RU2337467C2 - Microstrip stabilised resonant-tunneling generator of electromagnet waves for millimeter and submillimeter range of wavelengths - Google Patents
Microstrip stabilised resonant-tunneling generator of electromagnet waves for millimeter and submillimeter range of wavelengths Download PDFInfo
- Publication number
- RU2337467C2 RU2337467C2 RU2004125910/09A RU2004125910A RU2337467C2 RU 2337467 C2 RU2337467 C2 RU 2337467C2 RU 2004125910/09 A RU2004125910/09 A RU 2004125910/09A RU 2004125910 A RU2004125910 A RU 2004125910A RU 2337467 C2 RU2337467 C2 RU 2337467C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microstrip
- resonator
- millimeter
- generator
- resonant
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P7/00—Resonators of the waveguide type
- H01P7/08—Strip line resonators
- H01P7/082—Microstripline resonators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
- H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
- H01P3/08—Microstrips; Strip lines
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
- H01P3/12—Hollow waveguides
- H01P3/121—Hollow waveguides integrated in a substrate
Landscapes
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к областям твердотельной сверхвысокочастотной электроники и микроэлектроники и может использоваться в системах связи, электронике и микроэлектронике, радиовидении и интерскопии, молекулярной спектроскопии и мониторинге земной атмосферы, а также в астрофизике, медицине и биологии.The invention relates to the field of solid-state microwave electronics and microelectronics and can be used in communication systems, electronics and microelectronics, radio vision and interscopy, molecular spectroscopy and monitoring of the Earth's atmosphere, as well as in astrophysics, medicine and biology.
Квантовые эффекты, в том числе связанные с резонансным туннелированием, широко используются в современной твердотельной и полупроводниковой электронике. Наиболее значительные успехи в плане расширения частотного диапазона достигнуты с использованием резонансно-туннельных диодных структур, изготовленных на основе квантовых ям, обладающих рекордно высоким быстродействием внутренних электронных процессов. (см. T.C.L.G.Sollner, "Tunneling transfer devices", US Patent №4745452).Quantum effects, including those associated with resonant tunneling, are widely used in modern solid-state and semiconductor electronics. The most significant successes in terms of expanding the frequency range were achieved with the use of resonant tunneling diode structures made on the basis of quantum wells with record-breaking high-speed internal electronic processes. (see T.C.L.G.Sollner, "Tunneling transfer devices", US Patent No. 4745452).
Несмотря на исключительно малую инерционность таких структур переход в сторону наиболее высоких частот, соответствующих терагерцовому диапазону, чрезвычайно затруднен. Основные причины обусловлены резким возрастанием электрических потерь и трудностей изготовления резонаторных систем малых размеров, возрастанием роли паразитных индуктивностей и других параметров в системах соединения активного элемента с внешней резонаторной системой.Despite the extremely low inertia of such structures, the transition to the highest frequencies corresponding to the terahertz range is extremely difficult. The main reasons are due to a sharp increase in electrical losses and difficulties in manufacturing resonator systems of small sizes, an increase in the role of parasitic inductances and other parameters in the connection systems of the active element with an external resonator system.
Сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы на основе резонансно-туннельных диодных структур с квантовыми ямами, в которых получена генерация при комнатной температуре на частотах 200 ГГц, 420 ГГц и 720 ГГц, описаны в работах E.R. Brown, T.C.L.G. Sollner et al, опубликованных в J. Appl. Phys. 64(3), 1519-1529 (1988), Appl. Phys. Lett. 55(17), 1777-1779 (1989), Appl. Phys. Lett. 58(20), 2291-2293 (1991). В качестве резонансно-туннельного диодного элемента использована структура из квантовых ям и барьеров, изготовленная на основе соединений GaAs/AlAs и InAs/AlAs. В качестве резонаторной системы использовались прямоугольные волноводные металлические резонаторы, размеры которых подбирались в соответствии с рабочей частотой генерации. При рабочей частоте ~720 ГГц размеры резонатора составляли 0,030×0,015 см. Электрическая цепь выполнена с использованием подводящего вискерного контакта, что позволило существенно снизить паразитные параметры системы подключения диода. Мощность генерации, приближенно оцененная по данным измерений, составляла десятые доли микроватта. Частота генерации определяется приведенным импедансом электрической