ТГц антенные решётки с использованием планарных диодов с барьером Шоттки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Приходько Анатолий Николаевич

• Приходько Анатолий Николаевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Приходько Анатолий Николаевич

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Планарные диоды с барьером Шоттки

1.2. Антенные решетки и метаповерхности для терагерцовых применений

1.3. Степень разработанности темы исследования

Глава 2. Терагерцовая электроника на основе микроконтактов

Шоттки

2.1. Оптимизация паразитных параметров планарной конструкции

2.1.1. Микроразмерный контакт Шоттки

2.1.2. ПДБШ встроенный в линию передачи

2.2. Мультиплексор с СВЧ-рефлектометром, интегрированный с матричными детекторами ТГц диапазона

2.2.1. Образцы ПДБШ

2.2.2. Методика считывания сигнала детекторной антенной решётки на базе ПДБШ с зондирующим СВЧ сигналом

2.2.3. Конструкция двухпикселыюго детектора

2.2.4. Способ считывания и его оценка

2.2.5. Волноводный детектор на основе ПДБШ ТГц диапазона

Глава 3. Реконфигурируемые отражательные решетки для тера-

герцовой связи 6С

3.1. Модель распространения для канала сверхнаправленной связи

внутри помещения

3.1.1. Исследование характеристик динамической блокировки

в прямой видимости

3.1.2. Исследование характеристик динамической блокировки

в непрямой видимости (в отражении)

3.1.3. Исследование отражательных свойств типовых материалов внутри помещений

3.1.4. Влияние геометрии приемопередачи

3.2. Реконфигурируемые отражающие антенные решетки на основе

диодных микроключей для виртуальных каналов устойчивой связи

3.2.1. Структура IRS и углы отражаемого ТГц пучка

3.2.2. Особенности изготовления

3.2.3. Прототипирование и технико-экономическое обоснование

3.2.4. Моделирование одиночной ячейки IRS и анализ свойств ПДБШ в составе гибридной модели

3.2.5. Элементарная ячейка IRS интегрированная с ПДБШ

Заключение

Апробация

Список публикаций автора

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ТГц антенные решётки с использованием планарных диодов с барьером Шоттки»

Введение

Технология диодов с барьером Шоттки известна научно-техническому сообществу с конца 1930-х гг. [1; 2]. По мере возрастания требований к количеству и однородности диодных элементов в составе нелинейных устройств преобразования частоты в задачах беспроводной связи, радиолокации и дистанционного мониторинга ставшая исторически первой вискерная конструкция уступила место планарной. Более того, непрерывный прогресс терагерцовой (ТГц) техники [3] стимулирует внедрение новых и развитие уже существующих технологий как источников, так и приемников излучения данного частотного диапазона. На данный момент существует несколько основных технологий для гетеродинного детектирования ТГц излучения. Так, смеситель на основе перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СРЮ) крайне эффективен на частотах менее 1.4 ТГц [4]. Смеситель на основе эффекта электронного разогрева (НЕВ) в тонких пленках сверхпроводника в резистивном состоянии целесообразно использовать на более высоких частотах, в частности, он не имеет конкурентов по сочетанию чувствительности и быстродействия в пределах полосы 3 6 ТГц [5]. Нижняя граница данной частотной области является также верхним пределом полосы входных рабочих частот смесителя на основе планарного диода с барьером Шоттки (ПДБШ), которая ограничена значением ^3 ТГц [ ]. В отличии от сверхпроводниковых технологий СРЮ и НЕВ смесителей, технология диодов Шоттки является полупроводниковой и, главным образом, связана с использованием слоистой структуры на основе СаАн, что подразумевает отсутствие необходимости применения громоздкого и дорогостоящего криогенного оборудования для достижения приемлемых шумовых характеристик приемника. Отсутствие потребности охлаждения ПДБШ до температур жидкого гелия делает его довольно привлекательным для практического применения. Хотя в последние годы достаточно успешно развиваются технологии высокотемпературных НЕВ-детекторов, работающих при температурах жидкого азота [7], и,

следовательно, менее энергозатратных, чем приемники, использующие в качестве хладогента жидкий гелий, они все еще не способны заменить неохлажда-емые полупроводниковые устройства аналогичного класса. Важнейшим фактором успеха планарной технология, в отличие от технологии вискерных диодов, является то что первая позволяет четко контролировать параметры изготовляемых устройств и легко интегрировать их со сложными высокочастотными схемами. Но несмотря на многочисленные преимущества, планарная технология имеет определенные недостатки, связанные с появлением последовательного сопротивления и шунтирующей емкости в собственной схемотехнике диода. Вихревые токи, индуцированные в слоистой структуре ПДБШ, также значительно влияют на его характеристики в ТГц диапазоне [8]. Эффект вихревых токов присутствует в устройствах с относительно толстыми мезами и зависит от их геометрии. С точки зрения эквивалентной схемы ПДБШ, это можно представить как последовательно включенную индуктивность, что определенным образом ограничивает ширину полосы входных рабочих частот диода. Однако за счет уменьшения толщины мезы до некоторого значения, сравнимого с глубиной скин-слоя на соответствующей частоте, данный негативный эффект можно смягчить [9]. При этом на субмикронных толщинах эта манипуляция может привести к значительному увеличению сложности структурирования диода.

