RU2780001C1

RU2780001C1 - Surface acoustic waves intensity modulator based on a semiconductor quantum well

Info

Publication number: RU2780001C1
Application number: RU2022104693A
Authority: RU
Inventors: Дмитриевич Кревчик Владимир; Борисович Семенов Михаил; Викторович Разумов Алексей
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2022-09-16

Abstract

FIELD: acoustic waves.

SUBSTANCE: invention is intended to modulate the intensity of surface acoustic waves (SAW). The substance of the invention lies in the fact that the intensity modulator of surface acoustic waves contains a base element based on the layered structure LiNbO₃ - SiO_x - InSb - SiO_x, while the physical basis for modulating the intensity of surface acoustic waves is the hopping mechanism of AC conduction in a thin InSb film, which represents a semiconductor quantum well with an impurity band.

EFFECT: providing the possibility of SAW intensity modulation to create an acousto-optical delay line of electrical signals.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к акустоэлектронике, в частности к устройствам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано в линиях задержки электрических сигналов, в замедляющих устройствах, фазовращателях, для построения согласованных фильтров сложных сигналов и преобразователей временного масштаба, калибровки временных интервалов с требуемыми параметрами, коррекции временных искажений.The invention relates to acoustoelectronics, in particular to devices based on surface acoustic waves (SAWs) and can be used in delay lines of electrical signals, in delay devices, phase shifters, to build matched filters for complex signals and time scale converters, to calibrate time intervals with the required parameters, correction of temporal distortions.

Известны акустооптические линии задержки сигналов дискретного действия [Гасанов А.Р., Гасанов Р.А. Электронно-управляемые акустооптические линии задержки (АОЛЗ) дискретного действия // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2015.— № 9.— C.6-10]. В них управление временем задержки электрических сигналов может осуществляться изменением несущей частоты упругой волны при различных углах падения световых пучков и переключением фотоприемников, расположенных в плоскости регистрации отклоненного света при одинаковых углах падения световых пучков в апертуру фотоупругой среды.Known acousto-optic delay lines of signals of discrete action [ Gasanov A.R., Gasanov R.A. Electronically controlled acousto-optic delay lines (AOLZ) of discrete action // Instruments and systems. Management, control, diagnostics. - 2015. - No. 9. - C.6-10 ]. In them, the delay time of electrical signals can be controlled by changing the carrier frequency of the elastic wave at different angles of incidence of light beams and switching photodetectors located in the plane of registration of deflected light at the same angles of incidence of light beams into the aperture of the photoelastic medium.

Известны акустические модуляторы сигналов, используемые в линиях задержки сигналов. В таких устройствах электрический сигнал преобразуется в ультразвуковые колебания, распространяющиеся в оптически прозрачной среде к акустическому поглотителю, и затем извлекается через упругооптическую связь [Пашаев А.М., Гасанов А.Р., Мамедов А.А., Гасанов Х.И. Электронно-управляемая акустооптическая линия задержки//Приборы и системы управления. — 1997.— № 6.— C.46]. Извлечение сигнала становится возможным благодаря тому, что просвечивающий пучок света модулируется при дифракции на неоднородностях диэлектрической проницаемости, вызываемых деформациями среды звукопровода, обусловленными ультразвуковой волной. Для получения электрического сигнала свет детектируют с помощью фотодетекторов. Звукопровод в данном случае является акустическим модулятором света. Known acoustic signal modulators used in signal delay lines. In such devices, the electrical signal is converted into ultrasonic vibrations propagating in an optically transparent medium to an acoustic absorber, and then extracted through an elastic-optical connection [ Pashaev A.M., Gasanov A.R., Mamedov A.A., Gasanov Kh.I. Electronically controlled acousto-optical delay line//Instruments and control systems. - 1997. - No. 6. - C.46 ] . Extraction of the signal becomes possible due to the fact that the translucent beam of light is modulated by diffraction on the inhomogeneities of the dielectric permittivity caused by deformations of the sound duct medium caused by the ultrasonic wave. To obtain an electrical signal, light is detected using photodetectors. The sound duct in this case is an acoustic light modulator.