цепи на фундаментальной частоте, то есть приведенными параметрами самого диода (последовательное сопротивление, индуктивность, нелинейная емкость) и паразитными параметрами электрической системы подсоединения диода. В высокочастотном пределе определяющей является паразитная индуктивность системы включения диода в электрическую цепь. С целью улучшения параметров диодного элемента поперечные размеры диодной мезоструктуры уменьшались по мере перехода к наиболее высоким частотам вплоть до размеров менее двух микрон. Технологические трудности, связанные с изготовлением используемых в данной работе резонаторных систем закрытого типа, и ухудшение частотных характеристик ограничивают возможности их применения.Microwave (microwave) generators based on resonant tunneling diode structures with quantum wells, in which lasing was obtained at room temperature at frequencies of 200 GHz, 420 GHz and 720 GHz, are described in the works of E.R. Brown, T.C.L.G. Sollner et al, published in J. Appl. Phys. 64 (3), 1519-1529 (1988), Appl. Phys. Lett. 55 (17), 1777-1779 (1989), Appl. Phys. Lett. 58 (20), 2291-2293 (1991). As a resonant tunneling diode element, a structure of quantum wells and barriers made on the basis of GaAs / AlAs and InAs / AlAs compounds was used. As a resonator system, rectangular waveguide metal resonators were used, the sizes of which were selected in accordance with the operating frequency of the generation. At an operating frequency of ~ 720 GHz, the dimensions of the resonator were 0.030 × 0.015 cm. The electric circuit was made using a supply whisker contact, which made it possible to significantly reduce the parasitic parameters of the diode connection system. The lasing power, roughly estimated from the measurement data, was tenths of a microwatt. The generation frequency is determined by the reduced impedance of the electric circuit at the fundamental frequency, that is, the reduced parameters of the diode itself (series resistance, inductance, non-linear capacitance) and spurious parameters of the electrical system for connecting the diode. In the high-frequency limit, the parasitic inductance of the system for including a diode in an electric circuit is decisive. In order to improve the parameters of the diode element, the transverse dimensions of the diode mesostructure decreased with the transition to the highest frequencies up to sizes less than two microns. Technological difficulties associated with the manufacture of closed-type resonator systems used in this work and the deterioration of the frequency characteristics limit the possibilities of their application.
Широкое применение в сверхвысокочастотной электронике получили микрополосковые резонаторы, занимающие промежуточное положение между закрытыми резонаторными устройствами, применяемыми в микроволновой радиофизике, и резонаторами открытого типа, используемыми в оптике. Резонаторы этого типа более технологичны в изготовлении и допускают варьирование размеров в широких пределах без существенного удорожания их производства. Важно, что микрополосковые линии могут быть интегрированы в твердотельные и гибридные интегральные схемы с использованием стандартной тонкоплёночной технологии. Добротность таких микрополосковых резонаторов может быть сделана достаточно большой в высокочастотной области, в частности, за счет выбора геометрии резонатора. Пример такого высокодобротного микрополоскового резонатора приведен в работе "High Q resonator utilizing planar stuctures" by J.K.Gehrke (US Patent № 5825266). Другим путем повышения добротности является использование в качестве материала микрополоска высокотемпературных сверхпроводников. Пример таких резонаторов описан в работе "Stripline resonator using high-temperature superconductor components", Remillard et al. (United States Patent № 6021337). Толщина сверхпроводникового покрытия, наносимого на слой диэлектрика, в таком устройстве превышает один микрон и может достигать сотни микрон, что обеспечивает достаточное проникновение электромагнитной волны внутрь сверхпроводника. На высоких частотах применение таких линий ограничено рамками параметров диэлектрика, особенностями технологии и совместимости технологических методов при изготовлении различных элементов микрополоскового резонатора, требованием жестких допусков на размеры элементов, увеличением потерь и возникновением волн паразитных типов.Microstrip resonators, which occupy an intermediate position between closed resonator devices used in microwave radiophysics and open-type resonators used in optics, have been widely used in microwave electronics. Resonators of this type are more technologically advanced in manufacturing and can be varied over a wide range without significantly increasing the