МИКРОРАЗМЕРНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ОПТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ

МПК: H01L 27/144, H03B 7/00
Микроразмерный генератор с оптическим управлением
Устройство относится к полупроводниковым приборам с отрицательным дифференциальным сопротивлением и предназначено для генерирования периодических импульсов тока или напряжения, частотой следования которых можно управлять в результате изменения интенсивности или мощности оптического излучения в видимом и ближнем ИК диапазонах (500 - 900 нм), попадающего на фоточувствительную область устройства.
9
Известен полупроводниковый генератор с перестраиваемой частотой (патент SU 782641) включающий пластину монокристаллического кремния с двумя инжектирующими контактами, расстояние между которыми меньше диффузионной длины электронов, содержащего цинк и донорную примесь, с концентрацией меньше и равной концентрации цинка. Контакт, инжектирующий электроны, выполнен из кремния, легированного золотом с примесью сурьмы. Контакт, инжектирующий дырки, выполнен из кремния, легированного алюминием. В известном генераторе возникают спонтанные колебания тока при приложении напряжения порядка 50 В. Перестройка частоты колебаний осуществляется изменением постоянного тока в диапазоне 1 - 100 А, а коэффициент частотной модуляции составляет К ~ 10 Гц/А. Однако, в известном генераторе отсутствует возможность управления частотой колебаний с помощью оптического воздействия, что сужает его функциональные возможности.
III
V
-6
-9
Известны устройства генерирования электрических колебаний, управляемых оптическим излучением (патенты США US 3800246 A, US 4625182 A, US 3538451 A), состоящие из полупроводникового кристалла AB заданных размеров с металлическими контактами, в которых при величине прикладываемого напряжения выше порогового значения наблюдается эффект Ганна. Принцип работы устройств основан на управлении отрицательным сопротивлением полупроводникового кристалла в результате увеличения фототока через него при воздействии оптическим излучением с длинной волны в диапазоне ниже края собственного поглощения полупроводника. Данные устройства обладают высоким быстродействием ввиду генерации сверхвысокочастотных ганновских колебаний тока, отличаются простотой и малыми размерами. Однако малая величина амплитуды выходного сигнала (10 - 10 А), низкая чувствительность вследствие низкоомности полупроводникового материала, необходимого для возникновения эффекта Ганна, малый коэффициент модуляции и узкий диапазон перестройки частоты являются критичными недостатками данных устройств.
Известен полупроводниковый генератор с перестраиваемой частотой (патент SU 281651), включающий полупроводниковую пластину кремния с омическими контактами, поверхностно-барьерный переход на одной стороне пластины и плоскостной р-n-переход на другой стороне пластины на расстоянии, меньшем диффузионного смещения неосновных носителей от поверхностно-барьерного перехода. Возникающие колебания имеют частоту от 1 кГц до 10 МГц и амплитуду от 5 до 20 мкА. В известном генераторе управление амплитудой и частотой генерации осуществляется изменением величины нагрузочного резистора, подачей небольшого прямого напряжения на плоскостной p-n---переход и освещением пластины вблизи поверхностно-барьерного перехода. Известное устройство обладает высоким КПД и уровнем выходного сигнала в режиме генерации, однако имеет сложную слоистую структуру, обусловленную наличием р-n-перехода и контакта металл - туннельно прозрачный окисел - полупроводник, и, как следствие, нетривиальную технологию изготовления.
+
+
б
Прототипом устройства является функциональный однокристальный преобразователь свет-частота, который может быть использован в качестве микроразмерного генератора токовых колебаний с оптическим управлением (Михайлов А.И., Митин А.В., Кожевников И.О. Функциональный однокристальный преобразователь свет-частота на основе высокоомного n-GaAs // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2014 г., Том 17, № 4, С. 64-69). Известный преобразователь представляет собой планарно-эпитаксиальную мезаструктуру и включает полуизолирующую подложку из арсенида галлия n-типа (n-GaAs) и два омических контакта прямоугольной формы расположенных на подложке на расстоянии 0.05 - 0.2 мм, каждый из которых включает контактный слой композиции металлов AuGe/Ni/Au, n-слой GaAs, расположенный между контактным слоем и подложкой, n-слой GaAs, расположенный между n-слоем и подложкой, и буферный n-слой GaAs, расположенный между n-слоем и подложкой. Преобразователь свет-частота имеет N-образную вольт-амперную характеристику с участком отрицательного дифференциального сопротивления, соответствующего пороговому напряжению возникновения токовых колебаний, частота которых определяется интенсивностью и локализацией засветки электромагнитным излучением из диапазона длин волн, соответствующих собственному поглощению арсенида галлия. Однако, токовые колебания в указанном преобразователе имеют высокое пороговое напряжение и малую амплитуду, а из-за высокого вклада краевых эффектов, связанных с неровностями границы контактных площадок, параметры токовых колебаний имеют малую повторяемость.
