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.