Низкобарьерные детекторные диоды для планарных матричных систем видения миллиметрового диапазона длин волн В.И. Шашкин, Н.В. Востоков, В.М. Данильцев, В.Р. Закамов, А.В. Мурель, О.И. Хрыкин, Ю.И. Чеченин ИФМ РАН 10-ый научно-практический семинар «Проблемы создания специализированных радиационно-стойких СБИС на основе гетероструктур» Нижний Новгород, 26 февраля 2010 г. Мотивация – радиовидение в миллиметровом диапазоне или millimeter wave imaging Google, поиск 02/05/2006. Результаты: примерно 587 000 страниц для millimeter wave imaging (0,40 с.). около 63 страниц на русском языке для системы радиовидения миллиметрового диапазона (0,61 с.). Радиовидение в миллиметровом диапазоне длин волн в реальном масштабе времени на основе многоэлементной планарной приёмной матрицы, расположенной в фокальной плоскости приёмной системы: чувствительность в канале <10 пВт при времени формирования кадра <100 мс. Окна прозрачности Сквозь туман Принципы детектирования Комнатная температура – детектирование без смещения (малые шумы без тока, упрощение конструкции) - потенциальный барьер 0,2 эВ. Транспорт: термоэлектронная эмиссия/туннелирование. Внутризонное Межзонное 100 нм <10 нм Большое последовательное сопротивление в n+ Большая ёмкость Неоднородность высоты барьера по площади, невоспроизводимость Нужен металл – диод Шоттки и нелинейность Вольт-ваттная чувствительность d 2 I (V ) 2 dV dI (V ) dV 38V 1 нужно снижать эффективную высоту барьера Шоттки , сохраняя параметр Управление нелинейностью - снижение эффективной высоты барьера Цель - сильная нелинейность, малая ёмкость и малая инерционность отклика Ec(x) 0 n+-substrate eV d D x Эффективная высота барьера 0,7…0,1 эВ Подход Мэрфи-Гуда: j V A*T 2 exp bΔ Δ(V) eV exp exp 1 1 kT c Δ kT kT Гетероструктура и конструкция диода Al InGaAs, 28 нм δ – слой N(Si) 1013см-2 i – GaAs, 60150 нм буфер n+ - GaAs подложка n+-GaAs Все слои выращиваются в едином процессе МОГФЭ Площадь анода около 8 мкм2 , Rj =0.41000 k (=0.10.4 эВ). Емкость C =714 фФ . Последовательное сопротивление r <10 Планарный детектор для 94 ГГц (Rodgers 5880, толщина – 500 m, 2.2) f =94 ГГц f3db =8 ГГц Ra 800 Gr 30000 14.5 r r Ra =800 , Rl =500 k, C =15 фФ, r =10 Характеристики планарных детекторов 18000 >10000 В/Вт 16000 14000 , V / W 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 V, volt Rj=15-20 кОм V[мВ] <1 пВт/Гц0.5 Ra =800 , Rl =500 k, C =15 фФ, r =10 P[мкВт] 0.05 0.10 0.15 >10мкВт 0.20 Просвечивание объектов в диапазоне 94 ГГц Линейка планарных детекторов 8х1. Период – 4,5 мм. Диаграммы направленности каждой антенны имеют один основной лепесток. 8-канальная гибридная схема усиления и фильтрации – под экранирующим экраном. ПК с АЦП – сбор, обработка и отображение информации. Изображения объектов (диапазон 3 мм) Интерференция на щелях ширина щели – 3мм, длина – 50 мм, расстояние между ними – 4 мм Чайник с водой Деполяризация Шаг - 3λ/4 (2,25 мм), 13 440 точек в изображении A <2,5 A1 Изображение точечного источника излучения, помещённого на оси асферической линзы. Пикселы имеют размеры 3λ/4. Усиление линзы 29 дБ. а б Получены изображения объектов с поляризационным контрастом, картины дифракции, интерференции Лучшее достигнутое разрешение 2λ Получение изображений в режиме отражения в диапазоне 94 ГГц Линейка 40х1 Скальпель за картоном Нож, спрятанный в подошве Приёмный модуль для пассивных систем видения 3 мм диапазона длин волн ИФМ РАН, «Айсберг» (Киев) и С-ПбФ САО РАН (Санкт-Петербург) МШУ, 30 дБ, 50 ом Плата согласования (дюроид, толщина 127 мкм) УНЧ =2÷5103 В/Вт f=87-107 ГГц Низкобарьерный детекторный диод Температурная чувствительность модуля 15 мКс1/2 в диапазоне частот 86-95 ГГц. Выводы • Планарные низкобарьерные детекторы обеспечивают высокую чувствительность приёма: >10000 В/Вт и NEP<10 -12 Вт/Гц1/2 при резонансной частоте f=94 ГГц и полосе 8 ГГц. • Температурная чувствительность приёмного модуля с предварительным усилением сигнала составляет 15 мКс1/2 в полосе 86-95 ГГц. • Разработаны принципы построения плотных матриц планарных детекторов с периодом 3/2 и направленностью >10. • Получены изображения предметов в мм диапазоне длин волн с разрешением 2 , близким к дифракционному пределу. • Для повышения размерности приёмных матриц (более 40х1) нужна разработка монолитного планарного детектора с диодом, интегрированным в планарную антенну, и цифровой схемы мультиплексирования для передачи и последующей обработки изображений.