ТГц диапазон частот электромагнитных волн представляет особый интерес для множества приложений. Использование излучения этого диапазона необходимо для дистанционного экологического мониторинга, глобальных метеорологических наблюдений, в радарных системах, в астрономии космического базирования, в медицине, в лабораторных приборах для молекулярной спектроскопии и во многих других областях. Тем не менее, этот диапазон частот до сих пор остается наименее изученным и используемым в применениях. В основном, это связано с отсутствием компактных, перестраиваемых и достаточно мощных источников ТГц излучения. Среди существующих в настоящее время полупроводниковых источников когерентного излучения надо отметить, прежде всего, лазеры из объемного p-Ge с горячими дырками и квантовые каскадные лазеры (ККЛ). ККЛ могут работать и в ТГц диапазоне. Отметим, что все ТГц полупроводниковые лазеры работают при криогенных температурах, а поскольку энергия квантов в ТГц области ~10 мэВ, то реализовать инверсию заселенности при комнатной Т (кТ=25 мэВ) практически невозможно. Поэтому разумным представляется поиск систем с «быстрой» (высокочастотной) отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП), которая может возбудить колебания в соответствующем резонаторе. Хорошим примером являются резонансно-туннельные диоды, в которых при комнатной температуре недавно получена генерация до частот ~ 2 ТГц, однако с малой выходной мощностью.
Полупроводниковые сверхрешетки (СР) перспективны для создания перестраиваемых источников генерации ТГц-диапазона, работающих при комнатной температуре. Интерес, в основном, связан с предсказанным усилением блоховских волн и возможностью перестройки частот генерации. Однако реализация таких источников проблематична из-за возникновения статической ОДП, возникающей в СР при резонансном туннелировании между квантово-размерными состояниями в соседних квантовых ямах. ОДП вызывает образование электрических доменов, что препятствует усилению блоховских волн. С другой стороны, образцы с доменами могут обладать динамической ОДП на высоких частотах (действительная часть импеданса ReZ<0) и могут быть использованы для ТГц генерации.
В этом направлении исследуются короткопериодные и сильнолегированные СР InAs/AlSb и GaAs/AlGaAs, в частности, при наличии распределенных резонаторов ТГц диапазона.

Алмаз является широкозонным материалом с выдающимися электрическими, оптическими, химическими и механическими свойствами, перспективными для создания уникальных электронных и оптических устройств, способных работать в экстремальных условиях. Однако до сих пор на основе алмаза серийно не выпускается ни один из видов электронных приборов, несмотря на многочисленные научные демонстрации таких диодов, транзисторов и других приборов. Практическое использовании алмаза затруднено из-за его существенных свойств, таких как непрямая запрещенная зона большой ширины, широкий спектр электрически активных дефектов, отсутствие мелких акцепторов и доноров, трудности механической и химической обработки и другие. Наша цель –исследовать структуры на основе полупроводникового алмаза в сильных электрических полях как для выяснения основных механизмов проводимости, так и с точки зрения создания электронных приборов. Исследуется проводимость эпитаксиальных алмазных пленок, слабо легированных бором, в сильном электрическом поле вплоть до ~5×10⁵ В/см.

Исследован вертикальный (в направлении оси роста) туннельный электронный транспорт в короткопериодных сверхрешетках InAs/AlSb и GaAs/AlAs с распределенными микрорезонаторами терагерцового диапазона частот. Использованные резонаторы образованы металлическими (золото) кольцевыми электродами диаметром 10-15 μm на сверхрешеточной структуре, которая в этом случае является активной средой. В таких резонаторах должны эффективно возбуждаться моды, в которых электрическое поле электромагнитной волны направлено поперек слоев, а волна распространяется вдоль периметра кольца (рис. 1.). Резонансные частоты соответствуют целому числу длин волн на длине кольца. В нашем случае это длины волн ~30 – 47 μm, что соответствует длинам волн в свободном пространстве от ~110 до ~170 μm. Фотография структуры приведена на рис. 1.

Установлено, что в короткопериодных сверхрешетках (СР) GaAs/AlAs и InAs/AlSb при комнатной температуре при некотором пороговом напряжении образуются движущиеся электрические домены, что проявляется в скачкообразном уменьшении тока (до 50%). Обнаружен и изучен гистерезис тока при прямой и обратной развертке напряжения, который связывается с переходами между режимами со статическим и движущимся доменом. Обнаружена и изучена серия максимумов на вольтамперных характеристиках (ВАХ) СР GaAs/AlAs и InAs/AlSb при напряжении выше порогового. Максимумы, почти эквидистантные по напряжению, возникали на фоне роста тока в среднем. Этот рост тока свидетельствует о треугольной форме дипольного домена. Предложено объяснение, связывающее происхождение этих максимумов с туннельными переходами между квантовыми ямами в треугольном домене, сопровождающимися испусканием оптических фононов [1, 2].

