RU158770U1

RU158770U1 - THz Radiation Detector

Info

Publication number: RU158770U1
Application number: RU2015139260/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Ильич Егоркин; Валерий Евгеньевич Земляков; Сергей Юрьевич Шаповал; Денис Михайлович Ермолаев
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2016-01-20

Abstract

Детектор терагерцового излучения на основе полевого транзистора с решеточным затвором, отличающийся тем, что он имеет полупроводниковое сопротивление, включенное между затворной шиной и затворной решеткой.A terahertz radiation detector based on a field-effect transistor with an array gate, characterized in that it has a semiconductor resistance connected between the gate bus and the gate array.

Description

Настоящая полезная модель относится к приборам, детектирующим излучение в терагерцовом диапазоне частот, а именно детектор терагерцового излучения на основе полевого транзистора.The present utility model relates to devices that detect radiation in the terahertz frequency range, namely a terahertz radiation detector based on a field effect transistor.

В патенте США №7420225 описывается детектор терагерцового излучения представляющий собой полевой транзистор сформированный на полупроводниковой подложке, состоящей из гетероструктуры с двумерным электронным газом в канале между стоком и истоком транзистора, и периодического решеточного затвора из множества пальцев над каналом транзистора. Один из пальцев решеточного затвора управляется отдельно от остальной решетки. То есть, для управления каналом используются два независимых напряжения и, управляя одним пальцем можно локально создавать условия для отсечки канала транзистора. Под управляемым пальцем плотность носителей уменьшается, путем подачи соответствующего напряжения на него до состояния близкого к отсечке канала, таким образом, увеличивая температурный коэффициент сопротивления устройства dR_DS/dT, где R_DS - сопротивление канала транзистора, T - температура. При освещении структуры ТГц излучением разогревается двумерный электронный газ и с увеличением коэффициента dR_DS/dT получаем более высокий отклик фотопроводимости или фотоЭДС, по сравнению с детектором, не имеющим отдельно управляемого пальца. Наличие двух управляющих напряжений значительно ухудшает помехозащищенность устройства, наводимые по цепям питания паразитные сигналы будут довольно велики.US Pat. No. 7,420,225 describes a terahertz radiation detector, which is a field-effect transistor formed on a semiconductor substrate consisting of a heterostructure with a two-dimensional electron gas in the channel between the drain and the source of the transistor, and a periodic grating of many fingers above the channel of the transistor. One of the fingers of the grill shutter is controlled separately from the rest of the grill. That is, two independent voltages are used to control the channel, and by controlling with one finger you can locally create conditions for the transistor channel to be cut off. Under the finger, the carrier density decreases by applying the corresponding voltage to it to a state close to the cutoff channel, thereby increasing the temperature coefficient of the device resistance dR _DS / dT, where R _DS is the resistance of the transistor channel, T is the temperature. When the THz structure is illuminated by radiation, a two-dimensional electron gas is heated and, with an increase in the dR _DS / dT coefficient, we obtain a higher photoconductivity or photo-emf response compared to a detector that does not have a separately controlled finger. The presence of two control voltages significantly worsens the noise immunity of the device; spurious signals induced along the power supply circuits will be quite large.

