МУЛЬТИБАРЬЕРНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СУБ- И ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНОВ Российский патент 2013 года по МПК H01S5/343 

Предлагаемое устройство относится к приборным структурам микроэлектронной техники для генерации мощного электромагнитного излучения суб- и терагерцового диапазонов, которые применяются в компактных и мощных импульсных генераторах, детекторах и смесителях субтерагерцового и терагерцового диапазона частот.

Разработка физических принципов генерации электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазонов частот является актуальной стратегической задачей, так как определяет уровень развития твердотельной электроники в области сверхвысоких частот. Освоение этого частотного диапазона имеет важное прикладное значение, как например, для бесконтактных методов диагностики в медицине и биологии, систем широкополосной связи и информатики, так и для устройств высокоточной локации объектов.

Терагерцовый диапазон является промежуточным между радиочастотным и оптическим диапазонами и сложен для практической реализации. В настоящее время частоты эффективных применений известных в области СВЧ активных элементов, таких, как лавинно-пролетные диоды, гетеропереходные диоды и диоды Ганна на основе твердых растворов A₃B₅ не превышают нескольких десятков гигагерц, где $$\hslash$$ - постоянная Планка, a m - масса электрона.

Известна [1] трехслойная гетероструктура, в которой центральный узкозонный слой (квантовая яма) отделен от контактов достаточно тонкими (туннельно-прозрачными) слоями широкозонного материала - так называемый туннельно-резонансный диод (ТРД), N - образная вольтамперная характеристика которого обладает участком отрицательного дифференциального сопротивления. В принципе, ТРД позволяет усиливать электромагнитные колебания в терагерцовом диапазоне частот, нижняя граница которого определяется энергетической шириной резонансного уровня δ, а верхняя граница - энергетическим зазором между уровнями размерного квантования $$\delta <h\nu <\frac{3}{2}\frac{{\hslash }^2}{m{d}^2}-\delta .$$

Как известно, для обеспечения малых значений ширины уровня необходимо снижать туннельную прозрачность барьерных слоев за счет увеличения их толщины и ужесточения требований к составу, что, с другой стороны, уменьшает плотность электрического тока генерации, что не позволяет достичь высокой мощности излучателя. Недостатками таких ТРД и устройств на их основе являются как чрезвычайно жесткие технологические требования для реализации указанной квантоворазмерной неустойчивости, так и достаточно низкие для множества прикладных применений выходные мощности (предельно достижимые расчетные значения мощности не превышают 10 мВт).

Прототипом заявляемой в настоящем изобретении гетероструктуры для генераторов суб- и терагерцового диапазонов является многобарьерная гетероструктура [2], представляющая собой последовательное соединение таких туннельно-резонансных диодов - так называемая ТР-«сверхрешетка», где дискретные квантовые уровни в узкозонных слоях размываются в соответствующие минизоны, ширина которых определяется туннельным взаимодействием между квантовыми ямами соседних узкозонных слоев и, соответственно, ограничивает снизу область частот генерации. Верхняя граница частотного диапазона при этом ограничена энергетическим зазором между соседними минизонами, тем самым, указанная многобарьерная гетероструктура - ТР-«сверхрешетка» наследует соответствующие недостатки отдельных ТРД указанных выше, также не может обеспечить требуемых мощностей излучения и ширины частотного диапазона [2].

Цель предлагаемого изобретения - увеличение мощности и расширение частотного диапазона компактных генераторов терагерцового излучения. Поставленная цель достигается тем, что в мультибарьерной гетероструктуре для генерации мощного электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотного диапазонов, представляющей собой многослойную гетероструктуру из чередующихся слоев узкозонного и широкозонного полупроводников, где слой широкозонного полупроводника является энергетическим барьером ΔE_C для электронов из узкозонного слоя, согласно изобретению, толщины d гетерослоев выбираются из условия $$\sqrt{D\tau }>d>\mathrm{30,}\text{ нм}\text{, }$$ где D - коэффициент диффузии электронов, а τ - время релаксации избыточной тепловой энергии электронов в решетку; широкозонные (барьерные) слои не легированы, а концентрация доноров N_d в узкозонных слоях удовлетворяет условию 10¹⁷ см^-3≤N_d≤10¹⁸ см^-3; высота энергетического барьера ΔE_C>6 kT; количество чередующихся пар узкозонных и широкозонных слоев n>4, причем материал широкозонного барьерного слоя в первой паре отличается от всех остальных, последующих, и выбирается обеспечивающим пониженную по сравнению с последующими высоту $$\Delta E_C^1\approx \frac{2}{3}\Delta E_C$$ первого энергетического барьера.

