LT7000B - Broadband high-frequency radiation generating/amplifying device based on quantum semiconductor superlattice - Google Patents
Broadband high-frequency radiation generating/amplifying device based on quantum semiconductor superlattice Download PDFInfo
- Publication number
- LT7000B LT7000B LT2021567A LT2021567A LT7000B LT 7000 B LT7000 B LT 7000B LT 2021567 A LT2021567 A LT 2021567A LT 2021567 A LT2021567 A LT 2021567A LT 7000 B LT7000 B LT 7000B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- superlattice
- electric field
- frequency
- electromagnetic wave
- excitation
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 239000003362 semiconductor superlattice Substances 0.000 title claims abstract description 9
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 39
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 25
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 21
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 21
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 6
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 9
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract description 4
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012995 silicone-based technology Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements with at least one potential jump barrier, e.g. PN, PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/15—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. multiple quantum wells, superlattices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B7/00—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes
- H03B7/12—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance
- H03B7/14—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance active element being semiconductor device
Abstract
Description
TECHNIKOS SRITISTECHNICAL FIELD
Šis išradimas priklauso kietakūnių aukšto dažnio spinduliuotę generuojančių / stiprinančių įrenginių projektavimo bei kūrimo sričiai ir gali būti naudojamas šių įrenginių ir jų sistemų projektavimui bei įterpimui, šių įrenginių panaudojimui aukšto dažnio stiprinimo / generacijos tikslams.This invention belongs to the field of design and development of solid-state high-frequency radiation generating/amplifying devices and can be used for the design and installation of these devices and their systems, and the use of these devices for high-frequency amplification/generation purposes.
TECHNIKOS LYGISSTATE OF THE ART
Vienas iš pagrindinių šiuolaikinės THz fizikos ir technologijos iššūkių yra kambario temperatūros aplinkoje veikiantys kompaktiški THz spinduliuotės šaltiniai, pasižymintys bent milivatų eilės emisijos galia. Siekiamybė yra sukurti mažus kietakūnius, ant lusto (on-chip) esančius šaltinius, kurie galėtų būti integruojami su difrakcinės optikos komponentais taip išvengiant ne tik didelių, pvz., vaizdinimo ar spektroskopinės sistemos matmenų, bet ir subtilaus optinio derinimo, kuris nėra patogus dirbant ne laboratorijos sąlygomis. Šiandien galima išskirti dvi pagrindines mokslinių tyrimų kryptis šiai problemai spręsti. Kadangi THz kvantiniai kaskadiniai lazeriai kambario temperatūros aplinkoje neveikia (aukščiausia pasiekta jų veikimo temperatūra yra 250 K (Khalatpour, A.; Paulsen, A.K.; Deimert, C.; Wasilewski, Z.R.; Hu, Q. High-power portable terahertz laser systems. Nature Photonics 2020, 14, 3003-3005), o galia ties 246 K yra apie 200 mikrovatų, reikia ieškoti kitų būdų ar fizikinių mechanizmų kaip tai galima padaryti. Kambario temperatūros aplinkoje veikia taip vadinami intracavity mixing THz kvantiniai kaskadiniai lazeriai - dviejų galingų, kambario temperatūros aplinkoje veikiančių infraraudonojo ruožo kvantinių kaskadinių lazerių spinduliuotė (kurių emisijos dažnių skirtumas yra THz dažnių ruože) yra „maišoma“ kvantiniame šulinyje, kuris turi dirbtinai sukurtą stiprų netiesiškumą ties rezonansiniu THz dažniu (dėl antros eilės poliarizuojamumo ksi(2)). Tokiomis savybėmis pasižymintis kvantinis šulinys yra užaugintas tarp kaupinančių infraraudonosios srities lazerių (Belkin, M.A.; Capasso, F.; Belyanin, A.; Sivco, D.L.; Cho, A. Y.; Oakley, D.C.; Vineis, C. J.; Turner, G.W. Terahertz quantum-cascade-laser source based on intracavity difference-frequency generation. Nature Photonics 2007, 1, 288-292). Naudojant tokią dizaino schemą, buvo pasiektas santykinai platus spektrinio ruožo suderinamumas - nuo 2,6 iki 4,2 THz (Lu, Q.Y.; Slivken, S.; Bandyopadhyay, N.; Bai, Y.; Razeghi, M. Widely tunable room temperature semiconductor terahertz source. Applied Physics Letters 2014, 105, 201102), kuris gerai galėtų tikti tiek multispektriniam THz vaizdinimui, tiek ir spektroskopijai. Pasiektos galios ties 3,6 THz gali siekti 1,4 mW lazeriui veikiant impulsiniu režimu. (Lu, Q.Y.; Bandyopadhyay, N.; Slivken, S.; Bai, Y.; Razeghi, M. Continuous operation of a monolithic semiconductor terahertz source at room temperature. Applied Physics Letters 