ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1995 года по МПК H01L47/02 

Изобретение относится к конструкции твердотельного устройства бегущей волны, предназначенного для усиления или генерации электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Известно твердотельное устройство бегущей волны [1] являющееся аналогом лампы бегущей волны. Оно содержит полупроводниковый токопроводящий слой, в котором создается дрейф электронов, и замедляющую структуру в виде меандра или встречно-штыревых электродов, отделенную от полупроводникового токопроводящего слоя тонким слоем диэлектрика. Размеры замедляющей структуры выбраны такими, чтобы распространяющаяся по ней замедленная электромагнитная волна имела фазовую скорость, сравнимую со скоростью дрейфа электронов в полупроводниковом слое. При этом происходит взаимодействие электронов с замедленной электромагнитной волной и усиление последней.

Рабочий диапазон частот такого устройства не превышает нескольких гигагерц. Это ограничение по частоте связано с сильным затуханием электромагнитных волн более высоких частот в указанных замедляющих структурах с малым периодом, необходимым для большого замедления волны.

Известно также твердотельное устройство для усиления и генерации микроволнового излучения [2] основанное на взаимодействии электронов в полупроводнике и электромагнитной волны, распространяющейся по замедленной структуре, которое может работать в более высокочастотном диапазоне. Оно содержит слой полупроводника с отрицательной дифференциальной проводимостью и многоэлементную замедляющую структуру.

При подаче на электроды, находящиеся в контакте со слоем полупроводника, напряжения, превышающего некоторое пороговое значение, в полупроводниковом слое возникает отрицательная дифференциальная проводимость. Параметры полупроводникового слоя и замедляющей структуры выбираются такими, чтобы препятствовать образованию доменов в полупроводнике. Указанный процесс приводит к усилению электромагнитной волны, распространяющейся по замедляющей структуре.

В данном устройстве не требуется выполнение условия синхронизма между скоростью дрейфа электронов в полупроводнике и фазовой скоростью электромагнитной волны в замедляющей структуре, ограничивающего верхнюю границу частотного диапазона предыдущей конструкции. Однако такие устройства принципиально работают при очень больших напряженностях электрического поля в слое полупроводника, что приводит к увеличению коэффициента шума.

Наиболее близким к предложенному является твердотельное устройство бегущей волны [3] включающее диэлектрический слой, полупроводниковый токопроводящий слой с двумя электродами, расположенными на его противоположных концах, и многоэлементную периодическую структуру с периодом элементов, выбранным из условия
v_e K( ω/2π )L, где v_e cкорость электронов в полупроводниковом токопроводящем слое, см/c;
K > 1;
ω угловая частота электромагнитной волны, распространяющейся в устройстве, Гц;
L период элементов структуры, см.

Многоэлементная периодическая структура представляет собой систему канавок, вытравленных непосредственно на поверхности полупроводникового токопроводящего слоя, и способствует генерации в нем пространственных гармоник электромагнитной волны, распространяющейся в устройстве. Электроны, дрейфующие в полупроводниковом токопроводящем слое, группируются в поле электромагнитной волны. При установлении скорости дрейфа электронов несколько выше фазовой скорости первой пространственной гармоники электромагнитной волны происходит обмен энергией между ними и соответственно наблюдается усиление электромагнитной волны.

В известном устройстве не достигается эффективное взаимодействие дрейфующих электронов с электромагнитной волной вследствие того, что в полупроводниковом токопроводящем слое создается постоянный пространственно-периодический потенциал, обусловленный системой канавок на поверхности этого слоя и препятствующий группировке электронов в поле электромагнитной волны. Поэтому данная конструкция не обеспечивает эффективного усиления.

Технический результат, достигаемый при использовании предложенного устройства, состоит в исключении возникновения постоянного периодического потенциала в области дрейфа электронов, благодаря чему обеспечивается эффективное взаимодействие электронов с первой пространственной гармоникой электромагнитной волны.

Для этого в предложенном устройстве полупроводниковый токопроводящий слой выполнен одинаковым по толщине, многоэлементная периодическая структура сформирована на поверхности этого слоя, а ее элементы выполнены из диэлектрика. Упомянутые элементы могут быть выполнены в виде полосок, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве.