В патенте США №2013/0277716 описывается конвертор терагерцового излучения, что, по своей сути, означает детектор терагерцового излучения. Цель устройства - усилить эффективность преобразования энергии терагерцовой электромагнитной волны и энергии постоянного тока посредством плазменных волн в канале полевого транзистора. Структура устройства имеет типовое содержание полевого транзистора с высокой подвижностью: подложку, буферный слой, канал, барьер, омические контакты (сток и исток). Отличает данный детектор геометрия затвора, он состоит из двух групп пальцев (имеется два решеточных затвора, пальцы которых чередуются от истока к стоку) управляемых независимо. Длина пальцев одного затвора отличается от длины пальцев другого затвора (один короткий, другой длинный). И при этом, что немаловажно, различаются ширины щелей между соседними пальцами, что привносит асимметрию в структуру детектора. Период решеточной структуры затвора состоит из двух затворов (короткий затвор плюс длинный) и двух последующих щелей между пальцами. При освещении терагерцовым излучением в канале устройства наводятся вынужденные колебания электронной плотности под затворами (плазменные колебания). В более узкой щели ближнее поле, возбуждающее двумерную плазму, сильнее, чем в более широкой щели. Таким образом, создаются асимметричные условия по обеим сторонам каждого затвора, и в канале транзистора появляется постоянный ток (происходит детектирование). Путем изменений напряжений на затворах и тока смещения через канал можно добиться увеличения отклика на терагерцовое излучение. Хотя применение тока смещения через канал ухудшает шумовые характеристики прибора. В наиболее эффективном режиме на один из затворов подается напряжение близкое к напряжению отсечки канала, и достигается максимум отклика. Авторы это связывают с тем, что к асимметрии связанной с геометрией затвора добавляется асимметрия скоростей плазменной волны под затворами, поскольку она зависит от концентрации носителей. Хотя в данном случаем получение отклика в режиме отсечки можно было объяснить как в США №7420225, так и обратно, разницей скоростей плазмонов можно объяснить усиление отклика в детекторе США №7420225.Однако в данном исполнении потенциал на затворном контакте будет одинаковым, а расположить пальцы затвора точно в местах с одинаковым фазовым распределением терагерцового сигнала невозможно. В силу этого несинфазные сигналы будут взаимно компенсировать друг друга и суммарный сигнал окажется меньше.US Patent No. 2013/0277716 describes a terahertz radiation converter, which in essence means a terahertz radiation detector. The purpose of the device is to enhance the efficiency of conversion of the energy of a terahertz electromagnetic wave and DC energy by means of plasma waves in the channel of a field effect transistor. The structure of the device has a typical field-effect transistor content with high mobility: substrate, buffer layer, channel, barrier, ohmic contacts (drain and source). This detector is distinguished by the shutter geometry, it consists of two groups of fingers (there are two lattice shutters, the fingers of which alternate from source to drain) controlled independently. The length of the fingers of one shutter differs from the length of the fingers of the other shutter (one short, the other long). And at the same time, importantly, the gap widths between adjacent fingers differ, which introduces asymmetry in the structure of the detector. The period of the lattice structure of the shutter consists of two shutters (short shutter plus long) and two subsequent slots between the fingers. When illuminated with terahertz radiation, induced oscillations of the electron density under the gates are induced in the channel of the device (plasma oscillations). In a narrower gap, the near field exciting a two-dimensional plasma is stronger than in a wider gap. Thus, asymmetric conditions are created on both sides of each gate, and a constant current appears in the transistor channel (detection occurs). By changing the gate voltages and the bias current through the channel, it is possible to increase the response to terahertz radiation. Although the use of bias current through the channel degrades the noise characteristics of the device. In the most effective mode, a voltage close to the channel cut-off voltage is applied to one of the gates, and a maximum response is achieved. The authors attribute this to the fact that the asymmetry of the velocity of the plasma wave under the gates is added to the asymmetry associated with the gate geometry, since it depends on the carrier concentration. Although in this case the response in the cutoff mode could be explained both in the USA No. 7420225 and vice versa, the difference in plasmon velocities can explain the amplification of the response in the US detector No. 7420225. However, in this version, the potential at the gate contact will be the same, and the shutter fingers should be positioned precisely in places with the same phase distribution of the terahertz signal is impossible. Due to this, non-phase signals will cancel each other out and the total signal will be less.

Задача, на решение которой направленно заявленное нами техническое решение, заключается в увеличении полезного сигнала на падающее терагерцовое излучение детектора на основе полевого транзистора с решеточным затвором путем добавления дополнительного сопротивления на основе меза резистора, встраиваемого в затворную цепь.The problem to which the technical solution we have aimed is aimed is to increase the useful signal by the incident terahertz radiation of a detector based on a field-effect transistor with a grating gate by adding additional resistance based on a mesa resistor built into the gate circuit.