Поставленная цель достигается также тем, что в структуре по п.1 последний энергетический барьер имеет пониженную высоту $$\Delta E_C^1\approx \frac{2}{3}\Delta E_C$$ , как и первый барьер.

Перечень фигур

Фиг 1. Типичная архитектура (последовательность слоев) для реализации предлагаемой мультибарьерной структуры на основе тройного соединения AlGaAs

Фиг 2. Схемотическое изображение конструкции типичной тестовой ячейки (мультибарьерного гетеродиода) для излучения мощного терагерцового излучения, где

1 - подложка, n + GaAs

2 - активная ячейка многослойной герероструктуры (ГС)

3 - омический контакт к n + GaAs слою ГС

4 - слой изолятора

5 - омический контакт с n + GaAs

6 - контактные ламели

Фиг 3. Экспериментальная квазистатическая вольт-амперная характеристика типичной тестовой ячейки

Выполненный с использованием методов математического моделирования анализ изменений характера пространственных и временных зависимостей потенциала, концентрации носителей и электронной температуры в рассматриваемой многослойной структуре в зависимости от приложенного напряжения [3, 4], позволил установить:

1. 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;

2. В области сравнительно малых и промежуточных значений тока большая часть приложенного напряжения парциально падает на слаболегированных слоях широкозонного материала;

3. 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 (возрастающая с ростом тока) достигает следующей гетерограницы, повышая там электронную температуру, и стимулируя тем самым термоинжекцию электронов в следующий широкозонный слой, что приводит к снижению падающего на нем потенциала с ростом тока.

Именно поэтому толщина узкозонных слоев не должна превышать характерной длины термодиффузии электронов $$\sqrt{D\tau }\approx 100нм,$$ где D - коэффициент диффузии электронов, а τ - время релаксации избыточной энергии электронов в решетку, а толщина широкозонных слоев не превышать характерной длины джоулева разогрева электронов в сильных электрических полях v_s≈(3÷5)·100 нм, где v_S - дрейфовая скорость насыщения.

Расчеты показывают, что причиной возникающей S-образности является существенное отличие характерного времени электроразогрева электронов в широкозонных слоях (время пролета порядка 10^-14 сек) и характерного времени охлаждения электронов в узкозонных легированных (времени энергетической релаксации τ порядка 10^-13 сек).

Результаты моделирования выявили важную и специфическую особенность электроразогревного процесса в первой (присоединенной к отрицательному полюсу источника питания) элементарной ячейке предлагаемой мультибарьерной структуры. У инжектирующей границы первого гетеробарьера электронная температура, отвечающая термодинамическому равновесию, существенно меньше, чем у последующих, и следовательно, эту первую гетерограницу отличает пониженная термоинжекция. Для поддержания постоянства электронного тока эта пониженная инжекционная способность должна компенсироваться повышенным падением потенциала на этом первом широкозонном слое и соответственно повышенным электроразогревом электронов в нем. Столь сильно разогретые электроны практически беспрепятственно преодолевают последующие барьеры, что и обусловливает соответствующий переход структуры в сильно-токовое состояние через участок с достаточно малым, но положительным дифференциальным сопротивлением (без S-образности). Поэтому для обеспечения требуемой S-образной формы ВАХ предлагаемой мультибарьерной структуры с участком отрицательного дифференциального сопротивления принципиально важной и необходимой является пониженная высота первого энергетического барьера $$\Delta E_C^1$$ по сравнению с высотой последующих , а именно $$\Delta E_C^1\approx \frac{2}{3}\Delta E_C$$

