eng
Выпуск #6/2017
И.Обухов, Г.Горох, А.Лозовенко, Е.Смирнова
Матрицы нанопроводов из антимонида индия и их применения для генерации СВЧ-излучения
Матрицы нанопроводов из антимонида индия и их применения для генерации СВЧ-излучения
Просмотры: 4085
Описаны методы изготовления матриц нанопроводов из антимонида индия в регулярных порах анодного оксида алюминия с различными металлическими контактами. Показано, что на основе этих матриц могут быть созданы генераторы электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот.
УДК 621.315.592
ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.77.6.96.108
УДК 621.315.592
ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.77.6.96.108
Теги: anodic aluminum oxide microwave generator relaxation instability terahertz анодный оксид алюминия релаксационная неустойчивость свч-генератор терагерц
Уникальные свойства антимонида индия (InSb) делают этот материал одним из оптимальных для электроники сверхвысоких частот, ориентированной на низкое энергопотребление [1, 2]. Благодаря малой эффективной массе электронов проводимости, при комнатной температуре на электрические характеристики структур из InSb с размерами 60 нм и меньше существенно влияет размерное квантование [1, 3].
Современные технологии позволяют формировать в регулярных порах матриц анодного оксида алюминия (АОА) нанопровода из InSb с диаметром от 30 нм [4–8]. Таким образом, имеется возможность использовать на практике размерное квантование энергии электронов в этих объектах.
На рис.1 схематично изображен нанопровод, а на рис.2 показаны характерные потенциальные рельефы для электронов в такой структуре при различных поперечных размерах проводящего канала. Границы контактов с проводящим каналом представляют собой гетеропереходы. Проводящий канал при поперечном сечении LПодпись: T<Ldq оказывается потенциальным барьером для электронов, высота которого регулируется величиной LПодпись: T. Чем меньше поперечное сечение, тем выше барьер и, соответственно, меньше концентрация электронов в канале [3].
Указанными зависимостями можно воспользоваться для проектирования функциональных электронных устройств на основе нанопроводов. При этом следует учитывать, что протекание тока через гетеропереходы приводит к появлению неравновесных электронов [3], свойства которых положены в основу функционирования рассмотренных ниже приборов.
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОПРОВОДОВ В МАТРИЦЕ АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
Нанопровода из InSb в матрицах АОА могут быть сформированы на стеклянных, диэлектрических или полупроводниковых подложках, а также на свободных мембранах и подложках из пористого оксида алюминия [4–8]. Диаметры пор в матрицах АОА и толщина самого оксида задаются заранее, исходя из технических требований к создаваемому устройству.
Методика приготовления матриц АОА, предназначенных для формирования в них нанопроводов, размер пор, а также технология синтеза проводящих каналов нанопроводов и материал контактов определяют свойства и характеристики матричных структур. На рис.3 схематично показаны последовательности технологических процессов формирования нанопроводов InSb в порах тонких матриц АОА на кремниевых подложках (рис.3а) и в нанопористых подложках из АОА (рис.3b). В последнем случае отношение длины проводящих каналов нанопроводов к их диаметру может достигать тысячи и более.
Электрохимическое осаждение антимонида индия в поры матриц АОА непосредственно на поверхность кремния или на поверхность металлов осуществляется в хлоридном электролите следующего состава: водный раствор 0,1М SbCl3, 0,15M InCl3, 0,36M лимонная кислота и 0,17M цитрат калия, доведенный до pH = 2,0 20%-ным раствором HCl [9]. Осаждение InSb проводится в комбинированном режиме при переменном токе (50 Гц) с плотностью 8 мА/см2 в течение трех минут и постоянном токе с плотностью 4 мА/см2 в течение 20–50 мин при постоянном перемешивании раствора магнитной мешалкой. Катодный потенциал относительно электрода сравнения (Ag/AgCl) при осаждении на n-Si подложки составляет 1,2–1,7 В, а при осаждении на металл – 0,7–0,9 В. Температуру электролита поддерживают в диапазоне 25 ± 1 °С.
Такая технология позволяет формировать регулярные массивы нанопроводов с диаметрами от 30 до 70 нм и расстояниями между порами 40–100 нм. Высота матриц может варьироваться от 200 до 50 мкм. "Плотность упаковки" нанопроводов составляет 1010 1011 проводов/см2, а характерная площадь сечения проводящих каналов – 1011 см2.
Электронно-микроскопические снимки матриц АОА на кремниевой подложке для осаждения нанопроводов, а также массив нанопроводов на подложке после селективного растворения матрицы АОА представлены на рис.4. На рис.5 показаны электронные микрофотографии подложки из АОА с нанопроводами InSb и сами нанопровода после селективного растворения подложки.
Методом электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа были проведены исследования состава InSb-нанопроводов. Удалось определить, что в весовом выражении индий составляет 36,89%, а сурьма – 63,11%. Атомарное же соотношение этих элементов в составе наноструктур несколько иное – 38,26% In и 61,74% Sb. Полученные данные свидетельствуют о том, что InSb в нанопроводах находится в поликристаллическом состоянии [10, 11].