cost of their production. It is important that microstrip lines can be integrated into solid-state and hybrid integrated circuits using standard thin-film technology. The quality factor of such microstrip resonators can be made sufficiently large in the high-frequency region, in particular, due to the choice of cavity geometry. An example of such a high-Q microstrip resonator is given in "High Q resonator utilizing planar stuctures" by J.K. Gehrke (US Patent No. 5825266). Another way to improve the quality factor is to use high-temperature superconductors as a microstrip as a material. An example of such resonators is described in "Stripline resonator using high temperature superconductor components", Remillard et al. (United States Patent No. 6021337). The thickness of the superconductor coating applied to the dielectric layer in such a device exceeds one micron and can reach hundreds of microns, which ensures sufficient penetration of the electromagnetic wave into the superconductor. At high frequencies, the use of such lines is limited by the dielectric parameters, the technology features and the compatibility of technological methods in the manufacture of various elements of the microstrip resonator, the requirement for tight tolerances on the dimensions of the elements, increased losses and the generation of spurious waves.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является генераторное устройство, описанное в работе A.A. Beloushkin, A.S. Ignatyev, A.L. Karuzskii, V.N. Murzin, A.V. Perestoronin, A.M. Tskhovrebov, "Microstrip Stabilized Semiconductor Asymmetrical Quantum Well Structure Generator for Millimeter and Submillimeter Wavelength Range", Superlattices and Microstructures, Vol.22, № 1, pp.19-23 (1997). Резонансно-туннельная диодная структура из двух барьеров и одной квантовой ямы (ширина ямы 4,0 нм, ширина барьеров 4,5 нм) изготовлена методом молекулярно-лучевой эпитаксии на основе соединений GaAs/AlAs на полуизолирующей подложке из GaAs. Структура включает спейсерные слои, препятствующие проникновению примесей в активную часть системы, копланарно вынесенные контакты, обеспечивающие минимальные времена задержки в области отрицательной дифференциальной проводимости, и контактные области сильно легированного материала с Cr/Au контактами, изготовленными вакуумным напылением на мезоструктуры с поперечным размером 10-25 мкм. Микрополосковый резонатор изготовлен в виде четвертьволновой микрополосковой линии с закороченным концом на основе диэлектрической пластины толщиной 1,5 мм (тефлон), на верхнюю и нижнюю плоскости которой нанесены металлические полоски из меди методом двухплоскостной металлизации. Поперечные и продольные размеры микрополоски составляли 2 мм и 70 мм. Подключение резонансно-туннельного диода к системе с резонатором осуществлено посредством коротких металлических проводников в конструкции, обеспечивающей наименьшие значения индуктивных и резистивных паразитных параметров. На этом устройстве получена микроволновая генерация при комнатной температуре (область частот 1-10 ГГц, мощность излучения 0,01-0,1 мВт).Closest to the claimed invention is a generator device described in A.A. Beloushkin, A.S. Ignatyev, A.L. Karuzskii, V.N. Murzin, A.V. Perestoronin, A.M. Tskhovrebov, "Microstrip Stabilized Semiconductor Asymmetrical Quantum Well Structure Generator for Millimeter and Submillimeter Wavelength Range", Superlattices and Microstructures, Vol.22, No. 1, pp. 19-23 (1997). The resonant tunneling diode structure of two barriers and one quantum well (well width 4.0 nm, barrier width 4.5 nm) was prepared by molecular beam epitaxy based on GaAs / AlAs compounds on a GaAs semi-insulating substrate. The structure includes spacer layers that prevent the penetration of impurities into the active part of the system, coplanarly extended contacts that provide minimal delay times in the region of negative differential conductivity, and contact regions of heavily doped material with Cr / Au contacts made by vacuum deposition on mesostructures with a transverse size of 10-25 microns. The microstrip resonator is made in the form of a quarter-wave microstrip line with a shorted end based on a 1.5 mm thick dielectric plate (Teflon), on the upper and lower planes of which metal strips of copper are applied by the double-plane metallization method. The transverse and longitudinal dimensions of the microstrip were 2 mm and 70 mm. The resonant tunneling diode is connected to a system with a resonator by means of short metal conductors in a design that provides the smallest values of inductive and resistive parasitic parameters. Microwave generation at room temperature was obtained on this device (frequency range 1–10 GHz, radiation power 0.01–0.1 mW).
