МОДУЛЯТОР ИНТЕНСИВНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ КВАНТОВОЙ ЯМЫ Российский патент 2022 года по МПК H03C1/46 

Изобретение относится к акустоэлектронике, в частности к устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано в линиях задержки электрических сигналов, в замедляющих устройствах, фазовращателях, для построения согласованных фильтров сложных сигналов и преобразователей временного масштаба, калибровки временных интервалов с требуемыми параметрами, коррекции временных искажений.

Известны акустооптические линии задержки сигналов дискретного действия [Гасанов А.Р., Гасанов Р.А. Электронно-управляемые акустооптические линии задержки (АОЛЗ) дискретного действия // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2015.— № 9.— C.6-10]. В них управление временем задержки электрических сигналов может осуществляться изменением несущей частоты упругой волны при различных углах падения световых пучков и переключением фотоприемников, расположенных в плоскости регистрации отклоненного света при одинаковых углах падения световых пучков в апертуру фотоупругой среды.

Известны акустические модуляторы сигналов, используемые в линиях задержки сигналов. В таких устройствах электрический сигнал преобразуется в ультразвуковые колебания, распространяющиеся в оптически прозрачной среде к акустическому поглотителю, и затем извлекается через упругооптическую связь [Пашаев А.М., Гасанов А.Р., Мамедов А.А., Гасанов Х.И. Электронно-управляемая акустооптическая линия задержки//Приборы и системы управления. — 1997.— № 6.— C.46]. Извлечение сигнала становится возможным благодаря тому, что просвечивающий пучок света модулируется при дифракции на неоднородностях диэлектрической проницаемости, вызываемых деформациями среды звукопровода, обусловленными ультразвуковой волной. Для получения электрического сигнала свет детектируют с помощью фотодетекторов. Звукопровод в данном случае является акустическим модулятором света.

Известен датчик на ПАВ [см. например, заявка №2009131401/28, МПК G01N29/00, 2009г.], содержащий подложку из LiNbO₃ со специально обработанной нижней поверхностью, встречно-штыревые преобразователи (ВШП), напыленные на подложку с определенным шагом, основание и акустические поглотители паразитных ПАВ, отличающийся тем, что он снабжен акустическим звуководом в виде полированного бруска металла, при этом нижняя поверхность подложки под ВШП - шероховатая, а нижняя поверхность в центральной части между ВШП - гладкая, при этом основание состоит из двух частей, между которыми находятся акустический звуковод, размещенный под центральной частью подложки, причем расстояние напыления гребенок ВШП изменяется линейно от 0,176 до 1,176 мм, а шаг напыления зависит от количеств гребенок ВШП.

К недостаткам указанных устройств можно отнести разнообразные вторичные акустические эффекты, сопровождающие возбуждение, распространение и приём ПАВ. Среди этих эффектов главными являются дифракция, дисперсия и переотражение ПАВ. Кроме того, в материале звукопровода и фотодетектора неизбежны потери энергии, что создает дополнительные трудности в функционировании приборов на ПАВ.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача модуляции интенсивности ПАВ для создания акустооптической линии задержки электрических сигналов. Процесс модуляции самой ультразвуковой волны позволит уменьшить негативное влияние перечисленных выше эффектов, в частности избежать энергетических потерь при преобразовании акустического сигнала в оптический.

Заявитель считает данное изобретение пионерным, то есть не имеющем в уровне технике аналогов (средств того же назначения).

Технический результат достигается тем, что модулятор содержит в качестве базового элемента слоистую структуру LiNbO₃ – SiOx – InSb - SiOx. Распространение ПАВ происходит в слое LiNbO₃, а дрейф носителей заряда – в пленке InSb (при толщине пленки 400 – 500 Å). Связь между упругой и электронной подсистемой осуществляется электрическим полем, проникающим через границу раздела LiNbO₃ – InSb. Для предотвращения легирования пленки InSb диффузией примеси из подложки пленка покрывается слоем SiOx толщиной 300÷400 Å. Верхний защитный слой SiOx служит для исключения коагулирования и разложения пленки InSb при плавлении. Рассматриваемая структура схематически изображена на фиг.1, где 1 – преобразователь; 2 – Al – электроды для тянущего поля; 3 – пленка InSb; 4 – пленка SiO_x. На фиг.2 схематически показаны особенности электронного энергетического спектра рассматриваемой КЯ с примесными центрами (ПЦ), где L – ширина КЯ; E_c – энергия дна зоны проводимости в массивном полупроводнике; E_F – энергия Ферми; точки z_1,2 определяются условием E_λ(z_1,2)=E_F; E_λ - энергия связанного состояния ПЦ.

