RU2787544C1

RU2787544C1 - Transient-time diode with distributed inductive capacitance compensation for terahertz radiation generation

Info

Publication number: RU2787544C1
Application number: RU2022115288A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Вьюрков; Владимир Федорович Лукичев; Андрей Валерьевич Мяконьких; Александр Евгеньевич Рогожин; Константин Васильевич Руденко; Дмитрий Александрович Свинцов; Юрий Федорович Семин; Николай Анатольевич Симонов
Filing date: 2022-06-07
Publication date: 2023-01-10

Abstract

FIELD: micro- and nanoelectronics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of micro- and nanoelectronics and can be used for the manufacture of generators in the terahertz frequency range with a power of 1 mW or more. A transient-time diode for generating terahertz radiation is proposed, consisting of a semiconductor substrate with two heavily doped regions and metal contacts deposited on them, between which there is an undoped transient slot, in which sections with an increased slot width are included, and next to each extended slot section is located shunting capacitive jumper connecting the metal contacts of the transit diode.

EFFECT: ensuring stable generation of terahertz radiation, improving the matching of the transit diode with the antenna, and increasing the generation power.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может быть использовано для изготовления генераторов терагерцового диапазона частот с мощностью 1 мВт и более.The invention relates to the field of micro- and nanoelectronics and can be used for the manufacture of generators in the terahertz frequency range with a power of 1 mW or more.

В диапазоне терагерцовых частот происходит резкое снижение мощности генерации как оптических, так и электронных устройств [1]. Таким образом, создание эффективных источников и детекторов терагерцового диапазона, работающих преимущественно при комнатной температуре, является сложной и актуальной задачей. Возможным путем решения этой задачи является предложение авторами [2 - 4] нового метода генерации в терагерцовом диапазоне с использованием нанометровых твердотельных пролетных структур на основе тонких слоев кремния или массива кремниевых нанопроволок для генерации и регистрации терагерцового излучения. Преимущество таких структур состоит в том, что они могут быть изготовлены с использованием современной планарной кремниевой технологии. Для реализации устройства были разработаны и продемонстрированы ключевые технологии, которые позволяют формировать нанометровые структуры, связанные с антенной, для вывода и/или детектирования терагерцового излучения. Несомненным достоинством такой структуры является и ее способность обеспечить мощность излучения 1-10 мВт, что важно для практических применений. Возможность генерации терагерцового излучения позволяет в дальнейшем называть такие структуры активными.In the terahertz frequency range, there is a sharp decrease in the generation power of both optical and electronic devices [1]. Thus, the creation of efficient sources and detectors in the terahertz range, operating mainly at room temperature, is a complex and urgent task. A possible way to solve this problem is the proposal by the authors of [2–4] of a new generation method in the terahertz range using nanometer solid span structures based on thin silicon layers or an array of silicon nanowires for generating and recording terahertz radiation. The advantage of such structures is that they can be fabricated using modern planar silicon technology. To implement the device, key technologies have been developed and demonstrated that allow the formation of nanometer structures associated with an antenna for the output and/or detection of terahertz radiation. An undoubted advantage of such a structure is its ability to provide a radiation power of 1–10 mW, which is important for practical applications. The possibility of generating terahertz radiation makes it possible to call such structures active in what follows.

Описание предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения дается ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых цифрами обозначены: 1 - области сильного легирования, накрытые металлическими контактами; 2 - нелегированная пролетная щель; 3 - расширенные участки щели. выполняющие роль индуктивных окон; 4 - шунтирующие емкостные перемычки.A description of a preferred embodiment of the present invention is given below with reference to the accompanying drawings, in which the numbers indicate: 1 - areas of heavy alloying, covered with metal contacts; 2 - unalloyed span gap; 3 - extended sections of the gap. acting as inductive windows; 4 - shunt capacitive jumpers.