2014, 104, 221105). Tačiau dėl stipriai legiruotų struktūrų, reikalingų lazerių modai suspausti ir dėl čia pasireiškiančios didelės sugerties laisvaisiais krūvininkais, sunku pasiekti generacijas žemesnio dažnio ruože - kol kas žemiausia skelbta vertė yra 1,9 THz, o spinduliuojama galia siekia 110 mikrovatų. (Kim, J.H.; Jung, S.; Jiang, Y.; Fujita, K.; Hitaka, M.; Ito, A.; Edamura, T.; Belkin, M.A. Double-metal waveguide terahertz difference-frequency generation quantum cascade lasers with surface grating outcouplers. Applied Physics Letters 2018, 113, 161102).One of the main challenges of modern THz physics and technology is room-temperature compact THz radiation sources with at least milliwatt emission power. The goal is to create small solid-state, on-chip sources that could be integrated with diffractive optics components, thus avoiding not only the large dimensions of, e.g., imaging or spectroscopic systems, but also delicate optical tuning, which is not convenient when working outside under laboratory conditions. Today, two main directions of scientific research can be distinguished to solve this problem. Because THz quantum cascade lasers do not operate at room temperature (the highest operating temperature reached is 250 K (Khalatpour, A.; Paulsen, A.K.; Deimert, C.; Wasilewski, Z.R.; Hu, Q. High-power portable terahertz laser systems. Nature Photonics 2020, 14, 3003-3005), and the power at 246 K is about 200 microwatts, it is necessary to look for other ways or physical mechanisms to do this. The so-called intracavity mixing THz quantum cascade lasers operate in the room temperature environment - two powerful, room temperature the radiation of ambient infrared quantum cascade lasers (whose emission frequency difference is in the THz frequency range) is "stirred" in a quantum well, which has an artificially created strong nonlinearity at the resonant THz frequency (due to the second-order polarizability ksi(2)). well is grown between accumulating infrared lasers (Belkin, M.A.; Capasso, F.; Belyanin, A.; Sivco, D.L.; Cho, A.Y.; Oakley, D.C.; Vineis, C.J.; Turner, G.W. Terahertz quantum-cascade-laser source based on intracavity difference-frequency generation. Nature Photonics 2007, 1, 288-292). Using such a design scheme, a relatively wide tunability of the spectral range from 2.6 to 4.2 THz was achieved (Lu, Q.Y.; Slivken, S.; Bandyopadhyay, N.; Bai, Y.; Razeghi, M. Widely tunable room temperature semiconductor terahertz source. Applied Physics Letters 2014, 105, 201102), which could be well suited for both multispectral THz imaging and spectroscopy. The achieved powers at 3.6 THz can reach 1.4 mW when the laser is operated in pulsed mode. (Lu, Q.Y.; Bandyopadhyay, N.; Slivken, S.; Bai, Y.; Razeghi, M. Continuous operation of a monolithic semiconductor terahertz source at room temperature. Applied Physics Letters 2014, 104, 221105). However, due to the heavily doped structures required to compress the laser mode and the high absorption by free carriers, it is difficult to achieve generations in the lower frequency range - so far the lowest published value is 1.9 THz, and the radiated power reaches 110 microwatts. (Kim, J.H.; Jung, S.; Jiang, Y.; Fujita, K.; Hitaka, M.; Ito, A.; Edamura, T.; Belkin, M.A. Double-metal waveguide terahertz difference-frequency generation quantum cascade lasers with surface grating outcouplers. Applied Physics Letters 2018, 113, 161102).
Kitas sprendimo būdas - naudoti THz elektronines sistemas, kuriamas CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technologijos pagrindu (Hillger, P.; Grzyb, J.; Jain, R.; Pfeiffer, U.R. Terahertz Imaging and Sensing Applications With Silicon-Based Technologies. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 2019, 9, 1-19). Tai yra kompaktiškos THz spinduliuotės šaltinių ir detektorių sistemos, kurios veikia „raudonajame“ THz dažnio ruožo sparne daugiausia iki 1,3 THz, o galios ties šiuo dažniu siekia keletą mikrovatų. Optimaliausias tokių CMOS sistemų veikimo ruožas - iki 430 GHz, pasiekiant galias iki 100 mikrovatų. SiGe technologija teikia vilčių pasiekti panašios eilės galias, tačiau gerokai aukštesniuose, iki 1 THz dažniuose (ibid.).Another solution is to use THz electronic systems based on CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology (Hillger, P.; Grzyb, J.; Jain, R.; Pfeiffer, U.R. Terahertz Imaging and Sensing Applications With Silicon-Based Technologies. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 2019, 9, 1-19). These are compact THz radiation source and detector systems that operate in the "red" wing of the THz frequency range, mostly up to 1.3 THz, with powers at this frequency reaching several microwatts. The optimal operating range of such CMOS systems is up to 430 GHz, reaching powers up to 100 microwatts. SiGe technology promises to achieve powers of a similar order, but at much higher frequencies, up to 1 THz (ibid.).
