Гетероструктуры на основе материалов A3B5 для радиофотоники, СВЧ-электроники и фотоэлектроники

Разработка перспективных и создание современных средств вооружения, связи, локации и РЭБ является одной из приоритетных задач любого государства в современном мире, которое хочет сохранить свой суверенитет. Достижение такой глобальной цели невозможно без постоянного улучшения характеристик электронной компонентной базы, которая во многом определяет тактико-технические характеристики и возможности современных устройств и аппаратуры. При этом различные функциональные элементы ЭКБ демонстрирует лучшие характеристики на основе различных материалов. Для силовой электроники – это широкозонные полупроводники с высоким пробивным напряжением типа GaN, для фотоприемных устройств – полупроводниковые соединения, обеспечивающие низкие темновые токи, для СВЧ электроники это низкоразмерные структуры с высокой подвижностью электронов, для элементов радиофотоники полупроводниковые соединения на фосфид индиевой подложке, рассчитанные на спектральных диапазон оптоволоконных линий связи. Общим критически важным параметром при создании ЭКБ является качество выращенных слоев ГЭС, поскольку оно напрямую влияет на их характеристики. Большое количество дефектов в эпитаксиальных слоях пороговые токи в лазерах, оптические потери сигнала в модуляторах, увеличивает темновые токи в фотоприемниках и понижает подвижность двумерных электронов. Общим критически важным параметром при создании ЭКБ является качество выращенных слоев ГЭС, поскольку оно напрямую влияет на их характеристики. Большое количество дефектов в эпитаксиальных слоях пороговые токи в лазерах, оптические потери сигнала в модуляторах, увеличивает темновые токи в фотоприемниках и понижает подвижность двумерных электронов. В мире сейчас происходит бурное развитие нового направления электроники – радиофотоники. Принципиальное отличие радиофотоники от традиционной сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники заключается в том, что вместо электронной обработки сигналов в радиофотонных устройствах используются оптические технологии. Радиофотонные устройства оперируют квантами света и в перспективе имеют гигантские преимущества перед электронными устройствами, поскольку фотоны, в отличие от электронов, не имеют массы и заряда, обладают большей скоростью, не подвержены воздействию внешних электромагнитных полей и могут передаваться на большие расстояния. Радиофотонные устройства позволяют, например, формировать оптические импульсы длительностью менее 10-14 секунды, что на 2-3 порядка меньше длительности самых коротких импульсов, формируемых электронными устройствами. До недавнего времени системы радиофотоники основывались на дискретной компонентной базе. Однако, наиболее ярко преимущества радиофотоники проявляются при использовании радиофотонных интегральных схем, которые позволяют повысить энергоэффективность и производительность устройств, уменьшить их размеры и предоставляют возможность интеграции с электронными схемами. Элементная база радиофотоники может быть создана на основе различных технологических платформ, наиболее распространенными из которых являются платформы на основе фосфида индия (InP), на основе кремния (Si и Si/SiO2) , кремния-на-изоляторе, нитрида кремния (Si3N4) и на основе полимеров. Среди этих технологических платформ самой мощной и перспективной является платформа на основе InP. Она единственная из выше перечисленных платформ, позволяет создавать полностью монолитные радиофотонные интегральные схемы. Прямозонные соединения на основе InP обладают превосходными оптическими свойствами и позволяют генерировать, усиливать и регистрировать свет, быстро модулировать и управлять световым потоком. Кроме того, потенциально эти системы могут интегрироваться с электронными кремниевыми КМОП микросхемами и дают возможность создания многоуровневых МИРС. Любая радиофотонная схема предусматривает конвертацию СВЧ сигналов в модулированный световой сигнал и обратно на длине волны 1,55 мкм, которой соответствует минимальное затухание света в оптоволокне. Поэтому, радиофотонную схему невозможно создать без наличия в ее составе передатчика и приемника излучения, являющихся, таким образом, ее основными элементами. При этом, зачастую на практике передатчик является более сложным устройством, содержащим как источник лазерного излучения, так и электро-оптический модулятор. Предполагается провести ряд исследований направленных на разработку и оптимизацию конструкции всех трех основных элементов радиофотонной схемы – источника, приемника излучения, а также электо-оптического модулятора. Область тепловидения, широко используется в таких сферах, как мониторинг окружающей среды, медицина, биология, астрономия, военная сфера и многих других. Ввиду такого активного развития этого направления требуется улучшение эффективности инфракрасных матричных фотоприёмных устройств (МФПУ) – основного элемента тепловизионных систем. Основным ограничением ФПУ является темновой ток, возникающий в основном в результате тепловой генерации носителей заряда в отсутствии освещения, поскольку для ИК области спектра используются полупроводники с малой шириной запрещенной зоны. На данный момент основным методом подавления темнового тока является охлаждение устройства до криогенных температур, а также пассивация поверхности полупроводника, что также является нетривиальной задачей в случае полупроводников с малой шириной запрещенной зоны. Для понижения темнового тока и, соответственно, достижения высокой чувствительности, фоточувствительные матрицы охлаждаются до криогенных температур, что увеличивает вес, стоимость и энергопотребление МФПУ. Соответственно улучшение чувствительности, уменьшение размеров, стоимости и энергопотребления ФПУ ИК диапазона является актуальной фундаментальной и прикладной задачей современной науки. Со времени первой демонстрации HEMT транзисторов их ключевые параметры были значительно улучшены, прежде всего, в результате совершенствования конструкции и технологии роста гетероструктур. Непрерывное совершенствование гетероструктур позволяло монотонно увеличивать выходную мощность транзисторов в сантиметровом диапазоне длин волн (10-30 ГГц), но, несмотря на значительные усилия, удельная выходная мощность транзисторов - pout долгое время не могла преодолеть порог около 1 Вт/мм. Кардинальное увеличение pout произошло после создания авторами проекта гетероструктур с донорно-акцепторным легированием (donor-acceptor doped pHEMT, DA-pHEMT), которые позволили увеличить pout до 1.8 Вт/мм. Такое увеличение мощности произошло вследствие усиления локализации двумерного электронного газа, и, главным образом, благодаря улучшению локализации горячих электронов. Очевидно, что потенциал DA-легированных гетероструктур далеко не исчерпан. Наиболее актуальным является выявление потенциала такого способа повышения локализации ДЭГ в AlGaAs/InGaAs/GaAs c мольным содержанием индия более 0,2, AlInAs/InGaAs/InP и AlN/GaN/SiC гетероструктурах, наиболее перспективных для создания мощных транзисторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн.