GaN基太赫兹耿氏二极管结构及工艺研究

发布时间：2020-03-25 18:53

【摘要】：太赫兹波(Terahertz,THz)介于微波与远红外之间,其相邻两边的电磁波都得到较早的开发应用,太赫兹技术在近几年发展飞速,受到了国际大国的高度重视。耿氏二极管(Gunn Diode)作为太赫兹固态源器件之一,具有工作频率高、可靠性高、噪声低、频带宽及工作寿命长等优点,被寄予厚望。传统半导体材料的耿氏二极管可达到的工作频率有限,输出功率和转换效率低,宽禁带半导体材料GaN具有的独特优势被证明可大幅提高耿氏二极管的工作性能。但是目前仍未看到关于GaN基太赫兹源耿氏二极管工艺实现的相关报道。如何促进GaN基耿氏二极管偶极畴的快速形成从而提高工作频率,提高转换效率是一直以来研究的热点。本文设计了三种器件结构并分别仿真验证,旨在提高器件的输出频率和转换效率。并首次尝试器件工艺制备,制备了设计中的两种器件结构。具体研究内容如下:(1)根据耿氏二极管工作机理,计算给出GaN材料耿氏二极管的设计标准参数。基于上述参数,针对目前耿氏二极管存在的死区长度过长、输出频率低的问题,设计了带有Notch结构的GaN耿氏二极管,给出结构参数并从理论上分析证明了设计的可行性。根据设计结构进行电学仿真验证,给出电场分布、电子浓度分布、直流特性曲线、振荡波形及频谱分析图,得到振荡频率为212.5 GHz,转换效率为4.8%,直流功耗为2323.8 mW。(2)针对上述器件工作频率不够高及直流功耗比较大的问题,设计了带有AlGaN发射层的耿氏二极管,即在阴极欧姆接触层与渡越层之间增加AlGaN发射层。给出了设计结构参数并通过仿真验证,我们发现外加电压为43 V时输出振荡稳定,得到工作频率为350 GHz,转换效率为6.04%,直流功耗为1709.68 mW。对比发现该设计能够提高频率140 GHz左右,提高转换效率1.2%,降低直流功耗600 mW,结果证明我们的设计是有效的。(3)作为太赫兹辐射源,转换效率是一项非常重要的衡量指标。为了提高器件的转换效率,我们在阴极欧姆接触与渡越层之间插入AlGaN/GaN。通过仿真验证得到器件输出频率为187.71 GHz,转换效率为6.4%,功耗为1983 mW。对比结果显示转换效率的确得到了提高,但工作频率降低。因此得到结论,对于太赫兹源耿氏器件的设计需要综合考虑工作频率、转换效率和输出功率这三项指标,不能一味的追求单一指标。(4)根据仿真验证得到的结论,考虑到第三种器件制造工艺的难度和该器件的性能还有待进一步提高,我们只尝试制备了上述前两种器件结构。包括外延层材料的生长,Pad测试结构的设计及器件的制备。测试计算得到GaN Notch层耿氏二极管阳极欧姆接触比接触电阻率为3.03×10~(-6)Ω.cm~2,阴极欧姆接触比接触电阻率为6.9×10~(-6)Ω.cm~2。AlGaN耿氏二极管阳极和阴极的欧姆接触比接触电阻率分别为1.081×10~(-4)Ω.cm~2和7.05×10~(-5)Ω.cm~2。得到比接触电阻率数量级为10~(-4)~10~(-6)之间,表明欧姆接触性能良好。对两种器件进行I-V测试和脉冲测试,结果显示存在负阻特性和振荡现象。虽然由于测试限制观察到的负阻特性不太明显,脉冲测试得到的振荡不稳定连续,但是该结果表明我们的基本器件结构设计和制备工艺流程是合理的,这对GaN基太赫兹耿氏二极管接下来的研究工作具有非常重要的意义。分析给出主要原因是设计的Pad测试结构间隙尺寸过小,工艺过程中金属厚度不够和测试版图图形单一限制了后期的测试。并针对以上问题给出解决方案,重新设计测试图形进行器件的制备。
【图文】：

[2]。图1.1 太赫兹波在电磁波谱中所处的位置表 1.1 对应电磁波谱列表名称无线电波 毫米波 亚毫米波 太赫兹 红外线 可见光波长3000m-10mm 10mm-1mm 1mm-100μm 3mm-30μm 1mm-760nm760nm-400nm频率10KHz-30GHz 30-300GHz 300GHz-3THZ 100GHz-10THz 300GHz-430THz 430-790THz

[4]，图 1.2 给出了安检应用。图1.2 太赫兹应用在安全检查[4]（3）太赫兹在时间和空间上具有相干性：太赫兹波可通过偶极子的振荡得到，还可利用非线性光学差频获得。前一种方法具有明显的时间相干特性，后一种方法在空间上具有相干性[5]。（4）太赫兹波的时域脉冲：太赫兹辐射的时域脉冲通常很窄，，为飞秒级。只有很少的几个周期的电磁振荡。可以进行皮秒、飞秒的瞬态光谱研究 ，THz 波的时域频谱信噪比非常高可大于 10 m，这使得其非常适合应于成像领域[6]。（5）太赫兹的带宽：在电磁波频谱上从 0.1 THz 到 10 THz 范围的波都是太赫兹波，因此其具有很宽的带宽，如图 1.3。如果使用 THz 波做为载体，将会比微波可承载的信道多很多[7]。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN31

【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 张怀武;;我国太赫兹基础研究[J];中国基础科学;2008年01期

2 谢维信;裴继红;;THz信号处理与分析的研究现状和发展展望[J];电子学报;2007年10期

3 陈晗;;太赫兹波技术及其应用[J];中国科技信息;2007年20期

4 亓丽梅;杨梓强;高喜;梁正;;光子晶体THz器件的研究进展[J];量子电子学报;2007年05期

5 王文炜;申金娥;荣健;刘文鑫;;太赫兹技术在通信方面的研究进展[J];湖南城市学院学报(自然科学版);2007年02期

6 曹俊诚;;太赫兹量子级联激光器研究进展[J];物理;2006年08期

7 赵国忠;;太赫兹光谱和成像应用及展望[J];现代科学仪器;2006年02期

本文编号：2600292