На Фиг. 1 представлены рассчитанные активная ReY и реактивная ImY части адмиттанса пролетной щели, нормированные на статическое значение адмиттанса Y₀ (статической дифференциальной проводимости),

- круговая частота,

- время пролета.On FIG. Figure 1 shows the calculated active ReY and reactive ImY parts of the transit slot admittance, normalized to the static value of the admittance Y ₀ (static differential conductivity),

- circular frequency,

- flight time.

На Фиг. 2 показана структура пролетного диода, состоящая из полупроводниковой подложки с двумя областями сильного легирования и нанесенными на них металлическими контактами, между которыми находится нелегированная пролетная щель.On FIG. Figure 2 shows the structure of a transient diode, which consists of a semiconductor substrate with two heavily doped regions and metal contacts deposited on them, between which there is an undoped transient gap.

На Фиг. 3 представлен пролётный диод с индуктивной компенсацией емкости, в пролетную щель которого включены участки с увеличенной шириной щели и рядом с каждым расширенным участком щели расположена шунтирующая емкостная перемычка, соединяющая металлические контакты пролетного диода.On FIG. Fig. 3 shows a transit diode with inductive capacitance compensation, in the transit gap of which sections with an increased slot width are included, and next to each expanded section of the slot there is a shunt capacitive jumper connecting the metal contacts of the transit diode.

На Фиг. 4 показан пролётный диод с распределенной индуктивной компенсацией емкости отдельных участков пролетной щели.On FIG. 4 shows a transit diode with distributed inductive compensation of the capacitance of individual sections of the transit gap.

На Фиг. 5 представлен пролётный диод с распределенной индуктивной компенсацией емкости отдельных участков пролетной щели, выполненной в виде меандра.On FIG. 5 shows a transit diode with distributed inductive compensation of the capacitance of individual sections of the span gap, made in the form of a meander.

На Фиг. 6 представлена эквивалентная схема распределенной компенсации с обозначениями: ttd - адмиттанс - участка пролетной щели Y(ω); Cs - емкость контактов пролетной щели; Lc - индуктивность компенсации; C1 - емкость шунтирующей емкостной перемычки; M - индуктивная связь между соседними индуктивностями Lc.On FIG. 6 shows an equivalent circuit of distributed compensation with the notation: ttd - admittance - area of the span gap Y(ω); Cs is the capacitance of the span gap contacts; Lc - compensation inductance; C1 - capacitance of the shunt capacitive jumper; M - inductive connection between adjacent inductances Lc.

Важнейшим свойством активной структуры для генерации с круговой частотой ω является наличие отрицательной активной проводимости

адмиттанса

структуры в линейном режиме (Фиг. 1). Расчет представленных зависимостей выполнялся с учетом режима насыщения дрейфовой скорости. Для кремния скорость насыщения v_S=10⁷ см/с, что и задает ширину пролетной щели приблизительно равную 100 нм для генерации на терагерцовой частоте. Области с отрицательной проводимостью ReY(ω) < 0 определяют диапазоны частот, на которых может происходить генерация. В этом случае система выделяет энергию колебаний, черпая её из энергии приложенного постоянного напряжения. Отрицательная проводимость в пролетных структурах возникает на частотах, обратных времени пролета и кратных ему.The most important property of the active structure for generation with circular frequency ω is the presence of negative active conductivity

admittance

structures in linear mode (Fig. 1). The calculation of the presented dependences was carried out taking into account the drift velocity saturation mode. For silicon, the saturation rate is v _S =10 ⁷ cm/s, which sets the transit gap width approximately equal to 100 nm for generation at the terahertz frequency. Regions with negative conductivity ReY(ω) < 0 determine the frequency ranges at which generation can occur. In this case, the system releases vibrational energy, drawing it from the energy of the applied DC voltage. Negative conductivity in transient structures occurs at frequencies reciprocal of the time of flight and multiples of it.

