Введение к работе
Актуальность работы. Коротковолновая часть миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн по-прежнему остается слабо изученной и слабо освоенной. Освоение этого диапазона твердотельными приборами позволит создать компактное и высокоэффективное оборудование для техники связи, радиолокации, вычислительной техники.
Однако в настоящее время практически не существует твердотельных приборов эффективно работающих в диапазоне частот ЮМ О4. ГГц (3,3 - 0,033 мм). Решение этой задачи возможно, с одной стороны используя традиционные приборы, хорошо работающие на более низких или более высоких частотах (лавикно-пролетные диоды, туннельные диоды, диоды Ганна, полевые транзисторы, полупроводниковые мазеры). С другой стороны, ведется интенсивный поиск новых возможностей расширения частотного диапазона (диоды с двухбарьер-иой квантовой структурой, эффект отрицательной эффективной массы носителей заряда, неустойчивости плазмы твердого тела).
Одним из перспективных полупроводниковых эффектов, открытых еще в 1965 г., является эффект междолинного переноса электронов (МПЭ, эффект Ганна). В сантиметровом и в длинноволновой части миллиметрового диапазонов диоды Ганна хорошо зарекомендовали себя в качестве активных элементов с низким уровнем шума. Однако в коротковолновой части мм-диапазона при работе диода Ганна возникает ряд проблем, связанных как с принципиальными трудностями (возрастает влияние инерционных процессов перераспределения электронов между долинами зоны проводимости), так и с технологическими (сокращаются размеры активной области диода, повышаются требования к качеству полупроводникового материала, усложняется создание оптимальных контактов и др.)
Преодоление хотя бы одной из перечисленных трудностей является весьма актуальной задачей, т.к. позволит увеличить предельную частоту и эффективность СВЧ-приборов на диодах данного типа.
.4.,,
Существует три подхода к решению этой задачи.
1. Использование полупроводниковых материалов с МПЭ,
обладающих более высокочастотным пределом работы, по сравнению с
наиболее широко используемым материалом - GaAs.
2. Сочетание МПЭ с процессами на контактах прибора, что
позволяет уменьшить влияние тех времен релаксации электронов,
которые определяют частотный предел.
3. Использование диодов Ганна при работе на гармониках.
Диссертация посвящена исследованиям:, проводившимся по первым
двум направлениям.
Цель работы. Целью работы является изучение физических закономерностей в коротких диодах Ганна на основе соединений полупроводников AmBv с различными типами катодных контактов (подробно рассматривались изотипный запорный гетеропереход, изотопный антизапорный гетеропре.ход и вырожденный р+-п+-переход на катодном контакте) и исследование возможностей повышения эффективности и придельных частот генерации таких диодов.
Методика исследования. Исследования проводились с помощью двухтемпературной. модели, учитывающей инерционные эффекты перераспределения электронов между долинами зоны проводимости на высоких частотах. Для каждого конкретного типа катодного контакта двухтемпературьая модель дополнялась.
Научная новизна. Впервые на основе двухтемпературной модели исследованы физические процессы и выходные характеристики диодов Ганна с гетеро- и р+-п+-переходом на катодном контакте.
В GaAs-диодах с запорным и антизапорным гетерокатодом в динамическом режиме обнаружен эффект уменьшения эффективного энергетического барьера в гетеропереходе. Определены основные физические закономерности, влияющие на выходные характеристики диодов и установлены оптимальные значения электрических параметров гетероперехода в широком диапазоне частот. Найдены
предельные частоты генерации GaAs-диодов с гетерокатодом: Ino.joGaoajAs-icama - 190 ГГц; ІпРомАїоло-катод - 180 ГГц; -катод - 160 ГГц.
Исследовано влияние туннельной инжекции горячих электронов через р+-п+-переход в активную область GaAs-диода на эффективность генерации диодов. Подробно рассмотрены физические процессы в таких диодах.
Исследаваны. энергетические и частотные характеристики диодов Ганна на основе InPo.6Aso.4. Установлены предельные частоты генерации 1пРобА5о4-диодов с высокоомной неоднородностью у катода -180 ГГц и с омическим (п+-п) катодом - 80 ГГц.
Практическая значимость состоит в возможности реализации результатов исследований физических процессов, энергетических и частотных характеристик диодов и рекомендаций по применению различных типов катодных контактов на разных частотах для создания высокоэффективных генераторов Ганна мм-диапазона.