В настоящем исследовании используются ПДБШ с толщиной мезы порядка одной толщины скин-слоя. Это сделано для того, чтобы потенциально смягчить эффект вихревых токов, а также скин-эффект и эффект близости ПДБШ, потери которого на радиочастоте будут определяться лишь его а) паразитными параметрами, включая шунтирующую емкость, последовательные индуктивность и сопротивление, и б) транспортными свойствами по постоянному току. Многоэлементные когерентные и некогерентные приемники на основе диодов Шоттки терагерцового диапазона востребованы в современных приборных радиоастрономических комплексах наземного, аэростатного и космического базирования, в агропромышленных системах мониторинга гидратации сель-

скохозяйственных культур, в многолучевых системах беспроводной связи [10 13] и других прикладных задачах, требующих использования технологичных и энергоэффективных сенсоров терагерцового излучения.

Антенные решетки и метаповерхности, обеспечивающие маршрутизацию радиосигналов в реальном времени, призваны повысить устойчивость беспроводных соединений в сетях связи нового поколения. На сегодняшний день, потребности общества в возможностях обработки информации неизбежно растут. Это мотивирует активные исследования в области коммуникаций нового поколения [14]. Полоса частот терагерцового диапазона считается полезной для будущих беспроводных сетей связи шестого поколения (6G). Однако ее использование сопровождается необходимостью иметь дело с высокими потерями на распространении из-за атмосферного поглощения, рассеяния на препятствиях и динамических блокировках [А1]. Таким образом, беспроводные системы 6G должны опираться на ТГц передатчики и приемники с узконаправленными ре-конфигурируемыми пучками. Это вместе с использованием интеллектуальных отражающих поверхностей (IRS) предлагается как многообещающее решение для улучшения передачи сигнала на несущих частотах выше 100 ГГц [15].

Вообще говоря, IRS состоит из множества периодических элементов, обеспечивающих эффективный контроль волнового фронта, изменяя фазу, величину и поляризацию при маршрутизации пучка [16]. В последнее время предложено большое количество конструкций IRS. К ним относятся устройства с механизмами настройки на основе I) медленнодействующих жидких кристаллов и микроэлектромеханических систем, II) сверхбыстродействующей транзисторной и диодной электроники [17].

Рассматривая IRS как часть беспроводного ТГц канала, необходимо учитывать фазозависимую амплитудную характеристику его элементарных ячеек, а также перекрестную связь между ними [18]. Оптимизация диаграммообразо-вания может быть выполнена либо аналитически, используя модель эквивалентной схемы обобщенной структуры IRS [19], либо численно, посредством электро-

магнитного (ЭМ) моделирования [20]. Однако большинство недавно опубликованных моделей 1RS ориентированы на рабочие частоты значительно ниже 100 ГГц, когда для фазового сдвига можно использовать дискретные полевые транзисторы металл-окисел-полупроводник и варакторные или PIN- диоды [21 23]. Это приводит к появлению множества неучтенных аспектов, связанных с разработкой и внедрением ТГц 1RS в виде монолитной интегральной схемы (ИС). Более того, существующие модели элементарных ячеек 1RS весьма косвенно связаны с физикой полупроводников. Они не позволяют легко прогнозировать изменения производительности при разных уровнях падающей мощности из-за температурно-зависимых транспортных свойств областей пространственного заряда в элементарных ячейках 1RS [24; 25].

Использование диодов Шоттки в элементарной ячейке 1RS обеспечивает время переключения ее состояний менее пикосекунды [26]. Учитывая принципиальную неинерционность носителей заряда, работоспособность диода Шоттки полностью определяется технологией изготовления [6] и ЭМ-конструкцией его ИС [27]. Таким образом, появление эффективных по времени расчета и надежных с точки зрения прогнозирования методов моделирования крайне важно для дальнейшего развития технологии ТГц диодов Шоттки и использующих их и нте гр а л ы i ых уст рой ст в.

Таким образом, актуальность настоящего диссертационного исследования обусловлена несколькими основными моментами: а) необходимостью увеличения полосы рабочих частот и скорости считывания сигнала неохлаждаемых диодных приемников терагерцового диапазона; б) необходимостью разработок параметризованных моделей и технологичных конструкций реконфигурируе-мых антенных решеток терагерцового диапазона со сверхбыстрым диаграммо-образованием для обеспечения непрямого соединения в каналах связи нового поколения; в) необходимостью выявления практических требований к реконфи-гурируемым антенным решеткам терагерцового диапазона для каналов связи нового поколения с поддержкой непрямого соединения.

Также необходимо отметить, что большая часть исследований, описанных в настоящей диссертации, была выполнена в рамках научно-исследовательских работ, включая 3 проекта в НИУ ВШЭ, а именно, «Исследование процессов динамической блокировки и микромобильности в сетях связи бв» (2022 г.), «Исследование особенностей распространения терагерцовых волн внутри помещений для построения усредненной и трехмерной кластерной моделей каналов связи бв» (2023 г.), «Исследование перспективных программно-аппаратных и алгоритмических решений для борьбы с блокировкой радиосигнала и эффектом микромобильности абонента в сетях бв» (2024 г.), и 2 проекта РИФ в МИГУ, а именно, «Фотонные интегральные фазированные антенные решетки в тера-герцовом диапазоне для создания систем связи нового поколения» (2021-2024 гг.), «Интеллектуальная отражающая поверхность миллиметрового волнового диапазона для систем связи нового поколения» (2022-2025 гг.).

Целью данной работы является исследование возможностей создания многоэлементных устройств маршрутизации и приема терагерцовых волн на основе планарных диодов с барьером Шоттки для систем беспроводной связи б-го поколения.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработаны методики и вспомогательные средства измерений характеристик антенных решеток, предназначенных для отражения и детектирования узких терагецовых пучков, а именно, методика и стенд для измерения мощности эквивалентной шуму детекторного диода с барьером Шоттки при съеме сигнала с использованием СВЧ рефлектометра, методика и стенд для измерения диаграммы направленности отражателя с диодными ключами в терагерцовом диапазоне.

