Наноэлектронный полупроводниковый смесительный диод

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и приборам радиотехники и может быть использовано для смешивания сигналов в радиотехнической и радиоизмерительной аппаратуре, и в микроэлектромеханических системах. Сущность изобретения: в наноэлектронном полупроводниковом диоде, состоящем из двух контактных областей, выполненных из легированного GaAs, спейсеров, выполненых из GaAs, и гетероструктуры в составе трех чередующихся областей: потенциальных барьеров, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где у - молярная доля Al, и расположенной между ними потенциальной ямы, различающихся шириной запрещенной зоны и толщиной слоя, потенциальная яма выполнена из GaAs и при концентрации Si в контактных областях 5×10¹⁸-7×10¹⁸ 1/см³ толщина слоя ямы составляет от 8 до 16 атомарных слоев, молярная доля Al в барьерных слоях составляет от 0,4 до 1, толщина барьера составляет от 6 до 30 атомарных слоев. Изобретение позволяет обеспечить создание смесительного диода с формой вольт-амперной характеристики, обеспечивающей расширение рабочей полосы частот при одновременном увеличении динамического диапазона и уменьшении потерь преобразования смесителя. 2 ил.

 

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для смешивания сигналов в радиоаппаратуре, радиоизмерительных приборах и в микроэлектромеханических системах.

Известны смесительные диоды (диод с барьером Шоттки, биполярный диод), имеющие экспоненциальную форму вольт-амперной характеристики (см. Георгиевсий A.M. и др. Исследование направлений применения резонансно-туннельного диода в интегральных схемах СВЧ диапазона. М., Микроэлектроника, 1996, т.25, №4, с.240-258).

Недостатком известных диодов является высокий уровень мощности высших гармоник обрабатываемых сигналов и их интермодуляционных составляющих в спектре выходного сигнала смесителя.

Смесительный диод должен обладать вольт-амперной характеристикой (ВАХ) вида:

I(U)=aU^X, I(U)=aU^X,

где U - напряжение на диоде, I - ток через диод, а - коэффициент, лежит в пределах от 0,01 до 50, х - показатель степени ВАХ диода, лежит в пределах от 2 до 5 и зависит от типа и конструкции смесителя.

Нелинейные преобразователи - обязательная часть радиоэлектронной системы. Наиболее часто используются следующие типы преобразований: генерация радиосигнала, ограничение мощности, смешивание радиосигнала или перенос частоты, детектирование. Радиоэлектронная система может содержать умножитель частоты, генератор частотной сетки и др. В СВЧ диапазонах нелинейные преобразователи часто создаются на базе диодов.

В частности, в смесителях, переносчиках частоты и умножителях частоты применяются диоды с экспоненциальной ВАХ. Поэтому и не ставится вопрос об оптимизации формы ВАХ под нужное нелинейное преобразование. Оптимизация результата преобразования проводится за счет включения в цепи преобразователя частотных фильтров. Это усложняет его схему, повышает цену и снижает надежность. Но, главное, отрицательно влияет на технические характеристики. Например, в смесителях это сужает полосу частот по входу усилителя промежуточной частоты (ПЧ) и динамический диапазон.

С появлением наноэлектроники возникла возможность создавать диоды с заранее заданными формами ВАХ, что в корне меняет ситуацию и позволяет улучшать характеристики преобразователей за счет оптимизации формы ВАХ нелинейного элемента - диода. Например, нанодиоды на базе многослойных гетероструктур с поперечным токопереносом могут иметь разнообразные формы ВАХ.

Наиболее близким к данному техническому решению является наноэлектронный полупроводниковый диод (см. US 6229153, кл. H01L 29/72, 08.05.2001), содержащий слоистую структуру, состоящую из слоя легированного арсенида галия (GaAs), слоя нелегированного GaAs, слоя Al_yGa_1-yAs, образующего первый потенциальный барьер, слоя InGaAs, представляющего энергетическую потенциальную квантовую яму, затем слоя Al_yGa_1-yAs, образующего второй потенциальный барьер, а также слоев нелегированного GaAs и легированного GaAs.

По мере возрастания приложенного напряжения к наружным слоям легированного GaAs ток, протекающий через слои, первоначально нелинейно возрастает до своего пикового значения, затем убывает при отстройке от резонанса и далее возрастает из-за возникновения механизмов токопереноса, отличных от резонансного туннелирования.

Недостатком известного диода является форма начального участка ВАХ, которая не оптимизирована для смешивания сигналов, что дает высокий уровень мощности высших гармоник обрабатываемых сигналов и их интеркомбинационных составляющих на выходе смесителя.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в создании смесительного диода с формой ВАХ, обеспечивающей расширение рабочей полосы частот при одновременном увеличении динамического диапазона и уменьшении потерь преобразования смесителя.

