RU2503091C1 - Structure for generating sub-terahertz and terahertz range electromagnetic radiation - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: heterojunction structure according to the invention is a plurality of alternating pairs of narrow-bandgap (GaAs or GaN) and wide-bandgap (respectively, Ga_1-x Al_x As or Ga_1-xAl_xN) semiconductor layers. The thickness of the alternating narrow-bandgap and wide-bandgap layers is selected to be identical in the 30…100 nm range; the narrow-bandgap GaAs and GaN layers of the multilayer heterostructure are doped with donors to concentration of 5·10¹⁷…1·10¹⁸ cm^-3 and the wide-bandgap Ga_1-xAl_xAs and Ga_1-xAl_xN layers are not doped; the number of periods of pairs of alternating GaAs and Ga_1-x Al_x As (and, respectively, GaN and Ga_1-xAl_xN) layers of the multilayer heterostructure is selected from three to several tens; the molar ratio of aluminium arsenide for all gallium arsenide - aluminium arsenide layers is selected in the range of 0.20…0.35, and the molar ratio of aluminium nitride for all gallium nitride - aluminium nitride layers is selected in the range of 0.35…0.65; wherein in the Ga_1-x Al_x As (for the GaAs-AlAs system) layer and in the Ga_1-xAl_xN (for the GaN-AIN system) layer from the pair furthest from the substrate, the molar ratio of aluminium arsenide (respectively, aluminium nitride) is low and is about 0.7·X, and the layer itself is coated with a thicker (not more than 150 nm) doped GaAs (respectively, GaN) layer. A version of the disclosed structure can be a structure in which in a layer of a solid solution from the pair closest to the substrate, the molar ratio of aluminium arsenide (respectively, aluminium nitride) is (0.65…0.75)·X.

EFFECT: significant increase in power of solid-state sub-terahertz and terahertz radiation generators.

2 cl, 2 dwg

Description

Структура для генерации электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового частотного диапазонаStructure for generating electromagnetic radiation of the sub-terahertz and terahertz frequency range

Данное изобретение найдет применение в качестве приборных структур для компактных и мощных импульсных генераторов, детекторов и смесителей субтерагерцового и терагерцового диапазона частот.This invention will find application as instrument structures for compact and powerful pulse generators, detectors and mixers of the sub-terahertz and terahertz frequency ranges.

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).A known heterostructure for a resonant tunneling diode (RTD) that implements the "quantum" mode of generation and amplification of electromagnetic waves in the sub-terahertz and terahertz frequency range / 1 /. Such a regime should manifest itself away from the region of negative differential conductivity of the I – V characteristic and only at frequencies corresponding to the condition ħω> Δ, where Δ is the quantum width of the resonance level. The disadvantages of such a structure and device (RTD) based on it are both extremely stringent conditions for the implementation of the specified "quantum" mode, and output powers that are quite low for many applications (maximum achievable calculated power values do not exceed 10 mW).

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/.As a prototype of the structure of the sub terahertz range claimed in the present invention, we select a multilayer structure for resonant tunneling heterojunction diodes based on GaAs-AlAs solid solutions, which makes it possible to realize the frequencies of the sub terahertz frequency range / 2 /. However, even this solution is not able to provide an output power exceeding 100 μW at the indicated frequencies to the generator (for generators based on resonant tunneling structures, the power decreases with a frequency of 1 / ω ⁴ ) / 2 /.

Задача изобретения - существенное увеличение мощности твердотельных генераторов субтерагерцового и терагерцового диапазона частот излучения.The objective of the invention is a significant increase in the power of solid-state generators of the sub-terahertz and terahertz range of radiation frequencies.

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.This is achieved by the fact that in a multilayer heterojunction structure consisting of a gallium arsenide substrate and alternating GaAs and GaAlAs layers located on it, it is proposed: the thicknesses of alternating layers are chosen the same and lie in the range of 30 ... 100 nm, GaAs layers are doped with donors to concentrations of 5 10 ¹⁷ ... 1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 and the Ga _1-x Al _x As layers are not doped, the number of periods of pairs of alternating GaAs and Ga _1-x Al _x As layers of the heterostructure is selected from three to several tens, the molar fraction X is selected from the range 0.20 ... 0.35, layer Ga _1-x Al _x As of the pair most distant minutes from a substrate coated with doped GaAs layer of a thickness of not less than 150 nm, and the molar fraction X in the layer of Ga _1-x Al _x As of the pair most remote from the substrate, or the pair closest to it is lowered and the value of (0.65 ... 0, 75) X.