2. Экспериментально изучены особенности явления динамической блокировки узконаправленных терагерцовых пучков в связи прямой и непрямой видимости для формулирования требований к техническим характери-

стикам антенных решеток в составе современных сетей радиодоступа с несущей частотой в диапазоне 130-160 ГГц. Созданы стенд и методика измерения динамики уровня принимаемого сигнала при блокировке радиосигнала телом пользователя в движении.

3. Разработаны модели для проектирования антенных решеток и их структурных элементов, а именно, электромагнитные и гибридные параметризованные модели планарного диода с барьером Шоттки с использованием Жо-функции Ламберта, компактного микрополоскового демультиплексо-ра на перекрестных модах, ячейки реконфигурируемого отражателя с диодными микроключами.

В качестве объекта исследования выбран планарный диод с барьером Шоттки терагерцового диапазона. Предметом исследования являются основные радиофизические характеристики элементов моделей и конструкций устройств приемопередачи и маршрутизации электромагнитного сигнала основанных на планарных диодах с барьером Шоттки в терагерцовом диапазоне.

Методология и методы исследования. В рамках проводимых исследований оценка чувствительности волноводного приемника изготовленного на основе планарного диода с барьером Шоттки осуществлялась путем измерения мощности эквивалентной шуму в режиме прямого детектирования и с использованием СВЧ-рефлектометрии. Для измерения характеристик диода с Г-образным анодным мостиком по постоянному току использовался метод длинной линии. Также для анализа вольт-амперных и вольт-омных характеристик планарного диода с барьером Шоттки применялся аппарат Ж0-функции Ламберта. Измерения временных и амплитудных характеристик динамических блокировок в сценариях «точка-точка» беспроводного соединения проводились при передачи терагерцового сигнала между базовой станцией и пользовательским устройством в связи прямой не непрямой видимости. При реализации такого сценария динамическая блокировка в канале связи производилась человеком

движущимся поперек линии распространения сигнала. Анализ параметризованной модели элементарной ячейки реконфигурируемой антенной решетки с микроконтактами Шоттки осуществлялся с использованием метода конечных элементов и результатов анализа вольт-омной характеристики.

Научная новизна.

1. Предложена конструкция планарного диода с барьером Шоттки с Г-образ-ным вывешенным анодным мостиком позволяющая снизить влияние паразитных параметров диода на высокочастотном токе или миниатюризи-ровать конструкцию при сохранении паразитных составляющих на изначальном уровне.

2. Разработана конструкция матричного диодного детектора с барьером Шоттки с построчным частотным разделением каналов и системой считывания отклика на основе СВЧ рефлектометра способна увеличить быстродействие пропорционально числу строк детектора при двукратном ухудшении чувствительности.

3. Определены величины времен динамической блокировки и пикового ослабления сигнала при его перекрывании движущимся человеком, в связи прямой и непрямой видимости, для соединения «точка-точка» на частоте 156 ГГц.

4. Определены значения комплексной диэлектрической проницаемости для листового стекла, гипсокартона и газобетона, в диапазоне 132-162 ГГц, с использованием аппарата характеристической матрицы слоистой среды, а также модели для анализа пористых диэлектриков. Последняя рассматривает образец как однородную среду с эффективной диэлектрической проницаемостью и таким образом позволяет корректно оценить эту величину для газобетона.

5. Разработана модель элементарной ячейки реконфигурируемой антенной

решетки терагерцового диапазона с микроконтактами Шоттки, учитывающая вольт-омную характеристику контакта в явном виде с использованием Ж0-функции Ламберта, позволяющая улучшить возможности в проектировании устройств с дискретным и непрерывным диаграммообра-зованием в отраженном свете.

Практическая значимость. Многоэлементные когерентные и некогерентные приемники терагерцового диапазона востребованы в современных приборных радиоастрономических комплексах наземного, аэростатного и космического базирования, в агропромышленных системах мониторинга гидратации сельскохозяйственных культур, в многолучевых системах беспроводной связи и других прикладных задачах, требующих использования технологичных и энергоэффективных сенсоров терагерцового излучения. Антенные решетки и мета-поверхности, обеспечивающие маршрутизацию радиосигналов в реальном времени, призваны повысить устойчивость беспроводных соединений в сетях связи нового поколения.

Использование описанных в настоящей диссертации методов расчета радиофизических свойств терагерцовых антенных решеток, интегрированных с диодами Шоттки предлагаемых технологичных конструкций, способно обеспечить выигрыш на этапе проектирования, изготовления и практического использования в реальных терагерцовых системах. Полученные наработки были применены для создания и реализации коммерчески доступных диодных детекторов диапазона 110-170 ГГц компанией ООО «Тинфотоника», что обосновывает успешный результат внедрения.

Положения, выносимые на защиту:

Г

планарного диода с барьером Шоттки обеспечивает двукратную миниатюризацию без увеличения паразитной емкостной связи в его структурных элементах. Полная шунтирующая емкость составляет 3 фФ для длины

мостика 2 мкм, высоты и ширины полупроводниковой мезы 2 и 15 мкм соответственно, площади контакта Шоттки 0.785 мкм2.