Реальная эффективность микрополосковых резонаторов при переходе в коротковолновую область определяется в значительной степени хорошим согласованием с активным генераторным элементом. При раздельном изготовлении активного элемента и микрополоскового резонатора, как это имело место в рассмотренном случае, это условие труднодостижимо.The actual efficiency of microstrip resonators in the transition to the short-wavelength region is determined to a large extent by good agreement with the active generator element. In the separate manufacture of the active element and the microstrip resonator, as was the case in the considered case, this condition is difficult to achieve.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи расширения рабочего частотного диапазона твердотельных СВЧ-генераторов в сторону терагерцовых волн. Для достижения этого предлагается монолитно-интегрированная микрополосковая конструкция генераторного устройства, допускающая применение технологически совместимых методов молекулярно-лучевой и тонкопленочной эпитаксии, что обеспечивает минимальный уровень паразитных параметров и оптимальное волновое согласование в наиболее коротковолновой части спектра. Сочетание высокого быстродействия резонансно-туннельных диодов и возможности оптимального волнового согласования в системах с микрополосковым резонатором делает устройство перспективным для применения в микроэлектронике короткого миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.The present invention is aimed at solving the problem of expanding the working frequency range of solid-state microwave generators in the direction of terahertz waves. To achieve this, a monolithic integrated microstrip design of the generator device is proposed, which allows the use of technologically compatible methods of molecular beam and thin-film epitaxy, which ensures a minimum level of spurious parameters and optimal wave matching in the shortest wavelength part of the spectrum. The combination of high speed resonant tunneling diodes and the possibility of optimal wave matching in systems with a microstrip resonator makes the device promising for use in microelectronics with a short millimeter and submillimeter wavelength range.
Несмотря на исключительно малую инерционность электронных процессов в наноструктурах с резонансным туннелированием, переход в сторону наиболее высоких частот, соответствующих терагерцовому диапазону, чрезвычайно осложнен, главным образом, из-за значительных трудностей, возникающих при совершенствовании резонаторных систем закрытого типа (прямоугольные резонаторы и т.п.) и организации связи электронного прибора с внешним резонатором.Despite the extremely low inertia of electronic processes in nanostructures with resonant tunneling, the transition to the highest frequencies corresponding to the terahertz range is extremely complicated, mainly due to significant difficulties arising in the improvement of closed resonator systems (rectangular resonators, etc. .) and the organization of communication of the electronic device with an external resonator.
Применение резонаторных систем закрытого типа в области коротких миллиметровых и субмиллиметровых волн существенно сдерживается усложнением и удорожанием технологии их изготовления с уменьшением размеров, резким увеличением электрических потерь в металлических элементах и ухудшением частотных характеристик. Это значительно снижает уровень мощностей генерации в таких системах.The use of closed-type resonator systems in the field of short millimeter and submillimeter waves is significantly constrained by the complexity and cost of their manufacturing technology with a decrease in size, a sharp increase in electrical losses in metal elements and a deterioration in frequency characteristics. This significantly reduces the generation power level in such systems.
Микрополосковые резонаторы полуоткрытого типа, занимающие промежуточное место между закрытыми резонаторными устройствами, применяемыми в микроволновой радиофизике, и резонаторами открытого типа, используемыми в оптике, эффективны в области наиболее коротких волн. Вместе с тем, они характеризуются меньшей добротностью, и их реальная эффективность определяется, в конечном счете, возможностями хорошего согласования с активным электронным элементом. При раздельном изготовлении активного элемента и микрополоскового резонатора это требование труднодостижимо.Semi-open type microstrip resonators, which occupy an intermediate place between closed resonator devices used in microwave radiophysics and open-type resonators used in optics, are effective in the region of the shortest waves. At the same time, they are characterized by a lower quality factor, and their real effectiveness is determined, ultimately, by the possibilities of good coordination with the active electronic element. With the separate manufacture of the active element and the microstrip resonator, this requirement is elusive.
Таким образом, основные проблемы, требующие решения:Thus, the main problems to be solved are:
- Выбор оптимальной конструкции генератора электромагнитных волн с использованием быстродействующих квантоворазмерных полупроводниковых гетероструктур, обеспечивающей необходимые условия для работы в области миллиметровых и субмиллиметровых волн за счет наилучшего волнового согласования и уменьшения паразитной индуктивности и оптимизации других параметров электрической цепи и линий связи активного элемента и резонаторной системы.- The choice of the optimal design of the electromagnetic wave generator using high-speed quantum-well semiconductor heterostructures that provides the necessary conditions for work in the field of millimeter and submillimeter waves due to the best wave matching and reduction of spurious inductance and optimization of other parameters of the electric circuit and communication lines of the active element and the resonator system.
- Обеспечение технологичности изготовления конструкции генераторного устройства с применением современных методов, в том числе методов фотолитографии, используемых в технологии изготовления квантоворазмерных полупроводниковых гетероструктур.- Ensuring the manufacturability of the design of the generator device using modern methods, including photolithography methods used in the manufacture of quantum-sized semiconductor heterostructures.
