Диодные гетероструктуры для приборов терагерцового диапазона частот

 

Д. Г. Павельев ¹, А. П. Васильев ², В. А. Козлов ^1,3, Ю. И. Кошуринов ¹, Е. С. Оболенская ¹, С. В. Оболенский ¹, В. М. Устинов ⁴

¹ННГУ им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород
² НТЦ микроэлектроники РАН, г. Санкт-Петербург
³ИФМ РАН, г. Нижний Новгород
⁴ФТИ РАН им. А.Ф. Йоффе, г. Санкт-Петербург

 

Статья поступила в редакцию 17 декабря 2015 г., после доработки - 28 декабря 2015 г.

 Аннотация. Теоретически и экспериментально исследованы короткие сверхрешетки (с небольшим числом периодов) на основе гетероструктур GaAs/AlAs. Установлена возможность их эффективного применения в терагерцовом диапазоне частот. В работе рассмотрена зонная структура классических полупроводниковых сверхрешеток (СР) с количеством периодов более ста, и коротких (СР) с числом периодов 18 и 6. Методом Монте-Карло рассчитаны вольт-амперные характеристики этих СР. С учетом пролетных эффектов, влияния омических контактов и переходных слоев таких СР, рассчитаны высокочастотные параметры диодных структур с малой площадью активной области (1-2мкм²) и найдены предельные частоты этих структур. Определены условия (количество периодов) при которых предельные частоты таких структур максимальны. Обнаружено, что короткие СР проявляют существенные преимущества по сравнению с длинными. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность эффективного применения коротких СР в качестве умножителей частоты вплоть до 8 ТГц и приемников излучения (гармонических смесителей) до 5.3 ТГц, что позволит их использовать для стабилизации частоты квантово-каскадного лазера.

Ключевые слова: Терагерцовый диапазон, сверхрешетки, минизоны, баллистический транспорт электронов, гармонические смесители.

Abstract. Short GaAs/AlAs superlattices with a small number of periods were investigated theoretically and experimentally. The possibility of effective application of the short superlattices in the frequency range of terahertz radiation was ascertained. In this paper, the band structures of the classical semiconductor superlattices with number of periods more than hundred, and the short superlattices with number of periods equal to 18 and 6, were considered. The current-voltage characteristics of the superlattices were calculated by Monte Carlo method. The high frequency properties of the diode structures with a small area (1-2 micron ²) of the active region of the superlattice were calculated. The transit time effects, the resistance of ohmic contacts and the resistance of transition layers were taking into account. The conditions (including number of periods) at which the upper frequency limit of such structureswas maximized were determined. It was found that the short superlattices exhibit significant advantages over the long ones. The effective application of the short superlattices for the frequency multiplier devices up to 8 THz and for the high frequency receivers (harmonic mixers) up to 5.3 THz were experimentally demonstrated for the first time

Key words: terahertz radiation, superlattice, miniband, ballistic electron transport, harmonic mixers.