2. Конструкция матричного диодного детектора с барьером Шоттки с построчным частотным разделением каналов и системой считывания отклика на основе СВЧ рефлектометра обеспечивает выигрыш в быстродействии пропорционально числу строк детектора при двукратном ухудшении чувствительности. Пиксель детектора на 150 ГГц обладает мощностью эквивалентной шуму не более 160-320 пВт Гц-0'5, динамическим диапазоном 30 дБ и 40 дБ при диаметрах контактов Шоттки 1 мкм и 3 мкм соответственно.

3. Модель элементарной ячейки реконфигурируемой антенной решетки с микроконтактами Шоттки, учитывающая вольт-омную характеристику контакта в явном виде с использованием Wo-функции Ламберта и решения уравнения Пуассона для заданного профиля легирования контактного слоя полупроводника, обеспечивает возможность проектирования устройств с дискретным и непрерывным диаграммообразованием в отраженном свете. Погрешность расчета отражательной способности составляет не более

1 дБ в диапазоне 132-162 ГГц.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на 5-ти международных конференциях и 1-й межвузовской конференции. При этом 3 доклада было представлено в устном виде и 3 доклада в стендовом.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 16 печатных изданиях 14 из которых изданы в журналах, входящих в перечень Scopus и Web of Science.

Личный вклад автора.

Автор принимал активное участие в:

• Формулировки темы, постановки цели и задач исследования.

• Постановке и проведении эксперементов по измерению временных и амплитудных характеристик динамических блокировок в сценариях «точка-точка» беспроводного соединения, эквивалентной мощности шума (ЭМШ) волноводного приемника изготовленного на основе планарного диода с барьером Шоттки.

• Разработке конструкции матричного волноводного приёмника с эффективным диапазоном рабочих частот 130-160 ГГц, на основе диодных элементов с использованием СВЧ-рефлектометра и аналогового КМОП мультиплексора, конструкции 2-битной IRS с мультисостоятельным диаграм-мообразованием в отражённом свете на НЧ в пределах 130-160 ГГц на основе планарных диодов с барьером Шоттки.

• Обработке и анализе данных, полученных в результате проведения экспериментов, численного и аналитического моделирования.

• Представлении результатов исследования в международных конференциях с устными и стендовыми(постерными) докладами.

• Подгоотвке публикаций в международных рецензируемых изданиях, в том числе входящих в перечень Scopus и Web of Science.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 3 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 92 страница, из них 80 страниц текста, включая 32 рисунка и 7 таблиц. Библиография включает 65 наименований на 7 страницах.

Во Введении изложено обоснование актуальности темы, научной новизны и практической значимости диссертационной работы, сформулирована цель и задачи, показана научная новизна исследований, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе представлен краткий обзор литературы по планарным диодам с барьером Шоттки и реконфигурируемым терагерцовым антенным решеткам с активными элементами способными обеспечивать быстрое диаграм-мообразование, состояние технологичности описанных в научных публикациях подобных конструкций, а также проблемы применения таких устройств в те-рагерцовом диапазоне и пути их преодоления. Также рассмотрены антенные решения использующие активные элементы с меньшим быстродействием.

Во второй главе представлена конструкция планарного диода с барье-Г

его паразитные параметры. Проведены измерения основных параметров диодов по постоянному току и проанализированы их вольт-амперные характеристики с использованием аппарата Ж0-функции Ламберта. Также с использованием аппарата этой функции проанализирован микроконтакт Шоттки и представлена аналитическая модель описывающая его вольт-омную характеристику. Получены значения У-параметров для планарного диода с барьером Шоттки встроенного в коаксиальную линию передачи. Разработана конструкция матричного диодного детектора с барьером Шоттки с построчным частотным разделением каналов и системой считывания отклика на основе СВЧ рефлектометра. Измерены и проанализированы мощности эквивалентные шуму с и без СВЧ рефлектометра, а также динамические диапазоны диодов с микроконтактами Шоттки. Разработана конструкция волноводного детектора на основе планарного диода Шоттки.

В третьей главе представлена модель распространения для канала сверни при плен ной связи внутри помещений. Проведена обширная компания измерений характеристик динамической блокировки в связи прямой и непрямой видимости. Применяя аппарат характеристической матрицы слоистой среды, изучены диэлектрические свойства листового стекла, гипсокартона и пористого газобетона в терагерцовом диапазоне. Для последнего материала составлена модель учитывающая пористость его заполнения. Представлена модель эле-

ментарной ячейки рекоифигурируемой антенной решетки с микроконтактами Шоттки, учитывающая вольт-омную характеристику контакта в явном виде с использованием Ж0-функции Ламберта. С использованием анализа порта Фло-ке, методом конечных элементов показано что такая элементарная ячейка в составе антенная решетки способна обеспечивать возможность проектирования устройств с дискретным и непрерывным диаграммообразованием в отраженном свете на частотах терагерцового диапазона.

В Заключении представлены основные результаты полученные по итогу выполнения диссертационного исследования.

Глава 1

Обзор литературы

Представленный здесь обзор литературы посвящен двум составляющим и разделен на две части.

Первая часть обзора литературы посвящена плаиарным диодам с барьером Шоттки терагерцового диапазона, развитию их технологии и применению.

Вторая часть обзора литературы сконцентрирована на интеллектуальных отражающих поверхностях, их классификации, определениях и достижениях в данной области.

Компоновка этой главы настоящей работы реализуется таким образом для того, что бы у читателя сложилось неискаженное представление об актуальности и обоснованности диссертационного исследования.

