МОДУЛЯТОР ИНТЕНСИВНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КВАНТОВОЙ ЯМЫ
SURFACE ACOUSTIC WAVES INTENSITY MODULATOR BASED ON A SEMICONDUCTOR QUANTUM WELL

Изобретение относится к акустоэлектронике, в частности к устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано в линиях задержки электрических сигналов, в замедляющих устройствах, фазовращателях, для построения согласованных фильтров сложных сигналов и преобразователей временного масштаба, калибровки временных интервалов с требуемыми параметрами, коррекции временных искажений.
Гасанов А.Р., Гасанов Р.А. Электронно-управляемые акустооптические линии задержки (АОЛЗ) дискретного действия // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2015.— № 9.— C.6-10
Известны акустооптические линии задержки сигналов дискретного действия []. В них управление временем задержки электрических сигналов может осуществляться изменением несущей частоты упругой волны при различных углах падения световых пучков и переключением фотоприемников, расположенных в плоскости регистрации отклоненного света при одинаковых углах падения световых пучков в апертуру фотоупругой среды.
Пашаев А.М., Гасанов А.Р., Мамедов А.А., Гасанов Х.И. Электронно-управляемая акустооптическая линия задержки//Приборы и системы управления. — 1997.— № 6.— C.46
.
Известны акустические модуляторы сигналов, используемые в линиях задержки сигналов. В таких устройствах электрический сигнал преобразуется в ультразвуковые колебания, распространяющиеся в оптически прозрачной среде к акустическому поглотителю, и затем извлекается через упругооптическую связь [] Извлечение сигнала становится возможным благодаря тому, что просвечивающий пучок света модулируется при дифракции на неоднородностях диэлектрической проницаемости, вызываемых деформациями среды звукопровода, обусловленными ультразвуковой волной. Для получения электрического сигнала свет детектируют с помощью фотодетекторов. Звукопровод в данном случае является акустическим модулятором света.
см. например,
заявка №2009131401/28, МПК G01N29/00,
2009г.
3
Известен датчик на ПАВ [], содержащий подложку из LiNbO со специально обработанной нижней поверхностью, встречно-штыревые преобразователи (ВШП), напыленные на подложку с определенным шагом, основание и акустические поглотители паразитных ПАВ, отличающийся тем, что он снабжен акустическим звуководом в виде полированного бруска металла, при этом нижняя поверхность подложки под ВШП - шероховатая, а нижняя поверхность в центральной части между ВШП - гладкая, при этом основание состоит из двух частей, между которыми находятся акустический звуковод, размещенный под центральной частью подложки, причем расстояние напыления гребенок ВШП изменяется линейно от 0,176 до 1,176 мм, а шаг напыления зависит от количеств гребенок ВШП.
К недостаткам указанных устройств можно отнести разнообразные вторичные акустические эффекты, сопровождающие возбуждение, распространение и приём ПАВ. Среди этих эффектов главными являются дифракция, дисперсия и переотражение ПАВ. Кроме того, в материале звукопровода и фотодетектора неизбежны потери энергии, что создает дополнительные трудности в функционировании приборов на ПАВ.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача модуляции интенсивности ПАВ для создания акустооптической линии задержки электрических сигналов. Процесс модуляции самой ультразвуковой волны позволит уменьшить негативное влияние перечисленных выше эффектов, в частности избежать энергетических потерь при преобразовании акустического сигнала в оптический.
Заявитель считает данное изобретение пионерным, то есть не имеющем в уровне технике аналогов (средств того же назначения).