- Повышение точности изготовления всех составных частей генератора, включая элементы резонатора, необходимой при переходе в область коротких миллиметровых и субмиллиметровых волн.- Improving the manufacturing accuracy of all components of the generator, including the elements of the resonator, necessary when moving into the region of short millimeter and submillimeter waves.
- Поиск и разработка способов построения многоэлементных генераторов и возможностей тиражирования устройств с целью повышения мощности генерации и снижения стоимости изготовления.- Search and development of methods for constructing multi-element generators and device replication capabilities in order to increase the generation power and reduce the manufacturing cost.
- Развитие методов интегрирования твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона в качестве планарных элементов в полупроводниковые интегральные схемы.- Development of methods for integrating millimeter and submillimeter solid state generators as planar elements in semiconductor integrated circuits.
Предлагаемым изобретением решается задача расширения рабочего частотного диапазона твердотельных сверхвысокочастотных генераторов в сторону терагерцовых волн. Для достижения этого предлагается монолитно-интегрированная конструкция генераторного устройства, в которой активный элемент - резонансно-туннельный диод и пассивный элемент - микрополосковый резонатор выполнены в монолитно-интегрированном виде на общей подложке. Отсутствие в такой конструкции навесных элементов и электрических проводников, обеспечивающих связь резонатора с резонансно-туннельным диодом, позволяет: минимизировать паразитные параметры; достигнуть оптимального волнового согласования в наиболее коротковолновой части спектра; снизить габаритные размеры и вес; использовать данный элемент в монолитных интегральных схемах.The present invention solves the problem of expanding the working frequency range of solid-state microwave generators in the direction of terahertz waves. To achieve this, a monolithically integrated design of a generator device is proposed in which the active element, a resonant tunneling diode and a passive element, a microstrip resonator, are made in a monolithic integrated form on a common substrate. The absence of hinged elements and electrical conductors in this design, which ensure the coupling of the resonator with the resonant tunneling diode, allows you to: minimize spurious parameters; achieve optimal wave matching in the shortest wavelength part of the spectrum; reduce overall dimensions and weight; use this element in monolithic integrated circuits.
Сочетание указанных преимуществ делает данное устройство перспективным для применения в микроэлектронике короткого миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.The combination of these advantages makes this device promising for use in microelectronics of a short millimeter and submillimeter wavelength range.
Монолитно интегрированная конструкция предлагаемого устройства обеспечивает расширение частотного диапазона в сторону терагерцовых частот в результате снижения уровня паразитной индуктивности и минимизации других паразитных параметров элементов связи резонансно-туннельного диода и СВЧ-резонатора.The monolithically integrated design of the proposed device provides an extension of the frequency range in the direction of terahertz frequencies by reducing the level of spurious inductance and minimizing other spurious parameters of the coupling elements of the resonant tunneling diode and microwave resonator.
Использование высокоточных фотолитографических методов при изготовлении всех составных частей генератора как единого целого, включая резонатор, обеспечивает необходимую при переходе в область субмиллиметровых волн более высокую точность исполнения элементов конструкции генератора, чем методы, применяемые при изготовлении СВЧ-схем в неинтегрированном виде.The use of high-precision photolithographic methods in the manufacture of all the components of the generator as a whole, including the resonator, provides higher accuracy of the design elements of the generator when moving into the region of submillimeter waves than the methods used in the manufacture of microwave circuits in a non-integrated form.
Монолитно интегрированная конструкция генератора создает возможности разработки и изготовления многоэлементного устройства сверхвысокочастотного микрополоскового генератора с несколькими резонансно-туннельными диодами, включенными в общую микрополосковую линию на единой диэлектрической подложке, что открывает принципиальные возможности повышения мощности генерации и стабилизации частоты.A seamlessly integrated generator design creates the possibility of developing and manufacturing a multi-element device for a microwave strip generator with several resonant tunneling diodes included in a common microstrip line on a single dielectric substrate, which opens up fundamental possibilities for increasing the generation power and frequency stabilization.
Предлагаемая конструкция устройства совместима с многоэлементными планарными системами и допускает его использование и включение в качестве элемента в монолитноинтегрированные интегральные схемы.The proposed device design is compatible with multi-element planar systems and allows its use and inclusion as an element in monolithic integrated circuits.
Отсутствие в конструкции устройства непланарных навесных элементов снижает габаритные размеры и вес. Совместимость технологических методов изготовления элементов генератора и возможность тиражирования устройства путем изготовления системы генераторов на единой подложке снижает общую стоимость генератора.The absence of non-planar attachments in the design of the device reduces overall dimensions and weight. The compatibility of technological methods for manufacturing generator elements and the ability to duplicate the device by manufacturing a system of generators on a single substrate reduces the total cost of the generator.