Технической задачей является устранение недостатков прототипа, в частности снижение порогового напряжения возникновения токовых колебаний, повышение амплитуды выходного сигнала и повышение воспроизводимости параметров колебаний при серийном изготовлении. Задача решается использованием в качестве исходного материала технологических эпитаксиальных пластин GaAs марки САГ-2БК с подложкой легированной хромом и изменением формы контактных площадок и расстояния между ними.
Технический результат заключается в том, что заявляемый генератор характеризуется меньшими габаритами и высокой фоточувствительностю в диапазоне длин волн 500 - 900 нм, большей по сравнению с аналогом амплитудой выходного сигнала и меньшим пороговым напряжением, а также высокой воспроизводимостью указанных параметров токовых колебаний при серийном производстве устройства.
+
+
б
Указанный технический результат достигается тем, что в микроразмерном генераторе токовых колебаний с оптическим управлением, содержащем полуизолирующую подложку из n-GaAs, и два омических контакта на поверхности подложки, каждый из которых включает контактный металлический слой композиции AuGe/Ni/Au, n-слой GaAs, расположенный между контактным слоем и подложкой, n-слой GaAs, расположенный между n-слоем и подложкой, и буферный n-слой GaAs, расположенный между n-слоем и подложкой, согласно решению подложка выполнена легированной хромом, омические контакты выполнены в форме правильных треугольников, направленных друг к другу одной из вершин, расположенных на расстоянии 0.02 - 0.05 мм.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен заявляемый полупроводниковый генератор, вид сбоку, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 - диаграммы распределений экспериментальных наблюдений величины порогового напряжения возникновения токовых колебаний для двух вариантов формы контактных площадок, 4 - характеристика зависимости амплитуды и порогового напряжения устройства от величины межконтактного расстояния, на фиг. 5 и 6 - варианты схемы подключения устройства, отличающиеся наличием на фиг. 6 элемента, преобразующего релаксационные колебания в прямоугольные импульсы, на фиг. 7 - экспериментальные значения зависимости частоты выходного сигнала устройства от мощности монохроматического излучения (680 нм) при различной величине питающего напряжения.
Позициями на чертежах обозначены:
1 -  полуизолирующая подложка GaAs;
б
2 -  буферный n-слой GaAs
3 -  n-слой GaAs;
+
4 -  n-слой GaAs;
5 -  слой AuGe/Ni/Au (контактный слой);
6 -  заявляемый генератор (обозначение на схеме);
7 -  источник напряжения;
8 -  нагрузочный резистор;
9 -  цифровое считывающее устройство;
10 -  фильтр нижних частот;
11 -  триггер Шимтта;
L -
расстояние между остриями контактных площадок;
а -
амплитуда токовых колебаний;
б -
пороговое напряжение возникновения токовых колебаний.
б
б
+
+
-
16
-3
16
17
-3
17
-3
+
18
-3
Заявляемый генератор с оптическим управлением содержит мезапланарную структуру на основе n-GaAs прямоугольной формы 0.2 мм Ч 0.08 мм с двумя омическими контактами в форме правильных треугольников с длиной сторон 0.04 - 0.08 мм, направленных друг к другу одной из вершин, сформированные на поверхности полуизолирующей подложки 1 на расстоянии 0.02 - 0.05 мм, каждый из которых включает расположенные друг над другом буферный n-слой 2, n-слой 3, n-слой 4 и контактный металлический слой 5 (фиг. 1, 2). Мезапланарная структура заявляемого генератора изготавливается из промышленных эпитаксиальных пластин арсенида галлия марки САГ-2БК со следующими параметрами: толщина полуизолирующей подложки равна 350 мкм, буферного n-слоя - 0.5 мкм, n-слоя - 0.3 мкм, n-слоя - 0.18 мкм; концентрация свободных носителей заряда в подложке n < 1·10 см, в буферном слое плавно изменяется в диапазоне 10 - 10 см; в n-слое равна 10 см, в n-слое - 3·10 см. Полуизолирующая подложка с целью компенсации собственных структурных дефектов легирована хромом. Металлические контактные площадки 5 создаются в результате напыления композиции AuGe/Ni/Au через маску и последующей термообработки при 460˚С в атмосфере азота. Формирование мезапланарной структуры производится методом фотолитографии с использованием перекисно-аммиачного травителя.
Анодный контакт (соответствующий отрицательному полюсу прикладываемого постоянного напряжения) может быть выполнен неомическим в виде металлического слоя AuGe/Ni/Au, напыленного на высокоомную подложку. Однако, ввиду наличия потенциального барьера для электронов такой контакт обладает большим сопротивлением, что приводит к существенному увеличению порогового напряжения возникновения токовых колебаний, и уменьшению их амплитуды.
