Е386/1

ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОВОЛНОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ
НА ОСНОВЕ НИЗКОБАРЬЕРНЫХ ПЛАНАРНЫХ ДИОДОВ ШОТТКИ
Шашкин В. И., Вакс В. Л., Данильцев В. М.,
Масловский А. В., Мурель А. В., Никифоров С. Д., Чеченин Ю. И.
Институт физики микроструктур Российской академии наук
г. Нижний Новгород, ГСП-105, 603950, Россия
тел.: 832-385536, e-mail: sha@ipm.sci-nnov.ru
I. Введение
Диод с барьером Шоттки широко используется в
смесителях и умножителях частоты суб- и
терагерцового диапазонов частот. Существенно
реже диоды с барьером Шоттки используются на
этих частотах в малосигнальном режиме, как
квадратичные и видео- детекторы. Вместе с тем,
интерес
к
этим
применениям
вызван
необходимостью построения систем радиовидения и
приёма широкополосных терагерцовых сигналов
[1, 2]. Решение задачи предполагает построение
матричных приёмников, расположенных в фокальной
плоскости
антенной
системы.
Для
прямого
детектирования
желательно
уменьшить
эффективную высоту барьера Шоттки и работать без
постоянного смещения. Это упрощает матричный
приёмник и приводит к снижению уровня шумов (1/f и
др.) из-за отсутствия тока смещения. Один из
вариантов низкобарьерного детектора на основе
туннельного диода обсуждается в работах [3, 4].
Несмотря на сравнительно высокие значения
ёмкости диода, была получена достаточная
чувствительность
для
построения
матричной
системы радиовидения в диапазоне 94 ГГц [2]. В
этой связи, в настоящей работе изучаются
характеристики
детекторов
на
основе
низкобарьерных диодов Шоттки.
ll. Результаты испытаний
Снижение эффективной высоты барьера Шоттки
возможно за счёт -легирования вблизи контакта с
металлом [5]. Технология изготовления планарных
диодов с анодными контактами микронных размеров
(812 мкм2) и низкобарьерных детекторов (НД) на их
основе представлена в [6].
Измерения характеристик детекторов проводили
на специализированном стенде, описанном в [7].
Непосредственно измеряемыми характеристиками
являются: ВАХ, дифференциальное сопротивление
Rd  dV / dI , вольт-ваттная чувствительность  и
относительная шумовая выходная температура Tref
(при выключенном источнике излучения). Другие
параметры — ампер-ваттная чувствительность  и
эквивалентная
шумовая
мощность
NEP
определяются из первичных данных путём расчётов.
Для оценки низкобарьерных планарных диодов,
были проведены их испытания в сопоставлении с
обычными диодами в режиме детектирования на
частотах 80140 ГГц и 239 ГГц. На рис.1 приведены
характеристики детекторов в зависимости от
напряжения смещения на частоте 138 ГГц: при
малых напряжениях смещения — данные для НД,
при больших — для детектора с диодом той же
топологии и обычной высотой барьера. Значения , 
и NEP у детекторов оказываются сравнимыми.
Однако, для НД характеристики > 3000 В/Вт и
NEP<10-11 Вт·Гц-1/2
достигаются
при
нулевом
смещении. В широкой полосе 80140 ГГц
обеспечиваются значения >1000 В/Вт и NEP<10-11
Вт·Гц-1/2. Лучшие характеристики на выделенных
частотах диапазона =5000 В/Вт и NEP3610-12
Fig4.opj
Вт·Гц-1/2. Переход в более высокочастотные
диапазоны приводит к ухудшению параметров
детекторов: на частоте 239 ГГц 900 В/Вт и NEP<1010 Вт·Гц-1/2.
E386/1
Detector charactristics
Аннотация — Разработаны принципы построения и
технология изготовления чувствительных микроволновых
детекторов на основе диодов Шоттки с уменьшенной
эффективной высотой барьера (до 0,20,3 эВ). Изготовлено
семейство диодов и широкополосных детекторов на их
основе с чувствительностью 10005000 В/Вт и пороговой
мощностью 10-11 Вт Гц-1/2 в коротковолновой части
миллиметрового диапазона, работающих без постоянного
смещения. Расчёт в простой модели детектирования,
учитывающей ёмкость и последовательное сопротивление
растекания диода, даёт достаточно точное описание
характеристик детектирования.
10
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
E304
, V/W
, A/W
1/2
NEP, pW/Hz
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
V, volt
Рис. 1. Характеристики детекторов на частоте
138 ГГц. Пунктир — расчёт для (V).
Fig. 1. Detector characteristics at the 138 GHz. Calculated values (V) are shown by dashed lines
III. Интерпретация результатов испытаний
Характеристики детекторов можно объяснить на
основе элементарного анализа при учёте ёмкости
перехода C и последовательного сопротивления r
диодов. Учитывая эти элементы схемы можно
убедиться,
что
величина
вольт-ваттной
чувствительности
определяется
следующим
соотношением:
 