При классическом теоретическом анализе с использованием тригонометрических преобразований показано [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для ВУЗов, 5-е изд., М., Дрофа, 2006, с.324, 719 с.], что в случае малой активной нагрузки смесителя и использования в нем диода с квадратичной ВАХ в спектре тока на выходе смесителя присутствуют лишь постоянная составляющая, первые и вторые гармоники сигнала и гетеродина и комбинационные частоты второго порядка. В реальных конструкциях радиоаппаратов, радиоизмерительных приборов и микроэлектромеханических систем сигнал промежуточной частоты со смесителя передается на усилитель промежуточной частоты, для чего требуется преобразование тока в напряжение. Поэтому нагрузка реального смесителя составляет сотни Ом. В этом случае для уменьшения уровня интермодуляционных составляющих, т.е. снижения потерь преобразования и одновременного расширения рабочей полосы частот и увеличения динамического диапазона смесителя предлагается использовать диод с ВАХ вида I(U)=aU^X, где U - напряжение на диоде, I - ток через диод, а - коэффициент, лежит в пределах от 0,01 до 50, х - показатель степени ВАХ диода, лежит в пределах от 2 до 5 [Иванов Ю.А., Федоркова Н.В., Шалаев В.А. Наноэлектроника в СВЧ нелинейных преобразователях для радиолокации. Радиооптические технологии в приборостроении, Тезисы докладов 1 Научно-технической конференции, 8-12 сентября 2003, Сочи, Москва, Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003, с.15-19].

Указанный технический результат достигается также тем, что в наноэлектронном полупроводниковом диоде, состоящем из двух контактных областей, выполненных из легированного GaAs, спейсеров, выполненных из GaAs, и гетероструктуры в составе трех чередующихся областей: потенциальных барьеров, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где у - молярная доля Al, и расположенной между ними потенциальной ямы, потенциальная яма выполнена из GaAs и при концентрация Si в контактных областях 5×10¹⁸…7×10¹⁸ 1/см³ толщина слоя ямы составляет от 8 до 16 атомарных слоев, молярная доля Al в барьерных слоях составляет от 0,4 до 1, толщина барьера составляет от 6 до 30 атомарных слоев.

На фиг.1 приведены виды вольтамперных характеристики различных диодов. На оси ординат фиг.1 приведены значения: U - напряжение на диоде, на оси абсцисс приведены значения тока - I в относительных единицах.

На фиг.2 приведен один из вариантов конструктивного исполнения диода. Наноэлектронный полупроводниковый диод состоит из двух контактных областей 1, выполненных из легированного GaAs, спейсеров 2, выполненных из GaAs, и гетероструктуры в составе трех чередующихся областей: потенциальных барьеров 3, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где у - молярная доля Al, и расположенной между ними потенциальной ямы 4, различающихся шириной запрещенной зоны и толщиной слоя. Потенциальная яма выполнена из GaAs и при концентрации Si в контактных областях составляет 5×10¹⁸…7×10¹⁸ 1/см³, толщина ямы составляет от 8 до 16 атомарных слоев, молярная доля Al в барьерных слоях составляет от 0,4 до 1, толщина барьера составляет от 6 до 30 атомарных слоев.

Указанные параметры и химический состав слоев диода позволяют создать смесительный диод с формой ВАХ 1, приведенной на фиг.1, обеспечивающей расширение рабочей полосы частот при одновременном увеличении динамического диапазона и уменьшении потерь преобразования смесителя. Для сравнения на фиг.1 приведены ВАХ 2 прототипа и ВАХ 3 аналога.

При выходе параметров и химического состава слоев диода за границы указанных интервалов форма ВАХ будет отличаться от ВАХ 1, что приведет к невозможности получения заявленного технического результата. Например, уменьшение толщины слоя ямы, либо увеличение концентрации Al в барьерных слоях, либо уменьшение концентрации Si в контактных областях приводит к увеличению х в выражении I(U)=aU^X, что, в свою очередь, приводит к значительному увеличению потерь преобразования смесителя.

Ток, протекающий через диод в реальном смесителе, зависит от ВАХ диода, которая определяется его гетероструктурой, конструкции смесителя и суммарного комплексного сопротивления цепи смесителя для тока гетеродина. Ток при заданном напряжении гетеродина в цепи из одного диода с заданной формой ВАХ и ток в реальном смесителе с этим диодом отличаются. Таким образом, выбор формы ВАХ диода (степени х и коэффициента а в выражении I(U)=aU^X) и соответствующих параметров гетероструктуры ведется в процессе проектирования смесителя и зависит от его конструкции и электрического режима работы. Исследования, проведенные авторами, показали, что в реальных смесителях СВЧ для снижения потерь преобразования, расширения рабочей полосы частот и увеличения динамического диапазона величина х в выражении I(U)=aU^X должна лежать в диапазоне от 2 до 5, коэффициент а - в пределах от 0,01 до 50.

Проведенные авторами эксперименты [Иванов Ю.А., Федоркова Н.В. Шалаев В.А. Наноэлектроника в СВЧ нелинейных преобразователях для радиолокации. Радиооптические технологии в приборостроении, Тезисы докладов 1 Научно-технической конференции, 8-12 сентября 2003, Сочи, Москва, Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003, с.15-19] на имеющейся технологической базе показали, что диоды с указанными выше характеристиками способны существенно улучшить параметры смесителей.

Наноэлектронный полупроводниковый диод, состоящий из двух контактных областей, выполненных из легированного GaAs, спейсеров, выполненых из GaAs, и гетероструктуры в составе трех чередующихся областей, потенциальных барьеров, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где у - молярная доля Al, и расположенной между ними потенциальной ямы, различающихся шириной запрещенной зоны и толщиной слоя, отличающийся тем, что потенциальная яма выполнена из GaAs и при концентрации Si в контактных областях 5·10¹⁸-7·10¹⁸ 1/см³ толщина слоя ямы составляет от 8 до 16 атомарных слоев, молярная доля Al в барьерных слоях составляет от 0,4 до 1, толщина барьера составляет от 6 до 30 атомарных слоев.