В работе [3] была рассмотрена переменная термоэмиссионная инжекция: напряжение на пролетной щели изменяет высоту потенциального барьера у одного из контактов, что приводит к изменению потока электронов, влетающих в пролетную щель из этого контакта. Сам потенциальный барьер возникает из-за натекания электронов из контактов в пролетную щель. Высота барьера зависит от степени легирования контактов: расчет показывает, что для ширины щели 100 нм при степени легирования контактов 10²⁰ см^-3 высота барьера составляет 0,25 эВ, а при степени легирования 10¹⁹ см^-3 - 0,15 эВ. Сравнительно малая высота барьера обусловливает протекание достаточного тока в структуре для обеспечения требуемой мощности генерации.Variable thermionic injection was considered in [3]: the voltage across the transit slot changes the height of the potential barrier at one of the contacts, which leads to a change in the flux of electrons flying into the transit slot from this contact. The potential barrier itself arises due to the leakage of electrons from the contacts into the transit gap. The barrier height depends on the degree of doping of the contacts: the calculation shows that for a gap width of 100 nm with a doping degree of contacts of 10 ²⁰ cm ^-3 , the barrier height is 0.25 eV, and with a doping degree of 10 ¹⁹ cm ^-3 - 0.15 eV. The relatively low barrier height causes sufficient current to flow in the structure to provide the required generation power.

Теория микроволновых генераторов, работающих на эффекте отрицательного сопротивления активного элемента, хорошо разработана и описана в литературе [5]. Условием возникновения колебаний амплитудой

в системе, включающей активную структуру и присоединенную к ней нагрузку, например антенну, для комплексных импедансов структуры

и нагрузки

является соотношение [5]The theory of microwave generators operating on the effect of the negative resistance of an active element is well developed and described in the literature [5]. The condition for the occurrence of oscillations with amplitude

in a system including an active structure and a load connected to it, such as an antenna, for the complex impedances of the structure

and loads

is the relation [5]

.

Отметим, что это условие выполняется в некотором диапазоне частот, а в установившемся режиме частота колебаний

определяется условиямиNote that this condition is satisfied in a certain frequency range, and in the steady state, the oscillation frequency

determined by the conditions

,

.

При этом максимальная мощность излучения может быть достигнута при In this case, the maximum radiation power can be achieved at

.

Структура пролетного диода запитывается постоянным напряжением, высокочастотные колебания тока выводятся на антенну. К сожалению, пролетная щель в структуре диода (Фиг. 2) из-за очень малой ее ширины, около 100 нм, обладает емкостью, которая на терагерцовых частотах вносит большое изменение в адмиттанс нагрузки, что препятствует выводу мощности колебаний на антенну или в волновод. Важно отметить, что аналогичные трудности имеют место для всех твердотельных структур.The structure of the transit diode is powered by a constant voltage, high-frequency current oscillations are output to the antenna. Unfortunately, the span gap in the diode structure (Fig. 2), due to its very small width, about 100 nm, has a capacitance that introduces a large change in the load admittance at terahertz frequencies, which prevents the oscillation power from being output to the antenna or to the waveguide. It is important to note that similar difficulties exist for all solid structures.

Емкость щели может быть оценена по модели щелевой линии, расчет параметров которой имеется во многих программах электромагнитного моделирования. С помощью таких программ можно расcчитать характеристический импеданс

и волновое число

щелевой линии, а ее погонную емкость

и погонную индуктивность

можно оценить из следующих равенств, привлекая модель длинной линии:The slot capacitance can be estimated from the slot line model, the calculation of the parameters of which is available in many electromagnetic simulation programs. With the help of such programs, it is possible to calculate the characteristic impedance

and wave number

slot line, and its linear capacity

and linear inductance

can be estimated from the following equalities using the long line model:

,

Оценка емкости щелевой линии шириной 100 нм и длиной 100 мкм дает ~ 0,04 пФ, что на частоте 1 ТГц соответствует импедансу, мнимая часть которого равна 4 Ом. Это должно приводить к сильному шунтированию входного импеданса нагрузки. Для компенсации влияния этой емкости можно подключать индуктивности параллельно емкости щели.An estimate of the capacitance of a slot line 100 nm wide and 100 µm long gives ~0.04 pF, which at a frequency of 1 THz corresponds to an impedance whose imaginary part is equal to 4 Ω. This should lead to a strong shunt of the load input impedance. To compensate for the effect of this capacitance, inductors can be connected in parallel with the gap capacitance.