Известен датчик на ПАВ [см. например, заявка №2009131401/28, МПК G01N29/00, 2009г.], содержащий подложку из LiNbO₃ со специально обработанной нижней поверхностью, встречно-штыревые преобразователи (ВШП), напыленные на подложку с определенным шагом, основание и акустические поглотители паразитных ПАВ, отличающийся тем, что он снабжен акустическим звуководом в виде полированного бруска металла, при этом нижняя поверхность подложки под ВШП - шероховатая, а нижняя поверхность в центральной части между ВШП - гладкая, при этом основание состоит из двух частей, между которыми находятся акустический звуковод, размещенный под центральной частью подложки, причем расстояние напыления гребенок ВШП изменяется линейно от 0,176 до 1,176 мм, а шаг напыления зависит от количеств гребенок ВШП. Known sensor for surfactant [ see, for example, application No. 2009131401/28, IPC G01N29/00, 2009 ], containing a LiNbO ₃ substrate with a specially treated lower surface, interdigital transducers (IDTs) deposited on the substrate with a certain pitch, a base and acoustic absorbers of parasitic surfactants, characterized in that it is equipped with an acoustic sound guide in the form of a polished metal bar, with At the same time, the lower surface of the substrate under the IDT is rough, and the lower surface in the central part between the IDT is smooth, while the base consists of two parts, between which there is an acoustic sound guide located under the central part of the substrate, and the distance of deposition of the IDT combs varies linearly from 0.176 to 1.176 mm, and the deposition step depends on the number of IDT combs.

К недостаткам указанных устройств можно отнести разнообразные вторичные акустические эффекты, сопровождающие возбуждение, распространение и приём ПАВ. Среди этих эффектов главными являются дифракция, дисперсия и переотражение ПАВ. Кроме того, в материале звукопровода и фотодетектора неизбежны потери энергии, что создает дополнительные трудности в функционировании приборов на ПАВ. The disadvantages of these devices include a variety of secondary acoustic effects that accompany the excitation, propagation and reception of SAW. Among these effects, the main ones are diffraction, dispersion, and SAW re-reflection. In addition, energy losses are inevitable in the material of the sound duct and photodetector, which creates additional difficulties in the operation of SAW devices.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача модуляции интенсивности ПАВ для создания акустооптической линии задержки электрических сигналов. Процесс модуляции самой ультразвуковой волны позволит уменьшить негативное влияние перечисленных выше эффектов, в частности избежать энергетических потерь при преобразовании акустического сигнала в оптический.The proposed invention is based on the task of SAW intensity modulation to create an acousto-optical delay line for electrical signals. The process of modulation of the ultrasonic wave itself will reduce the negative impact of the effects listed above, in particular, to avoid energy losses during the conversion of an acoustic signal into an optical one.

Заявитель считает данное изобретение пионерным, то есть не имеющем в уровне технике аналогов (средств того же назначения).The Applicant considers this invention to be a pioneer, that is, having no analogues in the prior art (means of the same purpose).

