Микрополосковый стабилизированный резонансно-туннельный генератор электромагнитных волн для миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн

Микрополосковый стабилизированный резонансно-туннельный генератор электромагнитных волн для миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к областям твердотельной сверхвысокочастотной электроники и микроэлектроники и может использоваться в системах связи, электронике и микроэлектронике, радиовидении и интерскопии, молекулярной спектроскопии и мониторинге земной атмосферы, а также в астрофизике, медицине и биологии.

Квантовые эффекты, в том числе связанные с резонансным туннелированием, широко используются в современной твердотельной и полупроводниковой электронике. Наиболее значительные успехи в плане расширения частотного диапазона достигнуты с использованием резонансно-туннельных диодных структур, изготовленных на основе квантовых ям, обладающих рекордно высоким быстродействием внутренних электронных процессов. (см. T.C.L.G.Sollner, "Tunneling transfer devices", US Patent №4745452).

Несмотря на исключительно малую инерционность таких структур переход в сторону наиболее высоких частот, соответствующих терагерцовому диапазону, чрезвычайно затруднен. Основные причины обусловлены резким возрастанием электрических потерь и трудностей изготовления резонаторных систем малых размеров, возрастанием роли паразитных индуктивностей и других параметров в системах соединения активного элемента с внешней резонаторной системой.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы на основе резонансно-туннельных диодных структур с квантовыми ямами, в которых получена генерация при комнатной температуре на частотах 200 ГГц, 420 ГГц и 720 ГГц, описаны в работах E.R. Brown, T.C.L.G. Sollner et al, опубликованных в J. Appl. Phys. 64(3), 1519-1529 (1988), Appl. Phys. Lett. 55(17), 1777-1779 (1989), Appl. Phys. Lett. 58(20), 2291-2293 (1991). В качестве резонансно-туннельного диодного элемента использована структура из квантовых ям и барьеров, изготовленная на основе соединений GaAs/AlAs и InAs/AlAs. В качестве резонаторной системы использовались прямоугольные волноводные металлические резонаторы, размеры которых подбирались в соответствии с рабочей частотой генерации. При рабочей частоте ˜720 ГГц размеры резонатора составляли 0,030×0,015 см. Электрическая цепь выполнена с использованием подводящего вискерного контакта, что позволило существенно снизить паразитные параметры системы подключения диода. Мощность генерации, приближенно оцененная по данным измерений, составляла десятые доли микроватта. Частота генерации определяется приведенным импедансом электрической цепи на фундаментальной частоте, то есть приведенными параметрами самого диода (последовательное сопротивление, индуктивность, нелинейная емкость) и паразитными параметрами электрической системы подсоединения диода. В высокочастотном пределе определяющей является паразитная индуктивность системы включения диода в электрическую цепь. С целью улучшения параметров диодного элемента поперечные размеры диодной мезоструктуры уменьшались по мере перехода к наиболее высоким частотам вплоть до размеров менее двух микрон. Технологические трудности, связанные с изготовлением используемых в данной работе резонаторных систем закрытого типа, и ухудшение частотных характеристик ограничивают возможности их применения.