Важную роль в функционировании приборов на основе матриц нанопроводов играют переходы между контактными областями и проводящим каналом. Были сформированы контакты из различных материалов (никеля, меди и алюминия) и проведены измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) матриц нанопроводов InSb в АОА. Методика измерений описана в работе [11].
На рис.6 показаны ВАХ матриц нанопроводов InSb с контактами из никеля и меди. ВАХ структур с контактами из никеля, представленные на рис.6а, имели нелинейный вид, на них по степени нелинейности можно выделить три участка. Первый характеризуется слабой нелинейной зависимостью тока от напряжения: ток растет от 0 до 5 мА при увеличении напряжения от 0 В до порогового значения 3–3,5 В. На втором участке при дальнейшем росте напряжения до 4–4,5 В коэффициент нелинейности становится максимальным, ток ускоренно возрастает до 15–20 мА. На третьем участке при незначительном приращении напряжения ток возрастает до своего максимального значения, при этом плотность тока через контакт, соединяющий около 1,025 · 108 нанопроводов, составила 27,18 А/см2. Несмотря на то, что измеренные на разных контактах ВАХ имели одинаковый вид, границы обозначенных участков изменялись в пределах ±0,5 В.
На ВАХ матриц с контактами из меди после первых включений произошла приработка контактных переходов InSb/Cu. ВАХ имели стабильный вид с экспоненциальной зависимостью тока от изменяющихся напряжений при прямом и обратном включениях (рис.6b). Токи через нанопровода достигали 320 мА и были стабильны во времени, что соответствовало плотности тока 129,8 А/см2. На некоторых образцах наблюдались ВАХ с гистерезисом, который пропадал после проведения нескольких серий измерений. Это явление связано, по-видимому, с наличием окиси и закиси меди и миграцией кислорода в приконтактном слое матрицы [11].
ВАХ структуры с алюминиевыми контактами имели вид, похожий на ВАХ структуры с медными контактами, представленной на рис.6b. Плотность тока в таких структурах составляла около 100 А/см2. На характеристике имелись изломы, которые могут быть объяснены нагревом образца.
Эксперименты на образцах с контактами из золота продолжаются до настоящего времени. Они дают надежду на получение плотностей тока близких к 104 – 105 А/см2, которые были рассчитаны в работе [1] и измерены для единичного нанопровода из InSb авторами работы [12]. Получение высоких плотностей токов будет свидетельствовать о достаточном совершенстве исследуемых структур и о возможности реализации на их основе предлагаемых ниже приборных конструкций.
РЕЛАКСАЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ
И ГЕНЕРАЦИЯ СВЧ-КОЛЕБАНИЙ
При определенных условиях в контактных областях нанопровода могут возникнуть релаксационная неустойчивость и затухающие осцилляции концентрации электронов [3]. Оба эти явления имеют пороговый характер и возможны только, если подвижности электронов в контактах и проводящем канале нанопровода различны.
Для определенности будем считать, что подвижность электронов в проводящем канале нанопровода больше их подвижностей в эмиттерном и коллекторном контактах. Такое допущение оправдано для нанопроводов из InSb с контактами из других полупроводниковых материалов или из металлов. Тогда при положительном смещении между коллектором и эмиттером релаксационная неустойчивость может наблюдаться в коллекторном контакте, а осцилляции концентрации электронов – в эмиттерном контакте.
Релаксационная неустойчивость развивается, если плотность тока в нанопроводе j превышает пороговое значение jins. Причиной возникновения неустойчивости является слишком большая при j>jins скорость неравновесных электронов, попадающих из проводящего канала нанопровода в коллекторный контакт. Они не успевают релаксировать к состоянию термодинамического равновесия за время пролета длины релаксации и накапливаются в контактной области.
Согласно расчетам [3] концентрация электронов в эмиттерном контакте экспоненциально нарастает с инкрементом порядка 40 ТГц при комнатной температуре. При достижении некоторого предельного значения концентрации [13, 14] ее нарастание сменяется экспоненциально быстрым затуханием с декрементом того же порядка, либо происходит тепловой пробой. Для нанопроводов с коротким каналом [3] и невысокой собственной концентрацией электронов в коллекторном контакте релаксационная неустойчивость должна приводить к заметным изменениям в проводимости структуры.
Если плотность тока в нанопроводе превышает другое пороговое значение josc, в эмиттерном контакте возникают затухающие высокочастотные осцилляции концентрации электронов [3]. Причиной осцилляций является недостаточная концентрация электронов, необходимых для обеспечения в стационарном режиме требуемого уровня их инжекции из эмиттера в проводящий канал нанопровода.
В общем случае пороговые плотности токов jins и josc – разные величины. Однако, варьируя параметры нанопровода, можно добиться того, что оба рассматриваемых явления начнут развиваться при одном и том же значении плотности тока [14]. При этом, как видно на рис.7, в эмиттере появляется встроенная индуктивность, а в коллекторе, как показано на рис.8, формируется область с отрицательным дифференциальным сопротивлением. То есть возникают условия, необходимые для генерации СВЧ-мощности.