Изобретение поясняется на примерах осуществления, иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее:The invention is illustrated in the embodiments illustrated by the drawings, which represent the following:
Фиг.1 - изометрическая схема варианта микрополоскового стабилизированного резонансно-туннельного генератора коротковолнового миллиметрового диапазона.Figure 1 is an isometric diagram of a variant of a microstrip stabilized resonant tunnel generator of the short-wave millimeter range.
Фиг.2 - схема варианта микрополоскового стабилизированного генератора с резонансно-туннельным диодом, микрополосковым резонатором и системой соединения элементов резонатора.Figure 2 is a diagram of a variant of a microstrip stabilized generator with a resonant tunneling diode, a microstrip resonator and a system for connecting resonator elements.
Фиг.3 - поперечное сечение активного элемента микрополоскового стабилизированного генератора на основе резонансно-туннельного диода с планарно-вынесенными контактами и системой подключения к микрополосковой линии.Figure 3 is a cross section of the active element of a microstrip stabilized generator based on a resonant tunneling diode with planar-remote contacts and a system for connecting to a microstrip line.
На чертежах обозначено:In the drawings indicated:
На фиг.1: RTD - резонансно-туннельный диод, MS - проводящая микрополосковая линия, SUBST - подложка гетероструктуры - диэлектрический слой микрополоскового резонатора, L и D - длина и ширина микрополоска, l1 и l2 - расстояние от конца микрополоска, соответственно, до бокового ответвления для соединения с резонансно-туннельным диодом и до второго бокового ответвления для вывода СВЧ-мощности, W - ширина концевых емкостных площадок микрополоска (одна из концевых площадок является вторым контактом соединения с резонансно-туннельным диодом), d - толщина диэлектрического слоя микрополоскового резонатора.Figure 1: RTD is a resonant tunneling diode, MS is a conductive microstrip line, SUBST is a heterostructure substrate is a dielectric layer of a microstrip resonator, L and D are the length and width of the microstrip, l 1 and l 2 are the distance from the end of the microstrip, respectively, to the side branch for connecting to the resonant tunneling diode and to the second side branch for outputting the microwave power, W is the width of the end capacitive platforms of the microstrip (one of the end sites is the second contact of the connection with the resonant tunneling diode), d is the thickness of the The electrical layer microstrip resonator.
На фиг.2: 1 - резонансно-туннельный диод с планарно-вынесенными контактами, 2 - верхний проводящий микрополосок резонатора, 3 - нижний заземленный экран резонатора, 4 - диэлектрический слой микрополоскового резонатора, 5 - концевые емкостные площадки резонатора, 6 - боковое ответвление от микрополоска, обеспечивающее вывод СВЧ-излучения, 7 - боковое ответвление от микрополоска, обеспечивающее соединение с диодом, 8 - контактная площадка питания диода.In Fig.2: 1 - a resonant tunneling diode with planar-remote contacts, 2 - the upper conductive microstrip of the resonator, 3 - the lower ground plane of the resonator, 4 - the dielectric layer of the microstrip resonator, 5 - end capacitive platforms of the resonator, 6 - lateral branch from a microstrip providing output of microwave radiation; 7 — a lateral branch from the microstrip providing connection to a diode; 8 — a contact pad of a diode power supply.
На фиг.3: 9 - резонансно-туннельная гетероструктура диода, 10 - подложка гетероструктуры, образующая диэлектрический слой резонатора, 11 - нижний заземленный экран резонатора, 12 - верхний контакт диодной структуры, 13 - планарно-вынесенный нижний контакт диода, 14 - контактная площадка питания диода, 15 - соединение диода с боковым ответвлением микрополоска резонатора, обеспечивающее соединение с диодом, 16 - омические контакты диодной гетероструктуры, 17 - легированный слой гетероструктуры и вынесенного планарного контакта диода, 18 - изолирующий слой, обеспечивающий электроизоляцию диодной гетероструктуры.Figure 3: 9 - resonant tunneling heterostructure of the diode, 10 - heterostructure substrate forming the dielectric layer of the resonator, 11 - lower grounded resonator screen, 12 - upper contact of the diode structure, 13 - planar-remote lower contact of the diode, 14 - contact area diode power supply, 15 — connection of the diode with a side branch of the microstrip of the resonator, providing connection to the diode, 16 — ohmic contacts of the diode heterostructure, 17 — doped layer of the heterostructure and remote planar contact of the diode, 18 — insulating layer d, providing electrical insulation of the diode heterostructure.
