LT7000B - Plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles - Google Patents
Plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles 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 having potential barriers, e.g. having a PN or 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 specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
Šis išradimas priklauso kietakūnių aukšto dažnio spinduliuotę generuojančių / stiprinančių prietaisų projektavimo bei kūrimo sričiai. Pasiūlytame išradime panaudojamas kvantinės optoelektronikos Esaki-Tsu netiesiškumo supergardelėje principas bei puslaidininkinės kvantinės struktūros ir atitinkamo dizaino injektuojantys kontaktai leidžia sukurti kompaktišką plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantį / stiprinantį įrenginį, kuris gali būti patalpintas ant puslaidininkinio lusto (on-chip). Jis yra plačiajuostis ir gali veikti nuo kelių GHz iki THz. Aukštesnio dažnio ribojimas yra nusakomas ribinio Blocho dažnio, kuris priklauso nuo supergardelės dizaino, t. y. nuo minijuostos pločio. Išradimas suteikia galimybę praktinių GHz–THz dažnių ruožo taikymų realizacijoms realios veikos, pavyzdžiui kambario temperatūros aplinkoje su praktiniams taikymams pakankamu stiprinimo lygiu.
Description
TECHNIKOS SRITIS
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.
TECHNIKOS LYGIS
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).
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.).
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.
SPRENDŽIAMA TECHNINĖ PROBLEMA
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.
IŠRADIMO ESMĖS ATSKLEIDIMAS
Pagal pasiūlytą išradimą plačiajuostis aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles apima:
- supergardelę - periodinę struktūrą, sudarytą bent iš dviejų skirtingų medžiagų sluoksnių;
- pirmąjį papildomą įtaisą, skirtą kintamo žadinančio elektrinio lauko generacijai bei įvesčiai į minėtą supergardelę išilgai supergardeles ašiai;
- antrąjį papildomą įtaisą, skirtą vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko įvesčiai j minėtą supergardelę išilgai supergardeles ašiai.
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.
Supergardelė yra subkritiškai legiruota. Legiravimo lygis yra parenkamas pagal Kroemer kriterijaus vertę. Viršutinė minėtos supergardeles veikimo dažninė riba yra nustatoma pagal Bloch dažnio vertę.
Pirmasis papildomas įtaisas apima:
- šaltinį, skirtą generuoti pasirenkamo dažnio žadinančią elektromagnetinę bangą;
- įvesties įtaisą, skirtą minėtai žadinančiai elektromagnetinei bangai įvesti j minėtą supergardelę, kad supergardelėje būtų sugeneruotas minėtas kintamas žadinantis elektrinis laukas.
Minėtas pirmasis papildomas įtaisas, skirtas minėtos žadinančios elektromagnetinės bangos įvesčiai j supergardelę, išilgai minėtos supergardeles ašiai, yra įrengtas ant minėtos supergardeles.
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.
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.
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.
IŠRADIMO NAUDINGUMAS
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.
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).
TRUMPAS BRĖŽINIŲ APRAŠYMAS
Fig. 1 pavaizduotas įrenginys, skirtas elektromagnetinės bangos generacijai / stiprinimui ir išvesčiai, panaudojant dvisluoksnę supergardelę.
Fig. 2 pavaizduotas įrenginys, skirtas elektromagnetinės bangos generacijai / stiprinimui ir išvesčiai panaudojant besikartojančią dvisluoksnę supergardelę.
IŠRADIMO REALIZAVIMO PAVYZDŽIAI
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. 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.
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.
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.
įrenginio veikimo principas
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.
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.
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.
Šis išradimas atskleidžia aukšto dažnio spinduliuotės parametrinio stiprinimo koncepciją, konkrečiau - disipacinio parametrinio stiprinimo mechanizmo, paremto neigiamo diferencinio laidumo atsiradimu.
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.
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.
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.
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.
Claims (15)
- Plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad apima: - supergardelę – periodinę struktūrą, sudarytą bent iš dviejų skirtingų medžiagų sluoksnių; - pirmąjį papildomą įtaisą, skirtą kintamo žadinančio elektrinio lauko generacijai bei įvesčiai į minėtą supergardelę išilgai supergardelės ašiai, kur minėta supergardelė yra sukonfigūruota išvesties elektromagnetinės bangos, jos harmonikų, subharmonikų ir trupmeninių dažnių išvesčiai; - antrąjį papildomą įtaisą, skirtą vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko įvesčiai į minėtą supergardelę išilgai supergardelės ašiai, siekiant užtikrinti minėtų krūvininkų neigiamą diferencinį 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; - 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.
- Įrenginys pagal 1 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėtas pirmasis papildomas įtaisas apima: - šaltinį, skirtą generuoti pasirenkamo dažnio žadinančią elektromagnetinę bangą; - įvesties įtaisą, skirtą minėtai žadinančiai elektromagnetinei bangai įvesti į minėtą supergardelę, kad supergardelėje būtų sugeneruotas minėtas kintamas žadinantis elektrinis laukas.