В другом варианте полупроводниковый токопроводящий слой выполнен одинаковым по толщине, а между этим слоем и многоэлементной периодической структурой сформирован изолирующий слой. Элементы упомянутой структуры могут быть выполнены в виде канавок на поверхности изолирующего слоя, противоположной по отношению к полупроводниковому токопроводящему слою, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве. Наряду с этим из технологических соображений элементы упомянутой структуры могут быть выполнены из материала, отличающегося по составу от материала изолирующего слоя, и расположены на поверхности этого слоя. При этом элементы периодической структуры могут быть выполнены в виде полосок указанного материала, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве. Когда диэлектрический слой выполнен из полуизолирующего полупроводника, элементы периодической структуры представляют собой дискретные легированные участки поверхности этого слоя, изолирующий слой сформирован на поверхности полуизолирующего полупроводника с легированными участками, а полупроводниковый токопроводящий слой сформирован на поверхности изолирующего. При этом легированные участки могут иметь форму полосок, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве.

В предложенном устройстве в отличие от известного электроны распространяются в пространственно однородном полупроводниковом токопроводящем слое, а многоэлементная периодическая структура, необходимая для генерации пространственных гармоник электромагнитной волны, выполнена из диэлектрика или из любого материала, но в последнем случае она изолирована от полупроводникового токопроводящего слоя. Благодаря этому в последнем не возникает постоянный периодический потенциал, препятствующий группировке электронов в поле электромагнитной волны, распространяющейся в устройстве. Тем самым обеспечиваются условия эффективного взаимодействия электронов с этой волной.

На фиг.1-5 изображены различные варианты выполнения предложенного устройства.

Устройство представляет собой твердотельную волноведущую структуру 1 (фиг.1) для передачи по ней электромагнитной волны. Волноведущая структура 1 содержит диэлектрический слой 2, расположенный на его поверхности полупроводниковый токопроводящий слой 3, имеющий одинаковую толщину по всей длине, и многоэлементную периодическую структуру 4, сформированную на поверхности полупроводникового токопроводящего слоя 3. Элементы этой структуры выполнены из диэлектрика и имеют форму полосок (фиг.2), ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в волноведущей структуре (показано стрелкой на фиг.1). На противоположных концах полупроводникового токопроводящего слоя 3 расположены два электрода 5, подключаемые при работе к источнику 6 постоянного тока. Вход устройства соединяется с источником 7 усиливаемой электромагнитной волны, выход с нагрузкой 8, в которой используется усиленная волна. Волноведущая структура 1 может быть выполнена, например, из таких известных материалов, как полупроводники типа A³B⁵ (GaAs, InP, InSb), кремний и т.д. При этом диэлектрический слой 2 выполняется из полуизолирующего полупроводника, например из нелегированного GaAs. Полупроводниковый токопроводящий слой 3 изготавливается эпитаксиальным методом из легированного полупроводника, например GaAs c концентрацией носителей заряда ≈ 10¹⁴-10¹⁷ см^-3. Элементы периодической структуры 4 могут быть выполнены из любого диэлектрика, например нелегированного GaAs, SiO₂, Al₂O₃ и т.п. Для изготовления такой периодической структуры могут использоваться известные методы голографической литографии в сочетании с ионным или фотостимулированным химическим травлением.

Устройство, показанное на фиг.3-5, отличаются от устройства на фиг.1 наличием изолирующего слоя 9 между полупроводниковым токопроводящим слоем 3 и многоэлементной периодической структурой 4. Элементы этой структуры 4 могут быть выполнены в виде канавок, сформированных на поверхности изолирующего слоя 9, противолежащей по отношению к полупроводниковому токопроводящему слою 3 (фиг. 3). При этом канавки ориентированы так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в волноведущей структуре. Изолирующий слой 9 изготавливается из диэлектрического материала, например нелегированного GaAs, SiO₂, Al₂O₃ и т.п.

