Резонансное туннелирование и процессы усиления и выпрямления терагерцовых волн в наноструктурах с квантовыми ямами

• Автор: Савинов, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Теоретические и экспериментальные исследования высокочастотного отклика и быстропротекающих процессов в резонансно-туннельных наноструктурах (обзор литературы)
§1.1 Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований
высокочастотных свойств резонансно-туннельных диодных (РТД) структур.
§1.2 Теоретическое описание явления резонансного туннелирования и
высокочастотного отклика в РТД структурах
Глава 2. Технология изготовления образцов и экспериментальные методы
исследования резонансного туннелирования и процессов выпрямления суб-ТГц волн в гетероструктурах на основе СаАз/А1Аз и 1пС1аЛз/А1Аз/1пР
§2.1 Технология изготовления и структурные параметры одноямных и
двухъямных РТД гетероструктур на основе ОаАз/А1Аз и 1пСаАз/А1Аз/1пР
§2.2 Электрофизическая и оптическая диагностика качества изготовленных
резонансно-туннельных наноструктур
§2.3 Экспериментальная установка и метод исследования процессов выпрямления электромагнитных волн суб-ТГц диапазона в РТД наноструктурах
Выводы по 2-й главе.
Глава 3. Анализ закономерностей высокочастотного отклика РТД наноструктур в
рамках приближения дельта-образных барьеров
§3.1 Симметрийные свойства и особенности высокочастотного отклика
одноямных РТД структур в классическом и квантовом режимах усиления
§3.2 Анализ симметрийных свойств и особенностей высокочастотного отклика
РТД структур с двумя квантовыми ямами
§3.3 Резонансные квантовые эффекты в двухъямных РТД структурах с
распределенными носителями в предбарьерной области
§3.4 Особенности нелинейного высокочастотного отклика одноямных РТД
Выводы по 3-й главе.

Глава 4. Исследование высокочастотных свойств РТД в рамках квантовой теории, учитывающей фермиевское распределение носителей в предбарьерных областях и влияние постоянного электрического поля
§4.1 Квантовая теория высокочастотного отклика одноямных и двухъямных РТД с конечными структурными параметрами, учитывающая влияние прикладываемого к структуре постоянного электрического поля
§4.2 Закономерности высокочастотного отклика одноямных РТД структур с
оптимальной структурной конфигурацией
§4.3 Закономерности высокочастотного отклика двухъямных РТД структур и возможности перестраиваемого узкополосного усиления в диапазоне ТГц частот
Выводы по 4-й главе.
Глава 5. Экспериментальное и теоретическое исследование процессов выпрямления электромагнитных волн суб-ТГц и ТГц диапазона в одноямных и двухъямных РТД наноструктурах
§5.1 Теоретическое моделирование изменений стационарных вольт-амперных
характеристик РТД структур под воздействием суб-ТГц и ТГц излучения
§5.2 Особенности выпрямления суб-ТГц волн в одноямных и двухъямных РТД
§5.3 Оценка быстродействия РТД элементов на основе результатов измерений
эффекта выпрямления СВЧ излучения
Выводы по 5-й главе.
Заключение
Публикации автора по теме диссертации
Список использованной литературы
Введение
Разработка физических принципов усиления, генерации и преобразования электромагнитных волн субтерагерцового и терагерцового (ТГц) диапазона является одной из проблем, определяющей возможности продвижения современной твердотельной электроники в сторону высоких частот и сверхвысокого быстродействия. Широко используемые в настоящее время твердотельные высокочастотные элементы ганновского типа, на основе лавинно-пролетных диодов, диодов Шоттки ограничены частотным порогом в несколько сотен гигагерц [1, 2]. Резонансно-туннельные диодные (РТД) наногетероструктуры свободны от этого ограничения. Простейшим примером таких структур является полупроводниковая система, состоящая из квантовой ямы с двумя потенциальными барьерами [3]. Резонанс в такой системе реализуется при совпадении энергии налетающего на такую структуру электрона с энергией уровня размерного квантования в квантовой яме. РТД обладает исключительно высоким быстродействием, сравнимым с быстродействием сверхпроводниковых приборов на основе эффекта Джозефсона [4], и существенно нелинейной И-образной вольт-амперной характеристикой, обеспечивающей возможность разнообразных функциональных применений РТД в цифровых, аналоговых, оптоэлектронных и других устройствах [5, 6, 7, 8]. Экспериментальная оценка инерционности внутренних электронных процессов в РТД структурах на основе СаАз/АЮаАя и 1пСаАэ/1пА1Ак соответствует временам порядка и менее
0.1 пс [9, 10, 11]. Гетероструктуры типа 1пСаАз/А1Аз, выращенные на подложке 1пР, являются более перспективными в этом отношении за счет более высокой подвижности электронов и подавления процессов рассеяния в барьерах [12, 13], что также приводит к более высоким соотношениям «пик-долина» в вольт-амперных характеристиках [14, 15, 16]. К настоящему времени в генераторах на основе МЗаАБ/ТУАз РТД разными научными группами достигнуты рекордные частоты излучения вплоть до одного терагерца и выше [17, 18], 19]). С точки зрения детектирования преимущественное внимание в последнее время уделяется РТД с несколькими квантовыми ямами [20]. В частности, в результате исследований двухъямных РТД с помощью низкочастотных измерений процессов выпрямления при сопоставлении с данными численного моделирования детекторных РТД элементов показано, что такие структуры обладают хорошими нелинейными свойствами и могут использоваться в качестве детекторов при высоких частотах [21]. Эти результаты свидетельствуют о перспективности применения РТД структур в микроэлектронике и оптоэлектронике суб-ТГц и ТГц диапазона, в особенности с учетом возможностей их монолитной интеграции с транзисторными и другими полупроводниковыми элементами [22, 23, 24]. Вместе с тем, продвижение в сторону сверхвысокого быстродействия, очевидно, сопряжено с необходимостью преодоления целого

