WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 1 Генерация в двухбарьерной резонансно-туннельной структуре, стабилизированная микрополосковым резонатором © А.А. Белоушкин, Ю.А. Ефимов, А.С. Игнатьев, А.Л. Карузский, В.Н. Мурзин, А.В. Пересторонин, Г.К. Расулова, А.М. Цховребов, Е.Г. Чижевский Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, 117924 Москва, Россия (Получена 21 августа 1995 г. Принята к печати 11 августа 1997 г.) Впервые исследована генерация в двухбарьерной резонансно-туннельной структуре на основе гетеропереходов GaAs/AlAs, стабилизированная микрополосковым резонатором. Изготовленные структуры содержат приконтактные слои (спейсеры), препятствующие проникновению примесей в активную часть структуры и улучшающие временные характеристики системы. Микрополосковые контакты из сплава AuNiGe, связыва ющие структуру с внешней высокочастотной цепью, изготовлены в планарном исполнении, позволяющем минимизировать время задержки RC в области отрицательной дифференциальной проводимости благодаря уменьшению последовательного сопротивления и емкости структуры. Обнаружено сложное поведение отрицательной дифференциальной проводимости, обусловленное влиянием пространственного заряда в структурах со слоями-спейсерами.

Введение Технология изготовления двухбарьерных резонансно-туннельных Недавние теоретические и экспериментальные исструктур и техника эксперимента следования отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП) двухбарьерных резонансно-туннельных Исследованные структуры изготавливались методом структур (ДБРТС) показали, что характерные времена молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием репереноса заряда в таких структурах очень малы (мезультатов компьютерного моделирования. Структура изнее 100 фс) [1,2]. Еще более перспективными в этом готавливалась на полуизолирующей подложке GaAs и соотношении представляются асимметричные структуры, держала: 1000 нм n+-AlGaAs, легированного Si до уровня состоящие из двух и более квантовых ям [3–6], благо1018 см-3; 14 нм нелегированного GaAs, 4.5 нм AlAs, даря резкому уменьшению прозрачности барьеров при 4нм GaAs, 4.5нм AlAs, 7нм нелегированного GaAs, нарушении резонансных условий для уровней энергии 10 нм n--GaAs, легированного Si до уровня 5 · 1017 см-3;

в квантовых ямах. Сочетание микрополосковой техники 500 нм n+-GaAs, легированного Si до уровня 3·1018 см-3.

с нелинейными устройствами миллиметрового и субМеза-структуры диаметром 0.014 или 0.028 мм и планармиллиметрового диапазонов на основе таких структур ные коллекторные контактные площадки формировались обещает прогресс в продвижении частоты генерации в фотолитографическим методом на нижнем n+-слое, с область терагерцовых частот.

последующим вытравливанием. Для формирования омиОтношение пикового тока к току в долине на участке ческих контактов использовалась изоляция из SiO2 и ОДП вольт-амперной характеристики (ВАХ) является металлический сплав AuGeNi. Планарные квадратные показателем качества ДБРТС и сильно зависит от степе(0.050.05 мм2) эмиттерные и коллекторные омические ни рассеяния носителей тока на ионизованных примесях.

контакты из этого сплава образовывали отрезки микроС целью увеличения этого отношения нелегированные полосковых линий с диэлектриком SiO2, связывающих разделяющие слои (спейсеры) помещаются в структуру ДБРТС с внешней сверхвысокочастотной (СВЧ) цепью.

между сильно легированными электродами и туннельныДля использования в СВЧ эксперименте пластина, ми барьерами, что предотвращает проникновение прина которой изготавливались ДБРТС, раскалывались на месей в активную часть структуры во время процескристаллы размером 0.25 0.25 0.1мм3. Кристалл с са эпитаксиального роста [7–11]. Введение спейсеров содержащейся на нем меза-структурой монтировался в уменьшает примесное рассеяние и улучшает частотные микрополосковую плату держателя, связанную в свою характеристики ДБРТС. Как показано в данной работе, очередь с микрополосковым резонатором. В качестве присутствие таких слоев приводит к особенностям как диэлектрической подложки в микрополосковой плате в ВАХ, так и в высокочастотном поведении ДБРТС, держателя использовался оксид алюминия. Микропоопределяемым изгибом зон, а также возникновением лосковая линия на кристалле GaAs соединялась с позоквазисвязанных уровней в области спейсера вблизи лоченной микрополосковой линией на плате держателя сильно легированного электрода [9,11] и накоплением с помощью припаивания золотыми проволочками. Для пространственного заряда в квантовой яме и в области изучения генерационных процессов микрополосковый спейсера. Эти эффекты сопровождаются возникновением бистабильности и гистерезиса в статических и дина- держатель со структурой был смонтирован в микромических характеристиках системы [9,10,12], а также полосковом резонаторе с целью выполнения СВЧ изособенностями в нелинейных свойствах ДБРТС. мерений с помощью анализатора спектра в диапазоне Генерация в двухбарьерной резонансно-туннельной структуре, стабилизированная... 0.01 40 ГГц, либо для измерения частоты с помощью частотомера. Резонатор представлял собой четвертьволновой отрезок (с одним открытым и другим закороченным концом) микрополосковой линии шириной 2 мм и длиной 200 мм, связанный через резистивный делитель с внешней коаксиальной линией. Он был изготовлен методом вытравливания из Cu на одной стороне плоской диэлектрической подложки толщиной 1.5 мм с двусторонней металлизацией. Металлизированный слой на другой стороне подложки выполнял роль 2-го заземленного плоского проводника микрополосковой линии. Подложка Рис. 1. Вольт-амперная характеристика двухбарьерной представляла собой прямоугольник из стеклотекстолита резонансно-туннельной структуры диаметром 0.028 мм при 77 K (a). Штриховой линией показана область гистерезиса, в длиной 200 мм и шириной 30 мм с диэлектрической которой наблюдается токовая нестабильность. Частота генерапроницаемостью, равной 2. Частота основной гармоники ции F в зависимости от напряжения смещения U, подаваемого резонатора равнялась 0.29 ГГц. Напряжение смещения на на структуру при T = 77 K (b). Стрелками обозначены знаДБРТС подводилось через резистивный делитель к его чения U, при которых происходит возбуждение () и срыв () коллекторному контакту. Эмиттерный контакт структугенерации, светлые кружки соответствуют неустойчивым соры подсоединялся к полосковому проводнику резонатора стояниям.

