Пролетный диод с распределенной индуктивной компенсацией емкости для генерации излучения в терагерцовом диапазоне
Владельцы патента RU 2787544:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт имени К.А. Валиева Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может быть использовано для изготовления генераторов терагерцового диапазона частот с мощностью 1 мВт и более. Сущность: предложен пролетный диод для генерации терагерцового излучения, состоящий из полупроводниковой подложки с двумя областями сильного легирования и нанесенными на них металлическими контактами, между которыми находится нелегированная пролетная щель, в которую включены участки с увеличенной шириной щели, и рядом с каждым расширенным участком щели расположена шунтируюшая емкостная перемычка, соединяющая металлические контакты пролетного диода. Технический результат заключается в обеспечении устойчивой генерации терагерцового излучения, улучшении согласования пролетного диода с антенной, увеличении мощности генерации. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может быть использовано для изготовления генераторов терагерцового диапазона частот с мощностью 1 мВт и более.
В диапазоне терагерцовых частот происходит резкое снижение мощности генерации как оптических, так и электронных устройств [1]. Таким образом, создание эффективных источников и детекторов терагерцового диапазона, работающих преимущественно при комнатной температуре, является сложной и актуальной задачей. Возможным путем решения этой задачи является предложение авторами [2 - 4] нового метода генерации в терагерцовом диапазоне с использованием нанометровых твердотельных пролетных структур на основе тонких слоев кремния или массива кремниевых нанопроволок для генерации и регистрации терагерцового излучения. Преимущество таких структур состоит в том, что они могут быть изготовлены с использованием современной планарной кремниевой технологии. Для реализации устройства были разработаны и продемонстрированы ключевые технологии, которые позволяют формировать нанометровые структуры, связанные с антенной, для вывода и/или детектирования терагерцового излучения. Несомненным достоинством такой структуры является и ее способность обеспечить мощность излучения 1-10 мВт, что важно для практических применений. Возможность генерации терагерцового излучения позволяет в дальнейшем называть такие структуры активными.
Описание предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения дается ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых цифрами обозначены: 1 - области сильного легирования, накрытые металлическими контактами; 2 - нелегированная пролетная щель; 3 - расширенные участки щели. выполняющие роль индуктивных окон; 4 - шунтирующие емкостные перемычки.
На Фиг. 1 представлены рассчитанные активная ReY и реактивная ImY части адмиттанса пролетной щели, нормированные на статическое значение адмиттанса Y0 (статической дифференциальной проводимости), 
- круговая частота, 
- время пролета.
На Фиг. 2 показана структура пролетного диода, состоящая из полупроводниковой подложки с двумя областями сильного легирования и нанесенными на них металлическими контактами, между которыми находится нелегированная пролетная щель.
На Фиг. 3 представлен пролётный диод с индуктивной компенсацией емкости, в пролетную щель которого включены участки с увеличенной шириной щели и рядом с каждым расширенным участком щели расположена шунтирующая емкостная перемычка, соединяющая металлические контакты пролетного диода.
На Фиг. 4 показан пролётный диод с распределенной индуктивной компенсацией емкости отдельных участков пролетной щели.
На Фиг. 5 представлен пролётный диод с распределенной индуктивной компенсацией емкости отдельных участков пролетной щели, выполненной в виде меандра.
На Фиг. 6 представлена эквивалентная схема распределенной компенсации с обозначениями: ttd - адмиттанс - участка пролетной щели Y(ω); Cs - емкость контактов пролетной щели; Lc - индуктивность компенсации; C1 - емкость шунтирующей емкостной перемычки; M - индуктивная связь между соседними индуктивностями Lc.
Важнейшим свойством активной структуры для генерации с круговой частотой ω является наличие отрицательной активной проводимости 
адмиттанса 
структуры в линейном режиме (Фиг. 1). Расчет представленных зависимостей выполнялся с учетом режима насыщения дрейфовой скорости. Для кремния скорость насыщения vS=107 см/с, что и задает ширину пролетной щели приблизительно равную 100 нм для генерации на терагерцовой частоте. Области с отрицательной проводимостью ReY(ω) < 0 определяют диапазоны частот, на которых может происходить генерация. В этом случае система выделяет энергию колебаний, черпая её из энергии приложенного постоянного напряжения. Отрицательная проводимость в пролетных структурах возникает на частотах, обратных времени пролета и кратных ему.