Iki šiol nebuvo pasiektas pakankamas lygmuo, kad žinomi prietaisai galėtų būti realizuoti praktiniams pritaikymams. Tokių kietakūnių prietaisų naudojimas aukšto dažnio signalo stiprinimui realioje aplinkoje (pvz., kambario temperatūroje), su stiprinimo lygiu, pakankamu praktinio taikymo tikslams, nėra žinomas.So far, a sufficient level has not been reached for the known devices to be realized for practical applications. The use of such solid-state devices for high-frequency signal amplification in a real environment (eg, room temperature) with a gain level sufficient for practical application purposes is not known.
SPRENDŽIAMA TECHNINĖ PROBLEMATECHNICAL PROBLEM SOLVED
Išradimu, siekiama išplėsti aukšto dažnio (GHz-THz ruožo) spinduliuotę generuojančio / stiprinančio įrenginio panaudojimo sritis, suteikiant galimybę taikyti tokius įrenginius realioje (kambario temperatūros) aplinkoje, būti patalpintais ant puslaidininkinio lusto (on-chip) bei užtikrinant stiprinimo lygį, pakankamą praktinio taikymo tikslams.The invention aims to expand the areas of use of high-frequency (GHz-THz range) radiation generating/amplifying device, enabling the application of such devices in a real (room temperature) environment, being placed on a semiconductor chip (on-chip) and ensuring a level of amplification sufficient for practical application. purposes.
IŠRADIMO ESMĖS ATSKLEIDIMASDISCLOSURE OF THE ESSENCE OF THE INVENTION
Pagal pasiūlytą išradimą plačiajuostis aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles apima:According to the proposed invention, a broadband high-frequency radiation generating/amplifying device using semiconductor superlattices includes:
- supergardelę - periodinę struktūrą, sudarytą bent iš dviejų skirtingų medžiagų sluoksnių;- superlattice - a periodic structure consisting of at least two layers of different materials;
- pirmąjį papildomą įtaisą, skirtą kintamo žadinančio elektrinio lauko generacijai bei įvesčiai į minėtą supergardelę išilgai supergardeles ašiai;- the first additional device for the generation and input of an alternating exciting electric field to the said superlattice along the axis of the superlattice;
- antrąjį papildomą įtaisą, skirtą vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko įvesčiai j minėtą supergardelę išilgai supergardeles ašiai.- the second additional device for introducing a homogeneous (constant) electric field into said superlattice along the axis of the superlattice.
Supergardelė yra kvantinių duobių puslaidininkinė supergardelė, užtikrinanti energijos minijuostos atsiradimą ir yra sudaryta iš pasikartojančios ne mažiau nei 10 kartų, geriau 30 kartų ir daugiau dvisluoksnės struktūros, kur sluoksniai sudaryti iš skirtingų puslaidininkinių medžiagų, užtikrinančių energijos minijuostos atsiradimą. Minėta supergardelė yra sukonfigūruota minėtos išvesties elektromagnetinės bangos, jos harmonikų, subharmonikų ir trupmeninių dažnių išvesčiai.The superlattice is a quantum well semiconductor superlattice that ensures the appearance of an energy miniband and is composed of a double-layer structure repeated at least 10 times, preferably 30 times and more, where the layers are made of different semiconductor materials that ensure the appearance of an energy miniband. Said superlattice is configured to output said output electromagnetic wave, its harmonics, subharmonics and fractional frequencies.
Supergardelė yra subkritiškai legiruota. Legiravimo lygis yra parenkamas pagal Kroemer kriterijaus vertę. Viršutinė minėtos supergardeles veikimo dažninė riba yra nustatoma pagal Bloch dažnio vertę.The superlattice is subcritically doped. The doping level is selected according to the value of the Kroemer criterion. The upper frequency limit of the operation of the mentioned superlattice is determined by the value of the Bloch frequency.
Pirmasis papildomas įtaisas apima:The first additional device includes:
- šaltinį, skirtą generuoti pasirenkamo dažnio žadinančią elektromagnetinę bangą;- a source for generating an exciting electromagnetic wave of a selectable frequency;
- įvesties įtaisą, skirtą minėtai žadinančiai elektromagnetinei bangai įvesti j minėtą supergardelę, kad supergardelėje būtų sugeneruotas minėtas kintamas žadinantis elektrinis laukas.- an input device for introducing said excitation electromagnetic wave into said superlattice to generate said alternating excitation electric field in the superlattice.
Minėtas pirmasis papildomas įtaisas, skirtas minėtos žadinančios elektromagnetinės bangos įvesčiai j supergardelę, išilgai minėtos supergardeles ašiai, yra įrengtas ant minėtos supergardeles.Said first additional device for inputting said excitation electromagnetic wave into the superlattice along the axis of said superlattice is arranged on said superlattice.
