Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и исследованию когерентного детектора на эффекте разогрева двумерного электронного газа в гетерострук-туре AIGaAs/GaAs, исследованию полосы и эффективности преобразования когерентного детектора с фононным и диффузионным механизмоми охлаждения горячих электронов, исследованию электрон-фононного взаимодействия в двумерном электронном газе при низких температурах Актуальность исследования. Во многих областях современной науки и техники существует потребность в чувствительных и быстрых детекторах электромагнитного излучения терагерцового (ТГц) и субтерагерцового (суб-ТГц) диапазона частот Существующее разделение между этими диапазонами электромагнитного спектра весьма условно может быть выражено как 100 ГГц < / < 1 ТГц и 1 ТГц < / < 15 ТГц для суб ТГц и ТГц диапазонов соответственно Данный участок спектра представляет интерес для большого количества практических и фундаментальных применений, среди которых можно выделить несколько наиболее активно развивающихся в последнее время В радиоастрономии суб-ТГц и ТГц диапазона волн можно выделить два основных подхода к измерениям Фотометрический тип исследований со спектральным разрешением А/ДА »3 — 10 применяется в астрофизике для изучения Реликтового излучения, которое является доминирующим источником во вселенной с длинами волн 500 мкм — 5 мм Для этого излучения были измерены средняя температура ~ 2 73 К и величина дипольной анизотропии ~ 3 мК и показано, что его спектр соответствует спектру излучения черного тела /1/ Изучение рассеяния Реликтового излучения, проходящего сквозь скопления галактик (эффект Сюняева-Зельдовича) обеспечит данные об истории расширения вселенной
Существующие детекторные технологии в области некогерентного детектирования, которые достигли сверхвысокой чувствительности, включают в себя детекторы на сверхпроводящем переходе (TES - transition edge sensors), микроболометры на горячих электронах с андреевскими зеркалами, болометры на основе туннельного перехода нормальный металл - изолятор - сверхпроводник (NIS - normal metal - insulator - superconductor) и болометры на основе "холодных электронов"(СЕВ - cold electron bolometer) Но, наряду с такими преиму-
ществами как сверхвысокая чувствительность, данные устройства обладают и некоторыми недостатками Быстродействие таких детекторов находится на уровне 0.1 — 1 мс, а также для изготовления таких детекторов используются сложные субмикронные технологические процессы
Важную научную роль в астрономии ТГц диапазона играет измерение спектральных линий, так как в этом диапазоне находятся спектральные линии вращательных переходов многих молекул /2/ Высокое спектральное разрешение необходимо для измерения Доплеровского смещения и профиля линий Спектроскопия в ТГц диапазоне при помощи гетеродинных приемников является одним из основных методов изучения процессов формирования звезд и планет из холодных газо-пылевых облаков
Для гетеродинных приемников основными используемыми детекторными технологиями являются смесители на основе перехода сверхпроводник- изолятор - сверхпроводник (СИС), которые имеют рекордно низкую шумовую температуру на частотах < 1 — 1 2 ТГц /3/, тогда как для частот выше применяются смесители на эффекте горячих электронов в тонкой сверхпроводниковой пленке (hot electron bolometer - НЕВ) /3/ Диод на основе перехода металл-полупроводник (Шоттки диод) также применяется в гетеродинных приемниках Обладая широкой полосой преобразования и способностью работать в широком интервале температур от жидкого гелия до комнатной, такой детектор требует ~ 1 мВт мощности гетеродинного источника ТГц детекторы также активно применяются в системах получения изображения в суб-ТГц - ТГц диапазоне для целей всепогодной навигации, безопасности и медицины В сфере безопасности пассивные системы получения изображения применяются для обнаружения скрытых предметов на фоне теплового излучения человеческого тела Благодаря тому, что ТГц излучение поглощается менее интенсивно, чем инфракрасное, обнаружение предметов становится возможным через слои одежды и других материалов На основе когерентных детекторов разрабатываются системы получения так называемого цветного изображения в ТГц диапазоне, которые позволяют также получать спектральную информацию излучения изучаемого объекта /4/ Требования к шумовым параметрам детектора для таких применений определяются тем, что при наблюдении за объектами комнатной температуры величина фонового шума