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:The structure according to claim 2 of the Formula is proposed to be performed on the basis of pairs of alternating semiconductor narrow-gap GaN and wide-gap Ga _1-x Al _x N layers, characterized in that their thicknesses are selected in the range of 30 ... 100 μm, the mole fraction X in the Ga _1-x Al layers _x N is selected from the range 0.35 ... 0.55, GaN layers are doped with donors to concentrations of 5 · 10 ¹⁷ ... 1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 and Ga _1-x Al _x N layers are not doped, the number of periods of pairs of alternating GaAs and Ga _1-x Al _x N layers of the heterostructure is selected from three to several tens, the Ga _1-x Al _x As layer, from the pair farthest from the substrate, is coated with doped GaAs layer with a thickness of at least 150 nm, and the molar fraction X in the Ga _1-x Al _x N layer from the pair farthest from the substrate, or the pair closest to it, is reduced and is (0.65 ... 0.75) · X, while the substrate is sapphire or silicon carbide. A positive effect in the heterostructures claimed for in claims 1 and 2 for generators of the sub-terahertz and terahertz frequency ranges is achieved due to the implementation of thermal-injection instability in them, which results in bistability or, what is the same, S-shape of static current-voltage characteristics (CVC). The proof of this is the analysis of changes in the nature of the spatial dependences of the potential, carrier concentration and electron temperature in the considered multilayer structure with a change in the applied voltage / 3, 4 /, performed by us using mathematical modeling methods. Determined that:

- в области сравнительно малых и промежуточных значений тока большая часть приложенного напряжения парциально падает на слаболегированных слоях широкозонного материала;- in the region of relatively small and intermediate current values, most of the applied voltage partially drops on the lightly doped layers of wide-gap material;

- 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;- the main mechanism of electrical conductivity in the proposed structure is the thermal injection of electrons from high-alloy narrow-gap layers into wide-gap non-alloyed layers, determined by both the electron temperature at heterobarriers and the electric field in wide-gap layers;

- 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.- in the process of high-field electron drift in wide-gap layers due to Joule heating, the electron temperature flow increases, which enters the subsequent narrow-gap layer, where the electrons are partially cooled, but a certain part of the excess heat flux reaches the next heterointerface, thereby stimulating the thermal injection of electrons into the next wide-gap layer, which causes a certain decrease in the potential falling on it.

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.The simulation results also indicate a specific feature of the electric heating process in the first (connected to the negative pole of the power source) unit cell of the proposed multi-barrier structure. At the first heteroboundary, the electron temperature (corresponding to thermodynamic equilibrium) is minimal and, therefore, this heteroboundary is distinguished by a reduced thermal injection at the same heterobarrier height as in subsequent unit cells. This reduced injection ability is compensated by an increased potential drop on the first wide-gap layer and, accordingly, an increased electric heating of electrons in it. Such strongly heated electrons overcome the subsequent heterobarriers almost unhindered, which determines the corresponding transition of the structure to a strongly current state through a section with a rather small but positive differential resistance. Therefore, to ensure an S-shaped I – V characteristic with a negative differential resistance region, lower values of the height of the first energy barrier are used.

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.Calculations show that, due to the difference between the characteristic times of the thermal injection (heating) of electrons in wide-gap GaAlAs layers and the cooling of electrons in doped narrow-gap GaAs layers of the heterodiode structure cell, the bistable I – V characteristic of the heterodiodes is realized. Moreover, in the case of operation in pulsed mode (trains with a duration of up to 10 ms with a duty cycle of ≥10 ms), the limiting generation frequencies can reach many hundreds of gigahertz (0.6 ... 0.8 THz), at currents of ~ 100 mA, and output power reaching ~ 0.2 ... 0.5 W / cell with an area of 20 × 20 μm ² . By dialing a set of parallel-connected heterodiode cells of a specified area, it is possible to construct pulse generators with characteristic frequencies lying in the region of 0.5 ... 0.8 GHz and with a total power of 0.5 to 2.0 watts.

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.The inventive structure according to claim 2 of the formula allows to increase the duration of the train and power due to a significant increase in the thermal conductivity of the material of the multilayer heterostructure and substrate, and the quality factor of the devices. The basis for positive expectations is a greater difference in peak-valley currents on the I – V characteristics of a resonant tunneling diode based on the GaN / Ga _1-x AlyN heterostructure. Due to this, the field of applications of generators and circuits based on them is significantly expanded and the integration of generator cells into control circuits and electronic radio devices is simplified.