в точке, расположенной на расстоянии 70 мм от короткозамкнутого конца резонатора. СВЧ характеристики этой микрополосковой цепи, используемой для стабиИзмерения производились при 77 K. Выходная мощность лизации колебаний ДБРТС в диапазоне частот порядка в этом случае была в несколько раз меньше выходной 1 ГГц, предварительно исследовались с помощью сериймощности, наблюдаемой в случае туннельного диода ного туннельного диода на p-n-переходе типа 3И101В, на p-n-переходе. В частотном поведении структуры который монтировался в микрополосковом резонаторе наблюдался динамический гистерезис. Генерация вознивместо ДБРТС. При использовании туннельного диода кала в районе критического значения 0.85 В как при была получена генерация с выходной мощностью порядповышении, так и при понижении напряжения. После ка десятков микроватт на частоте 0.58 ГГц, что соотвозникновения устойчивая генерация затем наблюдалась ветствует полуволновой резонансной моде резонатора.

при варьировании напряжения смещения в интервале Наблюдались также четвертьволновые и одноволновые 0.78 В < V < 1.0 В. При этом частота генерации изгармоники с частотами 0.29 и 1.1 ГГц соответственно, менялась, как показано на рис. 1 (зависимость b), и срыв выходная мощность которых была на 2 порядка ниже.

генерации происходил в крайних точках этого интервала.

Отчетливая корреляция между характерными точками Статические характеристики кривой динамического гистерезиса самовозбуждения генерации и статической ВАХ позволяет высказать предпоСтатическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) ложение о наличии внутренней бистабильности структуДБРТС показана на рис. 1 (линия a). Отношение ры, обусловленной пространственным перераспределепикового тока к току долины составляло 4.3 при темпением заряда. Заметим, что в случае туннельного диода на ратуре 77 K (при комнатной температуре эта величина p-n-переходе динамический гистерезис не наблюдался.

была немного меньше [9,10]), а пиковая плотность тока Величина динамического сопротивления в области равнялась 2.2·104 А/см2. Измерения были выполнены на ОДП для ДБРТС была существенно больше, чем для меза-структуре диаметром 0.028 мм с последовательным туннельного диода на p-n-переходе, о чем свидетельсопротивлением внешней цепи 2.5 Ом. Отрицательное ствует различие частот генерации ДБРТС (0.8 ГГц) и напряжение смещения подавалось на коллекторный контуннельного диода (0.58 ГГц), стабилизированных одним такт. Экспериментально наблюдались неустойчивость и и тем же микрополосковым резонатором. Частота гегистерезис ВАХ при напряжениях (0.6–1.0) В, соотнерации ДБРТС соответствует (3 )-моде резонатора, ветствующих области ОДП. Данные эффекты могут при которой точка соединения ДБРТС и резонансной быть вызваны внутренней бистабильностью структуры, полоски соответствует пучности поперечного электрикоторая усиливается внешней неустойчивостью системы ческого поля этой резонансной моды. Поскольку ДБРТС благодаря планарной конфигурации контактов [9,10].

включена в направлении поперечного электрического поля, наличие пучности этого поля в точке его включения в цепь резонатора указывает на большу велиМикроволновая генерация чину динамического сопротивления структуры. Другим Микроволновая генерация на основе резонансного важным отличием поведения ДБРТС от туннельного туннелирования в ДБРТС со спейсерными слоями на- диода явилось обнаруженное наличие глубокой (порядка блюдалась при подаче отрицательного смещения в обла- 50%) амплитудной модуляции колебаний, генерируемых сти ОДП при напряжениях смещения между 0.78 и 1.0 В. ДБРТС. Наблюдались два значения характерных чаФизика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 126 А.А. Белоушкин, Ю.А. Ефимов, А.С. Игнатьев, А.Л. Карузский, В.Н. Мурзин...