1.1. Планарные диоды с барьером Шоттки

Планарная технология терагерцовых диодов с барьером Шоттки (ПДБШ) с вывешенным анодным мостиком и контактными площадками на подложке ар-сенида галлия (СаАн) появилась в 1987 году в университете Вирджинии (США) [28]. Стоит также отметить, что похожая технология планарных диодов, которая отличается наличием балочных выводов вместо контактных площадок на кристалле полупроводника, была создана в том же году в Томском научно исследовательском институте полупроводниковых приборов (Россия) [29], однако такие структуры не получили дальнейшего развития в практических устройствах. Также одними из первых кто успешно освоил технологию терагерцовых ПДБШ на основе СаАн и даже усовершенствовал ее были исследователи из лаборатории реактивного движения (США). Была предложена технология переноса на кварцевую подложку с последующим удалением полуизолятора СаАн которая известна теперь как С^иГО-процесс [30]. Однако при проектировании

умножителей или смесителей с рабочими частотами более 500 ГГц крайне желательно изготовление всей структуры в рамках единой подложки GaAs. Для этого сотрудниками этой же лаборатории была предложена методика изготовления монолитных мембранных планарных диодов Шоттки, получившая название MOMED-процесс. По такой технологии был изготовлен диодный смеситель с рабочей частотой 2.5 ТГц, где на мембране GaAs вместе с диодами располагались зонды для согласования импеданса, фильтры и выводы смещения [31]. В наши дни подход монолитных интегральных схем является наиболее распространенным методом изготовления смесителей и умножителей с рабочими частотами более 1 ТГц.

Развитие технологии терагерцовых ПДБШ, в дальнейшем выделило три основных типа диодных конструкций.

К первому типу относятся ПДБШ с поверхностным каналом, которая является хронологически первой в классе таких конструкций и которая была уже упомянута выше. Основной особенностью ее изготовления является анизотропное жидкостное травления кристалла GaAs. При таком подходе из токонесущего слоя GaAs на подложке формируются мезы одна под катодной омической площадкой и другая под анодной площадкой. К анодной площадке одним торцом прилегает вывешенный мостик и другим торцом к закрышке расположенной над контактом Шоттки. Между мезами, подложкой и вывешенным анодным мостиком образуется так называемый поверхностный канал, что позволяет уменьшать паразитную емкость между анодом и катодом, тем самым увеличивая частоту отсечки диода. Эта диодная технология в конечном итоге была развита в линейку коммерческих продуктов компанией «Virginia Diodes» (США) [32]. С помощью этой технологии были изготовлены терагерцовый умножитель с рабочей частотой по выходу 2.7 ТГц [33] и гармонический смеситель с рабочей частотой 3.2 ТГц [34].

Ко второму типу относятся ПДБШ с воздушным анодным мостиком. В целом этот тип конструкции ПДБШ имеет много общего с предыдущей кон-

струкцией. Основным отличием является наличие только одной мезы в области катодной омической площадки, что позволяет достичь еще меньшей величины паразитной емкости и последовательного сопротивления. Технологическим отличием является использование использование реактивного ионного травления вместо травления жидкостью, что позволяет значительно повысить прецизионность процесса. Одной из вариаций этой технологии стали ПДБШ с воздушным анодным мостиком с балочными выводами и успешно применялись в линейке умножителей в составе гетеродинного приемника дальнего инфракрасного диапазона [35] на обсерватории спутникового базирования Гершель. Поскольку подложки в рамках такой технологии утончаются с помощью химико-механического процесса, для повышения рабочей частоты устройств, достичь хорошей воспроизводимости можно только если толщина полуизолятора ожидается не тоньше ~15 мкм. Для преодоления этого ограничения был разработан, ранее упомянутый, МОМЕО-процесс. Суть этого подхода заключается в изготовлении диодных структур на мембране СаАн. на основе пластин СаАн в которых содержится дополнительный слой полу изолятора между подложкой со стоп слоем снизу и стоп слоем и токонесущем слоем сверху. Все слои на такой подложке СаАн формируются методом молекулярно-лучевой эпитаксии, что позволяет контролировать толщину каждого слоя с большой точностью [36]. С помощью этой технологии были изготовлены терагерцовый умножитель с рабочим частотным диапазоном по выходу 2.48 2.75 ТГц [37] и 1.9 ТГц [38].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Приходько Анатолий Николаевич, 2024 год

Список литературы

1. Schottky W. Zur halbleitertheorie der sperrschicht-und Spitzengleichrichter // Zeitschrift für Physik. - 1939. - Т. 113. - C. 307 414.

2. Schottky W. [и др.]. Quantitative treatment of the space charge and boundary-layer theory of the crystal rectifier // Wiss. Veroff. Siemens-Werken. — 1939. — Т. 18. - С. 225—291.

3. Siegel P. H. Terahertz technology // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. - 2002. - T. 50, № 3. - C. 910^928.

4. Low Noise 1 THz 1.4 THz Mixers Using Nb/Al-AlN/NbTiN SIS Junctions / A. Karpov [и др.] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. — 2007. - T. 17, № 2. - C. 343 340.

5. Shurakov А. [и др.]. Superconducting hot-electron bolometer: from the discovery of hot-electron phenomena to practical applications // Superconductor Science and Technology. - 2015. - T. 29, № 2. - C. 023001.

6. THz diode technology: Status, prospects, and applications / I. Mehdi [и др.] // Proceedings of the IEEE. - 2017. - T. 105, № 6. - C. 990 1007.

7. Terahertz Direct Detection in YBa2Cu307-x Microbolometers / A. Hammar [и др.] // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. — 2011. — Т. 1, № 2. - C. 390 394.