Antrasis papildomas įtaisas, skirtas minėto vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko įvesčiai j minėtą supergardelę taip pridedant nuolatinę įtampą ant supergardelės, siekiant užtikrinti krūvininkų neigiamą diferencialinį laidumą minėtoje supergardelėje ir užtikrinant, kad minėtas kintamas žadinantis elektrinis laukas generuotų supergardelėje lėtą, geriau bent 1000 kartų lėtesnę už šviesos greitį, išilginę elektrinio erdvinio krūvio bangą išilgai supergardelės ašiai, kuri, savo ruožtu, generuos minėtą išvesties elektromagnetinę bangą. Antras papildomas įtaisas sukonstruotas atitikti plačiajuostės spinduliuotės stiprinimo sąlygas, geriau naudojant neominius kontaktus.A second additional device for inputting said uniform (constant) electric field to said superlattice thereby adding a DC voltage to the superlattice to ensure negative differential conduction of charge carriers in said superlattice and ensuring that said alternating exciting electric field generates a slow, preferably at least 1000 times slower than the speed of light by extending the electric space charge wave along the superlattice axis, which will, in turn, generate the aforementioned output electromagnetic wave. The second additional device is designed to meet broadband radiation amplification conditions, preferably using neomic contacts.
Minėto kintamo žadinančio elektrinio lauko ir minėto vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko parametrai yra parenkami taip, kad minėtoji išvesties elektromagnetinė banga būtų sudaryta iš minėto kintamo žadinančio elektrinio lauko harmonikų, subharmonikų ir (arba) trupmeninių jo dažnių. Minėto žadinančio elektromagnetinio lauko arba laukų dažnis atitinka mikrobangų arba THz dažnių ruožą. Minėto kintamo žadinančio elektrinio lauko ir minėto vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko vertės stipriai viršija minėtų kritinių elektrinio lauko stiprių vertes, apskaičiuotas minėtai supergardelei.The parameters of said alternating excitation electric field and said homogeneous (constant) electric field are selected so that said output electromagnetic wave is composed of harmonics, subharmonics and/or fractional frequencies of said alternating excitation electric field. The frequency of said excitation electromagnetic field or fields corresponds to the microwave or THz frequency range. The values of the said alternating excitation electric field and the said homogeneous (constant) electric field strongly exceed the values of the said critical electric field strengths calculated for the said superlattice.
įrenginys gali būti naudojamas kambario temperatūros aplinkoje. Įrenginys užtikrina 10, geriau 100, dar geriau 1000 kartų spinduliuotės stiprinimą, kas reiškia, kad minėta išvesties elektromagnetinė banga yra 10, geriau 100, dar geriau 1000 kartų galingesnė už minėtą žadinančią elektromagnetinę bangą. Naudojant lėtosios šviesos koncepciją, minėta elektromagnetinė arba išilginė elektrostatinės bangos struktūroje, užtikrina reikšmingą, geriau 1000x minėto įvedamo žadinančio elektromagnetinio lauko galios stiprinimą.the device can be used in a room temperature environment. The device provides a radiation amplification of 10, preferably 100, even more preferably 1000 times, which means that said output electromagnetic wave is 10, preferably 100, even more preferably 1000 times more powerful than said excitation electromagnetic wave. Using the concept of slow light, said electromagnetic or longitudinal in the electrostatic wave structure provides a significant, preferably 1000x power amplification of said introduced excitation electromagnetic field.
IŠRADIMO NAUDINGUMASUTILITY OF THE INVENTION
Išradime panaudojant naujo principo (paremto kvantinės optoelektronikos principais - Esaki-Tsu netiesiškumu supergardelėje) bei tipo (puslaidininkinės kvantinės struktūros ir atitinkamo dizaino injektuojantys kontaktai) leidžia sukurti kompaktišką plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantį / stiprinantį įrenginį.In the invention, the use of a new principle (based on the principles of quantum optoelectronics - Esaki-Tsu nonlinearity in the superlattice) and type (semiconductor quantum structure and injection contacts of the appropriate design) allows for the creation of a compact broadband high-frequency radiation generating/amplifying device.
Pagal išradimą pasiūlytas naujo tipo kompaktiškas plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys gali būti patalpintas ant puslaidininkinio lusto (on-chip). Jis yra plačiajuostis ir gali veikti tiek GHz, tiek ir THz dažnių ruože (GHz-THz, nuo kelių GHz iki THz; aukštesnio dažnio ribojimas yra nusakomas taip vadinamo ribinio Blocho dažnio, kuris priklauso nuo supergardelės dizaino, t. y. nuo minijuostos pločio). Jo veikimas remiasi kvantinės optoelektronikos principais (Esaki-Tsu netiesiškumu supergardelėje), panaudojant puslaidininkines kvantines struktūras ir atitinkamo dizaino (aprašyto žemiau) injektuojančius (neominius) kontaktus. Išradimas suteikia galimybę praktinių GHz-THz dažnių ruožo taikymų realizacijoms realios veikos (pvz., kambario temperatūros) aplinkoje su praktiniams taikymams pakankamu stiprinimo lygiu (išvesties elektromagnetinė banga yra 10, geriau 100, dar geriau 1000 kartų galingesnė už naudojamą žadinančią elektromagnetinę bangą).According to the invention, a new type of compact broadband high-frequency radiation generating/amplifying device can be placed on a semiconductor chip (on-chip). It is broadband and can operate in both GHz and THz frequency ranges (GHz-THz, from several GHz to THz; the higher frequency limitation is defined by the so-called Bloch cut-off frequency, which depends on the design of the superlattice, i.e. the width of the miniband). Its operation is based on the principles of quantum optoelectronics (Esaki-Tsu nonlinearity in a superlattice) using semiconductor quantum structures and injection (neomic) contacts of appropriate design (described below). The invention enables the realization of practical applications of the GHz-THz frequency range in a real operating (eg room temperature) environment with a gain level sufficient for practical applications (the output electromagnetic wave is 10, preferably 100, even better 1000 times more powerful than the used excitation electromagnetic wave).