стот модуляции. В диапазоне напряжений смещения от 0.8 до 0.96 В частота модуляции составляла 20 МГц, глубина модуляции порядка 50%, а на краях области существования незатухающих колебаний вблизи 0.78 и 1.0 В наблюдалась амплитудная модуляция с частотой 1 МГц и глубиной 10%. Учитывая, что характерные времена нерезонансного туннелирования в структурах, состоящих из нескольких квантовых ям с параметрами, близкими к исследованной ДБРТС, при температуре 77 K имеют значения порядка нескольких наносекунд или порядка 200 нс (долгоживущая компонента) [13], можно предположить, что наблюдаемая амплитудная модуляция может быть вызвана колебаниями пространственного заряда, накапливаемого в ДБРТС со спейсерными слоями вследствие процессов нерезонансного туннелирования.

Рис. 3. Зависимость коэффициента прозрачности T от энергии носителей тока E при прохождении асимметричной двухъямМногоямные резонансно-туннельные ной структуры с размерами: 1-й барьер — 3 нм, 1-я яма — 6 нм, структуры 2-й барьер — 5 нм, 2-я яма — 6.5 нм, 3-й барьер — 3 нм;

U — высота барьера.

Приведенные выше результаты относятся к структурам типа ДБРТС. Как показано в работах [3–6], более перспективными представляются квантово-размерные резонансно-туннельные структуры с несколькими квантовыми ямами, в частности трехбарьерные (двухъямные) структуры. Условие резонанса в электрическом поле соответствует ситуации, когда уровень Ферми и нижние уровни размерного квантования в обеих ямах оказываются вблизи друг друга, т. е. структура должна быть асимметричной (ширина ям неодинакова). Ближайшее расстояние между уровнями соответствует области антипересечения (см. вставку на рис. 2). Изменения параметров асимметричной квантово-размерной структуры позволяют независимым образом менять как отношение токов в пике и долине, так и величину пикового тока в отличие от ДБРТС, где такое изменение принципиально Рис. 4. Рассчитанные зависимости плотности пикового тока Рис. 2. Положение энергетических уровней размерного кванJp и отношения токов в пике и в долине вольт-амперной тования E1 и E2 в асимметричной структуре из 2-х квантовых характеристики Jp/Jv: a — от относительной толщины барьера ям (см. вставку) в зависимости от приложенного напряжения V.

b/w для симметричной одноямной структуры при толщине Величина V0 — напряжение, при котором резонансные уровни ямы w = 45 нм; b — от температуры T для двухъямной в ямах сближаются на минимальное расстояние, определяемое структуры со следующими размерами: 1-й барьер — 2.83 нм, прозрачностью барьера, и распределение электронной плотно1-я яма — 7.358 нм, 2-й барьер — 5.66 нм, 2-я яма — 3.962 нм, сти на уровнях выравнивается между ямами.

3-й барьер — 5.943 нм.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Генерация в двухбарьерной резонансно-туннельной структуре, стабилизированная... исключено. Это позволяет при высокой электронной про- [9] А.С. Игнатьев, В.Е. Каминский, В.Б. Копылов, В.Г. Мокеров, Г.З. Немцев, С.С. Шмелев, В.С. Шубин. ФТП, 26, зрачности в достаточно широком интервале напряжений (1992).

(рис. 3), при одном и том же соотношении токов в [10] А.С. Игнатьев, А.В. Каменев, В.Б. Копылов, Д.В. Посвинпике и в долине ВАХ достигать существенно больших ский. ФТП, 27, 769 (1993).

значений самой величины пикового тока по сравнению с [11] F. Laruelle, G. Faini. Sol. St. Electron., 37, 987 (1994).

ДБРТС (рис. 4). В приведенных расчетах не учитывалось [12] С.А. Стоклицкий, В.Н. Мурзин, Ю.А. Митягин, В.И. Карассеяние носителей заряда на примесях [8]. Однако душкин, Ю.А. Ефимов, Г.К. Расулова. Кр. сообщ. по физике возникающая в данном случае возможность раздельного ФИАН, № 9–10, 10 (1994).

варьирования параметров системы открывает в принципе [13] А.В. Квит, А.Л. Карузский, В.Н. Мурзин, А.В. Перестороновые перспективы для создания резонансно-туннельных нин. Кр. сообщ. по физике ФИАН, № 9–10, 3 (1994).

структур с оптимальными характеристиками. Включение Редактор Т.А. Полянская этих структур в системы с микрополосковыми резонаторами, как следует из оценок, должно значительно улучшить высокочастотные параметры генераторов, по- Double barrier resonant tunneling лученных на их основе.

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.