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

Описание патента на изобретение RU2503091C1

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 Ga1-xAlxAs не легированы, количество периодов пар чередующихся слоев GaAs и Ga1-x Alx As гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, мольная доля Х выбирается из диапазона 0,20…0,35, слой Ga1-x Alx As из пары наиболее удаленной от подложки покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga1-x Alx 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 Ga1-xAlxN слоев, отличающихся тем что их толщины выбираются в диапазоне 30…100 мкм, мольная доля Х в слоях Ga1-xAlxN выбирается из диапазона 0,35…0,55, слои GaN легируются донорами до концентраций 5·1017…1·1018см-3 а слои Ga1-xAlxN не легированы, количество периодов пар чередующихся GaAs и Ga1-x Alx N слоев гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, слой Ga1-x Alx As, из пары наиболее удаленной от подложки, покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga1-x Alx 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/Ga1-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 A 0 , 3-AlxGa1-xAs x=0.4 нелегированный, толщиной 450 A 0 , 4-GaAs:Si 1018 cm-3 толщиной 450 A 0 , 5-AlxGa1-xAs х=0.4 нелегированный, толщина 450 A 0 , 6-GaAs:Si 1018 cm-3 толщиной 450 A 0 , 7- AlxGa1-xAs х=0.4 нелегированный, толщина 450 A 0 , 8-GaAs-Si 1018 cm-3 толщиной 450 A 0 , 9-AlxGa1-xAs х=0.4 нелегированный, толщина 450 A 0 , 10-GaAs:Si 1018 cm-3 толщиной 450 A 0 , 11-AlxGa1-xAs х=0.4 нелегированный, толщина 450 A 0 , 12-GaAs:Si 1018 cm-3 толщиной 450 A 0 , 13-AlxGa1-xAs x=0.4 нелегированный, толщина 450 A 0 , 14-GaAs:Si 1018 cm-3 толщиной 450, A 0 15-AlxGa1-xAs x=0.4 нелегированный, толщина 450 A 0 , 16-GaAs:Si 1018 cm-3 толщной 450 A 0 , 17-AlxGa1-xAs x=0.4 нелегированный, толщина 450 A 0 , 18-GaAs:Si 1018 cm-3 толщиной 1500 A 0 .

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 Ga1-x Alx 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 Al1-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 Ga1-xAlxN 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.

Похожие патенты RU2503091C1

название год авторы номер документа
МУЛЬТИБАРЬЕРНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ МОЩНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СУБ- И ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНОВ 2012
  • Бугаев Александр Степанович
  • Гергель Виктор Александрович
  • Ильичев Эдуард Анатольевич
  • Черепенин Владимир Алексеевич
RU2499339C1
МОДУЛИРОВАННО-ЛЕГИРОВАННЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР 2013
  • Аветисян Грачик Хачатурович
  • Дорофеев Алексей Анатольевич
  • Колковский Юрий Владимирович
  • Миннебаев Вадим Минхатович
RU2539754C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА 2014
  • Бажинов Анатолий Николаевич
  • Духновский Михаил Петрович
  • Обручников Александр Евгеньевич
  • Пёхов Юрий Петрович
  • Яцюк Юрий Андреевич
RU2563544C1
МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ 2021
  • Пашковский Андрей Борисович
  • Лапин Владимир Григорьевич
  • Лукашин Владимир Михайлович
  • Маковецкая Алена Александровна
  • Богданов Сергей Александрович
  • Терешкин Евгений Валентинович
  • Журавлев Константин Сергеевич
RU2781044C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ НАНОСТРУКТУРА С КОМПОЗИТНОЙ КВАНТОВОЙ ЯМОЙ 2004
  • Кадушкин Владимир Иванович
RU2278072C2
МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ 2023
  • Пашковский Андрей Борисович
  • Богданов Сергей Александрович
  • Бакаров Асхат Климович
  • Журавлев Константин Сергеевич
  • Лапин Владимир Григорьевич
  • Лукашин Владимир Михайлович
  • Карпов Сергей Николаевич
  • Рогачев Илья Александрович
  • Терешкин Евгений Валентинович
RU2799735C1
МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ 2014
  • Лапин Владимир Григорьевич
  • Лукашин Владимир Михайлович
  • Пашковский Андрей Борисович
  • Журавлев Константин Сергеевич
RU2563545C1
МОЩНЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЕ 2023
  • Пашковский Андрей Борисович
  • Богданов Сергей Александрович
  • Карпов Сергей Николаевич
  • Терешкин Евгений Валентинович
RU2813354C1
ПСЕВДОМОРФНЫЙ ГЕТЕРОСТУКТУРНЫЙ МОДУЛИРОВАНО-ЛЕГИРОВАННЫЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР 2013
  • Аветисян Грачик Хачатурович
  • Дорофеев Алексей Анатольевич
  • Колковский Юрий Владимирович
  • Курмачев Виктор Алексеевич
  • Миннебаев Вадим Минхатович
RU2534447C1
ФОТОПРИЕМНИК НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ 2015
  • Тарасов Виктор Васильевич
  • Куликов Владимир Борисович
  • Солодков Алексей Аркадьевич
RU2589759C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 503 091 C1

Реферат патента 2013 года СТРУКТУРА ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СУБТЕРАГЕРЦОВОГО И ТЕРАГЕРЦОВОГО ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

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, Ga1-x Alx As, либо Ga1-xAlxN) 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 Ga1-xAlxAs и Ga1-xAlxN не легируются, количество периодов пар чередующихся GaAs и Ga1-x Alx As (и, соответственно, GaN и Ga1-xAlxN) 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 Ga1-x Alx As (для системы GaAs-AlAs) и в слое Ga1-xAlxN (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.

Формула изобретения RU 2 503 091 C1

1. Структура для генерации электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотных диапазонов, состоящая из подложки арсенида галлия и расположенных на ней чередующихся слоев GaAs и Ga1-x Alx 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 Ga1-xAlxAs не легированы, количество периодов пар чередующихся слоев GaAs и Ga1-x Alx As гетероструктуры выбирается от трех до нескольких десятков, мольная доля Х выбирается из диапазона 0,20…0,35, слой Ga1-x Alx As из пары, наиболее удаленной от подложки, покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga1-x Alx 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 Ga1-xAlxN выбираются в диапазоне 30…100 мкм, мольная доля Х в слоях Ga1-xAlxN выбирается из диапазона 0,35…0,55, слои GaN легируются донорами до концентраций 5·1017…1·1018см-3, а слои Ga1-xAlxN не легированы, количество периодов пар, чередующихся GaAs и Ga1-x Alx N слоев гетероструктуры, выбирается от трех до нескольких десятков, слой Ga1-x Alx As из пары, наиболее удаленной от подложки, покрыт легированным GaAs слоем толщиной не менее 150 нм, а мольная доля Х в слое Ga1-x Alx 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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2503091C1

Sollner T.C
et al
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Гребенчатая передача 1916
  • Михайлов Г.М.
SU1983A1
JP 2012023134 A, 02.02.2012
CN 102237635 A, 09.11.2011
US 2011204418 A1, 25.08.2011
JP 2011077396 A, 14.04.2011
JP 2010225808 A, 07.10.2010
СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ В ВАКУУМЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ 2008
  • Клинских Александр Федотович
  • Мелешенко Петр Александрович
RU2381603C1

RU 2 503 091 C1

Авторы

Беспалов Владимир Александрович

Гергель Виктор Александрович

Ильичев Эдуард Анатольевич

Черепенин Владимир Алексеевич

Даты

2013-12-27Публикация

2012-05-31Подача