Rd  r
,
2 Rd /( Rd  r )  ( 2  f )2  C 2  r  ( Rd  r )

где   Rd 
d 2I ,
f — частота. За исключением
dV 2
ёмкости перехода C, все параметры, входящие в
выражение, можно определить из статических ВАХ
диодов. Величину C можно использовать в качестве
подгоночного
параметра,
обеспечивающего
совпадение с экспериментальными зависимостями
(V). В табл. 1 приведены основные параметры
диодов.
Табл. 1. Параметры диодов
Table 1. Diodes’ parameters
Тип диода
Высота барьера
Max , В-1
r, Ом
С, фФ
Е304
0,9 эВ
36 (V=0,5 В)
9
16 (V=0,5 В)
Е386/1
0,2 эВ
32 (V=0 В)
33
14 (V=0 В)
Е617/2
0,3 эВ
33 (V=0 В)
53
13 (V=0 В)
Для фиксированных значений C, указанных в
таблице, проведён расчёт зависимостей (V),
которые показаны пунктиром на рис.1. Если
предположить, что расхождение рассчитанных и
измеренных
значений
(V)
определяется
зависимостью С(V), то:
C( V ) 
1
  r r 2  r( Rd  r ) .

2  f  r 2
( Rd  r )2
Для диодов с обычным барьером зависимости
совпадают с низкочастотными измерениями на
контактах большей площади, что свидетельствует
о достоверности расчёта С(V). Низкобарьерные
диоды имеют области насыщения ёмкости при
малых
смещениях,
отвечающие
полному
обеднению активного слоя. Нужно заметить, что
чувствительность детекторов спадает примерно
пропорционально квадрату частоты, что является
дополнительным
аргументом
достоверности
использованной модели детектора на частотах
миллиметрового диапазона.
lV. Заключение
Показано, что применение диодов с пониженной
эффективной высотой барьера Шоттки в детекторах
миллиметрового диапазонов обеспечивает значения
вольт-ваттной чувствительности >1000 В/Вт и
пороговой мощности NEP<10-11 Вт·Гц-1/2. Лучшие
характеристики на выделенных частотах диапазона
=5000
В/Вт
и
NEP3610-12
Вт·Гц-1/2.
В
коротковолновой части миллиметрового диапазона
длин
волн
чувствительность
уменьшается
пропорционально квадрату частоты. Измеренные
характеристики НД в диапазоне до 300 ГГц
соответствуют
лучшим
результатам
[4]
и
свидетельствуют о перспективности применения НД
в матричных приёмниках.
На основе простой модели детектирования
получено достаточно точное описание характеристик
детектирования для частот до 300 ГГц. Такой подход
позволил
получить
достоверную
зависимость
ёмкости (реактивного импеданса) от напряжения для
диодов, работающих в режиме детектирования на
частотах коротковолновой части миллиметрового
диапазона длин волн.
Работа выполнена при поддержке Программы
«Терагерцы» Президиума РАН.
V. Список литературы
[1] Brown E. R. A system-level anylysis of Schottky diodes for
incoherent THz imaging arrays // Solid State Electron. 2004.
Vol. 48. P. 2051.
[2] WARLOC : a high-power coherent 94 GHz radar / G. J. Linde
at al. // IEEE trans. on aerospace and electronic systems.
2008. Vol. 44. No. 3. P. 1102—1117.
[3] Fay P. et al. High-performance antimonide-based heterostructure backward diodes for millimeter-wave detection //
IEEE Electron. Dev. Lett. 2002. Vol. 23. P. 585—587.
[4] Meyers R. G. al. Bias and temperature dependence of Sbbased heterostructure millimeter-wave detectors with improved sensitivity // IEEE Electron. Dev. Lett. 2004. Vol. 25.
P. 4—6.
[5] Шашкин В. И. и др. Управление эффективной высотой
барьера в эпитаксиальных структурах Al/n-GaAs,
изготовленных в едином цикле металлоорганической