Технический результат достигается тем, что модулятор содержит в качестве базового элемента слоистую структуру LiNbO₃ – SiOx – InSb - SiOx. Распространение ПАВ происходит в слое LiNbO₃, а дрейф носителей заряда – в пленке InSb (при толщине пленки 400 – 500 Å). Связь между упругой и электронной подсистемой осуществляется электрическим полем, проникающим через границу раздела LiNbO₃ – InSb. Для предотвращения легирования пленки InSb диффузией примеси из подложки пленка покрывается слоем SiOx толщиной 300÷400 Å. Верхний защитный слой SiOx служит для исключения коагулирования и разложения пленки InSb при плавлении. Рассматриваемая структура схематически изображена на фиг.1, где 1 – преобразователь; 2 – Al – электроды для тянущего поля; 3 – пленка InSb; 4 – пленка SiO_x. На фиг.2 схематически показаны особенности электронного энергетического спектра рассматриваемой КЯ с примесными центрами (ПЦ), где L – ширина КЯ; E_c – энергия дна зоны проводимости в массивном полупроводнике; E_F – энергия Ферми; точки z_1,2 определяются условием E_λ(z_1,2)=E_F; E_λ - энергия связанного состояния ПЦ.The technical result is achieved by the fact that the modulator contains as a base element a layered structure of LiNbO ₃ - SiOx - InSb - SiOx. Surfactant propagation occurs in the LiNbO ₃ layer, and charge carrier drift occurs in the InSb film (at a film thickness of 400–500 Å). The connection between the elastic and electronic subsystem is carried out by an electric field penetrating through the LiNbO ₃ – InSb interface. To prevent doping of the InSb film by impurity diffusion from the substrate, the film is covered with a layer of SiOx with a thickness of 300–400 Å. The upper protective SiOx layer serves to prevent coagulation and decomposition of the InSb film during melting. The structure under consideration is schematically shown in figure 1, where 1 is the converter; 2 - Al - electrodes for the pulling field; 3 – InSb film; 4 – SiO _x film. Figure 2 schematically shows the features of the electronic energy spectrum of the considered QW with impurity centers (PC), where L is the QW width; E _c is the energy of the bottom of the conduction band in a bulk semiconductor; E _F is the Fermi energy; points z _1,2 are determined by the condition E _λ (z _1,2 )=E _F ; E _λ is the energy of the bound state of the PC.

Свойства границы LiNbO₃ – InSb зависят от случайных факторов, и в случае зонного механизма проводимости пленки InSb следует ожидать заметного разброса параметров усилителей ПАВ этого типа. В отличие от режима усиления, режим модуляции ПАВ не предъявляет жестких требований к величине дрейфовой подвижности носителей заряда. Здесь актуальной становится проблема эффективного изменения проводимости пленки InSb. В этой связи представляет интерес прыжковая проводимость на переменном токе в компенсированной КЯ на основе InSb. The properties of the LiNbO ₃ – InSb interface depend on random factors, and in the case of the band mechanism of the conductivity of the InSb film, one should expect a noticeable scatter in the parameters of SAW amplifiers of this type. In contrast to the amplification mode, the SAW modulation mode does not impose strict requirements on the drift mobility of charge carriers. Here, the problem of effectively changing the conductivity of the InSb film becomes topical. In this connection, of interest is the ac hopping conduction in a compensated QW based on InSb.

В полупроводниковой КЯ наряду с обычным уширением примесной зоны за счет случайного поля может иметь место дополнительное уширение, связанное с эффектом позиционного беспорядка. Будем предполагать, что связанное с этим эффектом уширение примесной зоны превосходит размытие уровня за счет случайного поля. Будем считать полупроводниковую КЯ компенсированной (уровень Ферми расположен в примесной зоне) и рассмотрим случай низких температур, когда проводимость определяется переходами между состояниями с энергиями

, близкими к уровню Ферми [Серженко Ф.Л., Шадрин В.Д. Теория фотоэлектрических и пороговых характеристик фотоприемников на основе многослойных структур на GaAs – AlGaAs с квантовыми ямами//ФТП.— 1991.— т. 25.— № 9.— С.1579—1588.]. В этом случае пространственное положение точек локализации этих состояний ограничено узкими областями около плоскостей