Анализ соотношений, полученных в работах [3, 13, 14], показывает, что генерация СВЧ-колебаний в квантовом проводе возможна только при определенных соотношениях между его геометрическими и электрофизическими параметрами. Представленные на рис.7–9 результаты были рассчитаны для нанопровода с проводящим каналом из InSb длиной 100 нм и кремниевыми контактами n-типа. Длина эмиттерного контакта равнялась также 100 нм, а концентрация электронов – 1014 см3. Длина коллекторного контакта составляла 500 нм, а концентрация электронов – 5 ∙ 1014 см3.
Расчет максимальной мощности, отдаваемой таким нанопроводом во внешнюю цепь, представлен на рис.9. При частотах, меньших 1,4 ТГц, он может генерировать порядка 10 нВт СВЧ-мощности. При этом его расчетный КПД равен около 13%. При частотах, превышающих 7,2 ТГц, генерация прекращается, и квантовый провод поглощает внешнюю энергию [13, 14].
СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ
Электрическая схема замещения для матрицы нанопроводов показана на рис.10. Она состоит из следующих элементов: эмиттер (сопротивление Re, емкость Ce, индуктивность Le), область проводящих каналов (сопротивление Rch), коллектор (сопротивления Rc1 и Rc2, емкость Cс).
Все параметры являются функциями тока и вычисляются на основе результатов моделирования переноса заряда в нанопроводе с учетом наличия режимов неустойчивости и релаксационных колебаний. Сопротивления Re и Rc1 – это обычные омические сопротивления эмиттера и коллектора, положительные при всех значениях тока. Сопротивление Rc2 положительно при токах, меньших порога релаксационной неустойчивости, и становится отрицательным при превышении током порогового значения. Значение Rc2 определяется декрементом затухания или инкрементом нарастания флуктуаций концентрации электронов в коллекторе. Индуктивность Le равняется нулю при токах меньших порога релаксационных колебаний и определяется их частотой при превышении током порогового значения.
Для учета влияния электрического СВЧ-поля резонатора на процессы в полупроводниковой структуре цепь генератора должна быть дополнена колебательным контуром. Поэтому численные расчеты проводились с колебательным контуром (рис.11), учитывающим основные конструктивные особенности электродинамической системы генератора.
В этой схеме диоды, подключенные навстречу друг другу, играют роль ограничителя частоты, а колебательный контур замещает комбинированную колебательную систему, образованную коаксиальной цепью структуры и подключенным к ее резонаторной камере регулируемым волноводным резонатором.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
При моделировании выполнялась оптимизация численных значений элементов схемы замещения. Рабочая точка выбиралась так, чтобы инкремент нарастания флуктуаций концентрации электронов в коллекторе соответствовал терагерцовому диапазону частот. В результате выбран ток, равный 4,10 А. Параметры цепи при этом токе оказываются следующими: Re = 0,0574 Ом, Ce = 0,184 пФ, Le = 0,00 Гн,
Rc1 = 0,0154 Ом, Rc2= 3, 83 Ом, Cс = 0,224 пФ, Rch = 0,0313 Ом.
Расчеты характеристик генератора в корпусе показали, что индуктивность эмиттера затрудняет переход прибора в режим генерации. По этой причине у активного элемента эмиттер выполнен из золота, а не из кремния. В таком случае релаксационные колебания в эмиттерном контакте могут проявиться только при очень больших токах, на несколько порядков превышающих пороговый ток релаксационной неустойчивости в коллекторе.
Импульс запуска выбирался с амплитудой 0,1 В на частоте 0,97 ГГц. Индуктивность и емкость внешнего колебательного контура изменялись в пределах 2,63 0,56 пГн, 0,105 0,022 фФ. В результате обеспечивалось возбуждение колебаний на частотах от 303 до 994,7 ГГц. На рис.12 и 13 представлены рассчитанные зависимости напряжения генерируемого сигнала от времени и спектры сигналов на этих частотах. Численное моделирование показало, что при включении генератор запускается "жестко", амплитуда колебаний достигает стационарного значения Uw = 0,8 В за первую половину периода колебаний, доступная выходная мощность составляет 12,8 мВт.
СВЧ-генератор как эквивалентный четырехполюсник может быть описан S-параметрами, измеряемыми в линиях с согласованными нагрузками, что на сверхвысоких частотах реализуется наиболее просто. По S-параметрам генератора, измеренным на нескольких частотах, можно определить (или уточнить) элементы его эквивалентной схемы, и, наоборот, известная эквивалентная схема позволяет рассчитать S-параметры на любой частоте диапазона, в котором эта схема корректна.
Для расчетов S-параметров СВЧ-генератора с активным элементом из матрицы нанопроводов использовалась программа EMPro. Результаты представлены на рис.14 и 15. Коэффициент отражения (S11) достигает минимального значения при частоте 650 ГГц. При этой же частоте коэффициент передачи (S12) имеет вполне приемлемое значение около 10 Дб. Также имеются локальные минимумы параметра S11 при частотах 300, 370, 910 ГГц и др.