- Įrenginys pagal 1 arba 2 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėtas antrasis papildomas įtaisas, skirtas pridėti nuolatinę įtampą ant supergardelės.
- Įrenginys pagal bet kurį iš 1–3 punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad antras papildomas įtaisas sukonstruotas atitikti plačiajuostės spinduliuotės stiprinimo sąlygas, geriau naudojant neominius kontaktus.
- Įrenginys pagal 2 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėtas pirmasis papildomas įtaisas, skirtas minėtos žadinančios elektromagnetinės bangos įvesčiai į supergardelę, išilgai minėtos supergardelės ašiai, yra įrengtas ant minėtos supergardelės.
- Įrenginys pagal bet kurį iš ankstesnių punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad supergardelė yra kvantinių duobių puslaidininkinė supergardelė, užtikrinanti energijos minijuostos atsiradimą.
- Įrenginys pagal bet kurį iš ankstesnių punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad supergardelė, yra sudaryta iš pasikartojančios ne mažiau nei 10 kartų, geriau 30 kartų ir daugiau dvisluoksnės struktūros, kur sluoksniai sudaryti iš skirtingų puslaidininkinių medžiagų, užtikrinančios energijos minijuostos atsiradimą.
- Įrenginys pagal bet kurį iš ankstesnių punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad viršutinė minėtos supergardelės veikimo dažninė riba yra nustatoma pagal Bloch dažnio vertę.
- Įrenginys pagal bet kurį iš ankstesnių punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad supergardelė yra subkritiškai legiruota.
- Įrenginys pagal bet kurį iš ankstesnių punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad legiravimo lygis yra parenkamas pagal Kroemer kriterijaus vertę.
- Įrenginys pagal bet kurį iš ankstesnių punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėto žadinančio elektromagnetinio lauko arba laukų dažnis atitinka mikrobangų arba THz dažnių ruožą.
- Įrenginys pagal 11 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad įrenginys gali būti naudojamas kambario temperatūros aplinkoje.
- Įrenginys pagal 11 arba 12 punktą, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad minėto kintamo žadinančio elektrinio lauko ir minėto vienalyčio (pastovaus) elektrinio lauko stiprių vertės viršija minėtų kritinių elektrinio lauko stiprių vertes, apskaičiuotas minėtai supergardelei.
- Įrenginys pagal bet kurį iš ankstesnių punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad spinduliuotės stiprinimas yra 10, geriau 100, dar geriau 1000 kartų, kas reiškia, kad minėta išvesties elektromagnetinė banga yra 10, geriau 100, dar geriau 1000 kartų galingesnė už minėtą žadinančią elektromagnetinę bangą.
- Įrenginys pagal bet kurį iš ankstesnių punktų, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad naudojant lėtosios šviesos koncepciją, minėta elektromagnetinė arba išilginė elektrostatinės bangos struktūroje, užtikrina reikšmingą, geriau 1000x minėto įvedamo žadinančio elektromagnetinio lauko galios stiprinimą.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2021567A LT7000B (lt) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | Plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LT2021567A LT7000B (lt) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | Plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LT2021567A LT2021567A (lt) | 2023-05-10 |
| LT7000B true LT7000B (lt) | 2023-06-12 |
Family
ID=80121653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LT2021567A LT7000B (lt) | 2021-10-27 | 2021-10-27 | Plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| LT (1) | LT7000B (lt) |
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/lt 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 (lt) | 2023-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6169614B2 (ja) | プラズモン電極を有する光伝導装置 | |
| Yadav et al. | Terahertz light-emitting graphene-channel transistor toward single-mode lasing | |
| CN101730961A (zh) | 用于产生太赫兹辐射的方法和设备 | |
| JP2014158254A (ja) | 電磁波発生素子及び検出素子 | |
| 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 (ja) | 電磁波放射素子 | |
| Ito | Breakthroughs in photonics 2013: Terahertz wave photonics | |
| Faist et al. | Terahertz quantum cascade lasers | |
| LT7000B (lt) | Plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles | |
| Shafraniuk | Unconventional electromagnetic properties of the graphene quantum dots | |
| JP6829517B2 (ja) | 赤外光素子 | |
| 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 | |
| Brown et al. | Optical-heterodyne generation in low-temperature-grown GaAs up to 1.2 THz | |
| Lee | Continuous-wave terahertz sources and detectors | |
| Razeghi | Toward realizing high power semiconductor terahertz laser sources at room temperature | |
| 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 | |
| Krakofsky et al. | Continuous-wave terahertz difference-frequency generation from intersubband polaritonic metasurface | |
| Jagtap et al. | Internally Integrated Active-Type Patch Antenna for Semiconductor Superlattice THz Oscillators |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Patent application published |
Effective date: 20230510 |
|
| FG9A | Patent granted |
Effective date: 20230612 |