Устройство, изображенное на фиг.4, отличается от показанного на фиг.3 тем, что элементы периодической структуры 4 выполнены из материала, отличающегося по составу от материала изолирующего слоя 9, и расположены на поверхности этого слоя. В качестве материала изолирующего слоя 9 может быть использован любой диэлектрик, а в качестве материала для формирования элементов периодической структуры 4 можно использовать диэлектрик, металл или полупроводник. Конкретные составы материалов для изготовления слоя 9 и элементов структуры 4 выбирают такими, чтобы травитель, используемый при формировании элементов, был инертен по отношению к материалу слоя 9. В частности, изолирующий слой 9 может быть изготовлен из нелегированного GaAs (аналогично слою 2), а элементы структуры 4 из Ga_1-xAl_xAs (x0,4). Форма элементов структуры 4 в простейшем случае имеет вид полосок, продольные оси которых перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в волноведущей структуре.

В конструкции, изображенной на фиг.5, элементы периодической структуры 4 представляют собой дискретные легированные участки поверхности полуизолирующего полупроводника, из которого выполнен слой 2. При этом изолирующий слой 9 нанесен на поверхность слоя 2 полуизолирующего полупроводника с легированными участками, а полупроводниковый токопроводящий слой 3 расположен на поверхности изолирующего слоя 9.

Принцип работы предложенного устройства основан на взаимодействии электронов, распространяющихся в полупроводниковом токопроводящем слое 3 с заданной скоростью v_е, определяемой величиной напряжения смещения на электродах 5, с первой пространственной гармоникой электромагнитной волны, поступающей от источника 7 в волноведущую структуру 1. При распространении в такой структуре электромагнитной волны с угловой частотой ω на многоэлементной периодической структуре 4 генерируется бесконечный набор пространственных гармоник с фазовыми скоростями
v= ω/(β_o+ ·m), m 0, ± 1, ± 2, ± 3. где β₀ постоянная распространения невозмущенного волновода (основной гармоники); m номер пространственной гармоники, L пространственный период элементов периодической структуры.

Для обеспечения эффективного обмена энергией между дрейфующими электронами и первой пространственной гармоникой электромагнитной волны необходимо, чтобы дрейфовая скорость электронов была несколько выше фазовой скорости первой гармоники волны, т. е. должно выполняться условие v_e v_f1≅ v_e, где v_e дрейфовая скорость электронов; v_f1 фазовая скорость первой пространственной гармоники волны.

Учитывая, что максимальная дрейфовая скорость электронов в полупроводниках составляет величину порядка 10⁷ см/с, очевидно, что для электромагнитной волны миллиметрового диапазона ( ω ≈ 10¹⁰-10¹¹ Гц) период L должен составить величину порядка 1 мкм и меньше. Отсюда следует, что ·m ≫ β_o и, следовательно, для первой пространственной гармоники v= ·L.

В общем случае соотношение между дрейфовой скоростью электронов в полупроводниковом токопроводящем слое 3 и фазовой скоростью первой пространственной гармоники электромагнитной волны, при котором имеет место усиление, можно представить в виде
v_e K(ω/2π ) L, где К > 1. Усиление достигается в некотором диапазоне частот, однако имеется длина волны, на которой усиление максимально. Поэтому, изменяя дрейфовую скорость электронов регулированием напряжения источника 6 тока, можно изменять длину волны, на которой достигается максимальное усиление, или изменять коэффициент усиления на фиксированной длине волны.

Амплитуда первой пространственной гармоники спадает вглубь волноведущей структуры 1 со скоростью ≈ exp(- ·y), где у расстояние от верхней поверхности многоэлементной периодической структуры 4. Из условия уменьшения амплитуды в е раз толщина активной области устройства бегущей волны, т.е. суммарная толщина элементов периодической структуры 4, полупроводникового токопроводящего слоя 3 и изолирующего слоя 9 при его наличии, должна составлять величину порядка t≈ L/2π При этом величина периода L при рабочей частоте устройства 70-80 ГГц составляет L ≈ 1 мкм, толщина полупроводникового слоя 3 десятые доли микрона, элементов периодической структуры 4 порядка 700-1000 , изолирующего слоя 9 порядка 100-200. Указанная величина t суммарной толщины активной области обеспечивает концентрацию основной части энергии первой пространственной гармоники в области полупроводникового токопроводящего слоя 3, благодаря чему достигается эффективное взаимодействие электронов с полем этой гармоники. Электрическое поле смещения в слое 3 предложенного устройства в отличие от прототипа однородно, поэтому электроны под действием тянущего поля u_eдвижутся с постоянной скоростью. Это позволяет им группироваться в поле бегущей волны и за счет торможения передавать часть своей кинетической энергии электромагнитной волне. Усиленная электромагнитная волна поступает в нагрузку 8.