Сформулированные ограничения на толщину и степень легирования узкозонных слоев структуры определяется требованием размещения в них соответствующих обедненных слоев генерирующих электрическое поле в широкозонных слоях структуры (d>30 нм, N_d>10¹⁷ см^-3). Противоположное ограничение N_d<10¹⁸ см^-3 обусловлено необходимостью ограничить подавляющее влияние рассеяния на заряженных примесях на электронную подвижность, а соответственно на величину коэффициента диффузии D и длину релаксации электронной температуры $$\sqrt{D\tau }$$ . Отметим также, что согласно проделанным вычислениям при недостаточной высоте энергетического барьера ΔE_C<6 kT исчезает S - образность вольт-амперной характеристики, т.е. необходимый для усиления электромагнитных колебаний участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Как показывают результаты численных экспериментов, с увеличением числа пар n чередующихся слоев узкозонного и широкозонного полупроводников пропорционально увеличивается ширина области отрицательного сопротивления ΔV_max-ΔV_min, при этом ожидаемая мощность генерации тем больше, чем больше n. Однако, как показывают расчеты, при n≤4 эта зависимость сильно подавлена, что и определяет минимально возможную границу числа чередующихся пар.

Что же касается ожидаемого расширения частотного диапазона, полученная нами из малосигнального анализа оценка предельной частоты генерации

$$\nu =\frac{3}{2\pi \tau }$$

показывает возможность достижения предельных частот генерации в несколько терагерц, где ν - предельная частота, а τ - время релаксации энергии электронов.

Конкретизация последующих расчетов значениями соответствующих параметров, отвечающих изготовлению предлагаемой мультибарьерной структуры на основе использования наиболее высокотехнологичного в настоящее время тройного соединения Ga_1-xAl_xAs, показывает реальную возможность генерации терагерцового излучения в импульсном режиме с длительностью импульсов до 1 мкс и частотой повторения до 1 кГц при напряжениях постоянного смещения в несколько вольт и средней плотности тока в импульсе порядка 10 мА/мкм². При этом возможная выходная мощность для соответствующей ячейки 20×20 мкм² может достигать величин порядка 1 Вт, а ожидаемые предельные частоты порядка 10¹² Гц.

Заявленная структура по п.2 изобретения, в которой последний энергетический барьер имеет пониженную высоту $$\Delta E_C^1\approx \frac{2}{3}\Delta E_C$$ , как и первый барьер, будет обладать симметричной по знаку приложенного напряжения характеристикой, что расширяет схемотехнический диапазон их возможного использования в СВЧ интегральных схемах.

Для экспериментальной проработки предлагаемого технического решения методом молекулярно лучевой эпитаксии была изготовлена мультибарьерная структура по п.1 формулы изобретения на основе тройного соединения Ga_1-xAl_xAs, изображенная на Фиг. 1, где:

1 - GaAs:Si 1e18 см^-3 толщиной 700 нм,

2 - Ga_1-xAl_xAs x=0.25 нелегированный, толщиной 45 нм,

3 - GaAs:Si 1e18 см^-3 толщиной 45 нм,

4 - Ga_1-xAl_xAs x=0.4 нелегированный, толщина 45 нм,

5 - GaAs:Si 1е18см^-3 толщиной 45 нм,

6 - Ga_1-xAl_xAs x=0.4 нелегированный, толщина 45 нм,

7 - GaAs:Si 1е18 см^-3 толщиной 45 нм,

8 - Ga_1-xAl_xAs x=0.4 нелегированный, толщина 45 нм,

9 - GaAs:Si 1е18 см^-3 толщиной 45 нм,

10 - Ga_1-xAl_xAs x=0.4 нелегированный, толщина 45 нм,

11 - GaAs:Si 1e18 см^-3 толщиной 150 нм,

12 - GaAs подложка

При изготовлении тестовых образцов выполняются следующие технологические процедуры. На тыльной стороне сильнолегированной nGaAs подложки формируется омический контакт. На выращенной гетероструктуре посредством фотолитографии и ионно-реактивного травления формируются ячейки гетеродиодов, в виде мезаструктур высотой 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, а 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 металлических ламелей гальванические связи между тем либо иным количеством гетеродиодных ячеек (мез) и формируются контактные площадки к ним. Конструкция типичной тестовой ячейки приведена на Фиг.2.

На Фиг.3 приведена полученная экспериментально квазистатическая вольт-амперная характеристика типичной тестовой ячейки.

Заметим, что предлагаемые мультислойные гетероструктуры могут быть реализованы и на основе твердых растворов других материалов типа AIIIBV, например, системы GaN-A1N из пар чередующихся легированных GaN и нелегированных Ga_1-xAl_xN эпитаксиальных слоев на подложках из сапфира, либо карбида кремния.

Использование указанных материалов позволит, оставаясь в рамках предлагаемой в Формуле архитектуры мультислойной структуры, увеличить отбираемую (выходную) мощность за счет существенно лучшей, чем у GaAs теплопроводности твердых растворов GaN-A1N и подложек из SiC либо сапфира.

Таким образом, технический результат предполагаемого изобретения состоит в увеличении по крайней мере на порядок величины мощности генераторов на основе предлагаемой структуры, а также в существенном расширении частотного диапазона генераторов терагерцового излучения.

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.

Изобретение относится к приборным структурам для генерации мощного электромагнитного излучения суб- и терагерцового диапазонов, которые применяются в компактных и мощных импульсных генераторах, детекторах и смесителях субтерагерцового и терагерцового диапазона частот. Изобретение обеспечивает увеличение мощности и расширение частотного диапазона компактных генераторов терагерцового излучения. В мультибарьерной гетероструктуре для генерации мощного электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотного диапазонов, представляющей собой многослойную гетероструктуру из чередующихся слоев узкозонного и широкозонного полупроводников, где слой широкозонного полупроводника является энергетическим барьером ΔE_C для электронов из узкозонного слоя, согласно изобретению, толщины d гетерослоев выбираются из условия $$\sqrt{D\tau }>d>\mathrm{30,}\text{нм}\text{, }$$ где D - коэффициент диффузии электронов, а τ - время релаксации избыточной тепловой энергии электронов в решетку; широкозонные (барьерные) слои не легированы, а концентрация доноров N_d в узкозонных слоях удовлетворяет условию 10¹⁷ см^-3≤Nd≤10¹⁸ см^-3; высота энергетического барьера ΔE_C>6kT; количество чередующихся пар узкозонных и широкозонных слоев n>4, причем материал широкозонного барьерного слоя в первой паре отличается от всех остальных, последующих, и выбирается обеспечивающим пониженную по сравнению с последующими высоту первого энергетического барьера. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Мультибарьерная гетероструктура для генерации мощного электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотного диапазонов, представляющая собой многослойную гетероструктуру из чередующихся слоев узкозонного и широкозонного полупроводников, где слой широкозонного полупроводника является энергетическим барьером ΔE_C для электронов из узкозонного слоя, отличающаяся тем, что толщины d гетерослоев выбираются из условия $$\sqrt{D\tau }>d>\mathrm{30,}$$ нм, где D - коэффициент диффузии электронов, а τ - время релаксации избыточной тепловой энергии электронов в решетку, широкозонные (барьерные) слои не легированы, а концентрация доноров N_d в узкозонных слоях удовлетворяет условию 10¹⁷ см^-3≤N_d≤10¹⁸ см^-3, высота энергетического барьера ΔE_C>6 kT, количество чередующихся пар узкозонных и широкозонных слоев n>4, причем материал широкозонного барьерного слоя в первой паре отличается от всех остальных последующих и выбирается обеспечивающим пониженную по сравнению с последующими высоту $$\Delta E_C^1\approx \frac{2}{3}\Delta E_C$$ первого энергетического барьера.

2. Мультибарьерная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что в ней последний энергетический барьер имеет пониженную высоту $$\Delta E_C^1\approx \frac{2}{3}\Delta E_C$$ , как и первый барьер.