8. Tang A. Y. [и др.]. Impact of eddy currents and crowding effects on high-frequency losses in planar Schottky diodes // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2011. - T. 58, № 10. - C. 3260^3269.

9. Ti/Au/n-GaAs planar Schottky diode with a moderately Si-doped matching sublayer / A. Shurakov [и др.] // Microelectronic Engineering. — 2018. — T. 195. - C. 26—31.

10. Pearson J. C. [h pp.]. Instrumentation for THz spectroscopy in the laboratory and in space // IEEE Journal of Microwaves. — 2021. — T. 1, № 1. — C. 43 54.

11. IceCube: spaceflight demonstration of 883-GHz cloud radiometer for future science / D. L. Wu [h ,np.] // CubeSats and SmallSats for Remote Sensing III. T. 11131. - SPIE. 2019. - C. 1113103.

12. Mehdi I. THz Applications: Devices to Space System // Fundamentals of Terahertz Devices and Applications. — John Wiley & Sons, 2021. — Tji. 13. C. 511—545.

13. Terahertz spectroscopy and imaging: A review on agricultural applications / L. Afsah-Hejri [h ,np.] // Computers and Electronics in Agriculture. — 2020. — T. 177. - C. 105628.

14. Toward 6G networks: Use cases and technologies / M. Giordani [h ,np.] // IEEE Communications Magazine. - 2020. - T. 58, № 3. - C. 55-61.

15. Wireless communications through reconfigurable intelligent surfaces / E. Basar |n ;ip.| // IEEE access. - 2019. - T. 7. - C. 116753-116773.

16. A Promising Technology for 6G Wireless Networks: Intelligent Reflecting Surface / W. Long [h ,np.] // Journal of Communications and Information Networks. - 2021. - T. 6, № 1. - C. 1-16.

17. Yang F. [h ,np.]. Terahertz reconfigurable intelligent surfaces (RISs) for 6G communication links // Micromachines. — 2022. — T. 13, № 2. — C. 285.

18. Reconfigurable intelligent surfaces for wireless communications: Overview of hardware designs, channel models, and estimation techniques / M. Jian [h A p.] // Intelligent and Converged Networks. - 2022. T. 3. ..Y" 1. C. 1-32.

19. Intelligent reflecting surface: Practical phase shift model and beamforming optimization / S. Abeywickrama [h ^p.] // IEEE Transactions on Communications 2020. - T. 68, № 9. - C. 5849-5863.

20. Costa F. [h pp.]. Electromagnetic model of reflective intelligent surfaces // IEEE Open Journal of the Communications Society. — 2021. — T. 2. — C. 1577—1589.

21. Intelligent metasurfaces with continuously tunable local surface impedance for multiple reconfigurable functions / F. Liu [h ,np.] // Physical Review Applied. - 2019. - T. 11, № 4. - C. 044024.

22. Zhu B. O. [h /i,p.]. Active impedance metasurface with full 360 reflection phase tuning // Scientific reports. — 2013. — T. 3, № 1. — C. 3059.

23. Reconfigurable intelligent surface-based wireless communications: Antenna design, prototyping, and experimental results / L. Dai [h ,np.] // IEEE access. - 2020. - T. 8. - C. 45913 45923.

24. Electro-thermal model for multi-anode Schottky diode multipliers / A. Y. Tang [h /i,p.] // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. —

2012. - T. 2, № 3. - C. 290-298.

25. The physical topological modeling of single radiation effects in submicron ultrahigh-frequency semiconductor diode structures with taking in account the heating of an electron-hole gas in the charged particle track / E. Tarasova [h /i,p.] // Proceedings of the 33th European Modeling & Simulation Symposium (EMSS 2021). - CAL-TEK. 2021.

26. Air-bridged Schottky diodes for dynamically tunable millimeter-wave metamaterig phase shifters / E. Vassos [h ,np.] // Scientific Reports. — 2021. — T. 11, №

1. - C. 5988.

27. Analytical extraction of a Schottky diode model from broadband S-parameters / A. Y. Tang [h /i,p.] // IEEE transactions on microwave theory and techniques. —

2013. - T. 61, № 5. - C. 1870-1878.

28. A novel whiskerless Schottky diode for millimeter and submillimeter wave application / W. L. Bishop [и др.] // 1987 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. T. 2. IEEE. 1987. C. 607 610.

29. Наливайко Б. А. [и др.]. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник. Томск: МГП «РАСКО», 1992.

30. Improved 240-GHz subharmonically pumped planar Schottky diode mixers for space-borne applications / I. Mehdi [и др.] // IEEE transactions on microwave theory and techniques. 1998. T. 46, № 12. C. 2036 2042.

31. 2.5-THz G a As monolithic membrane-diode mixer / P. H. Siegel [и др.] // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1999. T. 47, № 5. C. 596 604.

32. Virginia Diodes, Inc. URL: http://vadiodes.com ; (Date last accessed 05-May-2024).

33. Solid-state LO sources for greater than 2THz / T. Crowe [и др.] // 22nd Int. Symp. Space Terahertz Technol. 2011. C. 209 212.

34. 1.9-3.2 THz Schottky based harmonic mixer design and characterization / B. Bulcha [и др.] // 2015 European Microwave Conference (EuMC). IEEE. 2015. C. 837 840.

35. 200, 400 and 800 GHz Schottky diode "substrateless"multipliers: design and results / E. Schlecht [и др.] // 2001 IEEE MTT-S International Microwave Sympsoium Digest. T. 3. IEEE, 2001. C. 1649 1652.