TRUMPAS BRĖŽINIŲ APRAŠYMASBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Fig. 1 pavaizduotas įrenginys, skirtas elektromagnetinės bangos generacijai / stiprinimui ir išvesčiai, panaudojant dvisluoksnę supergardelę.Fig. 1 shows a device for electromagnetic wave generation/amplification and output using a double layer superlattice.
Fig. 2 pavaizduotas įrenginys, skirtas elektromagnetinės bangos generacijai / stiprinimui ir išvesčiai panaudojant besikartojančią dvisluoksnę supergardelę.Fig. 2 shows a device for electromagnetic wave generation/amplification and output using a repeating double layer superlattice.
IŠRADIMO REALIZAVIMO PAVYZDŽIAIEXAMPLES OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Fig. 1 pavaizduotas plačiajuostis aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys 1, skirtas generuoti išvesties elektromagnetinę bangą 2, apimantis supergardelę 3, iš skirtingų puslaidininkinių medžiagų dviejų sluoksnių (kvantinė duobė ir atitinkamas kvantinis barjeras) struktūros. įrenginyje numatytas pirmas papildomas įtaisas 4, skirtas kintamo žadinančio elektrinio lauko 5 įvesčiai j minėtą supergardelę 3 (išilgai supergardelės ašiai 6, kur gardelė 3 yra pritaikyta minėtos išvesties elektromagnetinės bangos 2 išvesčiai). Taip pat numatytas antras papildomas įtaisas 7, skirtas vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko 8 įvesčiai į minėtą supergardelę 3 išilgai supergardelės ašiai 6.Fig. 1 shows a broadband high-frequency radiation generating/amplifying device 1 for generating an output electromagnetic wave 2 comprising a superlattice 3 from a two-layer (quantum well and corresponding quantum barrier) structure of different semiconductor materials. the device provides a first additional device 4 for the input of the alternating excitation electric field 5 to the said superlattice 3 (along the superlattice axis 6, where the lattice 3 is adapted to the output 2 of the said output electromagnetic wave). A second additional device 7 is also provided for introducing a homogeneous (constant) electric field 8 into said superlattice 3 along the axis 6 of the superlattice.
Fig. 2 pavaizduotas įrenginys, turi analogišką konstrukciją pavaizduotą Fig. 1, skiriasi tik jo kvantinė puslaidininkinė supergardelė, kuri sudaryta iš besikartojančios dvisluoksnės (kvantinė duobė ir atitinkamas kvantinis barjeras) struktūros 9, kuri užtikrina energijos minijuostos atsiradimą išilgai supergardelės ašiai 6.Fig. The device shown in 2 has an analogous construction to that shown in Fig. 1, differs only in its quantum semiconductor superlattice, which is composed of a repeating bilayer (quantum well and corresponding quantum barrier) structure 9, which ensures the appearance of an energy miniband along the axis 6 of the superlattice.
Pagal pasiūlytą išradimą pateikiamas miniatiūrinis GHz-THz dažnių ruožo kietakūnis parametrinis aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, veikiantis kambario temperatūros aplinkoje. Minėtas kietakūnis aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis įrenginys, efektyviai veikiantis kaip stiprintuvas, yra pagrįstas kvantine supergardele, panaudojant subkritiškai legiruotą GaAs/AIGaAs supergardelę, kuri veikiama vienalyčio (pastovaus) ir kintamo žadinančio (nustatomo bangos ilgio) elektrinių laukų. Minimo įrenginio išeigoje stebima žadinančio signalo harmonikų, subharmonikų ir trupmeninių harmonikų spinduliuotė. Panašiomis savybėmis pasižymi Moire supergardelės iš bisluoksnio grafeno.According to the proposed invention, a miniature GHz-THz range solid-state parametric high-frequency radiation generating/amplifying device operating in a room temperature environment is provided. The aforementioned solid-state high-frequency radiation generating device, effectively acting as an amplifier, is based on a quantum superlattice using a subcritically doped GaAs/AIGaAs superlattice that is subjected to uniform (constant) and variable excitation (wavelength) electric fields. The emission of harmonics, subharmonics and fractional harmonics of the exciting signal is observed at the output of the mentioned device. Moire superlattices from bilayer graphene have similar properties.
