WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 9 Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с фононным каналом охлаждения ¶ © Д.В. Морозов, К.В. Смирнов, А.В. Смирнов, В.А. Ляхов, Г.Н. Гольцман Московский педагогический государственный университет, 119992 Москва, Россия (Получена 27 сентября 2004 г. Принята к печати 14 октября 2004 г.) Представлены экспериментальные результаты исследования основных характеристик смесителя миллиметрового/субмиллиметрового диапазонов на эффекте разогрева двумерного электронного газа гетероструктур AlGaAs/GaAs с фононным каналом охлаждения носителей. Полоса преобразования смесителя составила 4 ГГц, внутренние потери преобразования 13 дБ, оптимальная мощность гетеродина 0.5 мкВт (для смесителя площадью 1 мкм2). Показана возможность создания приемника миллиметрового/субмиллиметрового излучения с шумовой температурой 1900 K на базе AlGaAs/GaAs-смесителя, а также перспективность его использования в матричных приемных элементах.

1. Введение электронной подсистемы гетероструктуры при поглощении электромагнитного излучения. Разогрев приводит Наиболее перспективными приемниками излучения к изменению подвижности и сопротивления образца и, диапазона 0.5-6.0 ТГц являются гетеродинные детек- как следствие, возникновению сигнала фотопроводимоторы. В настоящее время они используются при осу- сти Pi f на промежуточной частоте f (intermediate ществлении таких проектов, как HERSHEL, SOFIA, frequency, ПЧ) — разностной частоте излучения от TELIS [1] и др., направленных на создание радиотелегетеродинного источника и исследуемого объекта. Поскопов и спектрометров субмиллиметрового диапазона лоса ПЧ смесителя определяется временем релаксации наземного, баллонного и космического базирования.

температуры неравновесных („горячих“) электронов.

Вместе с тем область возможного использования приВ случае фононного канала охлаждения, при темпераемников терагерцового излучения намного шире — в туре решетки 77 K, эта релаксация происходит путем медицине, пожарной охране, системах навигации, охранпередачи избыточной энергии оптическим фононам реных системах и т. д. Расширению рынка гетеродинных шетки. Если длина образца l удовлетворяет соотношедетекторов препятствует прежде всего необходимость нию l < De-ph, где D — коэффициент диффузии, реализации сложных специальных условий для их рабоe-ph — время электрон-фононного взаимодействия, то ты. Так, имеющие рекордное значение шумовой темпесоздаются условия диффузионного выхода неравновесратуры смесители на основе перехода сверхпроводник– ных носителей в контакты. В условиях нашего экспериизолятор–сверхпроводник (СИС-смесители) [2] и смемента исследовалась скорость электрон-фононного взаисители на основе эффекта электронного разогрева в модействия. Основываясь на результатах исследования тонкой пленке сверхпроводника (НЕВ-смесители) [3] электрон-фононного взаимодействия в AlGaAs/GaAsнуждаются в охлаждении до температур 4.2K и ниже, гетероструктурах [7,8], авторы [5,6] показали, что полоса что значительно усложняет работу с ними. Шумовая преобразования AlGaAs/GaAs-смесителя, работающего температура широко известных смесителей на оснопри температуре T = 77 K, составит 3 ГГц при фове диодов Шоттки, работающих даже при комнатной тонном канале охлаждения горячих электронов. Автотемпературе, значительно возрастает на частотах боры [9] продемонстрировали смеситель на AlGaAs/GaAsлее 1 ТГц [4]. Кроме того, смесители на диоде Шоттгетероструктурах с баллистическим охлаждением ноки требуют значительной ( 1мВт) мощности гетеросителей, имеющий полосу преобразования сигнала до динного источника, что делает невозможным создание 40 ГГц. Теоретическая оценка шумовой температуна их основе матричных приемных элементов, несоры приемника на основе AlGaAs/GaAs-смесителя дамненно, значительно расширяющих область использовала значения Tn 1500-2000 K на частоте гетеродиния смесителей миллиметрового и субмиллиметрового на 1 ТГц [8], сравнимые с лучшими характеристика(ММ–СММ) диапазонов.

ми сверхпроводниковых смесителей. Оценка такого паНовый тип смесителя ММ–СММ диапазона на эфраметра, как оптимальная мощность гетеродина для фекте разогрева двумерного электронного газа в поAlGaAs/GaAs-смесителя, проведенная авторами [8], позлупроводниковых гетероструктурах AlGaAs/GaAs был волила найти значение Pget 1 мкВт при субмикронпредложен в [5,6]. Механизм работы субмиллиметных размерах смесителя, что дает возможным создание рового AlGaAs/GaAs-смесителя основан на разогреве смесителей матричных приемных секций на основе ¶ E-mail: cleviy@mail.ru AlGaAs/GaAs.

1118 Д.В. Морозов, К.В. Смирнов, А.В. Смирнов, В.А. Ляхов, Г.Н. Гольцман Цель настоящей работы состояла в эксперимен- при помощи отрезка полужесткой коаксиальной линии тальном исследовании основных параметров смесите- и подавался на неохлаждаемые широкополосные усилиля на основе разогрева двумерного электронного газа тели диапазона 0.1-10 ГГц с коэффициентом усиления в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с фононным каналом 50 дБ. Усиленный сигнал регистрировался термисторохлаждения носителей: потерь преобразования, полосы ным измерителем мощности.