причем точки

определяются условием

In a semiconductor QW, along with the usual broadening of the impurity band due to a random field, there can be an additional broadening associated with the effect of positional disorder. We will assume that the impurity band broadening associated with this effect exceeds the level smearing due to the random field. We assume that the semiconductor QW is compensated (the Fermi level is located in the impurity band) and consider the case of low temperatures, when the conductivity is determined by transitions between states with energies

close to the Fermi level [ Serzhenko F.L., Shadrin V.D. Theory of photoelectric and threshold characteristics of photodetectors based on multilayer structures based on GaAs - AlGaAs with quantum wells / / FTP. - 1991. - v. 25. - No. 9. - P. 1579-1588. ]. In this case, the spatial position of the points of localization of these states is limited by narrow regions near the planes

where the points

are determined by the condition

В широкой области частот прыжковую проводимость

можно вычислять на основе парного приближения [Bringcourt G., Martinuzzi S. C. R.//Acad. Sci. Paris.— 1968.— v. 266.— P.1283.]:In a wide frequency range, the hopping conductivity

can be calculated based on the pairwise approximation [ Bringcourt G., Martinuzzi SCR//Acad. sci. Paris.— 1968.—v. 266.-P.1283. ]:

где S_⊥ - площадь сечения образца, перпендикулярного переменному полю;

- радиус-векторы рассматриваемой пары ПЦ;

- единичный вектор в направлении переменного электрического поля;

;

и

– энергии ПЦ, связанные с их координатами z_a и z_b соотношением E_a _,b= E_λ(z_a _,b);

- функция квантовой корреляции уровней;

- равновесная вероятность заполнения центра; τ_ab – время релаксации в пареwhere S _⊥ is the cross-sectional area of the sample perpendicular to the alternating field;

are the radius vectors of the considered pair of PCs;

- unit vector in the direction of the alternating electric field;

;

and

are the PC energies associated with their coordinates z _a and z _b by the relation E _a _,b = E _λ (z _a _,b );

- function of quantum correlation of levels;

- equilibrium probability of filling the center; τ _ab is the relaxation time in a pair

здесь Г_ab представляет собой темп переходов между центрами пары a и b:here Г _ab is the rate of transitions between the centers of the pair a and b:

где Г₀ – предэкспоненциальный множитель, слабо зависящий от энергий и координат ПЦ; λ^* - больший из радиусов локализации состояний а и b; ступенчатые функции θ в (1) указывают на то, что ПЦ расположены по разные стороны от плоскости

.where Г ₀ is a pre-exponential factor that weakly depends on the energies and coordinates of the PC; λ ^* - the largest of the localization radii of the states a and b; step functions θ in (1) indicate that the PCs are located on opposite sides of the plane

.

Расчет проводимости существенно упрощается [Звягин И.П., Ван В. Частотная зависимость проводимости по примесям в квантовой яме//Вестник МГУ. Сер. 3 «Физика. Астрономия».—1996 — № 6. — С.69—73.], если характерная длина прыжка

велика по сравнению с шириной КЯ. В этом случае в матричных элементах перехода между локализованными состояниями величину

можно заменить на

- расстояние между ПЦ в плоскости слоя. При этом время релаксации

в (2) примет вид

При

можно пренебречь и квантовой корреляцией уровней, полагая

. Рассмотрим, далее, случай, когда направление напряженности электрического поля перпендикулярно к направлению роста КЯ (продольная проводимость). В этом случае, интеграл в (1) можно приближенно вычислить, и в результате вещественная часть продольной проводимости Reσ_l(ω) примет следующий видThe calculation of the conductivity is greatly simplified [ Zvyagin IP, Wang V. Frequency dependence of the conductivity of impurities in a quantum well//Bulletin of Moscow State University. Ser. 3 “Physics. Astronomy. - 1996 - No. 6. - P. 69-73. ], if the characteristic jump length

large compared to the width of the QW. In this case, in the matrix elements of the transition between localized states, the value

can be replaced by

is the distance between the PCs in the plane of the layer. In this case, the relaxation time

in (2) takes the form

At

we can also neglect the quantum correlation of levels, assuming

. Let us further consider the case when the direction of the electric field strength is perpendicular to the direction of QW growth (longitudinal conductivity). In this case, the integral in (1) can be approximately calculated, and as a result, the real part of the longitudinal conductivity Reσ _l (ω) will take the following form