Šis išradimas patvirtinamas eksperimento metu stebėtų mikrobanginės spinduliuotės stiprinimu minėtoje sistemoje, kas suteikia patobulintą teorinį šių įrenginių veikimo principų suvokimą (įskaitant modelius, tinkamus šių sistemų parametrų bei veikimo sąlygų nustatymui, užtikrinančius mikrobangų spinduliuotės stiprinimo realizacijos galimybę kambario temperatūros aplinkoje) ir pastebėjimą, kad gautas mikrobanginės spinduliuotės stiprinimas atitinka disipacinį parametrinį spinduliuotės stiprinimą.This invention is confirmed by the amplification of microwave radiation observed during the experiment in the mentioned system, which provides an improved theoretical understanding of the principles of operation of these devices (including models suitable for determining the parameters and operating conditions of these systems, ensuring the possibility of realization of microwave radiation amplification in a room temperature environment) and the observation that the obtained microwave the radiative gain corresponds to the dissipative parametric radiative gain.
įrenginio veikimo principasprinciple of operation of the device
Paveikus įrenginio supergardelę (3, 9) tinkamai parinktu pastoviu (vienalyčiu) elektriniu lauku 8, kuris yra generuojamas ir nukreipiamas išilgai supergardelės ašiai 6 antruoju papildomu įtaisu 7 bei paveikus supergardelę (3, 9) tinkamai parinktu žadinančiu elektriniu lauku 5, kuris yra generuojamas ir nukreipiamas išilgai supergardelės ašiai 6 pirmuoju papildomu įtaisu 4, įvyksta krūvininkų injekcija į supergardelės struktūrą (3, 9) ir krūvininkai minėtoje ir (arba) minėti krūvininkai minėtoje supergardelėje (3, 9) patenka į neigiamą diferencialinio laidumo sritį. Tinkamai supergardelėje parinktas minėtas kintamas žadinantis elektrinis laukas 5 užtikrina, kad minėti krūvininkai sudaro išilginę elektrinio erdvinio krūvio bangą (išilgai supergardelės ašiai 6. Be to, veikiant vienalyčiui (pastoviam) elektriniam laukui 8 susidaro teigiamos grįžtamojo ryšio sąlygos plačiajuostės spinduliuotės stiprinimui per parametrinio stiprinimo procesus.After affecting the superlattice (3, 9) of the device with a properly selected constant (homogeneous) electric field 8, which is generated and directed along the axis of the superlattice 6 by the second additional device 7, and after affecting the superlattice (3, 9) with a properly selected exciting electric field 5, which is generated and is directed along the superlattice axis 6 by the first additional device 4, an injection of charge carriers into the superlattice structure (3, 9) occurs and the charge carriers in said and/or said charge carriers in said superlattice (3, 9) enter the negative differential conductivity region. The above-mentioned variable excitation electric field 5, properly chosen in the superlattice, ensures that the above-mentioned charge carriers form a longitudinal electric spatial charge wave (along the axis of the superlattice 6. In addition, under the influence of a homogeneous (constant) electric field 8, positive feedback conditions are created for the amplification of broadband radiation through parametric amplification processes.
Įrenginio 1, apimančio supergardelę (3, 9), kuri yra optimizuota minėtos išvesties elektromagnetinės bangos 2 išvesčiai, veikimo principas paremtas minėto pasirenkamo dažnio kintamo žadinančio elektrinio lauko 5 nukreipimu išilgai supergardelės ašiai, vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko 8 taikymu išilgai supergardelės ašiai, kur įrenginio 1 parametrai ir minėto kintamo žadinančio elektrinio lauko 5 bei minėto vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko 8 parametrai parenkami taip, kad užtikrintų minėtos išvesties elektromagnetinės bangos 2 (sudarytos iš daugybės žadinančios elektromagnetinės bangos harmonikų, subharmonikų ir (ar) trupmeninių dažnių komponenčių) generaciją, atitinkančią parametrinio stiprinimo procesą.The principle of operation of the device 1, comprising a superlattice (3, 9), which is optimized for the output of said output electromagnetic wave 2, is based on directing said selectable frequency variable excitation electric field 5 along the axis of the superlattice, applying a uniform (constant) electric field 8 along the axis of the superlattice, where the parameters of the device 1 and the parameters of the said alternating excitation electric field 5 and the said homogeneous (constant) electric field 8 are selected in such a way as to ensure the generation of the said output electromagnetic wave 2 (consisting of many harmonics, subharmonics and/or fractional frequency components of the excitation electromagnetic wave), corresponding to the parametric amplification process.