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 $$\stackrel{0}{A}$$

.Figure 1 shows the multilayer structure according to claim 1, where: 1-GaAs substrate, 2-GaAs: Si 10 ¹⁸ cm ^-3, thickness 7000 $$\stackrel{0}{A}$$

, 3-Al _x Ga _1-x As x = 0.4 unalloyed, 450 thick $$\stackrel{0}{A}$$

, 4-GaAs: Si 10 ¹⁸ cm ^-3 thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 5-Al _x Ga _1-x As x = 0.4 undoped, thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

6-GaAs: Si 10 ¹⁸ cm ^-3 450 thick $$\stackrel{0}{A}$$

, 7- Al _x Ga _1-x As x = 0.4 undoped, thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 8-GaAs-Si 10 ¹⁸ cm ^-3 thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 9-Al _x Ga _1-x As x = 0.4 unalloyed, thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 10-GaAs: Si 10 ¹⁸ cm ^-3 thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 11-Al _x Ga _1-x As x = 0.4 undoped, thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 12-GaAs: Si 10 ¹⁸ cm ^-3 thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 13-Al _x Ga _1-x As x = 0.4 undoped, thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 14-GaAs: Si 10 ¹⁸ cm ^-3 thickness 450, $$\stackrel{0}{A}$$

15-Al _x Ga _1-x As x = 0.4 unalloyed, thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 16-GaAs: Si 10 ¹⁸ cm ^-3 thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 17- _AlxGa1-x As x = 0.4 unalloyed, thickness 450 $$\stackrel{0}{A}$$

, 18-GaAs: Si 10 ¹⁸ cm ^-3 1,500 thick $$\stackrel{0}{A}$$

.

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.For the indicated heterostructure, theoretical calculations of the static I – V characteristics were performed and estimates of the dynamic characteristics of generators based on it were obtained. Figure 2 presents the experimentally measured static IV characteristics of the generator cells made using microelectronic technologies based on a multilayer heterostructure.

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.As calculations showed, the concentration of donors in GaAs layers can vary depending on the task in the range of 5 · 10 ¹⁷ ... 10 ¹⁸ cm ^-3 , with changes in the thicknesses of GaAs and GaAlAs layers in the range of 30 ... 100 nm. At concentrations lower than the lower boundary of the range, the thicknesses of the space charge regions (SCR) arising in GaAs due to the presence of heteroboundaries will become commensurate with the thicknesses of the GaAs layers, which dramatically changes the transport mechanism in the multilayer structure. At concentrations higher than 10 ¹⁸ cm ^-3 , the electron mobility sharply (becomes less than 1500 cm ² / Vc) in narrow-gap GaAs layers due to increased scattering by the dopant and structural defects. In addition, there is a “germination" of structural defects in wide-gap Ga _1-x Al _x As layers, which contributes to the development of sub-barrier transport mechanisms (hopping thermally activated conductivity along localized states). All this negatively affects the ratio of the heating time and relaxation of the temperature of the electron gas. determining the possibility of the formation of an S-shape on the I – V characteristic and characteristic generation frequencies. As a substrate, either a substrate of gallium arsenide heavily doped with donors or a semi-insulating gallium arsenide substrate with a GaAlAs layer between it and the closest wide-gap GaAlAs layer, strongly doped with (5 · 10 ¹⁷ ... 10 ¹⁸ cm ^-3 ) layer of gallium arsenide with a thickness of 0, can be used as a substrate 4 ... 1.0 microns.

Заявляемая гетероструктура изготавливается следующим образом (пример).The inventive heterostructure is made as follows (example).

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).On a semiconductor substrate of n type conductivity, epitaxially grown sequentially are: narrow-gap highly doped (up to 10 ¹⁸ cm ^-3 ) GaAs layer, wide-gap undoped Gay Ali.y As layer (molar fraction is selected in the range у = 0.27 ... 0.35), narrow-gap doped (5 · 10 ¹⁷ ... 10 ¹⁸ cm ^-3 ) GaAs donor layer - ((3 ... 20 periods of alternating pairs of the indicated wide-gap and narrow-gap layers), wide-gap unalloyed layer Gax Al _1-x As (the molar fraction in the range x = 0.18 ... 0.20) and a heavily doped narrow bandgap donors (up to 10 ¹⁸ cm ^-3) layer GaAs (layer may be s doped with, for example, germanium, silicon, tin).