Исходя из анализа зависимости S-параметров генератора от частоты, можно сделать вывод, что оптимальными для его функционирования являются частоты 300, 370, 650 и 910 ГГц. На этих частотах коэффициент отражения имеет минимумы, коэффициент прохождения – локальные максимумы, а КСВН принимает значения в диапазоне от 4 до 15.
На рис.16 показано распределение электрического поля Е в волноводе на выбранных частотах. На частоте 300 ГГц наибольшая часть мощности выходит в направлении полезной нагрузки, изменение амплитуды происходит равномерно вдоль широкой стенки волновода. При 370 ГГц часть мощности тратится в направлении регулирующего поршня. На частоте 650 ГГц амплитуда поля Е достигает больших значений чем на 300 ГГц, но его распределение вдоль волновода неоднородно. При частоте 910 ГГц образование Е-волн не наблюдается, то есть создать стабильный источник мощности нельзя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современная технология позволяет создавать матрицы нанопроводов из антимонида индия в регулярных порах анодного оксида алюминия. Геометрические характеристики проводящих каналов управляемо варьируются: поперечные сечения в пределах от 30 до 70 нм, а длины от 200 нм до 50 мкм. Планарные размеры матриц, в принципе, ничем не ограничены. Контакты нанопроводов могут быть созданы из различных металлов, полуметаллов и полупроводников.
В проводящих каналах из InSb с размерами, меньшими 60 нм, уже при комнатной температуре реализуется размерное квантование энергии электронов. Контакты нанопроводов могут быть сформированы таким образом, что между ними и проводящим каналом образуются гетеропереходы. При протекании тока через гетеропереходы реализуются различные неравновесные квантовые явления, которые определяют спектр возможных применений матриц нанопроводов.
В частности, могут быть созданы генераторы электромагнитных колебаний в диапазоне частот от 300 ГГц до 3 ТГц. Теоретические оценки свидетельствуют об уникальности характеристик этих перспективных устройств. Первые экспериментальные результаты подтверждают теоретические предсказания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Obukhov I.A. Some aspects of nanoelectronics development in Russia // WTEC Workshop Proceedings: Russian Research and Development Activities on Nanoparticles and Nanostructured Materials. S. Petersburg. 1997. P. 116–125.
2. Datta S. The 21st Century Energy Efficient Logic Transistor // Sematech-2007. Oregon. USA. October 9th. 2007. http://www.sematech.org/meetings/archives/litho/8065/pres/ Key%20Note% 20Suman% 20Datta.pdf.
3. Obukhov I.A. Nonequilibrium effects in one-dimensional quantum devices. LAMBERT Academic Publishing, 2014. 132 p.
4. Горох Г.Г. Высокоупорядоченные анодные оксидные пленки алюминия для формирования наноструктур // Сб. ст.: Наноструктурированные оксидные пленки и покрытия. – Петрозаводск: изд-во КГПУ, 2007. С. 62–68.
5. Горох Г.Г., Обухов И.А., Позняк А.А., Лозовенко А.А., Захлебаева А.И., Сочнева Е.А. Синтез нанопроводов InSb в модифицированных матрицах анодного оксида алюминия // Материалы 22-й Международной крымской микроволновой конференции. Севастополь. 2012. Т. 2.С. 655–658.
6. Горох Г.Г., Обухов И.А., Лозовенко А.А., Сочнева Е.А. Темплейтный метод формирования квантовых нанопроводов InSb с большим аспектным отношением // Материалы 23-й Международной крымской микроволновой конференции. Севастополь. 2013. Т. 2.С .820–823.
7. Обухов И.А., Горох Г.Г. Электронные приборы на основе антимонида индия // 22-я Международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо’2012): материалы конф., в 2 т., Севастополь, 10–14 сент. 2012 г. Севастополь, 2012. Т.2. С. 653–654.
8. Mozalev A., Gorokh G., Solovei D., Poznyak A. Direct observation of anodic film growth and dissolution on superimposed aluminum and nickel metallic layers // Proceedings of the 13th European Microscopy Congress, (EMC 2004), Belgium, 22–24 Aug. 2004. Gustaaf Van Tendeloo (Ed.) – Antwerp, 2004. P. 533–534.
9. Khan M.I., Penchev M., Jing X., Wang X., Ozkan M., Ozkan C.S., Bozhilov K.N. Electrochemical Growth of InSb Nanowires and Report of a Single Nanowire Field Effect Transistor. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2008. Vol. 3. No. 2. P. 199–202.
10. Горох Г.Г., Обухов И.А., Лозовенко А.А., Захлебаева А.И., Сочнева Е.В. Электрофизические свойства массивов квантовых нанопроводов из InSb // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо`2014: Материалы 24-й Междунар. крым. конф., Севастополь, 7–13 сент. 2014 г.: в 2 т. / Изд-во Вебер; Севастополь, 2014. Т. 2. С. 791–792.
11. Горох Г.Г., Обухов И.А., Лозовенко А.А. Массивы нанопроводов из антимонида индия для перспективных термоэлектрических устройств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2015. № 1.С. 3–11.
