Nn-shashkin1популярный!

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, 28 нм
δ – слой N(Si)  1013см-2
i – GaAs, 60150 нм
буфер n+ - GaAs
подложка n+-GaAs
Все слои
выращиваются в
едином процессе
МОГФЭ
Площадь анода около 8 мкм2 , Rj =0.41000 k (=0.10.4 эВ).
Емкость C =714 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÷5103 В/Вт
f=87-107 ГГц
Низкобарьерный
детекторный диод
Температурная чувствительность модуля 15 мКс1/2
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 мКс1/2 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.