Микрополосковый генератор в оговоренном монолитно-интегрированном исполнении включает резонансно-туннельную диодную структуру с квантовыми ямами и барьерами, выращенную на полуизолирующей подложке из арсенида галлия, которая в то же время является диэлектрическим слоем микрополосковой линии. Оговоренная резонансно-туннельная структура и микрополосковые слои изготовлены в одном технологическом процессе, включающем выращивание слоев структуры методом молекулярной эпитаксии, фотолитографию для формирования мезоскопической диодной структуры и микрополосковых линий.The microstrip generator in the specified monolithic integrated design includes a resonant tunneling diode structure with quantum wells and barriers grown on a semi-insulating gallium arsenide substrate, which at the same time is a dielectric layer of a microstrip line. The specified resonant tunneling structure and microstrip layers are made in one technological process, including the growth of structure layers by molecular epitaxy, photolithography to form a mesoscopic diode structure and microstrip lines.
Представленный вариант устройства предназначен для работы в области частот ~300 ГГц (длина волны 1 мм).The presented version of the device is designed to operate in the frequency domain ~ 300 GHz (wavelength 1 mm).
Резонансно-туннельный диод (фиг.3) изготовлен методом молекулярной эпитаксии с применением фотолитографии на полуизолирующей подложке из арсенида галлия и включает спейсерные слои, препятствующие проникновению примесей в активную область структуры, копланарно вынесенные контакты, обеспечивающие минимальные времена задержки в области отрицательной дифференциальной проводимости, и контактные слои сильно легированного материала с Cr/Au контактами, сформированными вакуумным напылением на диодной мезоструктуре малого поперечного размера (менее 5 мкм).The resonance tunneling diode (Fig. 3) is made by molecular epitaxy using photolithography on a semi-insulating substrate of gallium arsenide and includes spacer layers that prevent the penetration of impurities into the active region of the structure, coplanar contacts that provide minimum delay times in the region of negative differential conductivity, and contact layers of heavily doped material with Cr / Au contacts formed by vacuum deposition on a small transverse dimension diode mesostructure and (less than 5 microns).
Конструкция оговоренного микрополоскового резонатора (фиг.2) включает нанесенные на диэлектрический слой с обеих сторон металлические слои, выполняющие функции заземленного экрана и проводящей микрополосковой линии. Микрополосковая линия полуволнового типа выполнена в виде узкой проводящей дорожки, ограниченной с двух концов широкими квадратными площадками, которые исполняют роль короткозамыкающих СВЧ-элементов, а один из них является подводящим контактом питания резонансно-туннельного диода. Резонансно-туннельный диод включен между боковым ответвлением микрополоска и второй контактной площадкой питания резонансно-туннельного диода, имеющими треугольную форму в области соединения с целью снижения паразитной индуктивности линии соединения. Эта контактная площадка одновременно выполняет роль емкости фильтра питания. Боковое ответвление микрополоска размещено вблизи квадратной площадки первого контакта питания, что в режиме частичного включения резонансно-туннельного диода в СВЧ-резонатор обеспечивает оптимальную добротность резонатора. Генерируемая СВЧ-мощность снимается через выходное ответвление микрополоска, размещенное в противоположной стороне от квадратной площадки питания. Ширина микрополоска много меньше его длины. Длина микрополоска 
Размер области активного элемента в данном примере составляет несколько микрон, что в сочетании с малой длиной соединений с резонансной системой значительно уменьшает паразитную индуктивность и повышает рабочую частоту устройства.The size of the active element region in this example is several microns, which, combined with the short length of the connections to the resonant system, significantly reduces the stray inductance and increases the operating frequency of the device.