Широкое применение в сверхвысокочастотной электронике получили микрополосковые резонаторы, занимающие промежуточное положение между закрытыми резонаторными устройствами, применяемыми в микроволновой радиофизике, и резонаторами открытого типа, используемыми в оптике. Резонаторы этого типа более технологичны в изготовлении и допускают варьирование размеров в широких пределах без существенного удорожания их производства. Важно, что микрополосковые линии могут быть интегрированы в твердотельные и гибридные интегральные схемы с использованием стандартной тонкоплёночной технологии. Добротность таких микрополосковых резонаторов может быть сделана достаточно большой в высокочастотной области, в частности, за счет выбора геометрии резонатора. Пример такого высокодобротного микрополоскового резонатора приведен в работе "High Q resonator utilizing planar stuctures" by J.K.Gehrke (US Patent № 5825266). Другим путем повышения добротности является использование в качестве материала микрополоска высокотемпературных сверхпроводников. Пример таких резонаторов описан в работе "Stripline resonator using high-temperature superconductor components", Remillard et al. (United States Patent № 6021337). Толщина сверхпроводникового покрытия, наносимого на слой диэлектрика, в таком устройстве превышает один микрон и может достигать сотни микрон, что обеспечивает достаточное проникновение электромагнитной волны внутрь сверхпроводника. На высоких частотах применение таких линий ограничено рамками параметров диэлектрика, особенностями технологии и совместимости технологических методов при изготовлении различных элементов микрополоскового резонатора, требованием жестких допусков на размеры элементов, увеличением потерь и возникновением волн паразитных типов.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является генераторное устройство, описанное в работе A.A. Beloushkin, A.S. Ignatyev, A.L. Karuzskii, V.N. Murzin, A.V. Perestoronin, A.M. Tskhovrebov, "Microstrip Stabilized Semiconductor Asymmetrical Quantum Well Structure Generator for Millimeter and Submillimeter Wavelength Range", Superlattices and Microstructures, Vol.22, № 1, pp.19-23 (1997). Резонансно-туннельная диодная структура из двух барьеров и одной квантовой ямы (ширина ямы 4,0 нм, ширина барьеров 4,5 нм) изготовлена методом молекулярно-лучевой эпитаксии на основе соединений GaAs/AlAs на полуизолирующей подложке из GaAs. Структура включает спейсерные слои, препятствующие проникновению примесей в активную часть системы, копланарно вынесенные контакты, обеспечивающие минимальные времена задержки в области отрицательной дифференциальной проводимости, и контактные области сильно легированного материала с Cr/Au контактами, изготовленными вакуумным напылением на мезоструктуры с поперечным размером 10-25 мкм. Микрополосковый резонатор изготовлен в виде четвертьволновой микрополосковой линии с закороченным концом на основе диэлектрической пластины толщиной 1,5 мм (тефлон), на верхнюю и нижнюю плоскости которой нанесены металлические полоски из меди методом двухплоскостной металлизации. Поперечные и продольные размеры микрополоски составляли 2 мм и 70 мм. Подключение резонансно-туннельного диода к системе с резонатором осуществлено посредством коротких металлических проводников в конструкции, обеспечивающей наименьшие значения индуктивных и резистивных паразитных параметров. На этом устройстве получена микроволновая генерация при комнатной температуре (область частот 1-10 ГГц, мощность излучения 0,01-0,1 мВт).

Реальная эффективность микрополосковых резонаторов при переходе в коротковолновую область определяется в значительной степени хорошим согласованием с активным генераторным элементом. При раздельном изготовлении активного элемента и микрополоскового резонатора, как это имело место в рассмотренном случае, это условие труднодостижимо.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи расширения рабочего частотного диапазона твердотельных СВЧ-генераторов в сторону терагерцовых волн. Для достижения этого предлагается монолитно-интегрированная микрополосковая конструкция генераторного устройства, допускающая применение технологически совместимых методов молекулярно-лучевой и тонкопленочной эпитаксии, что обеспечивает минимальный уровень паразитных параметров и оптимальное волновое согласование в наиболее коротковолновой части спектра. Сочетание высокого быстродействия резонансно-туннельных диодов и возможности оптимального волнового согласования в системах с микрополосковым резонатором делает устройство перспективным для применения в микроэлектронике короткого миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.

Несмотря на исключительно малую инерционность электронных процессов в наноструктурах с резонансным туннелированием, переход в сторону наиболее высоких частот, соответствующих терагерцовому диапазону, чрезвычайно осложнен, главным образом, из-за значительных трудностей, возникающих при совершенствовании резонаторных систем закрытого типа (прямоугольные резонаторы и т.п.) и организации связи электронного прибора с внешним резонатором.

Применение резонаторных систем закрытого типа в области коротких миллиметровых и субмиллиметровых волн существенно сдерживается усложнением и удорожанием технологии их изготовления с уменьшением размеров, резким увеличением электрических потерь в металлических элементах и ухудшением частотных характеристик. Это значительно снижает уровень мощностей генерации в таких системах.

Микрополосковые резонаторы полуоткрытого типа, занимающие промежуточное место между закрытыми резонаторными устройствами, применяемыми в микроволновой радиофизике, и резонаторами открытого типа, используемыми в оптике, эффективны в области наиболее коротких волн. Вместе с тем, они характеризуются меньшей добротностью, и их реальная эффективность определяется, в конечном счете, возможностями хорошего согласования с активным электронным элементом. При раздельном изготовлении активного элемента и микрополоскового резонатора это требование труднодостижимо.

Таким образом, основные проблемы, требующие решения:

- Выбор оптимальной конструкции генератора электромагнитных волн с использованием быстродействующих квантоворазмерных полупроводниковых гетероструктур, обеспечивающей необходимые условия для работы в области миллиметровых и субмиллиметровых волн за счет наилучшего волнового согласования и уменьшения паразитной индуктивности и оптимизации других параметров электрической цепи и линий связи активного элемента и резонаторной системы.