калиброванного регулирования мощности использовался прецизионный аттенюатор. СВЧ излучение принималось микрополосковой антенной, соединенной с верхней контактной площадкой рабочей мезы РТД через согласующий трансформатор. В примененной схеме включения РТД элемента в СВЧ тракт уменьшение эффективной мощности дошедшего до образца СВЧ излучения, обусловленное потерями в волноводе и при преобразовании в приемной СВЧ-головке, по оценкам не превышало 10 раз, т.е. максимальная эффективная мощность переменного сигнала, индуцируемого СВЧ полем на образце, составляла 10 мВт. В ряде экспериментов на выходе аттенюатора ставился специальный удвоитель частоты на диоде Шоттки, что позволяло поднять частоту излучения до 222 ГГц с понижением максимального уровня эффективной мощности до 40 мкВт. Измерения зависимости токового отклика от постояного напряжения проводились методом синхронного детектирования в режиме низкочастотной модуляции (128 Гц) питания СВЧ генератора с использованием синхронного усилителя (lock-in) SR830.
Выводы по 2-й главе.
1. Изготовление РТД гетероструктур и измерительных образцов на их основе с использованием методов МПЭ и процессов фотолитографии производилось с учетом результатов структурных и электрофизических измерений, проводившихся in situ (в реальном масштабе времени) методом спектроскопии анизотропного отражения, а также с помощью измерений поперечного транспорта и спектров низкотемпературной фотолюминесценции. Используемые диагностические методики позволили получить GaAs/AlAs и InGaAs/AlAs/InP гетероструктуры с высоким качеством границ с разрешением по толщине на уровне одного монослоя.
2. Разработана и собрана экспериментальная установка для исследования электрофизических характеристик РТД структур и изучения процессов выпрямления электромагнитных волн суб-ТГц диапазона в измерительных РТД элементах с использованием волноводных СВЧ ячеек с микрополосковыми антенной и подводящими линиями.