Микрополосковая антенна на арсениде галлия

Предложенное устройство относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве базового элемента генераторов и приемников электромагнитного излучения СВЧ и КВЧ диапазонов волн. Полезная модель позволяет упростить технологию создания микрополосковой антенны за счет исключения процесса нанесения на подложку слоя диэлектрика, в ходе которого вследствие термического нагрева возможно повреждение основного элемента (диода или транзистора). Микрополосковая антенна на арсениде галлия содержит подложку из полуизолирующего арсенида галлия с промежуточным слоем на ее поверхности и расположенную поверх промежуточного слоя металлическую пленку заданной конфигурации, при этом промежуточный слой выполнен из арсенида галлия n-типа.

Предложенное устройство относится к технике СВЧ и может быть использовано в качестве базового элемента генераторов и приемников электромагнитного излучения СВЧ и КВЧ диапазонов волн.

Известны устройства для генерации электромагнитных волн СВЧ и КВЧ диапазона, в которых активный полупроводниковый элемент (диод или транзистор) непосредственно присоединен к микрополосковой антенне и тем самым образует интегральную схему, в которой объединены функции генератора и излучателя. Такие устройства называют активными антеннами [В.Е.Любченко, В.И.Калинин, В.Д.Котов, Е.О.Юневич. Генерация миллиметровых волн в логопериодической антенне, интегрированной с полевым транзистором. Изв. ВУЗов. Радиофизика, 2009, 8, с.627-631]. Известны также приемные устройства, в которых детектор (чаще всего - диод с барьером Шоттки) непосредственно присоединен к антенне и их называют ректеннами [J.Zbitou, M.Latrach, S.Toutain, Hybrid Rectenna and Monolithic Integrated Zero-Bias Microwave Rectifier, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 54, 147-152, 2006]. Общим в этих устройствах является то, что антенна представляет собой тонкую металлическую пленку заданной формы (прямоугольная, сектор, круг, спираль и др.) на диэлектрической подложке. В качестве диэлектрика используются различные материалы - керамика, полимеры, стекла, а также монокристаллы, в том числе высокоомные полупроводники (кремний, арсенид галлия). Особый интерес представляет т.н. полуизолирующий арсенид галлия (i-GaAs), поскольку он является базовым материалом для создания СВЧ приборов, таких как полевые транзисторы, диоды с барьером Шоттки, диоды Ганна и ряд других, в том числе находящихся в стадии разработки. Использование полуизолирующего арсенида галлия в качестве подложки для микрополосковых антенн позволяет создавать устройства в виде монолитных интегральных схем.

Проблемой металлизации i-GaAs является недостаточная адгезия металла (наиболее популярны золото и его сплавы) при осаждении пленки без подогрева подложки, а при использовании подогрева металл вступает в физико-химические реакции с приповерхностным слоем GaAs, что ухудшает параметры антенны на высоких частотах. Поэтому при создании микрополосковых антенн на полуизолирующем арсениде галлия наносят тонкий слой изолятора (оксид кремния или нитрид кремния), не склонного к взаимодействию с осаждаемой пленкой золота или его сплавов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является микрополосковая антенна на арсениде галлия, содержащая подложку из полуизолирующего арсенида галлия с промежуточным слоем диэлектрика на ее поверхности и металлическую пленку заданной конфигурации, расположенную поверх промежуточного слоя [E.Marzolf, M.Drissi. Design of a millimeter-wave active integrated antenna using a global analysis. Proc. European Microwave Association v.2, June 2006, pp.173-179]. Необходимая для создания антенны металлическая пленка отделяется от подложки промежуточным тонким слоем диэлектрика, который обеспечивает необходимую адгезию пленки и не допускает взаимодействия металла с поверхностью арсенида галлия. Нанесение промежуточного слоя диэлектрика требует проведения специальных технологических операций, в процессе которых полупроводник подвергается термическому нагреву и другим воздействиям.

Недостатком известного устройства является необходимость нанесения на поверхность подложки слоя диэлектрика, что усложняет и удорожает процесс изготовления устройства.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является упрощение технологии создания микрополосковой антенны за счет исключения процесса нанесения на подложку слоя диэлектрика, в ходе которого возможно повреждение основного элемента (диода или транзистора) вследствие термического нагрева.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известной антенне, содержащей подложку из полуизолирующего арсенида галлия с промежуточным слоем на ее поверхности и металлическую пленку заданной конфигурации, расположенную на поверхности промежуточного слоя, промежуточный слой выполнен из легированного арсенида галлия n-типа. Толщина d этого слоя оптимально выбирается из условия обеднения приповерхностного слоя полупроводника свободными носителями заряда (электронами) вследствие их ухода в металл из-за разности величины термоэлектрической работы выхода (формула Шоттки)

,

где - диэлектрическая константа, n₀ - равновесная концентрация свободных электронов в n-слое GaAs, _k - высота потенциального барьера в контакте мталла с арсенидом галлия (для золота примерно 0.9 эВ), q - заряд электрона. При концентрации электронов ~10¹⁶ см ^-3 толщина области обеднения в контакте Au-GaAs составляет ~0.1 мкм.

Конструкция предлагаемого устройства представлена на фиг.1: (а) - вид сверху, б) - вид в разрезе. Здесь 1 - металлическая пленка заданной конфигурации, сответствующей типу антенны (в данном случае антенна типа «галстук-бабочка»), 2 - промежуточный слой GaAs n-типа, 3 - подложка из GaAs i-типа (полуизолирующий), 4 - промежуток между плечами антенны для подключения активного элемента (диода или транзистора).

Для изготовления антенны могут быть использованы стандартные эпитаксиальные i-n структуры GaAs, которые в настоящее время используются для создания полевых транзисторов и доступны на рынке. Они могут служить как для создания антенн предлагаемой конструкции с последующим присоединением к ним активных элементов по гибридно-интегральной технологии, так и для создания монолитных интегральных схем, включающих в себя помимо антенны и активный элемент (диод или транзистор), созданные в едином технологическом процессе.

Наличие легированного слоя n-типа улучшает адгезию пленки металла за счет действия электростатических сил встроенного электрического поля на границе раздела металл-полупроводник, что позволяет производить осаждение металла и создание достаточно прочного металлического слоя без подогрева подложки и тем самым избежать химического взаимодействия металла с приповерхностным слоем арсенида галлия. Кроме того, возможность использования эпитаксиальных структур, предназначенных для изготовления полевых транзисторов и выпускаемых в настоящее время в промышленных масштабах, позволяет удешевить изготовление устройств СВЧ диапазона в виде монолитных интегральных схем.

Работа устройства возможна как в режиме приема, так и в режиме генерации электромагнитного излучения. В первом случае в промежутке между плечами антенны необходимо сформировать диод с нелинейной вольтамперной характеристикой, во втором случае - диод Ганна или полевой транзистор. Использование эпитаксиальных i-n GaAs структур в качестве основы и золота в качестве осаждаемого металла позволяет создавать соответствующие устройства (детекторы, смесители, генераторы), в том числе и в виде монолитных интегральных схем.

Микрополосковая антенна на арсениде галлия, содержащая подложку из полуизолирующего арсенида галлия с промежуточным слоем на ее поверхности и металлическую пленку заданной конфигурации, расположенную поверх промежуточного слоя, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен из арсенида галлия n-типа, при этом толщина d промежуточного слоя выбрана из условия

,

где - диэлектрическая константа, n₀ - равновесная концентрация свободных электронов в n-слое GaAs, _k - высота потенциального барьера в контакте металла с арсенидом галлия (для золота примерно 0,9 эВ), q - заряд электрона.