В работе [Yermolayev D.М., Polushkin Е.A., Shapoval S. Yu., Popov V.V., Marem'yanin К.V., Gavrilenko V.I., Maleev N.A., Ustinov V.M., Zemlyakov V.E., Yegorkin V.L, Bespalov V.A., Muravjov A.V., Rumyantsev S.L., and Shur M.S. Detection of Terahertz Radiation by Dense Arrays of InGaAs Transistors // International Journal of High Speed Electronics and Systems. - 2015. - V. 24. - №1550002.] было показано, что для решеточных транзисторов существует проблема, связанная с наличием конструктивного элемента - затворной шины. Вектор поля Е падает нормально на металлические поверхности, которая в целом остается нейтральной, за исключением своих краев. Каждая металлическая полоска из решетки так же поляризуются. При соединении отдельных полосок единой металлической шиной в месте сочленения находятся нескомпенсированные заряды на решетке. Поэтому на границе решетки и общей полоски металла возникает движение заряда, то есть токи. В результате часть решетки становится нейтральной. Теперь если учесть что на решетку с шиной падает переменное терагерцовое поле, то пальцы вблизи шины остаются неполяризованными, а значит, под нейтральной областью пальцев не происходит возбуждение плазменных волн и эта часть канала не дает вклад в терагерцовый отклик. Это происходит из-за того что между нейтральными пальцами (в щелях) нет переменного поля, которое становится источником вторичных волн, падающих на проводящий канал и возбуждающих плазменные колебания. Этот эффект уменьшает чувствительность детектора.In the work [Yermolayev D.M., Polushkin E.A., Shapoval S. Yu., Popov VV, Marem'yanin K.V., Gavrilenko VI, Maleev NA, Ustinov VM, Zemlyakov VE, Yegorkin VL, Bespalov VA, Muravjov AV, Rumyantsev SL, and Shur MS Detection of Terahertz Radiation by Dense Arrays of InGaAs Transistors // International Journal of High Speed Electronics and Systems. - 2015. - V. 24. - No. 1550002.] It was shown that for lattice transistors there is a problem associated with the presence of a structural element - gate bus. The vector of the field E normally falls on metal surfaces, which generally remains neutral, with the exception of its edges. Each metal strip from the grating is also polarized. When connecting individual strips with a single metal busbar, uncompensated charges on the grating are located at the junction. Therefore, at the boundary of the lattice and the common strip of metal there is a movement of charge, that is, currents. As a result, part of the lattice becomes neutral. Now, if we take into account that an alternating terahertz field is incident on the grating with the bus, then the fingers near the bus remain unpolarized, which means that plasma waves are not excited under the neutral region of the fingers and this part of the channel does not contribute to the terahertz response. This is due to the fact that there is no alternating field between the neutral fingers (in the slots), which becomes a source of secondary waves incident on the conducting channel and exciting plasma oscillations. This effect reduces the sensitivity of the detector.

Сопротивление металла на ТГц частотах достаточно мало. Например, для золота глубина скинслоя составит 0,1 мкм на частоте 0,6 ТГц и сопротивление около 0,23 Ом/□. Сопротивление большинства гетероструктур имеет величину около 400-500 Ом/□. Таким образом, если сделать сопротивление между шиной и пальцами решетки из слоя полупроводника, то соседние пальцы решетки могут находиться под разным потенциалом, что позволит задействовать всю площадь при детектировании терагерцового излучения и получить выигрыш в ТГц отклике и чувствительности.The metal resistance at THz frequencies is quite small. For example, for gold, the skin layer depth is 0.1 μm at a frequency of 0.6 THz and the resistance is about 0.23 Ohm / □. The resistance of most heterostructures is about 400-500 Ohm / □. Thus, if we make the resistance between the bus and the fingers of the grating from a semiconductor layer, then the neighboring fingers of the grating can be of different potential, which will allow us to use the entire area when detecting terahertz radiation and get a gain in THz response and sensitivity.

ФИГ. 1 показывает ТГц детектор с ФИГ. 1 с резистором между затворной решеткой и затворной шиной и в сечении А-А.FIG. 1 shows a THz detector with FIG. 1 with a resistor between the gate array and the gate bus and in section AA.

ФИГ. 2 иллюстрирует экспериментальные зависимости ТГц отклика, полученные для образцов с длинами резисторов 50 и 100 мкм, также прочерчена кривая усреднения.FIG. Figure 2 illustrates the experimental dependences of the THz response obtained for samples with resistor lengths of 50 and 100 μm; an averaging curve is also plotted.