Предложенное устройство может работать в качестве как усилителя, так и генератора электромагнитной волны. В последнем случае в устройство должна быть введена или внешняя положительная обратная связь выхода с входом устройства, или взаимодействие электронов должно осуществляться с минус первой пространственной гармоникой, для чего результирующая электромагнитная волна должна распространяться в направлении, противоположном направлению распространения электронов в слое 3.

Использование: в радиотехнике, в частности в конструкции твердотельных устройств бегущей волны, предназначенных для усиления или генерации электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Сущность изобретения: твердотельное устройство бегущей волны содержит волноведущую структуру, состоящую из диэлектрического слоя, токопроводящего полупроводникового слоя с двумя электродами на его противоположных краях и многоэлементной периодической структуры. Токопроводящий слой выполнен одинаковой толщины, многоэлементная периодическая структура сформирована на поверхности токопроводящего слоя, а ее элементы выполнены из диэлектрического материала. В другом варианте между токопроводящим полупроводниковым слоем и многоэлементной структурой сформирован изолирующий слой, элементы периодической структуры выполнены из материала, отличающегося по составу от материала изолирующего слоя. Элементы периодической структуры могут быть выполнены в виде полосок, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Твердотельное устройство бегущей волны, включающее диэлектрический слой, расположенный на его поверхности токопроводящий полупроводниковый слой с двумя электродами, расположенными на его противоположных концах, и многоэлементную периодическую структуру с периодом элементов L, выбранным из условия
v_e= k(ω/2π)L ,
где v_e скорость электронов в токопроводящем полупроводниковом слое, см/с;
ω угловая частота электромагнитной волны, распространяющейся в устройстве, Гц;
K > 1;
L период, см,
отличающееся тем, что токопроводящий полупроводниковый слой выполнен одинаковым по толщине, многоэлементная периодическая структура сформирована на поверхности токопроводящего полупроводникового слоя, а ее элементы выполнены из диэлектрического материала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы многоэлементной периодической структуры выполнены в виде полосок, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве. 3. Твердотельное устройство бегущей волны, содержащее диэлектрический слой, токопроводящий полупроводниковый слой с двумя электродами, расположенными на его противоположных концах, и многоэлементную периодическую структуру с периодом элементов L, выбранным из условия
v_e= k(ω/2π)L ,
где V_e скорость электронов в токопроводящем полупроводниковом слое, см/с;
ω угловая частота электромагнитной волны, распространяющейся в устройстве, Гц;
K > 1;
L период, см,
отличающееся тем, что токопроводящий полупроводниковый слой выполнен одинаковым по толщине, а между токопроводящим полупроводниковым слоем и многоэлементной периодической структурой сформирован изолирующий слой. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что элементы периодической структуры выполнены в виде канавок на поверхности изолирующего слоя, противолежащей токопроводящему полупроводниковому слою, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что элементы периодической структуры выполнены из материала, отличающегося по составу от материала изолирующего слоя, и расположены на поверхности этого слоя. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что элементы периодической структуры выполнены в виде полосок указанного материала, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве. 7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что диэлектрический слой выполнен из полуизолирующего полупроводника, элементы периодической структуры представляют собой дискретные легированные участки поверхности этого слоя, изолирующий слой сформирован на поверхности слоя полуизолирующего полупроводника с многоэлементной периодической структурой, а токопроводящий слой на поверхности изолирующего слоя. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что легированные участки имеют форму полосок, ориентированных так, что их продольные оси перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны в устройстве.