транзистора с решеточным затвором путем добавления дополнительного сопротивления на основе меза резистора, встраиваемого в затворную цепь.
В работе [Yermolayev D.М., Polushkin Е.A., Shapoval S. Yu., Popov V.V., Marem'yanin К.V., Gavrilenko V.I., Maleev N.A., Ustinov V.M., Zemlyakov V.E., Yegorkin V.L, Bespalov V.A., Muravjov A.V., Rumyantsev S.L., and Shur M.S. Detection of Terahertz Radiation by Dense Arrays of InGaAs Transistors // International Journal of High Speed Electronics and Systems. - 2015. - V. 24. - №1550002.] было показано, что для решеточных транзисторов существует проблема, связанная с наличием конструктивного элемента - затворной шины. Вектор поля Е падает нормально на металлические поверхности, которая в целом остается нейтральной, за исключением своих краев. Каждая металлическая полоска из решетки так же поляризуются. При соединении отдельных полосок единой металлической шиной в месте сочленения находятся нескомпенсированные заряды на решетке. Поэтому на границе решетки и общей полоски металла возникает движение заряда, то есть токи. В результате часть решетки становится нейтральной. Теперь если учесть что на решетку с шиной падает переменное терагерцовое поле, то пальцы вблизи шины остаются неполяризованными, а значит, под нейтральной областью пальцев не происходит возбуждение плазменных волн и эта часть канала не дает вклад в терагерцовый отклик. Это происходит из-за того что между нейтральными пальцами (в щелях) нет переменного поля, которое становится источником вторичных волн, падающих на проводящий канал и возбуждающих плазменные колебания. Этот эффект уменьшает чувствительность детектора.
Сопротивление металла на ТГц частотах достаточно мало. Например, для золота глубина скинслоя составит 0,1 мкм на частоте 0,6 ТГц и сопротивление около 0,23 Ом/. Сопротивление большинства гетероструктур имеет величину около 400-500 Ом/. Таким образом, если сделать сопротивление между шиной и пальцами решетки из слоя полупроводника, то соседние пальцы решетки могут находиться под разным потенциалом, что позволит задействовать всю площадь при детектировании терагерцового излучения и получить выигрыш в ТГц отклике и чувствительности.
ФИГ. 1 показывает ТГц детектор с ФИГ. 1 с резистором между затворной решеткой и затворной шиной и в сечении А-А.
ФИГ. 2 иллюстрирует экспериментальные зависимости ТГц отклика, полученные для образцов с длинами резисторов 50 и 100 мкм, также прочерчена кривая усреднения.
18
-3
12
-2
2
0
0
Образцы ТГц детекторов, для экспериментальной проверки, были изготовлены в виде одной микросхемы из GaAs/InGaAs/AlGaAs гетероструктуры на полуизолирующей подложке GaAs. Двумерный электронный канал формировался в нелегированном слое InGaAs толщиной 12 нм с 8-легированным барьерном слоем AlGaAs толщиной 40 нм, и нелегированным буферным слоем GaAs толщиной 400 нм, сформированным на (100) поверхности полуизолирующей подложке GaAs толщиной 450 мкм. Контактный слой GaAs толщиной 50 нм являлся п-легированным с содержанием легирующей примеси Si 5×10см. Плотность электронов в канале равнялась 3×10 см с эффективной массой электрона m=0.061m, где m - масса свободного электрона, и подвижностью при комнатной температуре равной 5900 см/(В×с). Омические контакты истока и стока были сделаны путем осаждения слоя AuGe-Ni-Au (30/10/200 нм) с дальнейшим отжигом при 400°C в течении 30 с в азотной атмосфере. Далее одновременно с травлением мезы транзистора шло изготовление полупроводниковых резисторов в цепи между затворной решеткой и затворной шиной. Металлические слои решеточного затвора Ti-Au (50/300 нм) осаждались испарением электронным лучом. Металлические контакты выполнялись электронной литографией и стандартным процессом взрывной литографии. Верхняя поверхность образца пассивировалась посредством осаждения тонкого слоя нитрида кремния.
Устройство работает следующим образом. К омическим контактам присоединяются цепи, регистрирующие отклик, и цепи питания. К затворной шине присоединяются цепи выбора затворного напряжения транзистора. При попадании на детектор терагерцового излучения, затворная решетка поляризуется по всей длине, включая области вблизи контакта с сопротивлением из полупроводника. За счет плазменной нелинейности возникает постоянный ток в канале и происходит детектирование.
Управляя напряжениями на шинах затворов, достигают максимального отклика на ТГц излучение.