Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка импульсных твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
квазигидродинамическая модель дрейфа, гетероструктура, вольтамперные характеристики, переходные процессы, свч электронная компонентная база, субтера- и терагерцовые генераторы, петля бистабильности, сверхрешетки, многослойная гетероструктура, термоинжекционная неустойчивость, терморелаксация, дивергенция потока электронной температуры.

Цель проекта:
Реализуемый проект направлен на создание перспективных импульсные твердотельные генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, в основу работы которых положены новые физические принципы. Основной целью реализуемого проекта является разработка принципов построения, базовой конструкции и отдельных технологических решений изготовления импульсных твердотельных генераторов на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs для создания новой электронной компонентной базы (ЭКБ) и развития отечественной электроники терагерцовых частот. Проект имеет и фундаментальную направленность на разработку новых принципов создания перспективных устройств генерации и регистрации электромагнитного излучения субтера- и терагерцового диапазонов частот.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения проекта должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1) Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к теме твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.
2) Принципы функционирования импульсных твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs.
3) Базовая конструкция импульсных твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs.
4) Программно-технические решения в области математического моделирования электронной зонной структуры апериодических цепочек квантовых ям.
5) Лабораторный технологический регламент изготовления импульсного твердотельного генератора миллиметрового и субмиллиметрового длин волн на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs.
6) Технические требования и предложения по разработке и производству импульсных твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
7) Рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики.
8) Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка технологии производства импульсных твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs для новой ЭКБ».
Основные характеристики научно-технических результатов проекта:
1) Результаты прикладных научных исследований предназначены для оценки перспектив использования твердотельных импульсных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs в реальном секторе экономики, а также для оценки возможности организации их опытного производства.
2) Принципы функционирования импульсных твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs должны стать основой перспективных разработок новых приборов подобного класса.
3) Технические требования и предложения по разработке и производству импульсных твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs должны стать основой для организации производства опытной партии импульсных твердотельных генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs.
4) Рекомендации по использованию технологических результатов в реальном секторе экономики, ориентированные на доминирующее применение групповых микроэлектронных технологий и технологических процессов, стандартных для материалов A3B5.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате настоящей научно-исследовательской работы будут разработаны и изготовлены импульсные твердотельные генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, в основу работы которых положены новые физические принципы. Помимо использования в схемах терагерцовой электроники, разрабатываемый генератор может быть использован в силовых передающих устройствах как генератор опорных сигналов. Формируемая приборная многослойная гетероструктура GaAs/AlGaAs может стать базовой не только для разработки быстродействующих и спецстойких интегральных схем генераторов для радиолокационных применений (рабочие частоты ~ до 1000 ГГц, рабочий диапазон температур 100 К…350 К, минимальные размеры активного элемента~100 мкм2), но и высокочувствительных приемников электромагнитного излучения, а также быстродействующих устройств полупроводниковой
микроэлектроники.
Параметры образцов приборных многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs должны удовлетворять следующим условиям:
•Площадь кристалла не более 25 мм2;
•Количество активных элементов на кристалле не менее 5;
•Дифференциальное сопротивление активного элемента при напряжении 100 мВ не менее 50 Ом
•Дифференциальное сопротивление активного элемента при напряжении 8 В не более 15 Ом.
Ожидаемые параметры импульсного твердотельного генератора:
1) максимальная рабочая частота – не менее 500 ГГц;
2) мощность – не менее 1 мВт;
3) предельная длительность импульса – не более 10 мкс;
4) минимальное время между импульсами – не более 100 мс;
5) рабочее напряжение ~ не более 4 В;
6) площадь излучающего элемента – не более 500 мкм2.
Новизна предлагаемого нами решения заключается в использовании специфики электронного дрейфа в легированных наноразмерных сверхрешетках с конечным числом гетеробарьеров, при этом конструируется мультислойная гетероструктура с чередующимися узкозонными и гирокозонными слоями (рассчитываются толщины слоев, их число, степень легирования слоев, химический состав) и со специфической нелинейностью ВАХ, в которых высокоомный начальный участок, отвечающий слабому разогреву, переходит в сильнотоковую область через
петлю бистабильности. Положительный эффект в предлагаемых гетероструктурах для генераторов субтерагерцового диапазона частот достигается благодаря реализации в них термоинжекционной неустойчивости, следствием которой является бистабильность или, что тоже
самое, S-образность статических вольтамперных характеристик (ВАХ). Это позволяет в структурах с ограниченным числом гетерослоев наноразмерной толщины ожидать частот генерации ~ 500…1000 ГГц.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основными областями применения новых перспективных устройств терагерцового диапазона частот являются медицина, системы безопасности, телекоммуникации и радиолокации.
1) Применение электромагнитного излучения терагерцовых частот в медицине, позволяет проводить неинвазивные исследования биологических объектов. Поглощение субмиллиметрового излучения в живых тканях существенно отличается от поглощения рентгеновского излучения, поэтому исследования в терагерцовом диапазоне дают информацию существенно дополняющую данные исследований традиционными методами.
2) Технологии, основанные на использовании электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазонов частот (спектроскопия и регистрация изображений) являются перспективными инструментами для обнаружения таких запрещённых веществ, как взрывчатые вещества, наркотики и контрофактные медицинские препараты. По сравнению с другими методами терагерцовая локация обладает следующими преимуществами:
а) с помощью излучения терагерцовых частот можно обнаружить скрытое обычными материалами (стены домов, фургоны машин, вагоны поездов и др.) оружие, т.к. многие непроводящие и неполярные материалы прозрачны в этом диапазоне;
б) различные неметаллические материалы (такие как керамика и пластмассы) имеют сильно различающиеся коэффициенты отражения и пропускания в субмиллиметровом диапазоне длин волн, поэтому возможно обнаружение не металлического оружия;
в) различные органические материалы обладают характерными спектрами поглощения в указанном диапазоне частот электроманитного излучения, что позволяет дистанционно идентифицировать запрещенные вещества, такие как наркотики, компоненты взрывчатых веществ, алкоголь, табаки, и др.);
г) электромагнитное излучение терагерцового диапазона практически не представляет угрозы здоровью людей.
3) Радиолокация терагерцового диапазона частот позволяет распознавать достаточно мелкие предметы. Кроме того, она работает в условиях повышенной запылённости, когда оптические методы (видимого и ИК диапазонов) не эффективны, так как радиус их действия в указанных условиях ограничен дальностью в несколько десятков метров из-за поглощающих свойств атмосферы. Поэтому терагерцовые устройства могут составить им конкуренцию в области применений, требующих высокую надёжность распознавания на ближних расстояниях в условиях пониженной видимости.

Текущие результаты проекта:
1) Подготовка обзора на основе анализа научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к теме проекта.
2) Подготовка отчета о патентных исследованиях.
3) Разработка требований к архитектуре, структуре и конструкции импульсного твердотельного генератора миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойной гетероструктуры GaAs/AlGaAs
4) Разработка аналитической модели эффекта бистабильности и отрицательного дифференциального сопротивления многослойной гетероструктуры с туннельно-непрозрачными барьерами.
5) Разработка физико-математической модели, характеризующей работу импульсного твердотельного генератора миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн на основе многослойных гетероструктур GaAs/AlGaAs.
6) Разработка методики детектирования электромагнитного излучения импульсного твердотельного генератора миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн.