СТРУКТУРА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СУБТЕРАГЕРЦОВОГО И ТЕРАГЕРЦОВОГО ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2013 года по МПК H01L33/30 

Структура для генерации электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотного диапазона

Данное изобретение найдет применение в качестве приборных структур для компактных и мощных импульсных генераторов, детекторов и смесителей субтерагерцового и терагерцового диапазона частот.

Известна гетероструктура для резонансно-туннельного диода (РТД), реализующая «квантовый» режим генерации и усиления электромагнитных волн субтерагерцового и терагерцового диапазона частот /1/. Такой режим должен проявляться в стороне от области отрицательной дифференциальной проводимости ВАХ и только на частотах, соответствующих условию ħω>Δ, где Δ - квантовая ширина резонансного уровня. Недостатками такой структуры и устройства (РТД) на ее основе являются как чрезвычайно жесткие условия для реализации указанного «квантового» режима, так и достаточно низкие для множества прикладных применений выходные мощности (предельно достижимые расчетные значения мощности не превышают 10 мВт).

В качестве прототипа заявляемой в настоящем изобретении структуры для генератора субтерагерцового диапазона мы выбираем мультислойную структуру для резонансно-туннельных гетеропереходных диодов на основе твердых растворов GaAs-AlAs, позволяющую реализовать частоты субтерагерцового диапазона частот /2/. Однако, и это решение не способно обеспечить на указанных частотах генератору выходную мощность превышающую 100 мкВт (для генераторов на основе резонансно-туннельных структур мощность убывает с частотой как 1/ω⁴) /2/.

Задача изобретения - существенное увеличение мощности твердотельных генераторов субтерагерцового и терагерцового диапазона частот излучения.

Это достигается тем, что в мультислойной гетеропереходной структуре, состоящей из подложки арсенида галлия, и расположенных на ней чередующихся слоев GaAs и GaAlAs, предлагается: толщины чередующихся слоев выбираются одинаковыми и лежат в диапазоне 30…100 нм, слои GaAs легируются донорами до концентраций 5·10¹⁷…1·10¹⁸см^-3 а слои Ga_1-xAl_xAs не легированы, количество периодов пар чередующихся слоев GaAs и Ga_1-x Al_x As гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, мольная доля Х выбирается из диапазона 0,20…0,35, слой Ga_1-x Al_x As из пары наиболее удаленной от подложки покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga_1-x Al_x As из пары наиболее удаленной от подложки, либо пары наиболее приближенной к ней понижена и составляет значение (0,65…0,75)·Х.

Структуру по п.2 Формулы предлагается выполнить на основе пар из чередующихся полупроводниковых узкозонных GaN и широкозонных Ga_1-xAl_xN слоев, отличающихся тем что их толщины выбираются в диапазоне 30…100 мкм, мольная доля Х в слоях Ga_1-xAl_xN выбирается из диапазона 0,35…0,55, слои GaN легируются донорами до концентраций 5·10¹⁷…1·10¹⁸см^-3 а слои Ga_1-xAl_xN не легированы, количество периодов пар чередующихся GaAs и Ga_1-x Al_x N слоев гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, слой Ga_1-x Al_x As, из пары наиболее удаленной от подложки, покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga_1-x Al_x N из пары наиболее удаленной от подложки, либо пары наиболее приближенной к ней понижена и составляет значение (0,65…0,75)·Х, при этом подложкой является сапфир либо карбид кремния. Положительный эффект в заявляемых по п.п.1, 2 гетероструктурах для генераторов субтерагерцового и терагерцового диапазона частот достигается благодаря реализации в них термоинжекционной неустойчивости, следствием которой является бистабильность или, что тоже самое, S-образность статических вольтамперных характеристик (ВАХ). Доказательством тому является выполненный нами с использованием методов математического моделирования анализ изменений характера пространственных зависимостей потенциала, концентрации носителей и электронной температуры в рассматриваемой многослойной структуре с изменением приложенного напряжения /3, 4/. Установлено, что:

- в области сравнительно малых и промежуточных значений тока большая часть приложенного напряжения парциально падает на слаболегированных слоях широкозонного материала;

- главным 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;

- 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 достигает следующей гетерограницы, стимулируя тем самым термоинжекцию электронов в следующий широкозонный слой, что обусловливает определенное снижение падающего на нем потенциала.

Результаты моделирования также указывают на специфическую особенность электроразогревного процесса в первой (присоединенной к отрицательному полюсу источника питания) элементарной ячейке предлагаемой мультибарьерной структуры. У первой гетерограницы электронная температура (отвечающая термодинамическому равновесию) минимальна и, следовательно, эту гетерограницу отличает пониженная термоинжекция при той же высоте гетеробарьера, как и в последующих элементарных ячейках. Эта пониженная инжекционная способность компенсируется повышенным падением потенциала на первом широкозонном слое и, соответственно, повышенном электроразогреве электронов в нем. Столь сильно разогретые электроны практически беспрепятственно преодолевают последующие гетеробарьеры, что и обусловливает соответствующий переход структуры в сильно токовое состояние через участок с достаточно малым, но положительным дифференциальным сопротивлением. Поэтому для обеспечения S-образной формы ВАХ с участком отрицательного дифференциального сопротивления используются пониженные значения высоты первого энергетического барьера.

Расчеты показывают, что из-за разницы между характерными временами термоинжекции (разогрева) электронов в широкозонных GaAlAs слоях и охлаждения электронов в легированных узкозонных GaAs слоях ячейки гетеродиодной структуры реализуется бистабильный характер ВАХ гетеродиодов. При этом, в случае работы в импульсном режиме (цуги длительностью до 10 мс со скважностью ≥10 мс) предельные частоты генерации могут достигать многих сотен гигагерц (0,6…0,8 ТГц), при токах ~ 100 мА, и выходной мощности достигающей ~0,2…0,5 Вт/ячейка с площадью 20×20 мкм². Посредством набора совокупности параллельно включенных гетеродиодных ячеек указанной площади можно конструировать генераторы импульсов с характерными частотами, лежащими в области 0,5…0,8 ГГц и суммарной мощностью от 0,5 до 2,0 Вт.

Заявляемая структура по п.2 формулы позволяет увеличить длительность цуга и мощность за счет значительного повышения коэффициента теплопроводности материала многослойной гетероструктуры и подложки, и добротности приборов. Основанием для положительных ожиданий является больший перепад значений токов «пик-долина» на ВАХ резонансно-туннельного диода на основе гетероструктуры GaN/Ga_1-xAlyN. Благодаря этому существенно расширяется область применений генераторов и схем на их основе и упрощается интеграция генераторных ячеек в управляющие схемы и электронные радиотехнические устройства.

На фиг.1 изображена многослойная структура по п.1 Формулы изобретения, где: 1-GaAs подложка, 2-GaAs:Si 10¹⁸ cm^-3 толщиной 7000 $$\stackrel{0}{A}$$ , 3-Al_xGa_1-xAs x=0.4 нелегированный, толщиной 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 4-GaAs:Si 10¹⁸ cm^-3 толщиной 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 5-Al_xGa_1-xAs х=0.4 нелегированный, толщина 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 6-GaAs:Si 10¹⁸ cm^-3 толщиной 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 7- Al_xGa_1-xAs х=0.4 нелегированный, толщина 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 8-GaAs-Si 10¹⁸ cm^-3 толщиной 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 9-Al_xGa_1-xAs х=0.4 нелегированный, толщина 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 10-GaAs:Si 10¹⁸ cm^-3 толщиной 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 11-Al_xGa_1-xAs х=0.4 нелегированный, толщина 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 12-GaAs:Si 10¹⁸ cm^-3 толщиной 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 13-Al_xGa_1-xAs x=0.4 нелегированный, толщина 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 14-GaAs:Si 10¹⁸ cm^-3 толщиной 450, $$\stackrel{0}{A}$$ 15-Al_xGa_1-xAs x=0.4 нелегированный, толщина 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 16-GaAs:Si 10¹⁸ cm^-3 толщной 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 17-_AlxGa1-xAs x=0.4 нелегированный, толщина 450 $$\stackrel{0}{A}$$ , 18-GaAs:Si 10¹⁸ cm^-3 толщиной 1500 $$\stackrel{0}{A}$$ .

Для указанной гетероструктуры выполнены теоретические расчеты статических ВАХ и получены оценки динамических характеристик генераторов на ее основе. На фиг.2 представлены экспериментально измеренные статические ВАХ генераторных ячеек, выполненных с использованием микроэлектронных технологий на основе многослойной гетероструктуры.

Как показали расчеты, концентрация доноров в GaAs слоях может варьироваться в зависимости от задачи в диапазоне 5·10¹⁷…10¹⁸ см^-3, при изменениях толщин GaAs и GaAlAs слоев в диапазоне 30…100 нм. При концентрациях меньших нижней границы диапазона, толщины областей пространственного заряда (ОПЗ) возникающих в GaAs из за наличия гетерограниц, станут соразмерными толщинам GaAs слоев, что резко изменяет сам механизм транспорта в многослойной структуре. При концентрациях больших 10¹⁸см^-3 резко подает подвижность электронов (становиться меньшей 1500 см²/Вс) в узкозонных GaAs слоях из-за увеличения рассеяния на легирующей примеси и структурных дефектах. Кроме того, наблюдается «прорастание» структурных дефектов в широкозонные Ga_1-x Al_x As слои, что способствует развитию подбарьерных механизмов транспорта (прыжковая термоактивированная проводимость по локализованным состояниям). Все это отрицательно сказывается на отношении времени разогрева и релаксации температуры электронного газа. определяющего возможность образования S-образности на ВАХ и характерные частоты генерации. В качестве подложки может использоваться либо подложка сильнолегированного донорами арсенида галлия, либо полуизолирующая подложка арсенида галлия с расположенным между ней и ближайшим по отношению к ней широкозонным слоем GaAlAs, сильнолегированным (5·10¹⁷…10¹⁸ см^-3) слоем арсенида галлия толщиной 0,4…1,0 мкм.

Заявляемая гетероструктура изготавливается следующим образом (пример).

На полупроводниковой подложке n - типа проводимости последовательно эпитаксиально выращиваются: узкозонный сильнолегированный (до 10¹⁸ см^-3) донорами GaAs слой, широкозонный нелегированный Gay Ali.y As слой (выбирается мольная доля в диапазоне у=0,27…0,35), узкозонный легированный (5·10¹⁷…10¹⁸ см^-3) донорами GaAs слой - ((3…20 периодов чередующихся пар указанных широкозонных и узкозонных слоев), широкозонный нелегированный слой Gax Al_1-x As (выбирается мольная доля в диапазоне х=0,18…0,20) и узкозонный сильнолегированный донорами (до 10¹⁸ см^-3) слой GaAs (слои могут быть легированы, например, германием, кремнием, оловом).

При изготовлении генератора на указанной гетероструктуре выполняются следующие технологические процедуры. На тыльной стороне сильнолегированной nGaAs подложки формируется омический контакт.На выращенной гетероструктуре посредством литографических методов (электронная литография, фотолитография, либо наноимпринтинг в зависимости от выбранной геометрии мез) формируются ячейки гетеродиодов, в виде мезаструктур высотою большей суммарной толщины слоев многослойной эпитаксиальной гетероструктуры и площадью каждой мезы в диапазоне 20×20…50×50 мкм². Поверхность структуры пассивируется (покрывается) диэлектриком и планаризируется, и 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 проводящих ламелей гальванические связи между тем либо иным количеством гетеродиодных ячеек (мез) и формируются контактные площадки.

Структура по пункту 2 является частным решением п.1. Она позволяет дополнительно повысить предельную мощность генератора на многослойной гетероструктуре заявляемого типа. Действительно, в структуре по п.2 Формулы упомянутые слои мультислойной гетероструктуры выполняются на основе твердых растворов материалов системы GaN-AlN из пар чередующихся легированных nGaN и нелегированных Ga_1-xAl_xN эпитаксиальных слоев; подложкой при этом, из технологических и мощностных соображений, может являться сапфир, либо карбид кремния. В силу общности физических процессов протекающих в гетероструктурах указанных типов, оставаясь в рамках предлагаемой в п.1 Формулы архитектуры мультислойной структуры, можно таким образом увеличить отбираемую (выходную) мощность за счет существенно лучшей, чем у GaAs, теплопроводности твердых растворов GaN-AlN и подложек из SiC, либо сапфира.

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 может быть использовано при изготовлении твердотельных компактных мощных генераторов субтерагерцового и терагерцового диапазонов частот. Гетеропереходная структура согласно изобретению представляет собой совокупность чередующихся пар узкозонных (GaAs, либо GaN) и широкозонных (соответственно, Ga_1-x Al_x As, либо Ga_1-xAl_xN) полупроводниковых слоев. Толщины чередующихся узкозонных и широкозонных слоев выбираются одинаковыми в диапазоне 30…100 нм, узкозонные GaAs и GaN слои многослойной гетероструктуры легируются донорами до концентраций 5·10¹⁷…1·10¹⁸ см^-3, а широкозонные слои Ga_1-xAl_xAs и Ga_1-xAl_xN не легируются, количество периодов пар чередующихся GaAs и Ga_1-x Al_x As (и, соответственно, GaN и Ga_1-xAl_xN) слоев мультислойной гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, мольная доля арсенида алюминия для всех слоев арсенида галлия - арсенида алюминия выбирается из диапазоне 0,20…0,35, а мольная доля нитрида алюминия для всех слоев нитрида галлия - нитрида алюминия выбирается из диапазона 0,35…0,65, при этом в слое Ga_1-x Al_x As (для системы GaAs-AlAs) и в слое Ga_1-xAl_xN (для системы GaN-AlN) из пары, наиболее удаленной от подложки, мольная доля арсенида алюминия (соответственно, нитрида алюминия) понижена и составляет около 0.7·Х, а сам этот слой покрыт более толстым (не менее 150 нм) легированным GaAs (соответственно, GaN) слоем. Вариантом заявляемой структуры может быть структура, в которой в слое твердого раствора из пары, ближайшей к подложке, мольная доля арсенида алюминия (соответственно, нитрида алюминия) составляет (0,65…0,75)·Х. Изобретение обеспечивает существенное увеличение мощности твердотельных генераторов субтерагерцового и терагерцового диапазона частот излучения 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Структура для генерации электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотных диапазонов, состоящая из подложки арсенида галлия и расположенных на ней чередующихся слоев GaAs и Ga_1-x Al_x As, отличающаяся тем, что толщины чередующихся слоев выбираются одинаковыми и лежат в диапазоне 30…100 нм, слои GaAs легируются донорами до концентраций 5·10¹⁷…1·10¹⁸см^-3, а слои Ga_1-xAl_xAs не легированы, количество периодов пар чередующихся слоев GaAs и Ga_1-x Al_x As гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, мольная доля Х выбирается из диапазона 0,20…0,35, слой Ga_1-x Al_x As из пары, наиболее удаленной от подложки, покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga_1-x Al_x As из пары наиболее удаленной от подложки, либо пары, наиболее приближенной к ней, понижена и составляет значение (0,65…0,75)·Х.

2. Структура для генерации электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотных диапазонов, состоящая из подложки и расположенных на ней чередующихся полупроводниковых узкозонных и широкозонных слоев, отличающаяся тем что толщины пар чередующихся слоев GaN и Ga_1-xAl_xN выбираются в диапазоне 30…100 мкм, мольная доля Х в слоях Ga_1-xAl_xN выбирается из диапазона 0,35…0,55, слои GaN легируются донорами до концентраций 5·10¹⁷…1·10¹⁸см^-3, а слои Ga_1-xAl_xN не легированы, количество периодов пар, чередующихся GaAs и Ga_1-x Al_x N слоев гетероструктуры, выбирается от трех до нескольких десятков, слой Ga_1-x Al_x As из пары, наиболее удаленной от подложки, покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga_1-x Al_x N из пары, наиболее удаленной от подложки, либо пары, наиболее приближенной к ней, понижена и составляет значение (0,65…0,75)·Х, при этом подложкой является сапфир либо карбид кремния.