Konkrečiau, įrenginio 1, apimančio supergardelę (3, 9), kuri yra optimizuota minėtos išvesties elektromagnetinės bangos išvesčiai, veikimo principas paremtas minėto (pasirenkamo dažnio) kintamo žadinančio elektrinio lauko 5 nukreipimu išilgai supergardelės ašiai 6, minėto vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko 8 taikymu išilgai supergardelės ašiai 6, kur įrenginio 1 parametrai ir minėto kintamo žadinančio elektrinio lauko 5 bei minėto vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko 8 parametrai parenkami taip, kad supergardelėje (3, 9) susidarytų lėta (pageidautina 1000 kartų lėtesnė už šviesos greitį) išilginė elektrinio erdvinio krūvio banga (išilgai supergardelės ašiai), kuri užtikrina minėtos išvesties elektromagnetinės bangos 2 generaciją.More specifically, the operating principle of the device 1 comprising a superlattice (3, 9) which is optimized for the output of said output electromagnetic wave is based on directing said (selectable frequency) variable exciting electric field 5 along the superlattice axis 6, applying said uniform (constant) electric field 8 along the axis of the superlattice 6, where the parameters of the device 1 and the parameters of the said alternating exciting electric field 5 and the said homogeneous (constant) electric field 8 are selected so that a slow (preferably 1000 times slower than the speed of light) longitudinal electric spatial is formed in the superlattice (3, 9) charge wave (along the superlattice axis) which ensures the 2nd generation of the said output electromagnetic wave.
Šis išradimas atskleidžia aukšto dažnio spinduliuotės parametrinio stiprinimo koncepciją, konkrečiau - disipacinio parametrinio stiprinimo mechanizmo, paremto neigiamo diferencinio laidumo atsiradimu.This invention discloses the concept of parametric amplification of high-frequency radiation, more specifically, a dissipative parametric amplification mechanism based on the appearance of negative differential conductance.
Šis išradimas pateikia supergardelę, esančią tarp dviejų minimas sąlygas atitinkančių kontaktų; konkrečiai pateiktu atveju, AIGaAs/GaAs supergardelė su AuTi Schottky kontaktu iš viršaus ir heterostruktūra iš apačios. Tokia supergardelės ir kontaktų struktūra yra papildomai paruošta žadinančiosios elektromagnetinės bangos įvesčiai. Konkrečiai pateiktu atveju, struktūra buvo talpinama ant vienbriaunio bangolaidžio ilgesniosios kraštinės. Pabrėžiamas neominių kontaktų naudojimo svarbumas.The present invention provides a superlattice between two contacts meeting said conditions; in the particular case presented, an AIGaAs/GaAs superlattice with an AuTi Schottky contact on top and a heterostructure on the bottom. Such a superlattice and contact structure is additionally prepared for the input of the excitation electromagnetic wave. In the particular case presented, the structure was placed on the longer edge of a single-edge waveguide. The importance of using neomic contacts is emphasized.
Nagrinėjamose kvantinėse puslaidininkinėse supergardelėse, energijos minijuostos plotis yra valdomas heterostruktūros dizainu ir užtikrina minijuostos elektronų aukšto dažnio osciliacijų, sukeltų Braggo atspindžiais, atsiradimo galimybę. Pridėto pastovaus lauko sukeltos Blocho osciliacijos ir elektronų dreifas, kuris netiesiškai priklauso nuo pridėto elektrinio lauko stiprio, apsprendžia neigiamą diferencialinį greitį virš tam tikro kritinio elektrinio lauko stiprio. Šis taip vadinamas Esaki-Tsu netiesiškumas užtikrina efektyvų mikrobangų spinduliuotės stiprinimą kvantinių supergardelių pagrindu pagamintose dariniuose.In the considered quantum semiconductor superlattices, the width of the energy miniband is controlled by the heterostructure design and ensures the possibility of high-frequency oscillations of miniband electrons caused by Bragg reflections. Bloch oscillations induced by the added constant field and electron drift, which depends nonlinearly on the strength of the added electric field, determine the negative differential velocity above a certain critical electric field strength. This so-called Esaki-Tsu nonlinearity ensures efficient amplification of microwave radiation in structures based on quantum superlattices.
Šiuo išradimu pateikiamas įrenginys, pasižymintis disipaciniu parametriniu stiprinimu, be aukščiau minėtų sąlygų išpildžius vienalyčio elektrinio lauko struktūros viduje reikalavimą, kurį galima pasiekti pasirenkant tinkamą legiravimo lygį, iš esmės užtikrinantį atitikimą Kroemer kriterijui.The present invention provides a device characterized by dissipative parametric amplification, in addition to the above conditions, by fulfilling the requirement of a homogeneous electric field inside the structure, which can be achieved by choosing a suitable level of doping, essentially ensuring compliance with the Kroemer criterion.
