ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2016, № 1 · ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Диодные гетероструктуры для приборов терагерцового диапазона частот

Д.Г. Павельев1, А.П. Васильев2, В.А. Козлов1,3, Ю.И. Кошуринов1, Е.С. Оболенская1, С.В. Оболенский1, В.М. Устинов4

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

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.

  • мини-зоны
  • Miniband
  • терагерцовый диапазон
  • сверхрешетки
  • баллистический транспорт электронов
  • гармонические смесители
Abstract (in English)

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

Для цитирования

Павельев Д.Г., Васильев А.П., Козлов В.А., Кошуринов Ю.И., Оболенская Е.С., Оболенский С.В., Устинов В.М. Диодные гетероструктуры для приборов терагерцового диапазона частот // Журнал радиоэлектроники. – 2016. – № 1.

Литература

  1. Д.Г. Павельев, Н.В. Демарина, Ю.И. Кошуринов, А.П. Васильев, Е.С. Семенова, А.Е. Жуков, В.М. Устинов. "Характеристики планарных диодов терагерцового диапазона частот на основе сильнолегированных GaAs/AlAs сверхрешеток", ФТП, 2004, том 38, вып. 9, с. 1141-1146.
  2. В.Л. Вакс, Ю.И. Кошуринов, Д.Г. Павельев, А.Н. Панин. "Разработка и создание системы фазовой синхронизации в субтерагерцовом и терагерцовом частотных диапазонах по гармонике сигнала синтезатора сантиметрового диапазона", Известия Вузов. Радиофизика, 2005, т. ХLVIII, №10-11, с. 110-115.
  3. C.P. Endres, F. Lewen, T.F. Giesen, and S. Schlemmer, D.G. Paveliev, Y.I. Koschurinov, V.M.Ustinov, A.E.Zhukov Application of Superlattice Multipliers for High Resolution THz Spectroscopy. // Rev. Sci. Instr., 2007, vol.78, N 4, p. 043106-1÷043106-6
  4. D.G. Paveliev, Yu.I. Koschurinov, V.M. Ustinov, A.E. Zhukov, F. Lewen, C. Endres, A.M. Baryshev, P. Khosropanah, Wen Zhang, K.F. Renk, B.I. Stahl, A. Semenov and H.-W. Huebers Short GaAs/AlAs superlattices as THz radiation sources. // 19th International Symposium on Space Terahertz Technology, Groningen, The Netherlands, 2008, 28-30 April, pp.319-328.
  5. Д.Г. Павельев, Ю.И. Кошуринов, А.С. Иванов, А.Н. Панин, В.Л. Вакс, В.И. Гавриленко, А.В. Антонов, В.М. Устинов, А.Е. Жуков. "Экспериментальное исследование умножителей частоты на полупроводниковых сверхрешетках в терагерцовом диапазоне частот", ФТП, 2012, том 46, вып. 1, с. 125-129.
  6. V.A. Kozlov, A.B. Kozyrev, A.V. Samokhvalov Dynamic Negative Differential Conductivity due to Electron Transit Time Effects. // Proc. 11th Int. Symp. on Ultrafast Phenomena in Semiconductors, 2001, 27-29 August, Vilnius, Lithuania; Materials Science Forum, 2002, Vol. 384-385, pp. 139-142.
  7. V.A. Kozlov, A.V. Nikolaev, A.V. Samokhvalov The population inversion and the terahertz negative differential conductivity induced by hot carriers transit time effects in coordinate and momentum spaces. // Semicond. Sci. Technol, 2004, vol. 19, n. 4, pp. S99-S101.
  8. V.A. Kozlov, A.V. Nikolaev, V.A. Verbus Terahertz Negative Differential Conductivity in Heterostructures due to Population Inversion and Bunching of Ballistic Electrons. // Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors Proc. 14th Int. Conf. 25-29.07.2005, Chicago, USA; 2005, Springer Proc. in Physics, vol. 110, pp. 257-260.
  9. В.А. Козлов, А.Б. Козырев. "Инверсия населенностей электронов в ступенчатых гетероструктурах", ФТП, 1996, т. 30, в. 11, с. 2002-2016.
  10. S.V. Obolensky, A.V. Murel, N.V. Vostokov and V.I. Shashkin Simulation of the Electron Transport in a Mott Diode by the Monte Carlo Method. // IEEE Trans. on Electron Devices, 2011, v. 58, № 8, pp. 2507-2510.
  11. М.В. Безногов, Р.А. Сурис. "Теория баллистических токов, ограниченных объемным зарядом, в наноструктурах разной размерности", ФТП, 2013, т. 47, в. 4, с. 493-502.
  12. D.G. Pavelyev, A.S. Skryl, and M.I. Bakunov High-resolution broadband terahertz spectroscopy via electronic heterodyne detection of photonically generated terahertz frequency comb. // Opt. Lett., 2014, pp. 5669-5672.
  13. A.S. Skryl, D.G. Pavelyev, M.Y. Tretyakov, and M.I. Bakunov High-resolution terahertz spectroscopy with single tunable frequency comb. // Optics Express 22, 2014, p. 22537
  14. A.V. Khudchenko, D.J. Hayton, D.G. Pavelyev, A.M. Baryshev, J.R. Gao, T-Y. Kao, Q. Hu, J.L. Reno, V.L. Vaks Phase Locking a 4.7 THz Quantum Cascade Laser using a Super-Lattice Diode as Harmonic Mixer // 39 Int. Conf. of IRMMW-THz, 14-19.09. 2014, Tucson, Arisona