- Обеспечение технологичности изготовления конструкции генераторного устройства с применением современных методов, в том числе методов фотолитографии, используемых в технологии изготовления квантоворазмерных полупроводниковых гетероструктур.

- Повышение точности изготовления всех составных частей генератора, включая элементы резонатора, необходимой при переходе в область коротких миллиметровых и субмиллиметровых волн.

- Поиск и разработка способов построения многоэлементных генераторов и возможностей тиражирования устройств с целью повышения мощности генерации и снижения стоимости изготовления.

- Развитие методов интегрирования твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона в качестве планарных элементов в полупроводниковые интегральные схемы.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения рабочего частотного диапазона твердотельных сверхвысокочастотных генераторов в сторону терагерцовых волн. Для достижения этого предлагается монолитно-интегрированная конструкция генераторного устройства, в которой активный элемент - резонансно-туннельный диод и пассивный элемент - микрополосковый резонатор выполнены в монолитно-интегрированном виде на общей подложке. Отсутствие в такой конструкции навесных элементов и электрических проводников, обеспечивающих связь резонатора с резонансно-туннельным диодом, позволяет: минимизировать паразитные параметры; достигнуть оптимального волнового согласования в наиболее коротковолновой части спектра; снизить габаритные размеры и вес; использовать данный элемент в монолитных интегральных схемах.

Сочетание указанных преимуществ делает данное устройство перспективным для применения в микроэлектронике короткого миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.

Монолитно интегрированная конструкция предлагаемого устройства обеспечивает расширение частотного диапазона в сторону терагерцовых частот в результате снижения уровня паразитной индуктивности и минимизации других паразитных параметров элементов связи резонансно-туннельного диода и СВЧ-резонатора.

Использование высокоточных фотолитографических методов при изготовлении всех составных частей генератора как единого целого, включая резонатор, обеспечивает необходимую при переходе в область субмиллиметровых волн более высокую точность исполнения элементов конструкции генератора, чем методы, применяемые при изготовлении СВЧ-схем в неинтегрированном виде.

Монолитно интегрированная конструкция генератора создает возможности разработки и изготовления многоэлементного устройства сверхвысокочастотного микрополоскового генератора с несколькими резонансно-туннельными диодами, включенными в общую микрополосковую линию на единой диэлектрической подложке, что открывает принципиальные возможности повышения мощности генерации и стабилизации частоты.

Предлагаемая конструкция устройства совместима с многоэлементными планарными системами и допускает его использование и включение в качестве элемента в монолитноинтегрированные интегральные схемы.

Отсутствие в конструкции устройства непланарных навесных элементов снижает габаритные размеры и вес. Совместимость технологических методов изготовления элементов генератора и возможность тиражирования устройства путем изготовления системы генераторов на единой подложке снижает общую стоимость генератора.

Изобретение поясняется на примерах осуществления, иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг.1 - изометрическая схема варианта микрополоскового стабилизированного резонансно-туннельного генератора коротковолнового миллиметрового диапазона.

Фиг.2 - схема варианта микрополоскового стабилизированного генератора с резонансно-туннельным диодом, микрополосковым резонатором и системой соединения элементов резонатора.

Фиг.3 - поперечное сечение активного элемента микрополоскового стабилизированного генератора на основе резонансно-туннельного диода с планарно-вынесенными контактами и системой подключения к микрополосковой линии.

На чертежах обозначено:

На фиг.1: RTD - резонансно-туннельный диод, MS - проводящая микрополосковая линия, SUBST - подложка гетероструктуры - диэлектрический слой микрополоскового резонатора, L и D - длина и ширина микрополоска, l₁ и l₂ - расстояние от конца микрополоска, соответственно, до бокового ответвления для соединения с резонансно-туннельным диодом и до второго бокового ответвления для вывода СВЧ-мощности, W - ширина концевых емкостных площадок микрополоска (одна из концевых площадок является вторым контактом соединения с резонансно-туннельным диодом), d - толщина диэлектрического слоя микрополоскового резонатора.

На фиг.2: 1 - резонансно-туннельный диод с планарно-вынесенными контактами, 2 - верхний проводящий микрополосок резонатора, 3 - нижний заземленный экран резонатора, 4 - диэлектрический слой микрополоскового резонатора, 5 - концевые емкостные площадки резонатора, 6 - боковое ответвление от микрополоска, обеспечивающее вывод СВЧ-излучения, 7 - боковое ответвление от микрополоска, обеспечивающее соединение с диодом, 8 - контактная площадка питания диода.

