Investigation of detection properties of planar microwave diodes based on A3B5 semiconductor compounds in millimeter–wavelength range

Abstract

Successful development of microwave technologies requires electromagnetic detectors capable of sensing high frequency signals at low levels of microwave power. Bulk barrier planar microwave diodes operating based on the major carrier phenomena are promising in high frequency electromagnetic radiation sensing applications. The dissertation aimed to develop and investigate new original planar microwave diodes with a lower spread of their electrical parameters and capable of detecting an electromagnetic signal in the millimeter wavelength range. The first chapter reviews the physical properties of microwave diode based detectors with quasi linear and non linear current voltage characteristics and microwave diodes with a two dimensional electron gas channel. Then, the application technologies for microwave detectors and methods for their investigation using appropriate probing systems are discussed. The second chapter covers the aspects of the development of planar semiconductor microwave diodes based on GaAs, AlGaAs, and AlGaAs/GaAs compounds. Next, the methodology for investigation methods of electrical parameters and detection properties of the microwave diodes is presented. The third chapter presents the results of experimental investigations of the electrical parameters and detection properties of planar dual microwave diodes based on a semi insulating or low resistivity GaAs substrate, including current voltage characteristics, detected voltage on power characteristics and dependence of voltage sensitivity on frequency in the millimeter wavelength range. The fourth chapter presents theoretical estimations and experimental investigations of the electrical and detection properties of bow tie type microwave diodes with partial gate above a two dimensional electron gas channel based on a selectively doped GaAs/AlGaAs heterostructure. The dissertation presents new developed planar microwave diodes, advanced techniques for investigating their properties, and ways for enhancing their detection properties. Five scientific papers were published on the topic of the dissertation: three papers in scientific journals included in the list of Clarivate Analytics Web of Science database with an impact factor, and two papers in conference proceedings included in the Clarivate Analytics Web of Science and Scopus databases. A European patent based on the results of the dissertation has been granted, and twelve reports, including the results of the dissertation, were presented at national and international scientific conferences.

Norint sėkmingai vystyti mikrobangų technologijas reikalingi elektromagnetinės spinduliuotės detektoriai, galintys aptikti silpnus aukštadažnius signalus. Mikrobangų diodai su energetiniu barjeru puslaidininkio tūryje, kurių veikimas pagrįstas pagrindinių krūvininkų reiškiniu, yra perspektyvūs aukštųjų dažnių elektromagnetinės spinduliuotės detekcijos taikymų srityje. Šios disertacijos tikslas buvo sukurti naujus originalius planarinius mikrobangų diodus puslaidininkinių heterodarinių pagrindu, kurie pasižymėtų mažesniu elektrinių parametrų išbarstymu ir galėtų detektuoti elektromagnetinę spinduliuotę milimetrinių bangų ruože. Pirmajame skyriuje apžvelgiami mikrobangų detektorių su kvazitiesinėmis ir netiesinėmis voltamperinėmis charakteristikomis bei mikrobangų diodų su dvimačiu elektronų dujų kanalu fizikiniai parametrai. Taip pat aptariamos mikrobangų detektorių taikymo technologijos ir aptariami jų parametrų matavimų būdai naudojant zondavimo sistemas. Antrajame skyriuje aprašomi planarinių mikrobangų diodų GaAs, AlGaAs ir AlGaAs/GaAs pagrindu kūrimo etapai ir procesai bei pateikiamos jų elektrinių parametrų ir detekcijos savybių tyrimo metodologijos. Trečiajame skyriuje aprašomi planarinių mikrobangų diodų ant laidaus GaAs padėklo bei planarinių mikrobangų AlGaAs diodų ant pusiau izoliuojančio padėklo elektrinių parametrų ir detekcijos savybių eksperimentinių tyrimų rezultatai: voltamperinės charakteristikos, voltvatinės charakteristikos, voltvatinio jautrio dažninės priklausomybės milimetrinių bangų ruože. Ketvirtajame skyriuje aprašomi peteliškės formos mikrobangų diodų su daline sklende virš dvimačio elektronų dujų sluoksnio AlGaAs/GaAs selektyviai legiruotame heterodarinyje elektrinių parametrų ir detekcijos savybių eksperimentiniai tyrimai ir teorinis įvertinimas. Disertacijoje aprašomi nauji sukurti mikrobangų diodai, pasiūlomos pažangios jų tyrimo metodikos ir būdai leidžiantys pagerinti diodų detekcijos savybes. Pagrindiniai disertacijos rezultatai buvo paskelbti 5 mokslo straipsniuose: 3 – mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazės sąrašą su citavimo rodikliu, 2 – tarptautinių konferencijų medžiagoje, įtrauktoje į Clarivate Analytics Web of Science ir Scopus duomenų bazes. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai buvo paskelbti 12 mokslinių konferencijų Lietuvoje ir užsienyje. Gautas Europinis patentas remiantis disertacijoje pateiktais rezultatais.