здесь σ₀ _l=π⁴ e ² N ₀ ² a _d ⁵ /(2 ⁸ E _dτ₀), а функция

определена какhere σ ₀ _l =π ⁴ e ² N ₀ ² a _d ⁵ /(2 ⁸ E _d τ ₀ ), and the function

defined as

,

;

энергия связанного состояния ПЦ E _λ в КЯ с параболическим потенциальным профилем, здесь учтено, что проводимость определяется переходами между примесными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми. Величина

определяется из дисперсионного уравнения [см. Кревчик В.Д., Зайцев Р.В., Евстифеев Вас.В. К теории фотоионизации глубоких примесных центров в параболической квантовой яме. // ФТП. – 2000. – Т.34. - №10. – С.1244 – 1249.]:

,

;

energy of the bound state of the PC E _λ in a QW with a parabolic potential profile, here it is taken into account that the conductivity is determined by transitions between impurity states lying near the Fermi level. Value

is determined from the dispersion equation [see. Krevchik V.D., Zaitsev R.V., Evstifeev Vas.V. On the theory of photoionization of deep impurity centers in a parabolic quantum well. // FTP. - 2000. - T.34. - No. 10. - S.1244 - 1249. ]:

здесь

;

; a=z₀/L;

; L^*=L/a _d ; U ₀ ^*=U ₀/E _d.here

;

; a \u003d z ₀ /L;

; L ^* =L/ a _d ; U ₀ ^* = U ₀ / E _d .

На фиг. 3 представлена зависимость нормированной проводимости Reσ_l(ω)/σ₀ _l от величины ωτ₀ при различных значениях амплитуды потенциала U₀ ^* КЯ и глубины залегания примесного уровня η _i, рассчитанная по формуле (4) (1— U ₀*=100, η_i=6; 2— U ₀*=200, η_i=5.1; 3— U ₀*=100, η_i=5.1). Можно видеть (см. кривую 3), что проводимость в основном определяется переходами электронов между примесными состояниями, лежащими вблизи уровня Ферми. Незначительное понижение примесных уровней сопровождается уменьшением проводимости примерно на порядок (ср. кривые 3 и 1). С ростом амплитуды потенциала КЯ проводимость падает (ср. кривые 3 и 2), что обусловлено соответствующим смещением примесных уровней. Необходимо отметить, что в достаточно узкой области частот переменного электрического поля 0,2≤ωτ₀≤1 (см. фиг.3) прыжковая проводимость меняется от нуля до максимального значения. Эта особенность составляет физическую основу модуляции интенсивности ПАВ. In FIG. Figure 3 shows the dependence of the normalized conductivity Reσ _l (ω)/σ ₀ _l on the value of ωτ ₀ for various values of the potential amplitude U ₀ ^* QW and the depth of the impurity level η _i , calculated by formula (4) (1— U ₀ *=100, η _i =6; 2 - U ₀ *=200, η _i =5.1; 3 - U ₀ *=100, η _i =5.1). It can be seen (see curve 3) that the conductivity is mainly determined by electron transitions between impurity states lying near the Fermi level. A slight decrease in impurity levels is accompanied by a decrease in conductivity by about an order of magnitude (cf. curves 3 and 1). As the amplitude of the QW potential increases, the conductivity decreases (cf. curves 3 and 2), which is due to the corresponding shift of the impurity levels. It should be noted that in a fairly narrow range of frequencies of the alternating electric field 0,2≤ωτ ₀ ≤1 (see figure 3) hopping conductivity varies from zero to a maximum value. This feature forms the physical basis for SAW intensity modulation.