В работе [3] была рассмотрена переменная термоэмиссионная инжекция: напряжение на пролетной щели изменяет высоту потенциального барьера у одного из контактов, что приводит к изменению потока электронов, влетающих в пролетную щель из этого контакта. Сам потенциальный барьер возникает из-за натекания электронов из контактов в пролетную щель. Высота барьера зависит от степени легирования контактов: расчет показывает, что для ширины щели 100 нм при степени легирования контактов 1020 см-3 высота барьера составляет 0,25 эВ, а при степени легирования 1019 см-3 - 0,15 эВ. Сравнительно малая высота барьера обусловливает протекание достаточного тока в структуре для обеспечения требуемой мощности генерации.
Теория микроволновых генераторов, работающих на эффекте отрицательного сопротивления активного элемента, хорошо разработана и описана в литературе [5]. Условием возникновения колебаний амплитудой 
в системе, включающей активную структуру и присоединенную к ней нагрузку, например антенну, для комплексных импедансов структуры 
и нагрузки 
является соотношение [5]
.
Отметим, что это условие выполняется в некотором диапазоне частот, а в установившемся режиме частота колебаний 
определяется условиями
,
.
При этом максимальная мощность излучения может быть достигнута при
.
Структура пролетного диода запитывается постоянным напряжением, высокочастотные колебания тока выводятся на антенну. К сожалению, пролетная щель в структуре диода (Фиг. 2) из-за очень малой ее ширины, около 100 нм, обладает емкостью, которая на терагерцовых частотах вносит большое изменение в адмиттанс нагрузки, что препятствует выводу мощности колебаний на антенну или в волновод. Важно отметить, что аналогичные трудности имеют место для всех твердотельных структур.
Емкость щели может быть оценена по модели щелевой линии, расчет параметров которой имеется во многих программах электромагнитного моделирования. С помощью таких программ можно расcчитать характеристический импеданс 
и волновое число 
щелевой линии, а ее погонную емкость 
и погонную индуктивность 
можно оценить из следующих равенств, привлекая модель длинной линии:
, 
Оценка емкости щелевой линии шириной 100 нм и длиной 100 мкм дает ~ 0,04 пФ, что на частоте 1 ТГц соответствует импедансу, мнимая часть которого равна 4 Ом. Это должно приводить к сильному шунтированию входного импеданса нагрузки. Для компенсации влияния этой емкости можно подключать индуктивности параллельно емкости щели.
Предлагаемое нами решение данной проблемы заключается в том, что в качестве таких индуктивностей можно использовать уширенные участки щели, при этом рядом с каждым расширенным участком щели расположена шунтирующая емкостная перемычка, соединяющая металлические контакты пролетного диода, как это представлено на Фиг. 3. Шунтирующая емкостная перемычка представляет собой металлическую полоску, соединяющую внахлест металлические контакты пролетного диода над пролетной щелью, при этом один край перемычки лежит непосредственно на одном металлическом контакте диода, а другой край отделен от второго металлического контакта диода слоем диэлектрика, что обеспечивает емкостную природу контакта. Такая структура перемычки вполне осуществима с помощью планарной кремниевой технологии. Шунтирующие емкостные перемычки препятствуют закоротке структуры на постоянном токе и обеспечивают протекание переменного тока, в результате чего участки с увеличенной шириной щели играют роль индуктивных элементов, нагруженных на щель. Расчеты показывают, что для компенсации емкости диодных контактов пролетной щели длиной 30 мкм требуемый размер индуктивного участка составляет 5 мкм х 15 мкм.
Увеличить мощность излучения можно, увеличивая длину пролетной щели, однако при этом вырастет и ее емкость. Кроме того, на частотах 1 ТГц и выше пролетная щель приобретает свойства структуры с распределенными параметрами при длине щели более 50 мкм. Это приводит к тому, что простая схема индуктивной компенсации, показанная на Фиг. 3, становится неэффективной. Проблема может быть решена с помощью предлагаемого нами метода «распределенной индуктивной компенсации», принцип которого изображен на Фиг. 4. Суть этого метода состоит в том, что длинная пролетная щель разбивается на несколько относительно коротких участков, которые имеют свойства сосредоточенных элементов, и производится индуктивная компенсация отдельно каждого элемента. Таким образом, можно достичь распределенной компенсации емкости щели практически любой длины.
