Напівпровідниковий приймач тгц/суб-тгц випромінювання з вбудованим p-n переходом

Реферат: Винахід належить до фізики та техніки терагерцового та субтерагерцового діапазонів спектра, а саме до проблеми реєстрації випромінювання у цих діапазонах і може бути використаний при виготовленні як одиночних, так і багатоелементних матриць приймачів ТГц/суб-ТГц випромінювання. Задачею винаходу є створення приймача ТГц/суб-ТГц випромінювання з більш високою чутливістю, який може працювати в широкому спектральному діапазоні при помірному охолодженні. Напівпровідниковий приймач ТГц/суб-ТГц діапазону випромінювання складається з чутливого елемента, сформованого в епітаксійному шарі CdxHg1-xTe як поперечний р-n перехід. UA 98524 C2 (12) UA 98524 C2 UA 98524 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до фізики та техніки терагерцового та субтерагерцового діапазонів спектра, а саме до проблеми реєстрації випромінювання у цих діапазонах і може бути використаний при виготовленні як одиночних, так і багатоелементних матриць приймачів ТГц/суб-ТГц випромінювання. Терагерцовий/субтерагерцовий діапазон довжин хвиль являє собою досить значну частину спектра випромінювання, що знаходиться між мікрохвильовою, радіочастотною й інфрачервоною областю. На відміну від останніх, ця область до останнього часу залишалася практично невивченою, що пов'язано з відсутністю джерел досить потужного терагерцового випромінювання та чутливих, широкосмугових і швидкодіючих не охолоджуваних (слабоохолоджуваних) приймачів, здатних реєструвати випромінювання в даній області спектра. Властивості ТГц/суб-ТГц випромінювання - прозорість багатьох розповсюджених матеріалів у терагерцовому діапазоні, терагерцові хвилі можуть бути легкосфокусовані, енергія даного діапазону приблизно відповідає коливальній енергії біологічних молекул, багато молекул мають унікальні сигнатури в терагерцовому спектрі (спектр неймовірно чутливий до складу речовини), терагерцове випромінювання нешкідливе для біологічних організмів. Випромінювання субміліметрового діапазону використовується у системах безпеки, для виявлення вибухівки і наркотиків, в медицині - як альтернатива рентгенівському випромінюванню. Головні задачі, що ставляться при створенні приймачів для ТГц/суб-ТГц діапазону спектра це підвищення чутливості та швидкодії приймача, зниження мінімальної потужності, що виявляється. Розширення робочого діапазону частот. Існуючі фотодіодні структури для приймачів інфрачервоного випромінювання не можуть використовуватись для детектування терагерцового/субтерагерцового випромінювання оскільки р-n перехід в них сформований не імплантацією іонів бору в епітаксійний шар p-CdxHg1-xTe, a, як зазначено в [1], - а у процесі вирощування епітаксійної плівки з градієнтом ширини забороненої зони паралельно до площини підкладки і вони не мають приймальної антени для вводу сигналу в чутливий елемент. Інфрачервоне випромінювання, що детектується такими приймачами, падає зі сторони підкладки. Для реєстрації випромінювання ТГц та суб-ТГц (довжина хвиль =10 мм - 0,1 мкм) використовуються низькотемпературні напівпровідникові та надпровідникові болометри та болометри на гарячих електронах, приймачі на основі бар'єрів Шотткі. Недоліком цього типу приймачів є те, що вони громіздкі, (за рахунок кріостату), і тому непридатні для створення матриць та одержання зображень об'єктів у реальному масштабі часу [2, 3]. Неохолоджувані або так звані теплові приймачі субміліметрового випромінювання неохолоджувані балометри, піроелектричні приймачі, термопари та термобатареї. Приймачі цього типу мають відносно довгі часи відгуку (10 мс) [4, 5]. Діоди Шотткі можуть бути як охолоджувані, так і неохолоджувані, але їх чутливість швидко зменшується з частотою випромінювання в субміліметровому діапазоні - на п'ять порядків від частоти 0,1 ТГц до 10 ТГц [4, 5]. За найближчий аналог вибрано напівпровідниковий болометр міліметрового та субміліметрового діапазонів, як чутливий елемент якого використовується тонкий шар напівпровідника CdxHg1-xTe (0,17x0,3), a струмові контакти виконують функцію приймальних антен [6]. В основу роботи аналога поставлено явище амбіполярної дифузії. В даному приладі площа одного зі струмових контактів менша площі другого більш ніж в два рази. При опромінюванні чутливого елемента субміліметровим випромінюванням (0,19-8 мм) виникає контактна різниця потенціалів. Однак чутливість найближчого аналога є відносно низькою порядку 2 В/Вт при Т=300 К. Задачею винаходу є створення приймача ТГц/суб-ТГц випромінювання з більш високою чутливістю, який може працювати в широкому спектральному