36. Fabrication of 200 to 2700 GHz multiplier devices using GaAs and metal membranes / S. Martin [и др.] // 2001 IEEE MTT-S International Microwave Sympsoium Digest. T. 3. IEEE, 2001. C. 1641 1644.

37. Demonstration of a room temperature 2.48 2.75 THz coherent spectroscopy source / J. C. Pearson [и др.] // Review of Scientific Instruments. 2011. T. 82, № 9.

38. Local oscillator sub-systems for array receivers in the 1-3 THz range / I. Mehdi [m /i,p.] // Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy VI. T. 8452. SPIE. 2012. C. 299 304.

39. High-Power and High-Efficiency 1.3 THz Transmitter Using Discrete Schottky Diode Technology / D. Moro-Melgar [m /j,p.] // 2023 48th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). IEEE. 2023. C. 1 2.

40. Submillimetre-wave receiver developments for ICI onboard MetOP-SG and ice cloud remote sensing instruments / B. Thomas [m /j,p.] // 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. IEEE. 2012. C. 1278 1281.

41. Schottky-structures for THz-applications based on quasi-vertical design-concept / O. Cojocari [m /j,p.] // International Symposium on Space Terahertz Technology, Göteborg, Sweden. 2005.

42. ACST, GmbH. URL: https: //acst. de/ ; (Date last accessed 05-May-2024).

43. Alijabbari N. [m /j,p.]. Design and characterization of integrated submillimeter-wave quasi-vertical Schottky diodes // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2014. T. 5, № 1. C. 73 80.

44. Alijabbari N. [m /j,p.]. 160 GHz balanced frequency quadruplers based on quasi-vertical Schottky varactors integrated on micromachined silicon // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2014. T. 4, № 6.

C. 678 685.

45. Superconducting Electronic Photonic Platform for HEB-Based Terahertz Spectro: A. Shurakov [m aP.] // Applied Sciences. 2023. T. 13, № 10. C. 5892.

46. Low noise GaAs Schottky TMIC and InP Hemt MMIC based receivers for the ISMAR and SWI instruments / P. Sobis [m aP.] // Proc. ESAESTEC

Micro-and Millimetre Wave Technol. Techn. Workshop. — 2014. — C. 25— 27.

47. Waliwander T. [h ,np.]. An ultra-high efficiency high power Schottky varactor frequency doubler to 180-200 GHz // 2016 Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM) & ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applicatio IEEE. 2016. - C. 1-4.

48. A 520-620-GHz Schottky receiver front-end for planetary science and remote sensing with 1070 K-1500 K DSB noise temperature at room temperature / J. Treuttel [h ,np.] // IEEE transactions on terahertz science and technology. — 2015. - T. 6, № 1. - C. 148-155.

49. 1.1 THz tenth harmonic mixer based on planar GaAs Schottky diode / B. Zhang [h /i,p.] // IET Microwaves, Antennas & Propagation. — 2019. — T. 13,

№ 1L _ C 1799^1803.

50. Moore G. E. Cramming more components onto integrated circuits // Proceedings of the IEEE. - 1998. - T. 86, № 1. - C. 82-85.

51. Towards 6G wireless communication networks: Vision, enabling technologies, and new paradigm shifts / X. You [h ,np.] // Science China Information Sciences. - 2021. - T. 64. - C. 1-74.

52. Saad W. [h ,np.]. A vision of 6G wireless systems: Applications, trends, technologies, and open research problems // IEEE network. — 2019. — T. 34, № 3. - C. 134-142.

53. 6G wireless systems: Vision, requirements, challenges, insights, and opportunities / H. Tataria |n ;ip.| // Proceedings of the IEEE. - 2021. - T. 109, № 7. -

C. 1166-1199.

54. Millimeter-wave and terahertz spectrum for 6G wireless / S. Tripathi [h AP-] // 6G Mobile Wireless Networks. - Springer, 2021. - C. 83-121.

55. Integrated, portable, tunable, and coherent terahertz sources and sensitive detectors based on layered superconductors / K. Delfanazari [h ,np.] // Proceedings of the IEEE. - 2020. - T. 108, № 5. - C. 721-734.

56. Capacity and outage of terahertz communications with user micro-mobility and beam misalignment / V. Petrov [h AP-] // IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2020. - T. 69, № 6. - C. 6822-6827.

57. Intelligent reflecting surface enhanced indoor terahertz communication systems / X. Ma |n ;ip.| // Nano Communication Networks. — 2020. — T. 24. —

C. 100284.

58. Balanis C. A. Antenna theory: analysis and design. — John wiley & sons, 2005.

59. Volakis J. L. Antenna engineering handbook. — New York: McGraw-Hill, 2007.

60. An overview of terahertz antennas / Y. He [h ,np.] // China Communications. — 2020. - T. 17, № 7. - C. 124-165.

61. Hardware aspects of sub-THz antennas and reconfigurable intelligent surfaces for 6G applications / K. Rasilainen [h ,np.] // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. — 2023.

62. Cai W. [h flp.]. Optical Metamaterials: Fundamentals and Applications. — Springer New York, 2010. — Tji. Introduction. C. 1—10.

63. Metasurfaces: From microwaves to visible / S. B. Glybovski [h ,np.] // Physics reports. - 2016. - T. 634. - C. 1-72.

64. High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band /

D. Sievenpiper [h ,np.] // IEEE Transactions on Microwave Theory and techniques. - 1999. - T. 47, № 11. - C. 2059-2074.

65. Ozdogan 0. [h ^p.]. Intelligent reflecting surfaces: Physics, propagation, and pathloss modeling // IEEE Wireless Communications Letters. — 2019. — T. 9, № 5. - C. 581-585.