Šiuo išradimu pateikiamos kompiuteriu arba kompiuterio pagalba atliekamos minėto įrenginio struktūros nustatymo metodikos, kurios yra paremtos fizikiniais modeliais ir yra skirtos minėtų fizikinių fenomenų modeliavimui. Šie modeliai yra naudojami minėto įrenginio parametrų (pvz., legiravimo lygis) ir veikimo sąlygų nustatymui (pvz., minimali reikalinga nuolatinė įtampa) ieškant optimalios šių parametrų kombinacijos, užtikrinančios parametrinio stiprinimo procesus įrenginyje.The present invention provides computer or computer-aided methods for determining the structure of the aforementioned device, which are based on physical models and are intended for the simulation of the aforementioned physical phenomena. These models are used to determine the parameters (e.g., doping level) and operating conditions (e.g., minimum required DC voltage) of said device in search of the optimal combination of these parameters to ensure parametric amplification processes in the device.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2021567A LT7000B (en) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | Broadband high-frequency radiation generating/amplifying device based on quantum semiconductor superlattice |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2021567A LT7000B (en) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | Broadband high-frequency radiation generating/amplifying device based on quantum semiconductor superlattice |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2021567A LT2021567A (en) | 2023-05-10 |
| LT7000B true LT7000B (en) | 2023-06-12 |
Family
ID=80121653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2021567A LT7000B (en) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | Broadband high-frequency radiation generating/amplifying device based on quantum semiconductor superlattice |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT7000B (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0759640A1 (en) * | 1995-08-17 | 1997-02-26 | Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik | Semiconductor superlattice oscillator and methods of manufacturing and operating the same |
| US7170085B2 (en) * | 2003-08-18 | 2007-01-30 | Stevens Institute Of Technology | Frequency selective terahertz radiation detector |
-
2021
- 2021-10-27 LT LT2021567A patent/LT7000B/en unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0759640A1 (en) * | 1995-08-17 | 1997-02-26 | Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik | Semiconductor superlattice oscillator and methods of manufacturing and operating the same |
| US7170085B2 (en) * | 2003-08-18 | 2007-01-30 | Stevens Institute Of Technology | Frequency selective terahertz radiation detector |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| APOSTOLOS APOSTOLAKIS ET AL: "Controlling the harmonic conversion efficiency in semiconductor superlattices by interface roughness design", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 9 January 2019 (2019-01-09), XP081012852 * |
| HYART T ET AL: "Possible THz Bloch gain in dc-ac-driven superlattices", MICROELECTRONICS JOURNAL, MACKINTOSH PUBLICATIONS LTD. LUTON, GB, vol. 40, no. 4-5, 1 April 2009 (2009-04-01), pages 719 - 721, XP026038649, ISSN: 0026-2692, [retrieved on 20081231], DOI: 10.1016/J.MEJO.2008.11.038 * |
| TIMO HYART ET AL: "Bloch gain in dc-ac-driven semiconductor superlattices in the absence of electric domains", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 19 December 2007 (2007-12-19), XP080342974, DOI: 10.1103/PHYSREVB.77.165330 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| LT2021567A (en) | 2023-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6169614B2 (en) | Photoconductive device having a plasmon electrode | |
| Yadav et al. | Terahertz light-emitting graphene-channel transistor toward single-mode lasing | |
| Gallerano et al. | Overview of terahertz radiation sources | |
| Lu et al. | Widely tuned room temperature terahertz quantum cascade laser sources based on difference-frequency generation | |
| JP2014158254A (en) | Electromagnetic wave generating element and detection element | |
| Zhou et al. | Ridge width effect on comb operation in terahertz quantum cascade lasers | |
| Liu et al. | High efficiency and high power continuous-wave semiconductor terahertz lasers at∼ 3.1 THz | |
| JP5268090B2 (en) | Electromagnetic radiation element | |
| Ito | Breakthroughs in photonics 2013: Terahertz wave photonics | |
| Faist et al. | Terahertz quantum cascade lasers | |
| LT7000B (en) | Broadband high-frequency radiation generating/amplifying device based on quantum semiconductor superlattice | |
| Shafraniuk | Unconventional electromagnetic properties of the graphene quantum dots | |
| JP6829517B2 (en) | Infrared light element | |
| Vizbaras et al. | Short‐wavelength InP quantum cascade laser sources by quasi‐phase‐matched intracavity second‐harmonic generation | |
| Razeghi | Terahertz emitters at Center for Quantum Devices: recent advances and future trends | |
| Yousefvand | Modeling and theoretical study of electronic anti-Stokes Raman scattering in quantum cascade lasers | |
| Rasulova et al. | Terahertz emission from a weakly-coupled GaAs/AlGaAs superlattice biased into three different modes of current self-oscillations | |
| Khalatpour | New frontiers in THz quantum cascade lasers | |
| Sokół et al. | Numerical study of VECSELs for generation of mid-infrared radiation | |
| Lee | Continuous-wave terahertz sources and detectors | |
| JAIDL et al. | Towards Broadband Terahertz Quantum Cascade Ring Laser Frequency Combs | |
| Cho et al. | Upper limits on terahertz difference frequency generation power in quantum well heterostructures | |
| Zhang et al. | A Survey of Recent Patents on THz Radiation Sources | |
| Minkevičius et al. | Discrete spectrum terahertz imaging using bow-tie diodes: Optimized antenna designs and arrays | |
| Kazemi-Tesieh et al. | Inversionless terahertz lasing in a four-level Raman-type scheme within mid-infrared quantum cascade structures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20230510 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20230612 |