газофазной эпитаксии // Микроэлектроника. 1997. Т. 26.
Вып. 1. С. 57.
[6] Шашкин В. И. и др. Планарные диоды с управляемой
высотой барьера Шоттки для детекторов
микроволнового излучения // 8-я Междунар. Крымская
конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные
технологии» (КрыМиКо’98). Материалы конф.
(Севастополь, 14—17 сент. 1998 г.). Севастополь :
Вебер, 1998. С. 118—120.
[7] Вакс В. Л. и др. Автоматизированный стенд для
измерения параметров диодных детекторов в
миллиметровом диапазоне длин волн // 11-я Междунар.
Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные
технологии» (КрыМиКо’2001). Материалы конф.
(Севастополь, 10—14 сент. 2001 г.). Севастополь :
Вебер, 2001. С. 182—183.
CHARACTERISTICS OF MICROWAVE
DETECTORS WITH LOW BARRIER
PLANAR SCHOTTKY DIODES
Shashkin V. I., Vaks V. L., Danil'tsev V. M.,
Maslovsky A. V., Murel A. V., Nikiforov S. D.,
Chechenin Yu. I.
Institute for Physics of Microstructures RAS
GSP-105, Nizhny Novgorod, 603950, Russia
Ph.: 832-385536, e-mail: sha@ipm.sci-nnov.ru
Abstract — The design principles and technology of fabricating sensitive microwave detectors on the basis of low barrier
(0.2-0.3 eV) Schottky diodes are developed. A family of diodes
and diode-based broadband detectors featuring 1000-5000 V/W
sensitivity and 10-11 W Hz -1/2 threshold power at millimeter
wavelengths and zero-bias operation are fabricated.
l. Introduction
Schottky diode is widely used in connection with development of THz imaging arrays. The solution of this problem is in
design of matrix detectors placed in the focal plane of antenna
array. In order to ensure direct detection one should reduce the
effective height of Schottky barrier for operation at zero bias.
This would simplify the matrix detector design and allow decreasing in the noise level through the absence of bias current.
With a view to this objective, in this paper we study the characteristics of the detectors with low barrier Schottky diodes.
II, III. Main Part
The detector characteristics can be explained based on elementary detector analysis, taking into account the junction
capacitance C and the series resistance of diodes, r. Then the
value of sensitivity is defined by the following expression:

Rd  r
.
  
2 Rd /( Rd  r )  ( 2  f )2  C 2  r  ( Rd  r )
Except for the junction capacitance C all other parameters in
the above expression can be determined from the static I-V diodes. The value of C can be used as the fitting parameter in order
to provide agreement with the experimental dependences (V).
We have done calculations of dependences (V) for the
fixed values of C. Assuming the discrepancy between the calcu-
633
lations and measurements of (V) to be determined by the dependence C(V), we find:
C( V ) 
1
  r r 2  r( Rd  r ) .

2  f  r 2
( Rd  r )2
IV. Conclusion
It is shown that application of diodes with a low effective
height of the Schottky barrier to millimeter-wave detectors secures sensitivity  1000 V/W and NEP  410-12 W Hz -1/2. In the
short-wave part of the millimeter-waves region the sensitivity
decreases in proportion to squared frequency. Low barrier diode characteristics in the region to 300 GHz show promise for
its in the THz imaging array application.