Свойства границы LiNbO₃ – InSb зависят от случайных факторов, и в случае зонного механизма проводимости пленки InSb следует ожидать заметного разброса параметров усилителей ПАВ этого типа. В отличие от режима усиления, режим модуляции ПАВ не предъявляет жестких требований к величине дрейфовой подвижности носителей заряда. Здесь актуальной становится проблема эффективного изменения проводимости пленки InSb. В этой связи представляет интерес прыжковая проводимость на переменном токе в компенсированной КЯ на основе InSb.

В полупроводниковой КЯ наряду с обычным уширением примесной зоны за счет случайного поля может иметь место дополнительное уширение, связанное с эффектом позиционного беспорядка. Будем предполагать, что связанное с этим эффектом уширение примесной зоны превосходит размытие уровня за счет случайного поля. Будем считать полупроводниковую КЯ компенсированной (уровень Ферми расположен в примесной зоне) и рассмотрим случай низких температур, когда проводимость определяется переходами между состояниями с энергиями , близкими к уровню Ферми [Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. Теория фотоэлектрических и пороговых характеристик фотоприемников на основе многослойных структур на GaAs – AlGaAs с квантовыми ямами//ФТП.— 1991.— т. 25.— № 9.— С.1579—1588.]. В этом случае пространственное положение точек локализации этих состояний ограничено узкими областями около плоскостей причем точки определяются условием

В широкой области частот прыжковую проводимость можно вычислять на основе парного приближения [Bringcourt G., Martinuzzi S. C. R.//Acad. Sci. Paris.— 1968.— v. 266.— P.1283.]:

где S_⊥ - площадь сечения образца, перпендикулярного переменному полю; - радиус-векторы рассматриваемой пары ПЦ; - единичный вектор в направлении переменного электрического поля; ; и – энергии ПЦ, связанные с их координатами z_a и z_b соотношением E_a,b= E_λ(z_a,b); - функция квантовой корреляции уровней; - равновесная вероятность заполнения центра; τ_ab – время релаксации в паре

здесь Г_ab представляет собой темп переходов между центрами пары a и b:

где Г₀ – предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от энергий и координат ПЦ; λ^* - больший из радиусов локализации состояний а и b; ступенчатые функции θ в (1) указывают на то, что ПЦ расположены по разные стороны от плоскости .

Расчет проводимости существенно упрощается [Звягин И.П., Ван В. Частотная зависимость проводимости по примесям в квантовой яме//Вестник МГУ. Сер. 3 «Физика. Астрономия».—1996 — № 6. — С.69—73.], если характерная длина прыжка велика по сравнению с шириной КЯ. В этом случае в матричных элементах перехода между локализованными состояниями величину можно заменить на - расстояние между ПЦ в плоскости слоя. При этом время релаксации в (2) примет вид При можно пренебречь и квантовой корреляцией уровней, полагая . Рассмотрим, далее, случай, когда направление напряженности электрического поля перпендикулярно к направлению роста КЯ (продольная проводимость). В этом случае, интеграл в (1) можно приближенно вычислить, и в результате вещественная часть продольной проводимости Reσ_l(ω) примет следующий вид

здесь σ_0l=π⁴e²N₀²a_d⁵/(2⁸E_dτ₀), а функция определена как

, ; энергия связанного состояния ПЦ E_λ в КЯ с параболическим потенциальным профилем, здесь учтено, что проводимость определяется переходами между примесными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми. Величина определяется из дисперсионного уравнения [см. Кревчик В.Д., Зайцев Р.В., Евстифеев Вас.В. К теории фотоионизации глубоких примесных центров в параболической квантовой яме. // ФТП. – 2000. – Т.34. - №10. – С.1244 – 1249.]:

здесь ; ; a=z₀/L; ; L^*=L/a_d ; U₀^*=U₀/E_d.

