【摘要】：太赫茲波(Terahertz,THz)介于微波與遠(yuǎn)紅外之間,其相鄰兩邊的電磁波都得到較早的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,太赫茲技術(shù)在近幾年發(fā)展飛速,受到了國(guó)際大國(guó)的高度重視。耿氏二極管(Gunn Diode)作為太赫茲固態(tài)源器件之一,具有工作頻率高、可靠性高、噪聲低、頻帶寬及工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),被寄予厚望。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的耿氏二極管可達(dá)到的工作頻率有限,輸出功率和轉(zhuǎn)換效率低,寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被證明可大幅提高耿氏二極管的工作性能。但是目前仍未看到關(guān)于GaN基太赫茲源耿氏二極管工藝實(shí)現(xiàn)的相關(guān)報(bào)道。如何促進(jìn)GaN基耿氏二極管偶極疇的快速形成從而提高工作頻率,提高轉(zhuǎn)換效率是一直以來(lái)研究的熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了三種器件結(jié)構(gòu)并分別仿真驗(yàn)證,旨在提高器件的輸出頻率和轉(zhuǎn)換效率。并首次嘗試器件工藝制備,制備了設(shè)計(jì)中的兩種器件結(jié)構(gòu)。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)根據(jù)耿氏二極管工作機(jī)理,計(jì)算給出GaN材料耿氏二極管的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)�；谏鲜鰠�(shù),針對(duì)目前耿氏二極管存在的死區(qū)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、輸出頻率低的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了帶有Notch結(jié)構(gòu)的GaN耿氏二極管,給出結(jié)構(gòu)參數(shù)并從理論上分析證明了設(shè)計(jì)的可行性。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)仿真驗(yàn)證,給出電場(chǎng)分布、電子濃度分布、直流特性曲線(xiàn)、振蕩波形及頻譜分析圖,得到振蕩頻率為212.5 GHz,轉(zhuǎn)換效率為4.8%,直流功耗為2323.8 mW。(2)針對(duì)上述器件工作頻率不夠高及直流功耗比較大的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了帶有AlGaN發(fā)射層的耿氏二極管,即在陰極歐姆接觸層與渡越層之間增加AlGaN發(fā)射層。給出了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)并通過(guò)仿真驗(yàn)證,我們發(fā)現(xiàn)外加電壓為43 V時(shí)輸出振蕩穩(wěn)定,得到工作頻率為350 GHz,轉(zhuǎn)換效率為6.04%,直流功耗為1709.68 mW。對(duì)比發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)能夠提高頻率140 GHz左右,提高轉(zhuǎn)換效率1.2%,降低直流功耗600 mW,結(jié)果證明我們的設(shè)計(jì)是有效的。(3)作為太赫茲輻射源,轉(zhuǎn)換效率是一項(xiàng)非常重要的衡量指標(biāo)。為了提高器件的轉(zhuǎn)換效率,我們?cè)陉帢O歐姆接觸與渡越層之間插入AlGaN/GaN。通過(guò)仿真驗(yàn)證得到器件輸出頻率為187.71 GHz,轉(zhuǎn)換效率為6.4%,功耗為1983 mW。對(duì)比結(jié)果顯示轉(zhuǎn)換效率的確得到了提高,但工作頻率降低。因此得到結(jié)論,對(duì)于太赫茲源耿氏器件的設(shè)計(jì)需要綜合考慮工作頻率、轉(zhuǎn)換效率和輸出功率這三項(xiàng)指標(biāo),不能一味的追求單一指標(biāo)。(4)根據(jù)仿真驗(yàn)證得到的結(jié)論,考慮到第三種器件制造工藝的難度和該器件的性能還有待進(jìn)一步提高,我們只嘗試制備了上述前兩種器件結(jié)構(gòu)。包括外延層材料的生長(zhǎng),Pad測(cè)試結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及器件的制備。測(cè)試計(jì)算得到GaN Notch層耿氏二極管陽(yáng)極歐姆接觸比接觸電阻率為3.03×10~(-6)Ω.cm~2,陰極歐姆接觸比接觸電阻率為6.9×10~(-6)Ω.cm~2。AlGaN耿氏二極管陽(yáng)極和陰極的歐姆接觸比接觸電阻率分別為1.081×10~(-4)Ω.cm~2和7.05×10~(-5)Ω.cm~2。得到比接觸電阻率數(shù)量級(jí)為10~(-4)~10~(-6)之間,表明歐姆接觸性能良好。對(duì)兩種器件進(jìn)行I-V測(cè)試和脈沖測(cè)試,結(jié)果顯示存在負(fù)阻特性和振蕩現(xiàn)象。雖然由于測(cè)試限制觀(guān)察到的負(fù)阻特性不太明顯,脈沖測(cè)試得到的振蕩不穩(wěn)定連續(xù),但是該結(jié)果表明我們的基本器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝流程是合理的,這對(duì)GaN基太赫茲耿氏二極管接下來(lái)的研究工作具有非常重要的意義。分析給出主要原因是設(shè)計(jì)的Pad測(cè)試結(jié)構(gòu)間隙尺寸過(guò)小,工藝過(guò)程中金屬厚度不夠和測(cè)試版圖圖形單一限制了后期的測(cè)試。并針對(duì)以上問(wèn)題給出解決方案,重新設(shè)計(jì)測(cè)試圖形進(jìn)行器件的制備。
【圖文】：

[2]。圖1.1 太赫茲波在電磁波譜中所處的位置表 1.1 對(duì)應(yīng)電磁波譜列表名稱(chēng)無(wú)線(xiàn)電波 毫米波 亞毫米波 太赫茲 紅外線(xiàn) 可見(jiàn)光波長(zhǎng)3000m-10mm 10mm-1mm 1mm-100μm 3mm-30μm 1mm-760nm760nm-400nm頻率10KHz-30GHz 30-300GHz 300GHz-3THZ 100GHz-10THz 300GHz-430THz 430-790THz

[4]，圖 1.2 給出了安檢應(yīng)用。圖1.2 太赫茲應(yīng)用在安全檢查[4]（3）太赫茲在時(shí)間和空間上具有相干性：太赫茲波可通過(guò)偶極子的振蕩得到，還可利用非線(xiàn)性光學(xué)差頻獲得。前一種方法具有明顯的時(shí)間相干特性，后一種方法在空間上具有相干性[5]。（4）太赫茲波的時(shí)域脈沖：太赫茲輻射的時(shí)域脈沖通常很窄，，為飛秒級(jí)。只有很少的幾個(gè)周期的電磁振蕩�？梢赃M(jìn)行皮秒、飛秒的瞬態(tài)光譜研究 ，THz 波的時(shí)域頻譜信噪比非常高可大于 10 m，這使得其非常適合應(yīng)于成像領(lǐng)域[6]。（5）太赫茲的帶寬：在電磁波頻譜上從 0.1 THz 到 10 THz 范圍的波都是太赫茲波，因此其具有很寬的帶寬，如圖 1.3。如果使用 THz 波做為載體，將會(huì)比微波可承載的信道多很多[7]。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TN31

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2600292