12. Das S.R., Delker C.J., Zakharov D., Chen Yo.P., Sands T.D., Janes D.B. Room temperature device performance of electrodeposited insb nanowire field effect transistors // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. 243504.
13. Обухов И.А. Генерация шума квантовым проводом // Материалы 24-й Международной Крымской Микроволновой Конференции. Севастополь. 2014. Т. 2.С. 798–799.
14. Обухов И.А., Смирнова Е.А. Нанопровод как активный элемент генератора СВЧ излучения // Нано- и микросистемная техника. 2016. Том 18. № 8.С .509–514.
Современные технологии позволяют формировать в регулярных порах матриц анодного оксида алюминия (АОА) нанопровода из InSb с диаметром от 30 нм [4–8]. Таким образом, имеется возможность использовать на практике размерное квантование энергии электронов в этих объектах.
На рис.1 схематично изображен нанопровод, а на рис.2 показаны характерные потенциальные рельефы для электронов в такой структуре при различных поперечных размерах проводящего канала. Границы контактов с проводящим каналом представляют собой гетеропереходы. Проводящий канал при поперечном сечении LПодпись: T<Ldq оказывается потенциальным барьером для электронов, высота которого регулируется величиной LПодпись: T. Чем меньше поперечное сечение, тем выше барьер и, соответственно, меньше концентрация электронов в канале [3].
Указанными зависимостями можно воспользоваться для проектирования функциональных электронных устройств на основе нанопроводов. При этом следует учитывать, что протекание тока через гетеропереходы приводит к появлению неравновесных электронов [3], свойства которых положены в основу функционирования рассмотренных ниже приборов.
ФОРМИРОВАНИЕ НАНОПРОВОДОВ В МАТРИЦЕ АНОДНОГО ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
Нанопровода из InSb в матрицах АОА могут быть сформированы на стеклянных, диэлектрических или полупроводниковых подложках, а также на свободных мембранах и подложках из пористого оксида алюминия [4–8]. Диаметры пор в матрицах АОА и толщина самого оксида задаются заранее, исходя из технических требований к создаваемому устройству.
Методика приготовления матриц АОА, предназначенных для формирования в них нанопроводов, размер пор, а также технология синтеза проводящих каналов нанопроводов и материал контактов определяют свойства и характеристики матричных структур. На рис.3 схематично показаны последовательности технологических процессов формирования нанопроводов InSb в порах тонких матриц АОА на кремниевых подложках (рис.3а) и в нанопористых подложках из АОА (рис.3b). В последнем случае отношение длины проводящих каналов нанопроводов к их диаметру может достигать тысячи и более.
Электрохимическое осаждение антимонида индия в поры матриц АОА непосредственно на поверхность кремния или на поверхность металлов осуществляется в хлоридном электролите следующего состава: водный раствор 0,1М SbCl3, 0,15M InCl3, 0,36M лимонная кислота и 0,17M цитрат калия, доведенный до pH = 2,0 20%-ным раствором HCl [9]. Осаждение InSb проводится в комбинированном режиме при переменном токе (50 Гц) с плотностью 8 мА/см2 в течение трех минут и постоянном токе с плотностью 4 мА/см2 в течение 20–50 мин при постоянном перемешивании раствора магнитной мешалкой. Катодный потенциал относительно электрода сравнения (Ag/AgCl) при осаждении на n-Si подложки составляет 1,2–1,7 В, а при осаждении на металл – 0,7–0,9 В. Температуру электролита поддерживают в диапазоне 25 ± 1 °С.
Такая технология позволяет формировать регулярные массивы нанопроводов с диаметрами от 30 до 70 нм и расстояниями между порами 40–100 нм. Высота матриц может варьироваться от 200 до 50 мкм. "Плотность упаковки" нанопроводов составляет 1010 1011 проводов/см2, а характерная площадь сечения проводящих каналов – 1011 см2.
Электронно-микроскопические снимки матриц АОА на кремниевой подложке для осаждения нанопроводов, а также массив нанопроводов на подложке после селективного растворения матрицы АОА представлены на рис.4. На рис.5 показаны электронные микрофотографии подложки из АОА с нанопроводами InSb и сами нанопровода после селективного растворения подложки.
Методом электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа были проведены исследования состава InSb-нанопроводов. Удалось определить, что в весовом выражении индий составляет 36,89%, а сурьма – 63,11%. Атомарное же соотношение этих элементов в составе наноструктур несколько иное – 38,26% In и 61,74% Sb. Полученные данные свидетельствуют о том, что InSb в нанопроводах находится в поликристаллическом состоянии [10, 11].
Важную роль в функционировании приборов на основе матриц нанопроводов играют переходы между контактными областями и проводящим каналом. Были сформированы контакты из различных материалов (никеля, меди и алюминия) и проведены измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) матриц нанопроводов InSb в АОА. Методика измерений описана в работе [11].