3
3
3
x
c
F
1,2
λ
1,2
F
λ
Технический результат достигается тем, что модулятор содержит в качестве базового элемента слоистую структуру LiNbO – SiOx – InSb - SiOx. Распространение ПАВ происходит в слое LiNbO, а дрейф носителей заряда – в пленке InSb (при толщине пленки 400 – 500 Å). Связь между упругой и электронной подсистемой осуществляется электрическим полем, проникающим через границу раздела LiNbO – InSb. Для предотвращения легирования пленки InSb диффузией примеси из подложки пленка покрывается слоем SiOx толщиной 300÷400 Å. Верхний защитный слой SiOx служит для исключения коагулирования и разложения пленки InSb при плавлении. Рассматриваемая структура схематически изображена на фиг.1, где 1 – преобразователь; 2 – Al – электроды для тянущего поля; 3 – пленка InSb; 4 – пленка SiO. На фиг.2 схематически показаны особенности электронного энергетического спектра рассматриваемой КЯ с примесными центрами (ПЦ), где L – ширина КЯ; E – энергия дна зоны проводимости в массивном полупроводнике; E – энергия Ферми; точки z определяются условием E(z)=E; E - энергия связанного состояния ПЦ.
3
Свойства границы LiNbO – InSb зависят от случайных факторов, и в случае зонного механизма проводимости пленки InSb следует ожидать заметного разброса параметров усилителей ПАВ этого типа. В отличие от режима усиления, режим модуляции ПАВ не предъявляет жестких требований к величине дрейфовой подвижности носителей заряда. Здесь актуальной становится проблема эффективного изменения проводимости пленки InSb. В этой связи представляет интерес прыжковая проводимость на переменном токе в компенсированной КЯ на основе InSb.
Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. Теория фотоэлектрических и пороговых характеристик фотоприемников на основе многослойных структур на GaAs – AlGaAs с квантовыми ямами//ФТП.— 1991.— т. 25.— № 9.— С.1579—1588.
В полупроводниковой КЯ наряду с обычным уширением примесной зоны за счет случайного поля может иметь место дополнительное уширение, связанное с эффектом позиционного беспорядка. Будем предполагать, что связанное с этим эффектом уширение примесной зоны превосходит размытие уровня за счет случайного поля. Будем считать полупроводниковую КЯ компенсированной (уровень Ферми расположен в примесной зоне) и рассмотрим случай низких температур, когда проводимость определяется переходами между состояниями с энергиями , близкими к уровню Ферми []. В этом случае пространственное положение точек локализации этих состояний ограничено узкими областями около плоскостей  причем точки  определяются условием
Bringcourt G., Martinuzzi S. C. R.//Acad. Sci. Paris.— 1968.— v. 266.— P.1283.
В широкой области частот прыжковую проводимость  можно вычислять на основе парного приближения []:
⊥
a
b
a
,b
λ
a
,b
ab
где S - площадь сечения образца, перпендикулярного переменному полю;  - радиус-векторы рассматриваемой пары ПЦ;  - единичный вектор в направлении переменного электрического поля; ;  и – энергии ПЦ, связанные с их координатами z и z соотношением E= E(z);  - функция квантовой корреляции уровней;  - равновесная вероятность заполнения центра; τ – время релаксации в паре
ab
a
здесь Г представляет собой темп переходов между центрами пары  и b:
0
*
а
θ
где Г – предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от энергий и координат ПЦ; λ - больший из радиусов локализации состояний  и b; ступенчатые функции   в (1) указывают на то, что ПЦ расположены по разные стороны от плоскости .
Звягин И.П., Ван В. Частотная зависимость проводимости по примесям в квантовой яме//Вестник МГУ. Сер. 3 «Физика. Астрономия».—1996 — № 6. — С.69—73.
l
Расчет проводимости существенно упрощается [], если характерная длина прыжка  велика по сравнению с шириной КЯ. В этом случае в матричных элементах перехода между локализованными состояниями величину  можно заменить на  - расстояние между ПЦ в плоскости слоя. При этом время релаксации  в (2) примет вид  При  можно пренебречь и квантовой корреляцией уровней, полагая . Рассмотрим, далее, случай, когда направление напряженности электрического поля перпендикулярно к направлению роста КЯ (продольная проводимость). В этом случае, интеграл в (1) можно приближенно вычислить, и в результате вещественная часть продольной проводимости Reσ(ω) примет следующий вид
0
l
0
d
d
0
4
2
2
5
8
e
N
a
/(2
E
здесь σ=πτ), а функция  определена как
E
Кревчик В.Д., Зайцев Р.В., Евстифеев Вас.В. К теории фотоионизации глубоких примесных центров в параболической квантовой яме. // ФТП. – 2000. – Т.34. - №10. – С.1244 – 1249.