Предлагаемое нами решение данной проблемы заключается в том, что в качестве таких индуктивностей можно использовать уширенные участки щели, при этом рядом с каждым расширенным участком щели расположена шунтирующая емкостная перемычка, соединяющая металлические контакты пролетного диода, как это представлено на Фиг. 3. Шунтирующая емкостная перемычка представляет собой металлическую полоску, соединяющую внахлест металлические контакты пролетного диода над пролетной щелью, при этом один край перемычки лежит непосредственно на одном металлическом контакте диода, а другой край отделен от второго металлического контакта диода слоем диэлектрика, что обеспечивает емкостную природу контакта. Такая структура перемычки вполне осуществима с помощью планарной кремниевой технологии. Шунтирующие емкостные перемычки препятствуют закоротке структуры на постоянном токе и обеспечивают протекание переменного тока, в результате чего участки с увеличенной шириной щели играют роль индуктивных элементов, нагруженных на щель. Расчеты показывают, что для компенсации емкости диодных контактов пролетной щели длиной 30 мкм требуемый размер индуктивного участка составляет 5 мкм х 15 мкм.Our proposed solution to this problem lies in the fact that such inductances can be used as widened sections of the slot, while next to each widened section of the slot there is a shunt capacitive jumper connecting the metal contacts of the transit diode, as shown in Fig. 3. The shunt capacitive jumper is a metal strip that overlaps the metal contacts of the transient diode over the transient slot, while one edge of the jumper lies directly on one metal contact of the diode, and the other edge is separated from the second metal contact of the diode by a dielectric layer, which ensures the capacitive nature of the contact . Such a jumper structure is quite feasible using planar silicon technology. Shunt capacitive jumpers prevent short circuiting of the structure at direct current and ensure the flow of alternating current, as a result of which sections with an increased slot width play the role of inductive elements loaded on the slot. Calculations show that to compensate for the capacitance of the diode contacts of a 30 µm span gap, the required size of the inductive section is 5 µm x 15 µm.

Увеличить мощность излучения можно, увеличивая длину пролетной щели, однако при этом вырастет и ее емкость. Кроме того, на частотах 1 ТГц и выше пролетная щель приобретает свойства структуры с распределенными параметрами при длине щели более 50 мкм. Это приводит к тому, что простая схема индуктивной компенсации, показанная на Фиг. 3, становится неэффективной. Проблема может быть решена с помощью предлагаемого нами метода «распределенной индуктивной компенсации», принцип которого изображен на Фиг. 4. Суть этого метода состоит в том, что длинная пролетная щель разбивается на несколько относительно коротких участков, которые имеют свойства сосредоточенных элементов, и производится индуктивная компенсация отдельно каждого элемента. Таким образом, можно достичь распределенной компенсации емкости щели практически любой длины. It is possible to increase the radiation power by increasing the length of the span gap, but in this case, its capacitance will also increase. In addition, at frequencies of 1 THz and higher, the transit slot acquires the properties of a structure with distributed parameters at a slot length of more than 50 μm. This results in the simple inductive compensation circuit shown in FIG. 3 becomes ineffective. The problem can be solved using our proposed method of "distributed inductive compensation", the principle of which is shown in Fig. 4. The essence of this method is that a long span gap is divided into several relatively short sections that have the properties of lumped elements, and inductive compensation is performed separately for each element. Thus, it is possible to achieve distributed capacitance compensation for slots of almost any length.