Claims (3)
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004125910/09A RU2337467C2 (en) | 2004-08-25 | 2004-08-25 | Microstrip stabilised resonant-tunneling generator of electromagnet waves for millimeter and submillimeter range of wavelengths |
| KR1020050062965A KR100675354B1 (en) | 2004-08-25 | 2005-07-12 | Microstrip stabilized quantum well resonance-tunneling generator for millimeter and submillimeter wave-length range |
| US11/210,751 US7274263B2 (en) | 2004-08-25 | 2005-08-25 | Microstrip stabilized quantum well resonance-tunneling generator for millimeter and submillimeter wavelength range |
| JP2005244082A JP5129443B2 (en) | 2004-08-25 | 2005-08-25 | Microstrip for stabilizing quantum well resonant tunnel generators generating millimeter and submillimeter wave electromagnetic waves |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004125910/09A RU2337467C2 (en) | 2004-08-25 | 2004-08-25 | Microstrip stabilised resonant-tunneling generator of electromagnet waves for millimeter and submillimeter range of wavelengths |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004125910A RU2004125910A (en) | 2006-02-20 |
| RU2337467C2 true RU2337467C2 (en) | 2008-10-27 |
Family
ID=36050516
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004125910/09A RU2337467C2 (en) | 2004-08-25 | 2004-08-25 | Microstrip stabilised resonant-tunneling generator of electromagnet waves for millimeter and submillimeter range of wavelengths |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100675354B1 (en) |
| RU (1) | RU2337467C2 (en) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06216640A (en) | 1993-01-19 | 1994-08-05 | Fujitsu Ltd | High frequency circuit |
| JP2002135056A (en) | 2000-10-30 | 2002-05-10 | Kyocera Corp | High-frequency diode oscillator and millimeter wave transmitter/receiver using the same |
| KR20020061200A (en) * | 2001-01-15 | 2002-07-24 | 엔알디 주식회사 | Local oscillator using non-radiative dielectric waveguide |
| KR100587901B1 (en) * | 2002-08-10 | 2006-06-08 | 엔알디테크 주식회사 | NRD Guide Gunn Oscillator and Frequency Locking Method using Ceramic Resonator |
-
2004
- 2004-08-25 RU RU2004125910/09A patent/RU2337467C2/en active
-
2005
- 2005-07-12 KR KR1020050062965A patent/KR100675354B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ПАРФЕНОВ О.Д. Технология микросхем. - М.: Высшая школа, 1986. ВАМБЕРСКИЙ М.В. и др. Передающие устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1984. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004125910A (en) | 2006-02-20 |
| KR100675354B1 (en) | 2007-01-30 |
| KR20060050103A (en) | 2006-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7274263B2 (en) | Microstrip stabilized quantum well resonance-tunneling generator for millimeter and submillimeter wavelength range | |
| US7898348B2 (en) | Terahertz oscillation device | |
| Stake et al. | Status and prospects of high-power heterostructure barrier varactor frequency multipliers | |
| US6049308A (en) | Integrated resonant tunneling diode based antenna | |
| EP0742639B1 (en) | Microwave oscillator, an antenna therefor and methods of manufacture | |
| US4673958A (en) | Monolithic microwave diodes | |
| US20230208359A1 (en) | Device emitting or detecting terahertz waves, and manufacturing method for device | |
| RU2337467C2 (en) | Microstrip stabilised resonant-tunneling generator of electromagnet waves for millimeter and submillimeter range of wavelengths | |
| US6768400B2 (en) | Microstrip line having a linear conductor layer with wider and narrower portions | |
| JPH0449810B2 (en) | ||
| US4525732A (en) | Distributed IMPATT structure | |
| US20230138353A1 (en) | Superconducting microwave filters and filter elements for quantum devices | |
| Huang et al. | Design and fabrication of frequency multiplier based on composite right/left-handed nonlinear transmission lines | |
| Kraemer et al. | Traveling-wave amplifiers in transferred substrate InP-HBT technology | |
| Beloushkin et al. | Microstrip stabilized semiconductor asymmetrical quantum well structure generator for millimeter and submillimeter wavelength range | |
| Hosoya et al. | RF HBT oscillators with low-phase noise and high-power performance utilizing a (/spl lambda//4/spl plusmn//spl delta/) open-stubs resonator | |
| EP0143887A2 (en) | Distributed impatt structure | |
| JP3168964B2 (en) | High power field effect transistor | |
| US11742326B2 (en) | Stacked superconducting integrated circuits with three dimensional resonant clock networks | |
| WO2022024788A1 (en) | Semiconductor element | |
| Jagtap et al. | Internally Integrated Active-Type Patch Antenna for Semiconductor Superlattice THz Oscillators | |
| Karuzskii et al. | Microstrip-stabilized semiconductor quantum-well generator for millimeter and submillimeter wavelength range | |
| Reynolds et al. | Microwave circuits for high-efficiency operation of transferred electron oscillators | |
| Luy et al. | Coplanar SIMMWIC circuits | |
| WO2022232717A9 (en) | Integrated quantum computing with epitaxial materials |