Обнаружено, что пороговое напряжение образования электрических доменов существенно (больше, чем в два раза) меняется при изменении параметров резонатора (площади контактов) (рис. 2). На резонаторный образец наносилась капля серебряной эпоксидной проводящей пасты, которая перекрывала всю верхнюю часть меза-структуры (см. вставки на рис. 2). Ток через изменённый таким способом образец увеличивался, что естественно, поскольку увеличилась площадь контакта. Кроме того, изменилось пороговое поле образования домена, чего вообще говоря, быть не должно, так как расстояние между токовыми контактами не изменилось. Изменение порогового поля вызвано возникновением в резонаторе переменного поля соизмеримой амплитуды, из-за детектирования которого возникает дополнительное постоянное напряжение, сдвигающее рабочую точку. Таким образом, этот опыт свидетельствует о возбуждении ТГц колебаний в резонаторе за счёт отрицательного сопротивления сверхрешетки с доменами [3].

Обнаружен аномально большой фотоотклик легированных (~10¹⁷ см^-3) СР GaAs/AlAs с электрическими доменами при комнатной температуре под действием сравнительно слабой межзонной подсветки (светодиод или лампа накаливания 2.5 Вт). При напряжениях ниже порогового (до образования доменов) фотоотклик не наблюдался. Эффект связывается с полным опустошением примесей внутри домена сильного поля (треугольный домен) и объясняется изменением объемного заряда на его границах при освещении.

1. I.V. Altukhov, S.E. Dizhur, M.S. Kagan, S.K. Paprotskiy, N.A. Khvalkovskiy, N.D. Il’inskaya, A.A. Usikova, A.N. Baranov, and R. Teissier, Electronic Transport in InAs/AlSb Superlattices with Electric Domains. Journal of Communications Technology and Electronics, 2022, Vol. 67, No. 7, pp. 882–883.
   S.K. Paprotskiy, I.V. Altukhov, M.S. Kagan, N.A. Khval’kovskiy, I.A. Kohn, N.D. Il’inskaya, A.A. Usikova, A.N. Baranov & R. Teissier, Features of Tunneling Current in Superlattices with Electrical Domains. J. Commun. Technol. Electron. 64, 1140–1143 (2019).
2. I.V. Altukhov, M.S. Kagan, S.K. Paprotskiy, N.A. Khvalkovskiy, I.S. Vasil’evskii and A.N. Vinichenko. Electronic Tunneling and Electric Domains in GaAs/AlAs Superlattices at Room Temperature. EPJ Web of Conferences V.195, P.02002 (2018).
3. I.V. Altukhov, S.E. Dizhur, M.S. Kagan, N.A. Khvalkovskiy, S.K. Paprotskiy, I.S. Vasil’evskii, and A.N. Vinichenko, Anomalous Photoresponse of Heavily Doped GaAs/AlAs Superlattices with Electric Domains. Journal of Communications Technology and Electronics, 2021, Vol. 66, No. 12, pp. 1385–1387.

Бор – основная акцепторная примесь в алмазе, которая может сравнительно легко вводиться в большой концентрации. В отличие от германия и кремния, где бор – мелкий акцептор, в алмазе его энергия ионизации ~370 мэВ, что сильно затрудняет использование алмаза для прикладных задач электроники. Даже при комнатной температуре только 1-2% атомов бора ионизуются теплом, поэтому проводимость довольно мала. Чтобы увеличить проводимость, нужно либо повышать температуру, либо увеличивать степень легирования, либо прикладывать достаточно сильное электрическое поле. Процессы ионизации примесных атомов бора в алмазе электрическим полем интересны не только для приложений, но и с точки зрения изучения их отличия от аналогичных процессов ионизации водородоподобных акцепторов в классических полупроводниках германии и кремнии. Изучена проводимость пленок монокристаллического алмаза, легированного бором, в электрических полях до 5×10⁵ В/см в интервале температур 74 - 580 К. Определены концентрации свободных дырок и примесей, степень компенсации. Обнаружено, что примеси сильно компенсированы, степень компенсации составляла 10^-4 – 10^-5 при концентрации примесей ~ 10¹⁶ см^-3, т.е. акцепторы практически полностью компенсированы донорами. Предложено объяснение такой автокомпенсации за счет преимущественного осаждения нейтральных пар бор-азот в процессе парофазного химического синтеза.

Представлены результаты исследования полевой ионизации акцепторов бора в алмазе. Установлено, что при комнатной температуре из-за малой концентрации свободных дырок и большой энергии связи бора в алмазе ионизация происходит за счет эффекта Френкеля-Пула – понижения кулоновского барьера примеси в электрическом поле. При пониженных температурах ионизация бора происходит за счет прямого (зинеровского) туннелирования дырок в валентную зону [4].

4. I.V. Altukhov, M.S. Kagan, S.K. Paprotskii, N.A. Khvalkovskii, N.B. Rodionov, A.P. Bolshakov, V.G. Ralchenko, and R.A. Khmelnitskii. Journal of Communications Technology and Electronics, 2020, Vol. 65, No. 11, pp. 1336–1338.
   Altukhov, M.S. Electric field ionization of boron acceptors in single-crystalline diamond. Low Temp. 2021, Phys. 47, 83-87.