Предельная длина прямолинейной щели активной структуры ограничена размерами полупроводниковой подложки, что, в свою очередь, ограничивает мощность излучения терагерцового генератора. Для увеличения мощности генерации предлагается формировать активную структуру в форме меандра или более развитой двухмерной структуры, как это показано на Фиг. 5. Активная структура в форме меандра позволяет увеличить мощность генерации за счет увеличения длины пролетной щели, не выходя при этом за пределы выделенной площади полупроводниковой подложки.The limiting length of the rectilinear slot of the active structure is limited by the size of the semiconductor substrate, which, in turn, limits the radiation power of the terahertz generator. To increase the generation power, it is proposed to form an active structure in the form of a meander or a more developed two-dimensional structure, as shown in Fig. 5. The meander-shaped active structure makes it possible to increase the generation power by increasing the length of the span gap, without going beyond the allocated area of the semiconductor substrate.

Для анализа условий синхронизации отдельных отрезков активной структуры, емкость которых скомпенсирована индуктивностями, рассмотрим эквивалентную схему, изображенную на Фиг. 6, которая соответствует колебаниям на частоте генерации. На схеме отдельные участки активной структуры обозначены символом ttd, емкости щели - Cs, компенсирующие индуктивности - Lc, емкости шунтирующих емкостных перемычек - C1, а индуктивная связь между Lc-элементами - M. Воспользуемся уравнением Адлера [6] и получим следующее отношение для условия синхронизации отдельных активных структур:To analyze the synchronization conditions for individual segments of the active structure, the capacitance of which is compensated by inductances, consider the equivalent circuit shown in Fig. 6, which corresponds to oscillations at the generation frequency. In the diagram, individual sections of the active structure are indicated by the symbol ttd, the slot capacitances are Cs, the compensating inductances are Lc, the capacitances of the shunt capacitive jumpers are C1, and the inductive coupling between the Lc-elements is M. Let us use the Adler equation [6] and obtain the following relation for the synchronization condition individual active structures:

Здесь

- добротность системы, нагруженной на антенну, и включающую активную структуру, емкость щели и компенсирующие индуктивности;

- круговая частота генерации;

- разброс локальных круговых частот генерации отдельных генерирующих элементов относительно центральной частоты

. Заметим, что полученное соотношение учитывает связь каждого участка активной структуры с двумя соседними участками. Это соотношение позволяет выбирать оптимальное разделение пролетной щели на отдельные отрезки, содержащие пролетные участки и расширенные участки щели с прилегающими шунтирующими емкостными перемычками, выполняющие роль компенсирующих индуктивностей.Here

- quality factor of the system loaded on the antenna, and including the active structure, slot capacitance and compensating inductances;

- circular frequency of generation;

- dispersion of local circular frequencies of generation of individual generating elements relative to the central frequency

. Note that the relation obtained takes into account the connection of each section of the active structure with two neighboring sections. This ratio allows you to choose the optimal division of the span slot into separate segments containing span sections and extended sections of the slot with adjacent shunt capacitive jumpers that act as compensating inductances.

Предложенный пролётный диод для генерации терагерцового излучения с распределенной индуктивной компенсацией емкости обеспечивает хорошее согласование диода с антенной и существенно увеличенную мощность генерации терагерцового излучения.The proposed transit diode for generating terahertz radiation with distributed inductive capacitance compensation ensures good matching of the diode with the antenna and a significantly increased power of generating terahertz radiation.

Источники информацииSources of information

1. S.S. Dhillon, M.S. Vitiello, E.H. Linfield, E.H. et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 043001 (2017). 1.S.S. Dhillon, M.S. Vitiello, E.H. Linfield, E.H. et al., J. Phys. D:Appl. Phys. 50, 043001 (2017).