На защиту выносится.
І. В In.,Gai.xAs и InPi-xASs с увеличением доли InAs увеличиваются максимальная и минимальная дрейфовая скорость электронов, отношение максимальной скорости к минимальной, а пороговое поле и протяженность ОДП имеют максимальные значения соответственно при х ~ 0,2 и -0,4 в InxGai-xAs и ~0 и -0,4 в InPi.xAsx. Как в InxGai.xAs, так и в InPi-xAsx времена релаксации электронов увеличиваются с содержанием InAs. В AlxGai-xAs с увеличением доли AlAs уменьшаются максимальная и минимальная дрейфовая скорость электронов, отношение максимальной скорости к минимальной, увеличивается пороговое поле, уменьшаются времена релаксации электронов.
2. Диоды Ганна на основе ІпРо.бА&м могут эффективно работать в. пролетном режиме в мм-диапазоне. В диодах с высокоомной неоднородностью у катода распостраняются дипольные домены. Такие диоды могут работать на частотах до ~ 180 ГГц. Диоды Ганна на основе
InPo,6Aso,4 с однородным распределением примесей в активной области могут работать до частот ~80ГГц, при этом в них распространяются заряженные слои.
-
В GaAs-диодах Ганна с изотипным запорным гетерокатодом в зависимости от разрыва зоны проводимости в гетероструктуре могут распространяться дипольные домены или заряженные слои. В динамическом режиме обнаружен эффект "заливания" обедненной области гетеокатода электронами из обогащенной области. В результате уменьшается эффективный энергетический барьер и максимальное электричечское поле в гегерокатоде. InxGai-xAs или InPi.xAsx-катод позволяет уменьшить в GaAs-диодах длину "мертвой" зоны и увеличить КПД по сравнению с диодами с омическими контактами. GaAs-диоды с InxGai.xAs-катодом могут работать до частоты ~190ГТц (х = 0,40) и с InPi-xAsx-катодом до ~180ГТц (х = 0,10) при температуре кристаллической решетки ЗООК.
-
AlxGai-xAs-антизапорный изотипный гетерокатод в GaAs-диоде Ганна уменьшает длину "мертвой" зоны и увеличивает КПД по сравнению с диодами с п+-п-катодом. В таких диодах возникают неустойчивости, связанные с распространением заряженных слоев. При оптимальном составе и температуре решетки ЗООК диоды могут работать до частоты —160 ГГц.
-
Контакт металл-полупроводник с малой высотой барьера (менее 0,03 эВ) на катодном контакте к n:Ino,4sGao,5jAs-n:GaAs-n+:GaAs-структуре приводит к изменению ее выходных характеристик .
-
В GaAs-дисде с туннельной инжекцией горячих электронов через вырожденный р+-п+-переход возникают неустойчивости, связанные с распространением заряженных слоев. Существует зависимость скорости распространения заряженных слоев, амплитуды колебания тока в диоде, заселенности электронами Х-долины у катода и, следовательно, КПД диода от падения напряжения на р+-п+-переходе. КПД GaAs-диода с выраженным р+-п+-переходом на катоде и длиной активной области
І.Омкм на частоте 1 ІОГГц 3,83%, что больше, чем у диодов с омическим катодом.
Личный вклад пвтора определялся в компьютерном моделировании физических процессов, протекающих в диодах Ганна с различными катодными контактами (гетерокатод, туннельный р+-п* катод), в анализе полученных результатов и их интерпретации.
Апробация результатов. Полученные результаты были представлены на:
1-ом Украинском симпозиуме "Физика и техника мм- и субмм-радиоволн." (Харьков, 1991)
International Conferens "Physics in Ukraine." (Kiev, 1993)
Межведомственная научно-техническая конференция "Приборы, техника и распространение мм, субмм волн." (Харьков, 1992)
International Symposium "Physics and Engineering of millimeter and submillimeter waves." (Kharkov, 1994)
5th International Symposium "On recent advances in microwave technology." (Kiev, 1995).
- 5-я Крымская конференция и выставка "СВЧ-техника и
спутниковые коммутационные технологии." (Севастополь, 1995).
По вошедшим в диссертацию материалам в соавторстве опубликовано 10 работ.
Структура ч объем работы. Диссертация общим объемом 168 страниц состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 65 рисунков, список литературы из 117 наименований.