преобразования, оптимальной мощности гетеродинного Полоса ПЧ смесителя определялась из частотной источника.

зависимости величины сигнала смесителя Pi f (при фиксированной мощности как сигнального источника, так и гетеродинного) и в соответствии 2. Исследуемые структуры с [10]: Pi f ( f )/Pi f (0) =1/ 1 +( f / f )2, где 3dB f — частота, на которой сигнал уменьшается 3dB Структуры были изготовлены на основе одиночного в 2 раза. На рис. 3 приведена измеренная нами при гетероперехода AlxGa1-x As/GaAs, выращенного метоT = 77 K частотная зависимость Pi f для смесителя дом молекулярно-лучевой эпитаксии. Молярная доля Al AlGaAs/GaAs (структура 5) с концентрацией двумерв соединении Alx Ga1-xAs составила x = 0.28-0.3. Схематическое изображение структуры представлено на рис. 1. Для улучшения омического контакта к двумерному электронному газу был использован сильно легированный слой GaAs (концентрация легирующей примеси 1 · 1018 см-3) толщиной 50 нм. Структуры были изготовлены по стандартной технологии с последовательным использованием методов: жидкостного химического травления меза-структуры, „взрывной“ фотолитографии при формировании контактной металлизации, термического напыления сплава AuGe с последующим отжигом при температуре 400C в атмосфере инертного газа, удаления верхнего шунтирующего слоя GaAs.

Типичные контактные сопротивления структур составили 10-3 Ом/см2. Подвижность µ и поверхностная концентрация электронов ns были найдены из измереРис. 1. Схематическое изображение исследуемой гетерострукний осцилляций Шубникова–де-Гааза и пересчитаны для туры AlGaAs/GaAs.

температуры T = 77 K. Полученные значения µ и ns, а также длина l и ширина структуры W представлены в таблице.

Структура µ77 K, см2/Вс ns,77 K, см-2 l, мкм W, мкм 15 2.4 · 104 2.5 · 1011 35 5 1.1 · 105 3.5 · 1011 190 1 2.3 · 105 3 · 1011 1600 760 7.7 · 104 7.5 · 1011 1000 3. Полоса преобразования AlGaAs/GaAs-смесителя Экспериментальная установка для измерения полосы преобразования смесителя изображена на рис. 2. Излучение сигнального генератора с частотой 129.2 ГГц и гетеродина, частота которого изменялась в диапазоне 129.2-139.2 ГГц, подводилось к смесителю по квазиоптическому тракту, содержащему делитель луча.

Мощность гетеродина на 7 дБ превышала мощность сигнального генератора. Постоянный ток смещения подавался на смеситель посредством охлаждаемого широРис. 2. Установка для измерения полосы преобразования кополосного адаптера смещения. Сигнал ПЧ снимался AlGaAs/GaAs.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерного электронного газа... для смесителей с различной подвижностью при разной степени разогрева двумерного электронного газа;

в случае смесителя с низкой подвижностью требуется значительно большая поглощенная мощность.

Отметим, что при выборе рабочей точки смесителя, определяемой необходимостью согласования сопротивления структуры с сопротивлением тракта промежуточной частоты и постоянством мощности гетеродинного источника, потери преобразования зависят только от коэффициента K. Последний в свою очередь, с учетом постоянства концентрации двумерных электронов в области исследуемых электронных температур, определяется температурной зависимостью подвижности носитеРис. 3. Зависимость мощности выходного сигнала от проме- лей. В области температур 77 K релаксация импульса жуточной частоты для структуры 6 (по отношению к 1 мВт). горячих электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs возможна либо из-за рассеяния на остаточных примесях в GaAs, либо на полярных оптических фононах. Это демонстрируют полученные нами зависимости µ от ных электронов ns = 3.5 · 1011 см-2 и подвижностью температуры T в интервале 4.2-200 K для структур 1, µ = 1.1 · 105 см2/В · с. Полоса промежуточных частот и 15 (рис. 5). На рисунке также представлена теоретичесоставила 4 ГГц, соответствующее время электронская расчетная зависимость µ(T ) [11] для гетерострукфононного взаимодействия e-ph = 0.04 нс.

туры AlGaAs/GaAs в случае рассеяния двумерных электронов на оптических фононах. Приведенные на рис. 4. Потери преобразования зависимости показывают, что переход к доминированию оптического рассеяния для структур AlGaAs/GaAs с AlGaAs/GaAs-смесителя большей подвижностью двумерного электронного газа Коэффициент потерь преобразования смесителя происходит при более низких температурах, чем для структур с меньшей подвижностью. Следовательно, для L = 10 lg(Pin/Pi f ), где Pin — поглощенная мощность сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, был выхода на максимально возможное значение µ/T найден нами с использованием метода изотерм [10], (и минимальное L), определяемое оптическим рассеянием, образцам с высоким µ потребуется меньшая мощпредполагающего эквивалентность разогрева двумерных электронов СВЧ излучением и постоянным ность гетеродинного источника Pget. Этим полностью током смещения. В этом случае и при условии подтверждаются представленные выше зависимости для образцов с разными значениями подвижности двумерполного смесителя с трактом ПЧ согласования ных электронов.