66. Bjdrnson E. [h ^p.]. Reconfigurable intelligent surfaces: Three myths and two critical questions // IEEE Communications Magazine. — 2020. — T. 58, ..V" 12. - C. 90-96.

67. Design and measurements of a 1-bit reconfigurable elementary cell for large electronic steerable reflectarrays / S. Montori [h ^p.] // The 40th European Microwave Conference. - IEEE. 2010. - C. 918-921.

68. Application of GaAs device technology to millimeter-waves / T. Tokumitsu |n ;ip.| // SEI Technical Review. - 2014. - T. 79.

69. Controlled low barrier height 11 -InGaAs/n-GaAs pseudomorphic heterojunction Schottky diodes / A. Kleinsasser [h ^p.] // Applied physics letters. — 1985. —

T. 46, № 12. - C. 1168-1170.

70. Barrier height engineering on GaAs THz Schottky diodes by means of high-low doping, InGaAs-and InGaP-layers / S. Sassen [h ^p.] // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2000. - T. 47, № 1. - C. 24-32.

71. InGaAs Schottky technology for THz mixers / D. Pardo [h ^p.] // Proc. 28th Int. Symp. Space Terahertz Technol. — 2017. — C. 1—4.

72. HBV deep mesa etching in InGaAs InAlAs AlAs heterostructures on InP substrate / M. Gorska [h ^p.] // Materials Science-Poland. — 2005. — T. 23, № 1.

73. Xu X. [h ^p.]. Ultra-broadband terahertz spectroscopy of InP wafer using coherent heterodyne time domain spectrometer // 2015 International Conference on Optical Instruments and Technology: Terahertz Technologies and Applications. T. 9625. - SPIE. 2015. - C. 69-75.

74. Graver S. Effect of transmission line measurement (TLM) geometry on specific contact resistivity determination. Rochester Institute of Technology, 2016. https://scholarworks.rit.edu/theses/9343/.

75. Jung W. [m /i,p.]. Schottky diode parameters extraction using Lambert W function // Materials Science and Engineering: B. 2009. T. 165, № 1/ 2. C. 57 59.

76. Sze S. M. [m /j,p.]. Physics of semiconductor devices. John Wiley & Sons, 2021.

77. A microwave reflection readout scheme for hot electron bolometric direct detector / A. Shurakov [m /j,p.] // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2015. T. 5, № 1. C. 81 84.

78. Hong J.-S. [m /j,p.]. Microstrip bandpass filter using degenerate modes of a novel meander loop resonator // IEEE Microwave and guided wave letters. 1995. T. 5, № 11. C. 371 372.

79. Generalized Kramers Kronig receiver for coherent terahertz communications / T. Harter [m /7 Nature Photonics. 2020. T. 14, № 10. C. 601 606.

80. Extraction of physical Schottky parameters using the Lambert function in Ni/AlGaN/GaN HEMT devices with defined conduction phenomena / O. Latry [m /j,p.] // Journal of Semiconductors. 2017. T. 38, № 1.

C. 014007.

81. Wagner L. [m /j,p.]. A note on the correlation between the Schottky-diode barrier height and the ideality factor as determined from IV measurements // IEEE electron device letters. 1983. T. 4, № 9. C. 320 322.

82. Pozar D. M. Microwave engineering. John wiley & sons, 2004.

83. 5G Physical Layer: principles, models and technology components / A. Zaidi [m /i,p.]. Academic Press, 2018.

84. The road to 6G: Ten physical layer challenges for communications engineers / M. Matthaiou [h ,np.] // IEEE Communications Magazine. — 2021. — T. 59, ..V" 1. - C. 64-69.

85. A tutorial on mathematical modeling of 5G/6G millimeter wave and terahertz cellular systems / D. Moltchanov [h ,np.] // IEEE Communications Surveys & Tutorials. - 2022. - T. 24, № 2. - C. 1072-1116.

86. Born M. [h /i,p.]. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. — Elsevier, 2013.

87. Lamb J. W. Miscellaneous data on materials for millimetre and submillimetre optics // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. — 1996. — T. 17. - C. 1997-2034.

88. A general model of dielectric constant for porous materials / X.-D. Liu [h AP-] // Applied Physics Letters. - 2016. - T. 108, № 10.

89. Urahashi M. [h ,np.]. Complex Permittivity Evaluation of Building Materials at 200-500 GHz Using THz-TDS // 2020 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP). - IEEE. 2021. - C. 539-540.

90. Choy T. C. Effective medium theory: principles and applications. T. 165. — Oxford University Press, 2015.

91. Frequency domain penetration loss in the terahertz band / J. Kokkoniemi [h AP-] // 2016 Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM) k ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications. — IEEE. 2016. — C. 1-4.

92. Gaspard I. Co-and crosspolar scattering measurements at slightly rough walls for indoor propagation channels at mmWaves // 2019 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC). -IEEE. 2019. - C. 038-041.

93. Wire bonded interdigital capacitor / F. P. Casares-Miranda [h pp.] // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. — 2005. — T. 15, № 10. — C. 700-702.

94. Optics and photonics - Optical coatings - Part 4: Specific test methods: abrasion, adhesion and resistance to water : Standard / International Organization for Standardization (ISO). — Geneva, CH, 03.2022.

95. Nayeri P. [h ßp.]. Reflectarray antennas: theory, designs, and applications. — John Wiley & Sons, 2018.