На фиг.3: 9 - резонансно-туннельная гетероструктура диода, 10 - подложка гетероструктуры, образующая диэлектрический слой резонатора, 11 - нижний заземленный экран резонатора, 12 - верхний контакт диодной структуры, 13 - планарно-вынесенный нижний контакт диода, 14 - контактная площадка питания диода, 15 - соединение диода с боковым ответвлением микрополоска резонатора, обеспечивающее соединение с диодом, 16 - омические контакты диодной гетероструктуры, 17 - легированный слой гетероструктуры и вынесенного планарного контакта диода, 18 - изолирующий слой, обеспечивающий электроизоляцию диодной гетероструктуры.

Микрополосковый генератор в оговоренном монолитно-интегрированном исполнении включает резонансно-туннельную диодную структуру с квантовыми ямами и барьерами, выращенную на полуизолирующей подложке из арсенида галлия, которая в то же время является диэлектрическим слоем микрополосковой линии. Оговоренная резонансно-туннельная структура и микрополосковые слои изготовлены в одном технологическом процессе, включающем выращивание слоев структуры методом молекулярной эпитаксии, фотолитографию для формирования мезоскопической диодной структуры и микрополосковых линий.

Представленный вариант устройства предназначен для работы в области частот ˜300 ГГц (длина волны 1 мм).

Резонансно-туннельный диод (фиг.3) изготовлен методом молекулярной эпитаксии с применением фотолитографии на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и включает спейсерные слои, препятствующие проникновению примесей в активную область структуры, копланарно вынесенные контакты, обеспечивающие минимальные времена задержки в области отрицательной дифференциальной проводимости, и контактные слои сильно легированного материала с Cr/Au контактами, сформированными вакуумным напылением на диодной мезоструктуре малого поперечного размера (менее 5 мкм).

Конструкция оговоренного микрополоскового резонатора (фиг.2) включает нанесенные на диэлектрический слой с обеих сторон металлические слои, выполняющие функции заземленного экрана и проводящей микрополосковой линии. Микрополосковая линия полуволнового типа выполнена в виде узкой проводящей дорожки, ограниченной с двух концов широкими квадратными площадками, которые исполняют роль короткозамыкающих СВЧ-элементов, а один из них является подводящим контактом питания резонансно-туннельного диода. Резонансно-туннельный диод включен между боковым ответвлением микрополоска и второй контактной площадкой питания резонансно-туннельного диода, имеющими треугольную форму в области соединения с целью снижения паразитной индуктивности линии соединения. Эта контактная площадка одновременно выполняет роль емкости фильтра питания. Боковое ответвление микрополоска размещено вблизи квадратной площадки первого контакта питания, что в режиме частичного включения резонансно-туннельного диода в СВЧ-резонатор обеспечивает оптимальную добротность резонатора. Генерируемая СВЧ-мощность снимается через выходное ответвление микрополоска, размещенное в противоположной стороне от квадратной площадки питания. Ширина микрополоска много меньше его длины. Длина микрополоска , где ε - высокочастотная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя микрополоскового резонатора. Для частоты 300 ГГц длина полоска L150 мкм (при ε=11). Другие параметры микрополоскового резонатора, обеспечивающие генерацию на основной гармонике, соответствуют условиям: D<<L, dD, D<<W, l₁<L/2, L/2<l₂<L.

Размер области активного элемента в данном примере составляет несколько микрон, что в сочетании с малой длиной соединений с резонансной системой значительно уменьшает паразитную индуктивность и повышает рабочую частоту устройства.

1. Микрополосковый стабилизированный резонансно-туннельный генератор электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, включающий полупроводниковый резонансно-туннельный диод, микрополосковый резонатор и систему соединительных линий и контактов, отличающийся тем, что резонансно-туннельный диод и микрополосковый резонатор выполнены в монолитно-интегрированном виде на общей подложке, которая представляет собой полупроводниковый кристалл, на одной стороне которого сформированы проводящие микрополосковые линии, а на другой - заземленный экран, а сам кристалл выполняет роль диэлектрической пластины микрополоскового резонатора.

2. Микрополосковый стабилизированный резонансно-туннельный генератор электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн по п.1, отличающийся тем, что несколько резонансно-туннельных диодов, соединенных микрополосковыми линиями, располагаются на одной подложке в конфигурации, обеспечивающей оптимальные фазовые соотношения.

3. Микрополосковый стабилизированный резонансно-туннельный генератор электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн по п.1 или 2, отличающийся тем, что проводящие элементы микрополоскового резонатора выполнены из сверхпроводящего материала.