составляет NEP « 10~15 Вт/л/Гц (оценка приведена для частоты 0.5 ТГц в полосе 30%) Для применений в области детектирования пассивного излучения детекторные устройства должны иметь высокие чувствительность и быстродействие при одновременном условии простоты эксплуатации, возможности интегрирования в матричные конструкции для получения изображения в широком поле обзора и в реальном времени В то время как СИС и НЕВ смесители нуждаются в охлаждении до температур 4.2 и ниже, что является оправданным при реализации единичных и рекордных по чувствительности приемников для телескопов и спектрометров ТГц диапазона, реализация систем визуализации предполагает отказ от гелиевых температур, как значительно удорожающих и усложняющих конечный приемник Когерентные и некогерентные детекторы на основе эффекта электронного разогрева двумерного электронного газа в полупроводниковой гетероструктуре AIGaAs/GaAs обладают рядом преимуществ перед перечисленными технологиями При низких температурах электроны в таких структурах слабо связаны с фононами, поэтому эффект электронного разогрева, играющий важную роль в механизме детектирования ТГц излучения, наблюдается даже для малых рассеиваемых мощностей. Электроны в такой структуре обладают наибольшей достигнутой подвижностью /5/, что по сравнению с металлическими пленками делает простым реализацию диффузионного и баллистического транспорта в энергетической релаксации горячих носителей Высокие значения подвижности и температурной нелинейности проводимости позволяют реализовывать на основе AIGaAs/GaAs гетероструктур смесители, работающие при температуре 77 К Для AIGaAs/GaAs смесителя, достигнутые значения полосы преобразования составляют 20 ГГц /б/ при осуществлении диффузионного механизма охлаждения и 37 ГГц /7/ при осуществлении баллистического при температуре 77 К Охлаждение детектора до уровня температур жидкого азота может легко осуществляться при помощи компактных криогенных машин Релаксация энергии 2D электронов в AIGaAs/GaAs гетероструктуре в диапазоне гелиевых и субгелиевых температур осуществляется за счет неупругого рассеяния на акустических колебаниях решетки, а в диапазоне азотных - на оптических А при изготовлении детекторов определенных размеров, релаксация энергии электронов происходит посредством диффузии горячих электронов в контак-
ты Электрон-фононное взаимодействие играет важную роль в таких приборах, как сверхбыстрые транзисторы на основе материала с высокой подвижностью (НЕМТ) и квантовые-каскадные лазеры Последние представляют собой новый класс источников излучения терагерцового диапазона /8/, В работе /9/ продемонстрирован 3 4 ТГц квантовый-каскадный лазер на основе гетероструктур AIGaAs/GaAs, в котором обеднение основного уровня обусловлено рассеянием на оптических (LO) фононах
Целью настоящей работы является разработка гетеродинного детектора суб-ТГц - ТГц диапазона на основе эффекта разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AIGaAs/GaAs, работающего при температуре 77 К, и исследование полосы преобразования, потерь преобразования и требуемой мощности гетеродина при осуществлении фононного и диффузионного механизмов охлаждения горячих электронов, исследование электрон-фононного взаимодействия в условиях, близких к равновесным, при низких температурах
Объектом исследования являлись гетероструктуры AIGaAs/GaAs с двумерным электронным газом Разрабатываемые гетеродинные детекторы на основе двумерного электронного газа в гетероструктуре AIGaAs/GaAs исследовались при температуре 77 К на частоте излучения 129 — 142 ГГц с использованием методики смешения излучения двух источников, электрон-фононное взаимодействие двумерных электронов изучалось при температурах < 4 2 К при помощи методик миллиметровой гетеродинной спектроскопии на той же частоте, что и смесители Особенности электрон-фононной энергетической релаксации и релаксации энергии посредством диффузии в контакты изучались при температуре кристаллической решетки Tl = 77 К и электронной температуре Те » 77 — 130 К В настоящей работе были получены следующие новые научные результаты;