На фиг. 3 представлена зависимость нормированной проводимости Reσ_l(ω)/σ_0l от величины ωτ₀ при различных значениях амплитуды потенциала U₀^* КЯ и глубины залегания примесного уровня η_i, рассчитанная по формуле (4) (1— U₀*=100, η_i=6; 2— U₀*=200, η_i=5.1; 3— U₀*=100, η_i=5.1). Можно видеть (см. кривую 3), что проводимость в основном определяется переходами электронов между примесными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми. Незначительное понижение примесных уровней сопровождается уменьшением проводимости примерно на порядок (ср. кривые 3 и 1). С ростом амплитуды потенциала КЯ проводимость падает (ср. кривые 3 и 2), что обусловлено соответствующим смещением примесных уровней. Необходимо отметить, что в достаточно узкой области частот переменного электрического поля 0,2≤ωτ₀≤1 (см. фиг.3) прыжковая проводимость меняется от нуля до максимального значения. Эта особенность составляет физическую основу модуляции интенсивности ПАВ.

Предлагаемый модулятор интенсивности ПАВ представляет собой многослойную структуру с полупроводниковой КЯ, содержащей примесную зону. ПАВ взаимодействует с электронами в примесной зоне посредством экспоненциально спадающего электрического поля волны, проникающего в пленку InSb. Рассмотрим случай, когда частота переменного поля ω много меньше частоты звука но больше или порядка обратного времени пролета звука через образец. В частности, если время пролета звука по образцу равно целому кратному периодов внешнего переменного электрического поля, то интенсивность звука на выходе образца определяется в основном средним по периоду поля коэффициентом поглощения звука <α>:

здесь γ - константа электромеханической связи, ω_S – частота ПАВ, v_S – скорость ПАВ, ε_L, ε_P – диэлектрические проницаемости диэлектрического подслоя и пьезоэлектрика, σ - проводимость пленки InSb. Выражение (6) получено при следующих условиях: ωτ_M<<1 (τ_M – максвелловское время релаксации); qr_D<<1 (q – волновое число звука, r_D – дебаевский радиус экранирования); μ_eE₀///v_S<<1 (μ_e – подвижность электронов, E₀// - амплитуда продольного электрического поля); E_⊥=0 (поперечное внешнее электрическое поле отсутствует). Если проводимость пленки InSb является прыжковой на переменном токе и связана с модификацией электронных состояний на примесях в КЯ. Тогда, для глубины модуляции где k=<α(ω₂)>/<α(ω₁)>=Reσ_l(ω₁)/Reσ_l(ω₂) (используя кривую 2 на фиг. 2) будем иметь m≈82%. При этом эффективность модулятора составит (при k≈10) примерно 70%. Таким образом, модулятор интенсивности ПАВ на прыжковом механизме проводимости InSb КЯ можно использовать в линиях задержки электрических сигналов. При этом модуляция непосредственно самой ПАВ позволяет избежать энергетических потерь при преобразовании акустического сигнала в оптический, что дает значительные преимущества при использовании предлагаемого модулятора ПАВ в линиях задержки электрических сигналов по сравнению с традиционными модуляторами на основе зонной проводимости.

Использование: для модуляции интенсивности поверхностных акустических волн (ПАВ). Сущность изобретения заключается в том, что модулятор интенсивности поверхностных акустических волн содержит базовый элемент на основе слоистой структуры LiNbO3 – SiOx – InSb – SiOx, при этом физическую основу модуляции интенсивности поверхностных акустических волн составляет прыжковый механизм проводимости на переменном токе в тонкой пленке InSb, которая представляет собой полупроводниковую квантовую яму с примесной зоной. Технический результат: обеспечение возможности модуляции интенсивности ПАВ для создания акустооптической линии задержки электрических сигналов. 3 ил.

Модулятор интенсивности поверхностных акустических волн, характеризующийся тем, что он содержит базовый элемент на основе слоистой структуры LiNbO3 – SiOx – InSb – SiOx, отличающийся тем, что физическую основу модуляции интенсивности поверхностных акустических волн составляет прыжковый механизм проводимости на переменном токе в тонкой пленке InSb, которая представляет собой полупроводниковую квантовую яму с примесной зоной.