Предельная длина прямолинейной щели активной структуры ограничена размерами полупроводниковой подложки, что, в свою очередь, ограничивает мощность излучения терагерцового генератора. Для увеличения мощности генерации предлагается формировать активную структуру в форме меандра или более развитой двухмерной структуры, как это показано на Фиг. 5. Активная структура в форме меандра позволяет увеличить мощность генерации за счет увеличения длины пролетной щели, не выходя при этом за пределы выделенной площади полупроводниковой подложки.
Для анализа условий синхронизации отдельных отрезков активной структуры, емкость которых скомпенсирована индуктивностями, рассмотрим эквивалентную схему, изображенную на Фиг. 6, которая соответствует колебаниям на частоте генерации. На схеме отдельные участки активной структуры обозначены символом ttd, емкости щели - Cs, компенсирующие индуктивности - Lc, емкости шунтирующих емкостных перемычек - C1, а индуктивная связь между Lc-элементами - M. Воспользуемся уравнением Адлера [6] и получим следующее отношение для условия синхронизации отдельных активных структур:
Здесь 
- добротность системы, нагруженной на антенну, и включающую активную структуру, емкость щели и компенсирующие индуктивности; 
- круговая частота генерации; 
- разброс локальных круговых частот генерации отдельных генерирующих элементов относительно центральной частоты . Заметим, что полученное соотношение учитывает связь каждого участка активной структуры с двумя соседними участками. Это соотношение позволяет выбирать оптимальное разделение пролетной щели на отдельные отрезки, содержащие пролетные участки и расширенные участки щели с прилегающими шунтирующими емкостными перемычками, выполняющие роль компенсирующих индуктивностей.
Предложенный пролётный диод для генерации терагерцового излучения с распределенной индуктивной компенсацией емкости обеспечивает хорошее согласование диода с антенной и существенно увеличенную мощность генерации терагерцового излучения.
Источники информации
1. S.S. Dhillon, M.S. Vitiello, E.H. Linfield, E.H. et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 043001 (2017).
2. Fedichkin, L. and V’yurkov, V., Quantum ballistic channel as an ultrahigh frequency generator, Appl. Phys. Lett., 1994, vol. 64, pp. 2535-2536.
3. V. Vyurkov, A. Miakonkikh, A. Rogozhin, M. Rudenko, K. Rudenko, and V. Lukichev. “Barrier-injection transit-time diodes and transistors for terahertz generation and detection”. Proc. SPIE, 11022, pp. 1102202, 2019.
4. V. Vyurkov, I. Semenikhin, K. Rudenko, and V. Lukichev. “Transit-time diodes and transistors with variable injection for generation and detection of THz radiation”. ITM Web of Conferences, EDP Sciences, 30, pp. 08001, 2019.
5. G. Gonzalez, Microwave transistor amplifiers analysis and design. Prentice-Hall, Inc., 1996.
6. R. Adler, A study of locking phenomena in oscillators // Proc. IEEE. 1973. V. 61. № 10. P. 1380.
7. K. Kurokawa, Injection locking of microwave solid-state oscillators // Proc. IEEE. 1973. V. 61. № 10. P. 1386.
8. Razavi, Behzad. "A study of injection locking and pulling in oscillators." IEEE journal of solid-state circuits 39.9 (2004): 1415-1424.
9. М.А. Дунаева, "Связанные генераторы субмиллиметрового диапазона." Радиотехника и электроника, 2015, том 60, № 1, с. 61-71.
10. Arenas, A., Díaz-Guilera, A., Kurths, J., Moreno, Y. and Zhou, C., 2008. Synchronization in complex networks. Physics reports, 469(3), pp.93-153.
1. Пролетный диод с распределенной индуктивной компенсацией емкости для генерации излучения в терагерцовом диапазоне, состоящий из полупроводниковой подложки с двумя областями сильного легирования и нанесенными на них металлическими контактами, между которыми расположена нелегированная пролетная щель, в которую включены участки с увеличенной шириной щели и рядом с каждым расширенным участком щели расположена шунтируюшая емкостная перемычка, соединяющая металлические контакты пролетного диода.
2. Пролетный диод с распределенной индуктивной компенсацией емкости для генерации излучения в терагерцовом диапазоне по п.1, отличаюшийся тем, что пролетная щель выполняется в форме меандра или более развитой двухмерной фигуры, что обеспечивает более эффективное использование площади полупроводниковой подложки и увеличение мощности генерации терагерцового излучения за счет увеличения общей длины пролетной щели.