На рис.6 показаны ВАХ матриц нанопроводов InSb с контактами из никеля и меди. ВАХ структур с контактами из никеля, представленные на рис.6а, имели нелинейный вид, на них по степени нелинейности можно выделить три участка. Первый характеризуется слабой нелинейной зависимостью тока от напряжения: ток растет от 0 до 5 мА при увеличении напряжения от 0 В до порогового значения 3–3,5 В. На втором участке при дальнейшем росте напряжения до 4–4,5 В коэффициент нелинейности становится максимальным, ток ускоренно возрастает до 15–20 мА. На третьем участке при незначительном приращении напряжения ток возрастает до своего максимального значения, при этом плотность тока через контакт, соединяющий около 1,025 · 108 нанопроводов, составила 27,18 А/см2. Несмотря на то, что измеренные на разных контактах ВАХ имели одинаковый вид, границы обозначенных участков изменялись в пределах ±0,5 В.
На ВАХ матриц с контактами из меди после первых включений произошла приработка контактных переходов InSb/Cu. ВАХ имели стабильный вид с экспоненциальной зависимостью тока от изменяющихся напряжений при прямом и обратном включениях (рис.6b). Токи через нанопровода достигали 320 мА и были стабильны во времени, что соответствовало плотности тока 129,8 А/см2. На некоторых образцах наблюдались ВАХ с гистерезисом, который пропадал после проведения нескольких серий измерений. Это явление связано, по-видимому, с наличием окиси и закиси меди и миграцией кислорода в приконтактном слое матрицы [11].
ВАХ структуры с алюминиевыми контактами имели вид, похожий на ВАХ структуры с медными контактами, представленной на рис.6b. Плотность тока в таких структурах составляла около 100 А/см2. На характеристике имелись изломы, которые могут быть объяснены нагревом образца.
Эксперименты на образцах с контактами из золота продолжаются до настоящего времени. Они дают надежду на получение плотностей тока близких к 104 – 105 А/см2, которые были рассчитаны в работе [1] и измерены для единичного нанопровода из InSb авторами работы [12]. Получение высоких плотностей токов будет свидетельствовать о достаточном совершенстве исследуемых структур и о возможности реализации на их основе предлагаемых ниже приборных конструкций.
РЕЛАКСАЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ
И ГЕНЕРАЦИЯ СВЧ-КОЛЕБАНИЙ
При определенных условиях в контактных областях нанопровода могут возникнуть релаксационная неустойчивость и затухающие осцилляции концентрации электронов [3]. Оба эти явления имеют пороговый характер и возможны только, если подвижности электронов в контактах и проводящем канале нанопровода различны.
Для определенности будем считать, что подвижность электронов в проводящем канале нанопровода больше их подвижностей в эмиттерном и коллекторном контактах. Такое допущение оправдано для нанопроводов из InSb с контактами из других полупроводниковых материалов или из металлов. Тогда при положительном смещении между коллектором и эмиттером релаксационная неустойчивость может наблюдаться в коллекторном контакте, а осцилляции концентрации электронов – в эмиттерном контакте.
Релаксационная неустойчивость развивается, если плотность тока в нанопроводе j превышает пороговое значение jins. Причиной возникновения неустойчивости является слишком большая при j>jins скорость неравновесных электронов, попадающих из проводящего канала нанопровода в коллекторный контакт. Они не успевают релаксировать к состоянию термодинамического равновесия за время пролета длины релаксации и накапливаются в контактной области.
Согласно расчетам [3] концентрация электронов в эмиттерном контакте экспоненциально нарастает с инкрементом порядка 40 ТГц при комнатной температуре. При достижении некоторого предельного значения концентрации [13, 14] ее нарастание сменяется экспоненциально быстрым затуханием с декрементом того же порядка, либо происходит тепловой пробой. Для нанопроводов с коротким каналом [3] и невысокой собственной концентрацией электронов в коллекторном контакте релаксационная неустойчивость должна приводить к заметным изменениям в проводимости структуры.
Если плотность тока в нанопроводе превышает другое пороговое значение josc, в эмиттерном контакте возникают затухающие высокочастотные осцилляции концентрации электронов [3]. Причиной осцилляций является недостаточная концентрация электронов, необходимых для обеспечения в стационарном режиме требуемого уровня их инжекции из эмиттера в проводящий канал нанопровода.
В общем случае пороговые плотности токов jins и josc – разные величины. Однако, варьируя параметры нанопровода, можно добиться того, что оба рассматриваемых явления начнут развиваться при одном и том же значении плотности тока [14]. При этом, как видно на рис.7, в эмиттере появляется встроенная индуктивность, а в коллекторе, как показано на рис.8, формируется область с отрицательным дифференциальным сопротивлением. То есть возникают условия, необходимые для генерации СВЧ-мощности.
Анализ соотношений, полученных в работах [3, 13, 14], показывает, что генерация СВЧ-колебаний в квантовом проводе возможна только при определенных соотношениях между его геометрическими и электрофизическими параметрами. Представленные на рис.7–9 результаты были рассчитаны для нанопровода с проводящим каналом из InSb длиной 100 нм и кремниевыми контактами n-типа. Длина эмиттерного контакта равнялась также 100 нм, а концентрация электронов – 1014 см3. Длина коллекторного контакта составляла 500 нм, а концентрация электронов – 5 ∙ 1014 см3.