Образцы ТГц детекторов, для экспериментальной проверки, были изготовлены в виде одной микросхемы из GaAs/InGaAs/AlGaAs гетероструктуры на полуизолирующей подложке GaAs. Двумерный электронный канал формировался в нелегированном слое InGaAs толщиной 12 нм с 8-легированным барьерном слоем AlGaAs толщиной 40 нм, и нелегированным буферным слоем GaAs толщиной 400 нм, сформированным на (100) поверхности полуизолирующей подложке GaAs толщиной 450 мкм. Контактный слой GaAs толщиной 50 нм являлся п-легированным с содержанием легирующей примеси Si 5×10¹⁸см^-3. Плотность электронов в канале равнялась 3×10¹² см^-2 с эффективной массой электрона m=0.061m₀, где m₀ - масса свободного электрона, и подвижностью при комнатной температуре равной 5900 см²/(В×с). Омические контакты истока и стока были сделаны путем осаждения слоя AuGe-Ni-Au (30/10/200 нм) с дальнейшим отжигом при 400°C в течении 30 с в азотной атмосфере. Далее одновременно с травлением мезы транзистора шло изготовление полупроводниковых резисторов в цепи между затворной решеткой и затворной шиной. Металлические слои решеточного затвора Ti-Au (50/300 нм) осаждались испарением электронным лучом. Металлические контакты выполнялись электронной литографией и стандартным процессом взрывной литографии. Верхняя поверхность образца пассивировалась посредством осаждения тонкого слоя нитрида кремния.Samples of THz detectors, for experimental verification, were fabricated in the form of a single microcircuit from a GaAs / InGaAs / AlGaAs heterostructure on a semi-insulating GaAs substrate. A two-dimensional electron channel was formed in an undoped InGaAs layer 12 nm thick with an 8-doped AlGaAs barrier layer 40 nm thick and an undoped GaAs buffer layer 400 nm thick formed on the (100) surface of a 450 μm GaAs semi-insulating substrate. A 50 nm thick GaAs contact layer was p-doped with a Si content of 5 × 10 ¹⁸ cm ^-3 . The electron density in the channel was 3 × 10 ¹² cm ^-2 with the effective electron mass m = 0.061m ₀ , where m ₀ is the mass of a free electron, and the mobility at room temperature is 5900 cm ² / (V s). Ohmic contacts of the source and sink were made by deposition of an AuGe-Ni-Au layer (30/10/200 nm) with further annealing at 400 ° C for 30 s in a nitrogen atmosphere. Then, along with the etching of the mesa of the transistor, semiconductor resistors were fabricated in the circuit between the gate array and the gate bus. The metal layers of a Ti-Au lattice gate (50/300 nm) were deposited by electron beam evaporation. Metal contacts were performed by electronic lithography and the standard process of explosive lithography. The upper surface of the sample was passivated by deposition of a thin layer of silicon nitride.

Устройство работает следующим образом. К омическим контактам присоединяются цепи, регистрирующие отклик, и цепи питания. К затворной шине присоединяются цепи выбора затворного напряжения транзистора. При попадании на детектор терагерцового излучения, затворная решетка поляризуется по всей длине, включая области вблизи контакта с сопротивлением из полупроводника. За счет плазменной нелинейности возникает постоянный ток в канале и происходит детектирование.The device operates as follows. The ohmic contacts are connected to the circuit, registering the response, and the power circuit. To the gate bus are connected the circuit for selecting the gate voltage of the transistor. When terahertz radiation is incident on the detector, the gate array is polarized along its entire length, including regions near the contact with the resistance from the semiconductor. Due to plasma nonlinearity, a direct current arises in the channel and detection occurs.

Управляя напряжениями на шинах затворов, достигают максимального отклика на ТГц излучение.By controlling the voltages on the gate buses, they achieve a maximum response to THz radiation.

Claims

A terahertz radiation detector based on a field-effect transistor with an array gate, characterized in that it has a semiconductor resistance connected between the gate bus and the gate array.