1 Созданы когерентные детекторы суб-ТГц диапазона частот на основе эффекта разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AIGaAs/GaAs с одиночной квантовой ямой, работающие при температуре 77 К с фононным и диффузионным каналом охлаждения двумерных электронов Исследованы основные характеристики таких детекторов для концентраций двумерных электронов 2 X 10п — 1 X 1012 см~2
Исследована зависимость потерь преобразования смесителя от подвижности двумерного электронного газа и зависимость требуемой мощности гетеродина от концентрации 2D электронов
При помощи прямых измерений времени электрон-фононной релаксации получено значение времени жизни оптического фонона при температуре электронного газа 100 — 120 К
Методом измерения энергетических потерь на один электрон двумерного электронного газа в гетероструктурзх AIGaAs/GaAs показан зклад диффузионного транспорта в разрабатываемых смесителях
Впервые исследована зависимость потерь и полосы преобразования для диффузионного смесителя от электронной температуры двумерного газа
Впервые методом миллиметровой гетеродинной спектроскопии была измерена зависимость времени энергетической релаксации двумерных электронов от их концентрации при температуре 4.2 К в условиях, близких к равновесным
Проведены измерения электрон-фононной теплопроводности двумерного электронного газа в гетероструктуре AIGaAs/GaAs при температуре 0 45 - 4 2 К
В настоящей работе сформулированы и выносятся на защиту следующие положения:
Полоса преобразования смесителя с фононным охлаждением на основе двумерного электронного газа в гетероструктуре AIGaAs/GaAs с концентрацией двумерных электронов 2.7—3 5 х 1011 см~2 составляет значение 4 ± 0 5 ГГц при температуре 77 К
Время жизни оптического фонона в гетероструктуре AIGaAs/GaAs при температуре кристаллической решетки 77 К и температуре электронов 100 - 120 К составляет тю = 4 5 ± 0.8 лс
Для смесителей с концентрацией электронов ns — 2 х 1011 см~2 и подвижностью /і = 2.9 х 105 civP/Bc при температуре электронов Те > 115 К и расстоянии между контактами смесителя I < 5 мкм релаксация горячих электронов происходит путем их диффузии в контактные области
Оптимальный режим работы смесителя с п, = 3 х 10й см~2 и ц = 2 3 х 105 см2/Вс соответствует диффузионному механизму релаксации энергии электронов, что достигается при длине канала смесителя 2 — Змкм, оптимальная область электронной температуры составляет 100 — 120 К, в которой полоса исследуемых детекторов достигает значений 20 ГГц, а потери преобразования «а 13 дБ при требуемой мощности гетеродинного источника 200 мВт на 1 мкм2 площади двумерного электронного газа
Время релаксации энергии двумерных электронов при температуре 4.2 К пропорционально п5 Измеренные значения составляют re = 1 3 - 2 4 не для образцов с ns = 2 7 х Ю-11 - 8 2 х Ю-11 см~2 Вид зависимости re(ns) качественно согласуется с теоретически предсказанной
Практическая значимость работы определяется тем, что разрабатываемые AIGaAs/GaAs смесители для работы при 77 К являются перспективными для использования в приборах пассивного тепловидения в суб ТГц - ТГц диапазоне излучения и инструментах ТГц радиоастрономии Практическая значимость также обусловлена использованием знаний о электрон-фононном взаимодействии в двумерном электронном газе при разработке ТГц детекторов на основе эффекта горячих электронов, источников излучения ТГц диапазона, таких как квантово-каскадные лазеры
Апробация работы. Результаты работы докладывались на всероссийских и международных конференциях, среди которых конференция международного общества оптических технологий SPIE (США, 2006), 16 и 18-й Международный симпозиум по космическим терагерцовым технологиям (Швеция, 2005 и США, 2007), 26-я Международная конференция по физике полупроводников (Великобритания, 2002), 11-й Международный студенческий семинар по мик-
роволновым применениям новых физических явлений (Россия, 2004), V и VI Российская конференция по физике полупроводников (Россия, 2003 и 2005) Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка публикаций автора и списка литературы Объем работы составляет 120 страниц, включая 36 рисунков и 3 таблицы Список литературы состоит из 104 наименований источников