Расчет максимальной мощности, отдаваемой таким нанопроводом во внешнюю цепь, представлен на рис.9. При частотах, меньших 1,4 ТГц, он может генерировать порядка 10 нВт СВЧ-мощности. При этом его расчетный КПД равен около 13%. При частотах, превышающих 7,2 ТГц, генерация прекращается, и квантовый провод поглощает внешнюю энергию [13, 14].
СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ
Электрическая схема замещения для матрицы нанопроводов показана на рис.10. Она состоит из следующих элементов: эмиттер (сопротивление Re, емкость Ce, индуктивность Le), область проводящих каналов (сопротивление Rch), коллектор (сопротивления Rc1 и Rc2, емкость Cс).
Все параметры являются функциями тока и вычисляются на основе результатов моделирования переноса заряда в нанопроводе с учетом наличия режимов неустойчивости и релаксационных колебаний. Сопротивления Re и Rc1 – это обычные омические сопротивления эмиттера и коллектора, положительные при всех значениях тока. Сопротивление Rc2 положительно при токах, меньших порога релаксационной неустойчивости, и становится отрицательным при превышении током порогового значения. Значение Rc2 определяется декрементом затухания или инкрементом нарастания флуктуаций концентрации электронов в коллекторе. Индуктивность Le равняется нулю при токах меньших порога релаксационных колебаний и определяется их частотой при превышении током порогового значения.
Для учета влияния электрического СВЧ-поля резонатора на процессы в полупроводниковой структуре цепь генератора должна быть дополнена колебательным контуром. Поэтому численные расчеты проводились с колебательным контуром (рис.11), учитывающим основные конструктивные особенности электродинамической системы генератора.
В этой схеме диоды, подключенные навстречу друг другу, играют роль ограничителя частоты, а колебательный контур замещает комбинированную колебательную систему, образованную коаксиальной цепью структуры и подключенным к ее резонаторной камере регулируемым волноводным резонатором.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
При моделировании выполнялась оптимизация численных значений элементов схемы замещения. Рабочая точка выбиралась так, чтобы инкремент нарастания флуктуаций концентрации электронов в коллекторе соответствовал терагерцовому диапазону частот. В результате выбран ток, равный 4,10 А. Параметры цепи при этом токе оказываются следующими: Re = 0,0574 Ом, Ce = 0,184 пФ, Le = 0,00 Гн,
Rc1 = 0,0154 Ом, Rc2= 3, 83 Ом, Cс = 0,224 пФ, Rch = 0,0313 Ом.
Расчеты характеристик генератора в корпусе показали, что индуктивность эмиттера затрудняет переход прибора в режим генерации. По этой причине у активного элемента эмиттер выполнен из золота, а не из кремния. В таком случае релаксационные колебания в эмиттерном контакте могут проявиться только при очень больших токах, на несколько порядков превышающих пороговый ток релаксационной неустойчивости в коллекторе.
Импульс запуска выбирался с амплитудой 0,1 В на частоте 0,97 ГГц. Индуктивность и емкость внешнего колебательного контура изменялись в пределах 2,63 0,56 пГн, 0,105 0,022 фФ. В результате обеспечивалось возбуждение колебаний на частотах от 303 до 994,7 ГГц. На рис.12 и 13 представлены рассчитанные зависимости напряжения генерируемого сигнала от времени и спектры сигналов на этих частотах. Численное моделирование показало, что при включении генератор запускается "жестко", амплитуда колебаний достигает стационарного значения Uw = 0,8 В за первую половину периода колебаний, доступная выходная мощность составляет 12,8 мВт.
СВЧ-генератор как эквивалентный четырехполюсник может быть описан S-параметрами, измеряемыми в линиях с согласованными нагрузками, что на сверхвысоких частотах реализуется наиболее просто. По S-параметрам генератора, измеренным на нескольких частотах, можно определить (или уточнить) элементы его эквивалентной схемы, и, наоборот, известная эквивалентная схема позволяет рассчитать S-параметры на любой частоте диапазона, в котором эта схема корректна.
Для расчетов S-параметров СВЧ-генератора с активным элементом из матрицы нанопроводов использовалась программа EMPro. Результаты представлены на рис.14 и 15. Коэффициент отражения (S11) достигает минимального значения при частоте 650 ГГц. При этой же частоте коэффициент передачи (S12) имеет вполне приемлемое значение около 10 Дб. Также имеются локальные минимумы параметра S11 при частотах 300, 370, 910 ГГц и др.
Исходя из анализа зависимости S-параметров генератора от частоты, можно сделать вывод, что оптимальными для его функционирования являются частоты 300, 370, 650 и 910 ГГц. На этих частотах коэффициент отражения имеет минимумы, коэффициент прохождения – локальные максимумы, а КСВН принимает значения в диапазоне от 4 до 15.