λ
, ; энергия связанного состояния ПЦ  в КЯ с параболическим потенциальным профилем, здесь учтено, что проводимость определяется переходами между примесными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми. Величина  определяется из дисперсионного уравнения [см. ]:
a
a
U
U
E
0
d
0
0
d
*
*
здесь ; ; =z/L; ; L=L/ ; =/.
l
0
l
0
0
i
0
i
0
i
0
i
0
*
η
U
U
U
На фиг. 3 представлена зависимость нормированной проводимости Reσ(ω)/σ от величины ωτ при различных значениях амплитуды потенциала U КЯ и глубины залегания примесного уровня , рассчитанная по формуле (4) (1— *=100, η=6; 2— *=200, η=5.1; 3— *=100, η=5.1). Можно видеть (см. кривую 3), что проводимость в основном определяется переходами электронов между примесными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми. Незначительное понижение примесных уровней сопровождается уменьшением проводимости примерно на порядок (ср. кривые 3 и 1). С ростом амплитуды потенциала КЯ проводимость падает (ср. кривые 3 и 2), что обусловлено соответствующим смещением примесных уровней. Необходимо отметить, что в достаточно узкой области частот переменного электрического поля 0,2≤ωτ≤1 (см. фиг.3) прыжковая проводимость меняется от нуля до максимального значения. Эта особенность составляет физическую основу модуляции интенсивности ПАВ.
Предлагаемый модулятор интенсивности ПАВ представляет собой многослойную структуру с полупроводниковой КЯ, содержащей примесную зону. ПАВ взаимодействует с электронами в примесной зоне посредством экспоненциально спадающего электрического поля волны, проникающего в пленку InSb. Рассмотрим случай, когда частота переменного поля ω много меньше частоты звука   но больше или порядка обратного времени пролета звука через образец. В частности, если время пролета звука по образцу равно целому кратному периодов внешнего переменного электрического поля, то интенсивность звука на выходе образца определяется в основном средним по периоду поля коэффициентом поглощения звука <α>:
S
S
L
P
M
M
D
D
e
0
S
e
0
⊥
2
1
l
1
l
2
k
здесь γ - константа электромеханической связи, ω – частота ПАВ, v – скорость ПАВ, ε, ε – диэлектрические проницаемости диэлектрического подслоя и пьезоэлектрика, σ - проводимость пленки InSb. Выражение (6) получено при следующих условиях: ωτ<<1 (τ – максвелловское время релаксации); qr<<1 (q – волновое число звука, r – дебаевский радиус экранирования); μE///v<<1 (μ – подвижность электронов, E// - амплитуда продольного электрического поля); E=0 (поперечное внешнее электрическое поле отсутствует). Если проводимость пленки InSb является прыжковой на переменном токе и связана с модификацией электронных состояний на примесях в КЯ. Тогда, для глубины модуляции  где k=<α(ω)>/<α(ω)>=Reσ(ω)/Reσ(ω) (используя кривую 2 на фиг. 2) будем иметь m≈82%. При этом эффективность модулятора составит (при ≈10) примерно 70%. Таким образом, модулятор интенсивности ПАВ на прыжковом механизме проводимости InSb КЯ можно использовать в линиях задержки электрических сигналов. При этом модуляция непосредственно самой ПАВ позволяет избежать энергетических потерь при преобразовании акустического сигнала в оптический, что дает значительные преимущества при использовании предлагаемого модулятора ПАВ в линиях задержки электрических сигналов по сравнению с традиционными модуляторами на основе зонной проводимости.