L = 10 · lg 8(Rop/KP0)2, где Rop — сопротивление образца в рабочей точке (operating point), P0 —полная Оценки шумовой температуры приемника на основе AlGaAs/GaAs-смесителя были проведены на основе наймощность, поглощаемая смесителем в рабочей точке, K =(dR/dP)P=P [10]. В оптимальной рабочей точке смесителя, согласно [10], 0.5 · P0 = Pget = Pbi, где Pget и Pbi — поглощенные смесителем мощности гетеродина и постоянного тока смещения соответственно.

Параметры Rop, P0, K находились из вольт-амперных характеристик смесителей.

Полученная нами зависимость коэффициента потерь преобразования AlGaAs/GaAs-смесителя при T = 77 K для структуры 1 (µ = 2.3 · 105 см2/В · с) и структуры 760 (µ = 7.7 · 104 см2/В · с) от поглощенной смесителем мощности, приходящейся на один электрон, представлена на рис. 4. Из графика видно, что лучшее значение коэффициента потерь преобразования для обеих структур реализуется в области большой поглощенной мощности или области сильного электронного разогрева. Минимальное значение потерь преобразования Рис. 4. Коэффициент потерь преобразования структур L = 13 дБ соответствует смесителю с большей подвижи 760 при T = 77 K в зависимости от полной поглощенной ностью двумерного электронного газа. Представленная мощности, приходящейся на электрон. Номер структуры и зависимость также свидетельствует, что одинаковое зна- значения подвижности, см2/В · с: 1 —1, µ = 2.3 · 105, 2 — 760, чение коэффициента потерь преобразования реализуется µ = 7.7 · 104.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1120 Д.В. Морозов, К.В. Смирнов, А.В. Смирнов, В.А. Ляхов, Г.Н. Гольцман 5. Оптимальная мощность гетеродина для AlGaAs/GaAs-смесителя При оценке оптимальной мощности гетеродина, необходимой для работы смесителя на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs, найденные коэффициенты потерь преобразования для структур с различными значениями подвижности двумерного электронного газа удобно представить в виде зависимости от активной площади смесителя. На рис. 6 представлена зависимость L от полной поглощенной мощности, приходящейся на 1 мкм2 для структур 1 и 760. Она показывает, что для структуры 1 с меньшей концентрацией и большей подвижностью двумерного электронного газа величина коэффициента потерь преобразования выходит практически на постоянное значение 13 дБ при поглощенной мощности более 0.2 мкВт/мкм2. Для структуры 760 выход зависимости L(P0) на постоянное значение значительно смещен в область существенно больших поглощенных мощностей. С учетом измерений оптических потерь в приемнике субмиллиметрового диапазона на основе гетеродинного смесителя [14], необходимая мощность гетеродинного источника для AlGaAs/GaAs-смесителя площадью 1 мкм2 состаРис. 5. Температурная зависимость подвижности для исследувит 0.5 мкВт. При создании структур субмикронных емых структур 1, 5, 15: 1 — 15, 2 —5, 3 —1, 4 —расчет.

планарных размеров с использованием AlGaAs/GaAsгетероперехода с большей подвижностью и меньшей концентрацией двумерных электронов указанное знаденного коэффициента потерь преобразования. Двухпочение оптимальной поглощенной мощности может лосная шумовая температура приемника получается из быть дополнительно понижено. Это делает перспекстандартного выражения [12]:

тивным создание субмиллиметровых многоэлементных матричных приемных систем на основе AlGaAs/GaAsTn = Lsing/2(Tout + Ti f ), (1) смесителей.

где Lsing — полные потери однополосного смесителя, Ti f — шумовая температура усилителя ПЧ, Tout —шумовая температура на выходе смесителя. Согласно [12], Tout имеет два основных вклада: шум температурных флуктуаций Tf l и шум Джонсона TJ. Как показано в [13], шум температурных флуктуаций в смесителе на основе AlGaAs/GaAs-гетероструктуры Tf l 70 K, а TJ в первом приближении равняется электронной температуре (в нашем случае 100 K). Следовательно, Tout 170 K.

Обычная величина для Ti f 20 K при T = 77 K. Полные потери смесителя будут складываться из потерь преобразования чувствительного элемента (найденное нами L 13 дБ) и потерь по высокочастотному тракту и тракту промежуточной частоты, составляющих 7дБ в современных приемниках на частотах 1ТГц [14].

Полученная с использованием соотношения (1) шумовая температура AlGaAs/GaAs-смесителя составляет 1900 K. Данная величина говорит о перспективности Рис. 6. Зависимость коэффициента потерь преобразования дальнейших работ по исследованию одной из основных AlGaAs/GaAs-смесителя при T = 77 K для структур 1 и характеристик смесителя — шумовой температуры и о от полной поглощенной мощности, приходящейся на 1 мкм2.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.