діапазоні при помірному охолодженні (Т=80 К). Для вирішення поставленої задачі запропоновано напівпровідниковий приймач терагерцового/субтерагерцового випромінювання, що містить тонкий (3 мкм) епітаксійний шар напівпровідника CdxHg1-xTe (x~0,20,3) зі струмовими контактами, при цьому в епітаксійному шарі як чутливий елемент сформовано поперечний р-n перехід. На кресленні представлено схему напівпровідникового приймача ТГц/суб-ТГц діапазону. Тут області 1 і 2 - струмові контакти до р- та n- областей, 3 - р - область, 4 - n - область, 5 поперечний р-n перехід, в якому область просторового заряду перпендикулярна до напрямку поля р-n переходу. Струмові контакти також виконують функцію приймальних антен. Нами було виготовлено матрицю напівпровідникових приймачів ТГц/суб-ТГц випромінювання з вбудованим поперечним р-n переходом на основі тонкого (2.2.мкм) 1 UA 98524 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 епітаксійного шару вузькощілинного напівпровідника CdxHg1-xTe (x=0,22). Товщина шару CdxHg1xTe вибиралась з факту формування n-шарів методом іонної імплантації, при якій зміна типу 15 -3 провідності по товщині плівки складає 3 мкм. Концентрація дірок складала 910 см , а їх 2 рухливість була порядку 400 см /Вс. Поперечний р-n перехід був сформований методом іонної + 13 -2 імплантації іонів бору В з енергіями 100 кЕв та дозами 310 см . Струмові контакти, площею 2 2×0,112 мм , були створені шляхом магнетронного розпилення Ni з використанням вибухової фотолітографії і водночас виконують роль приймальних антен для вводу випромінювання в чутливий елемент. Пристрій працює таким чином. Опромінювання, що детектується падає безпосередньо на створений нами поперечний р-n перехід, на відміну від фотодіодних структур для приймачів інфрачервоного випромінювання [1]. При опромінюванні поперечного р-n переходу, який є чутливим елементом, відбувається генерація носіїв заряду. На струмових контактах виникає різниця потенціалів. На відміну від прототипу [6], в якому детектування відбувається тільки за рахунок розігріву електронного газу в тонкому шарі КРТ, у запропонованому приймачі випромінювання, що реєструється, крім цього, додатково підсилюється за рахунок поля поперечного р-n переходу і чутливість приймача підвищується на кілька порядків. Вимірювання чутливості запропонованого приймача були проведені у спектральному діапазоні 70-135 ГГц. Як показали експериментальні дослідження, вихідний сигнал в заявленому приймачі є максимальним при переході вольт-амперної характеристики в режим м'якого пробою. А в приймачах болометричного типу [6] вихідний сигнал лінійно залежить від 4 струму зміщення. Отримані значення чутливості при Т=80 К складали 10 В/Вт, а відношення сигнал/шум було рівним 62 Дб (=77 ГГц), на відміну від прототипу, чутливість якого складає 2 В/Вт при тих же умовах вимірювання. Джерела інформації: 1. Пат. №75505 Российская Федерация, (51) МПК (2006.01) H01L31/00. Фотодиодная структура для приемника инфракрасного излучения/ Варавин B.C., Васильєв В.В., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Сусляков А.О., Сидоров Ю.Г., Захарьяш Т.И.; патентообладатель Институт физики полупроводников СО РАН.- №2008111133/22, от 24.03.2008, опубл. 10.08.2008. 2. Skalare A., McGrath W.R., Echtemach P. at al. Aluminum hot-electron bolometer mixers at submillimeter wavelengths // IEEE Trans. Appl. Superconduct.-2001.-V. 11.-P. 641-644. 3. Морозов Д.В., Смирнов К.В., Смирнов А.В., Ляхов В.А., Гольцман Г.Н. Миллиметровый / субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с фононным каналом охлаждения// ФТП.-2005.- Т.39, в.9.- СП 171121. 4. D. Dragoman, M. Dragoman. Terahertz fields and applications // Progress in Quantum Electronics.-2004.- V.28.- P. 1-66. 5. Siegel P.H. Terahertz Technology // IEEE Transactions on microwave theory and techniques.2002.- V.50, #3.- P.910-928. 6. Пат. №89075 Україна, (51) МПК (2009), G01J 1/42, G01J5/20, H01L 31/00, H01L27/142. Напівпровідниковий болометр міліметрового та субміліметрового діапазонів / Сизов Ф.Ф., Добровольський В.М., Каменев Ю.Ю.; заявник і власник Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України.- №а 2007 09681, заявл. 27.08.07, опубл. 25.12.09, Бюл. №24. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Напівпровідниковий приймач терагерцового/субтерагерцового випромінювання, що містить тонкий (3 мкм) епітаксійний шар напівпровідника CdxHg1-xTe (х~0,20,3) зі струмовими контактами, який відрізняється тим, що в епітаксійному шарі як чутливий елемент сформовано поперечний р-n перехід. 2 UA 98524 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3