Треугольная форма контактных площадок (фиг. 2), в отличие от прямоугольной, обеспечивает локализацию области протекания тока в промежутке между остриями, снижает вклад краевых эффектов и способствует повышению воспроизводимости величины порогового напряжения возникновения токовых колебаний при серийном производстве (фиг. 3). Расстояние между остриями контактов L в диапазоне 0.02 - 0.05 мм определяет чувствительность устройства (т.е. коэффициент частотной модуляции), значение амплитуды выходного сигнала, а также значение порогового напряжения, соответствующего возникновению токовых колебаний. На фиг. 4 приведена характерная зависимость амплитуды и порогового напряжения устройства от величины межконтактного расстояния L. Уменьшение значения L ниже указанного диапазона повышает вероятность возникновения теплового пробоя при приложении напряжения в рабочем диапазоне значений и приводит снижению фоточувствительности. При значениях L, больших указанного диапазона в интервале 0.1 - 0.4 мм амплитуда токовых колебаний становится недостаточной для корректного считывания и распознавания сигнала, а пороговое напряжение превышает напряжение, опасное для жизни человека. При значениях L, больших 0.4 мм токовые колебания возникают в единичных случаях.
На фиг. 5 приведен вариант упрощенной схемы подключения заявляемого генератора 6, включающий источник постоянного стабилизированного напряжения 7, нагрузочный резистор 8 и цифровое считывающее устройство 9, фиксирующее частоту пульсаций напряжения на нагрузочном резисторе. В варианте схемы на фиг. 6, в отличие от упрощенной схемы, используется преобразователь формы сигнала, включающий Т-образный фильтр верхних частот 10 с частотой среза ~ 1 кГц, для отсечения постоянной составляющей напряжения, и триггер Шмитта 11, для получения двоичного периодического сигнала с крутыми фронтами. Преобразователь необходим для работы с цифровыми устройствами, имеющими высокие требования к качеству входного сигнала, поскольку выходной сигнал с генератора имеет вид периодических релаксационных колебаний.
3
5
Устройство работает следующим образом. При величине питающего напряжения выше порогового значения, соответствующего участку ОДС на N-образной вольт-амперной характеристике мезапланарной структуры, происходит образование динамической неоднородности электрического поля в результате периодического захвата и выброса горячих электронов глубокими энергетическими центрами, образованными компенсирующей примесью (хромом в пластинах САГ2-БК) или собственными дефектами в полуизолирующей подложке GaAs. В результате в питающей цепи устройства возникают колебания тока с амплитудой 1 - 20 мА и частотой в диапазоне 10 - 10 Гц. При воздействии оптического излучения в диапазоне длин волн 500 - 900 нм на высокоомную область структуры в промежутке между контактными площадками происходит увеличение частоты токовых колебаний и уменьшение их амплитуды (за счет увеличения фотопроводимости и роста постоянной составляющей тока через структуру). При этом зависимость частоты колебаний от мощности оптического излучения имеет линейный характер (фиг. 7), что позволяет использовать устройство в качестве измерительного прибора.
На фиг. 7 приведена зависимость частоты выходного сигнала устройства от мощности монохроматического излучения (680 нм) при различной величине питающего напряжения. На графике также указаны соответствующие коэффициенты частотной модуляции. Согласно приведенной зависимости, частота колебаний и коэффициент частотной модуляции уменьшаются с ростом питающего напряжения. При питающем напряжении, близком к пороговому, имеется вероятность перехода устройства в режим насыщения при увеличении мощности оптического излучения. В таком режиме постоянная составляющая фототока возрастает настолько, что механизмы захвата носителей заряда прекращаются в результате уменьшения напряженности электрического поля и периодические колебания тока пропадают (на фиг. 7 обозначено стрелкой вниз). Данный эффект может быть использован для создания логического элемента «НЕ», управляемого оптическим сигналом. Из зависимости на фиг. 7 также следует, что при увеличении питающего напряжения точка перехода в режим насыщения сдвигается в сторону большей мощности оптического излучения и уменьшается коэффициент частотной модуляции, т.е. чувствительность устройства.
Амплитуда пульсаций тока во внешней цепи устройства задается величиной сопротивления нагрузочного резистора 7 в диапазоне 300 - 3 000 Ом. При значениях сопротивления меньше указанного диапазона усложняется распознавание сигнала считывающим устройством (либо триггером Шмитта). При превышении указанного диапазона значений сопротивления существенно увеличивается пороговое напряжение.
5
6
2
Достижение технического результата подтверждается следующим: заявленный генератор характеризуется малыми размерами 0.2 мм Ч 0.08 мм Ч 0.04 мм (в бескорпусном исполнении), высоким коэффициентом частотной модуляции К ~ 10- 10 Гц/(мВт/мм), высоким КПД (ток потребления в режиме генерации колебаний не более 1.6 мА) и уровнем выходного сигнала (амплитуда колебаний тока ~ 10 мА), линейностью характеристики зависимости частоты колебаний тока от мощности (коэффициент нелинейности менее 5 %), хорошим быстродействием (длительность переходных процессов при изменении мощности оптического излучения не более двух периодов основной гармоники), а также широкими функциональными свойствами (универсальностью применения).