На рис.16 показано распределение электрического поля Е в волноводе на выбранных частотах. На частоте 300 ГГц наибольшая часть мощности выходит в направлении полезной нагрузки, изменение амплитуды происходит равномерно вдоль широкой стенки волновода. При 370 ГГц часть мощности тратится в направлении регулирующего поршня. На частоте 650 ГГц амплитуда поля Е достигает больших значений чем на 300 ГГц, но его распределение вдоль волновода неоднородно. При частоте 910 ГГц образование Е-волн не наблюдается, то есть создать стабильный источник мощности нельзя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современная технология позволяет создавать матрицы нанопроводов из антимонида индия в регулярных порах анодного оксида алюминия. Геометрические характеристики проводящих каналов управляемо варьируются: поперечные сечения в пределах от 30 до 70 нм, а длины от 200 нм до 50 мкм. Планарные размеры матриц, в принципе, ничем не ограничены. Контакты нанопроводов могут быть созданы из различных металлов, полуметаллов и полупроводников.
В проводящих каналах из InSb с размерами, меньшими 60 нм, уже при комнатной температуре реализуется размерное квантование энергии электронов. Контакты нанопроводов могут быть сформированы таким образом, что между ними и проводящим каналом образуются гетеропереходы. При протекании тока через гетеропереходы реализуются различные неравновесные квантовые явления, которые определяют спектр возможных применений матриц нанопроводов.
В частности, могут быть созданы генераторы электромагнитных колебаний в диапазоне частот от 300 ГГц до 3 ТГц. Теоретические оценки свидетельствуют об уникальности характеристик этих перспективных устройств. Первые экспериментальные результаты подтверждают теоретические предсказания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Obukhov I.A. Some aspects of nanoelectronics development in Russia // WTEC Workshop Proceedings: Russian Research and Development Activities on Nanoparticles and Nanostructured Materials. S. Petersburg. 1997. P. 116–125.
2. Datta S. The 21st Century Energy Efficient Logic Transistor // Sematech-2007. Oregon. USA. October 9th. 2007. http://www.sematech.org/meetings/archives/litho/8065/pres/ Key%20Note% 20Suman% 20Datta.pdf.
3. Obukhov I.A. Nonequilibrium effects in one-dimensional quantum devices. LAMBERT Academic Publishing, 2014. 132 p.
4. Горох Г.Г. Высокоупорядоченные анодные оксидные пленки алюминия для формирования наноструктур // Сб. ст.: Наноструктурированные оксидные пленки и покрытия. – Петрозаводск: изд-во КГПУ, 2007. С. 62–68.
5. Горох Г.Г., Обухов И.А., Позняк А.А., Лозовенко А.А., Захлебаева А.И., Сочнева Е.А. Синтез нанопроводов InSb в модифицированных матрицах анодного оксида алюминия // Материалы 22-й Международной крымской микроволновой конференции. Севастополь. 2012. Т. 2.С. 655–658.
6. Горох Г.Г., Обухов И.А., Лозовенко А.А., Сочнева Е.А. Темплейтный метод формирования квантовых нанопроводов InSb с большим аспектным отношением // Материалы 23-й Международной крымской микроволновой конференции. Севастополь. 2013. Т. 2.С .820–823.
7. Обухов И.А., Горох Г.Г. Электронные приборы на основе антимонида индия // 22-я Международная крымская конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо’2012): материалы конф., в 2 т., Севастополь, 10–14 сент. 2012 г. Севастополь, 2012. Т.2. С. 653–654.
8. Mozalev A., Gorokh G., Solovei D., Poznyak A. Direct observation of anodic film growth and dissolution on superimposed aluminum and nickel metallic layers // Proceedings of the 13th European Microscopy Congress, (EMC 2004), Belgium, 22–24 Aug. 2004. Gustaaf Van Tendeloo (Ed.) – Antwerp, 2004. P. 533–534.
9. Khan M.I., Penchev M., Jing X., Wang X., Ozkan M., Ozkan C.S., Bozhilov K.N. Electrochemical Growth of InSb Nanowires and Report of a Single Nanowire Field Effect Transistor. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2008. Vol. 3. No. 2. P. 199–202.
10. Горох Г.Г., Обухов И.А., Лозовенко А.А., Захлебаева А.И., Сочнева Е.В. Электрофизические свойства массивов квантовых нанопроводов из InSb // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: КрыМиКо`2014: Материалы 24-й Междунар. крым. конф., Севастополь, 7–13 сент. 2014 г.: в 2 т. / Изд-во Вебер; Севастополь, 2014. Т. 2. С. 791–792.
11. Горох Г.Г., Обухов И.А., Лозовенко А.А. Массивы нанопроводов из антимонида индия для перспективных термоэлектрических устройств // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2015. № 1.С. 3–11.
12. Das S.R., Delker C.J., Zakharov D., Chen Yo.P., Sands T.D., Janes D.B. Room temperature device performance of electrodeposited insb nanowire field effect transistors // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. 243504.
13. Обухов И.А. Генерация шума квантовым проводом // Материалы 24-й Международной Крымской Микроволновой Конференции. Севастополь. 2014. Т. 2.С. 798–799.
14. Обухов И.А., Смирнова Е.А. Нанопровод как активный элемент генератора СВЧ излучения // Нано- и микросистемная техника. 2016. Том 18. № 8.С .509–514.
Отзывы читателей