2. Fedichkin, L. and V’yurkov, V., Quantum ballistic channel as an ultrahigh frequency generator, Appl. Phys. Lett., 1994, vol. 64, pp. 2535-2536.2. Fedichkin, L. and V'yurkov, V., Quantum ballistic channel as an ultrahigh frequency generator, Appl. Phys. Lett., 1994, vol. 64, pp. 2535-2536.

3. V. Vyurkov, A. Miakonkikh, A. Rogozhin, M. Rudenko, K. Rudenko, and V. Lukichev. “Barrier-injection transit-time diodes and transistors for terahertz generation and detection”. Proc. SPIE, 11022, pp. 1102202, 2019.3. V. Vyurkov, A. Miakonkikh, A. Rogozhin, M. Rudenko, K. Rudenko, and V. Lukichev. “Barrier-injection transit-time diodes and transistors for terahertz generation and detection”. Proc. SPIE, 11022, pp. 1102202, 2019.

4. V. Vyurkov, I. Semenikhin, K. Rudenko, and V. Lukichev. “Transit-time diodes and transistors with variable injection for generation and detection of THz radiation”. ITM Web of Conferences, EDP Sciences, 30, pp. 08001, 2019.4. V. Vyurkov, I. Semenikhin, K. Rudenko, and V. Lukichev. “Transit-time diodes and transistors with variable injection for generation and detection of THz radiation”. ITM Web of Conferences, EDP Sciences, 30, pp. 08001, 2019.

5. G. Gonzalez, Microwave transistor amplifiers analysis and design. Prentice-Hall, Inc., 1996. 5. G. Gonzalez, Microwave transistor amplifiers analysis and design. Prentice-Hall, Inc., 1996.

6. R. Adler, A study of locking phenomena in oscillators // Proc. IEEE. 1973. V. 61. № 10. P. 1380. 6. R. Adler, A study of locking phenomena in oscillators, Proc. IEEE. 1973. V. 61. No. 10. P. 1380.

7. K. Kurokawa, Injection locking of microwave solid-state oscillators // Proc. IEEE. 1973. V. 61. № 10. P. 1386.7. K. Kurokawa, Injection locking of microwave solid-state oscillators, Proc. IEEE. 1973. V. 61. No. 10. P. 1386.

8. Razavi, Behzad. "A study of injection locking and pulling in oscillators." IEEE journal of solid-state circuits 39.9 (2004): 1415-1424.8. Razavi, Behzad. "A study of injection locking and pulling in oscillators." IEEE journal of solid-state circuits 39.9 (2004): 1415-1424.

9. М.А. Дунаева, "Связанные генераторы субмиллиметрового диапазона." Радиотехника и электроника, 2015, том 60, № 1, с. 61-71.9. M.A. Dunaeva, "Coupled submillimeter range oscillators." Radio engineering and electronics, 2015, volume 60, no. 1, p. 61-71.

10. Arenas, A., Díaz-Guilera, A., Kurths, J., Moreno, Y. and Zhou, C., 2008. Synchronization in complex networks. Physics reports, 469(3), pp.93-153.10. Arenas, A., Díaz-Guilera, A., Kurths, J., Moreno, Y. and Zhou, C., 2008. Synchronization in complex networks. Physics reports, 469(3), pp.93-153.

Claims

Fig. 1. Transient diode with distributed inductive capacitance compensation for generating radiation in the terahertz range, consisting of a semiconductor substrate with two heavily doped regions and metal contacts deposited on them, between which there is an undoped transient slot, which includes sections with an increased slot width and next to each expanded section of the slot is a shunting capacitive jumper connecting the metal contacts of the transit diode.

2. A transit diode with distributed inductive capacitance compensation for generating radiation in the terahertz range according to claim 1, characterized in that the transit slot is in the form of a meander or a more developed two-dimensional figure, which ensures more efficient use of the semiconductor substrate area and an increase in the generation power of terahertz radiation by increasing the total length of the span gap.