Предлагаемый модулятор интенсивности ПАВ представляет собой многослойную структуру с полупроводниковой КЯ, содержащей примесную зону. ПАВ взаимодействует с электронами в примесной зоне посредством экспоненциально спадающего электрического поля волны, проникающего в пленку InSb. Рассмотрим случай, когда частота переменного поля ω много меньше частоты звука

но больше или порядка обратного времени пролета звука через образец. В частности, если время пролета звука по образцу равно целому кратному периодов внешнего переменного электрического поля, то интенсивность звука на выходе образца определяется в основном средним по периоду поля коэффициентом поглощения звука <α>:The proposed SAW intensity modulator is a multilayer structure with a semiconductor QW containing an impurity band. The SAW interacts with electrons in the impurity band via an exponentially decreasing electric field of the wave penetrating into the InSb film. Let us consider the case when the frequency of the alternating field ω is much less than the frequency of sound

but greater than or on the order of the reciprocal time of flight of sound through the sample. In particular, if the time of flight of sound through the sample is equal to an integer multiple of the periods of the external alternating electric field, then the sound intensity at the output of the sample is determined mainly by the sound absorption coefficient averaged over the field period <α>:

здесь γ - константа электромеханической связи, ω_S – частота ПАВ, v_S – скорость ПАВ, ε_L, ε_P – диэлектрические проницаемости диэлектрического подслоя и пьезоэлектрика, σ - проводимость пленки InSb. Выражение (6) получено при следующих условиях: ωτ_M<<1 (τ_M – максвелловское время релаксации); qr_D<<1 (q – волновое число звука, r_D – дебаевский радиус экранирования); μ_eE₀///v_S<<1 (μ_e – подвижность электронов, E₀// - амплитуда продольного электрического поля); E_⊥=0 (поперечное внешнее электрическое поле отсутствует). Если проводимость пленки InSb является прыжковой на переменном токе и связана с модификацией электронных состояний на примесях в КЯ. Тогда, для глубины модуляции

где k=<α(ω₂)>/<α(ω₁)>=Reσ_l(ω₁)/Reσ_l(ω₂) (используя кривую 2 на фиг. 2) будем иметь m≈82%. При этом эффективность модулятора составит (при k≈10) примерно 70%. Таким образом, модулятор интенсивности ПАВ на прыжковом механизме проводимости InSb КЯ можно использовать в линиях задержки электрических сигналов. При этом модуляция непосредственно самой ПАВ позволяет избежать энергетических потерь при преобразовании акустического сигнала в оптический, что дает значительные преимущества при использовании предлагаемого модулятора ПАВ в линиях задержки электрических сигналов по сравнению с традиционными модуляторами на основе зонной проводимости.here γ is the electromechanical coupling constant, ω _S is the SAW frequency, v _S is the SAW velocity, ε _L , ε _P are the permittivities of the dielectric sublayer and the piezoelectric, σ is the conductivity of the InSb film. Expression (6) was obtained under the following conditions: ωτ _M <<1 (τ _M is the Maxwellian relaxation time); qr _D <<1 (q is the wavenumber of sound, r _D is the Debye screening radius); μ _e E ₀ ///v _S <<1 (μ _e is the electron mobility, E ₀ // is the amplitude of the longitudinal electric field); E _⊥ =0 (there is no transverse external electric field). If the conductivity of the InSb film is hopping at alternating current and is associated with the modification of electronic states on impurities in the QW. Then, for the modulation depth

where k=<α(ω ₂ )>/<α(ω ₁ )>=Reσ _l (ω ₁ )/Reσ _l (ω ₂ ) (using curve 2 in Fig. 2) we will have m≈82%. In this case, the efficiency of the modulator will be (at k ≈ 10) approximately 70%. Thus, the SAW intensity modulator based on the InSb QW hopping conductivity mechanism can be used in electric signal delay lines. At the same time, modulation of the SAW itself makes it possible to avoid energy losses during the conversion of an acoustic signal into an optical one, which gives significant advantages when using the proposed SAW modulator in delay lines of electrical signals compared to traditional modulators based on band conduction.

Claims

Surface acoustic wave intensity modulator, characterized in that it contains a base element based on the layered structure LiNbO3 - SiOx - InSb - SiOx, characterized in that the physical basis for modulating the intensity of surface acoustic waves is the hopping mechanism of AC conduction in a thin InSb film, which is a semiconductor quantum well with an impurity band.