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.In the manufacture of the generator on the specified heterostructure, the following technological procedures are performed. On the back side of the heavily doped nGaAs substrate, an ohmic contact is formed. On the grown heterostructure using lithographic methods (electron lithography, photolithography, or nanoimprinting depending on the chosen mesic geometry), heterodiode cells are formed in the form of mesastructures with a height of a larger total thickness of the layers of the multilayer epitaxial heterostructure and heterostructure heterostructure area in the range of 20 × 20 ... 50 × 50 μm ² . The surface of the structure is passivated (covered) by the dielectric and planarized, and in the dielectric, windows are opened through lithography to the heavily doped nGaAs layer of the upper plane of the above mesa. Then, in the window opened in the dielectric, an ohmic contact is formed to the mesa surface (for example, using the Ge / Ni / Au system). Depending on the required parameters of the generator, galvanic bonds between one or another number of heterodiode cells (mes) are organized using conducting lamellas and contact pads are formed.

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.The structure under paragraph 2 is a particular decision of claim 1. It allows you to further increase the ultimate power of the generator on a multilayer heterostructure of the claimed type. Indeed, in the structure according to claim 2, the said layers of the multilayer heterostructure are based on solid solutions of materials of the GaN-AlN system from pairs of alternating doped nGaN and undoped Ga _1-x Al _x N epitaxial layers; In this case, for technological and power reasons, the substrate may be sapphire or silicon carbide. Due to the commonality of the physical processes occurring in these types of heterostructures, remaining within the framework of the multilayer structure architecture proposed in Clause 1, one can thus increase the selected (output) power due to the significantly better thermal conductivity of GaN-AlN solid solutions and substrates than GaAs from SiC, or sapphire.

ЛитератураLiterature

1. Елесин В.Ф. // ЖЭТФ, 1999. T.116, №2. C.704; ЖЭТФ, 2005. Т.127,№1. С.131.1. Elesin V.F. // JETP, 1999. V.116, No. 2. C.704; ZHETF, 2005. V.127, No. 1. S.131.

2. Sollner T.C., Goodhue W.D. et al: // Appl.Phys.Lett. 1983, V.43(6). P.5882. 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.325-330.3. Gergel V. A., Zeleny A. P., Yakupov M. N. The study of the bistability effect of the current characteristics of nanoscale multilayer heavily doped heterostructures using mathematical modeling methods // Physics and Technology of Semiconductors, 2007, Volume 41, No. 3, pp. 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.1-4.4. Gergel V. A., Yakupov M. N., Verkhovtseva A. V., Gorshkova N. M. The mechanism of electrical instability in multibarrier heterostructures. Features of high-frequency impedance. // Radio engineering and electronics, 2012, volume 57, No. 4, pp. 1-4.

Claims (2)

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.1. The structure for generating electromagnetic radiation of the sub-terahertz and terahertz frequency ranges, consisting of a gallium arsenide substrate and alternating layers of GaAs and Ga _1-x Al _x As located on it, characterized in that the thicknesses of the alternating layers are chosen the same and lie in the range 30 ... 100 nm, GaAs layers are doped with donors to concentrations of 5 · 10 ¹⁷ ... 1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , and Ga _1-x Al _x As layers are not doped, the number of periods of pairs of alternating layers of GaAs and Ga _1-x Al _x As heterostructures is selected from three to several tens, the mole fraction of X is selected from Range 0.20 ... 0.35, the layer of Ga _1-x Al _x As of a pair of doped GaAs layer thickness is coated farthest from the substrate is not less than 150 nm, and the molar fraction X in the layer of Ga _1-x Al _x As of a pair the most distant from the substrate, or the pair closest to it, is reduced and is the value (0.65 ... 0.75) · X. 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. 2. The structure for generating electromagnetic radiation of the sub-terahertz and terahertz frequency ranges, consisting of a substrate and alternating semiconductor narrow-gap and wide-gap layers located on it, characterized in that the thicknesses of the pairs of alternating layers of GaN and Ga _1-x Al _x N are selected in the range of 30 ... 100 μm , the molar fraction of X in the Ga _1-x Al _x N layers is selected from the range 0.35 ... 0.55, the GaN layers are doped with donors to concentrations of 5 · 10 ¹⁷ ... 1 · 10 ¹⁸ cm ^-3 , and the Ga _1-x Al layers _x N not doped, the number of periods of pairs alternating GaAs and Ga _1-x Al _x N heterostructure layers is selected from three to several tens, the Ga _1-x Al _x As layer from the pair farthest from the substrate is coated with a GaAs doped layer with a thickness of at least 150 nm, and the molar fraction X in the Ga _1-x Al _x N layer from the pair, the farthest from the substrate, or the pair closest to it, is reduced and amounts to (0.65 ... 0.75) · X, while the substrate is sapphire or silicon carbide.

Images