【摘要】：太赫茲波(Terahertz,THz)介于微波與遠紅外之間,其相鄰兩邊的電磁波都得到較早的開發(fā)應(yīng)用,太赫茲技術(shù)在近幾年發(fā)展飛速,受到了國際大國的高度重視。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等優(yōu)點,被寄予厚望。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的耿氏二極管可達到的工作頻率有限,輸出功率和轉(zhuǎn)換效率低,寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN具有的獨特優(yōu)勢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現(xiàn)的相關(guān)報道。如何促進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)換效率是一直以來研究的熱點。本文設(shè)計了三種器件結(jié)構(gòu)并分別仿真驗證,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)計中的兩種器件結(jié)構(gòu)。具體研究內(nèi)容如下:(1)根據(jù)耿氏二極管工作機理,計算給出GaN材料耿氏二極管的設(shè)計標準參數(shù)。基于上述參數(shù),針對目前耿氏二極管存在的死區(qū)長度過長、輸出頻率低的問題,設(shè)計了帶有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)計的可行性。根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)進行電學仿真驗證,給出電場分布、電子濃度分布、直流特性曲線、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)針對上述器件工作頻率不夠高及直流功耗比較大的問題,設(shè)計了帶有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)計結(jié)構(gòu)參數(shù)并通過仿真驗證,我們發(fā)現(xiàn)外加電壓為43 V時輸出振蕩穩(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。對比發(fā)現(xiàn)該設(shè)計能夠提高頻率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)計是有效的。(3)作為太赫茲輻射源,轉(zhuǎn)換效率是一項非常重要的衡量指標。為了提高器件的轉(zhuǎn)換效率,我們在陰極歐姆接觸與渡越層之間插入AlGaN/GaN。通過仿真驗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,對于太赫茲源耿氏器件的設(shè)計需要綜合考慮工作頻率、轉(zhuǎn)換效率和輸出功率這三項指標,不能一味的追求單一指標。(4)根據(jù)仿真驗證得到的結(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,Pad測試結(jié)構(gòu)的設(shè)計及器件的制備。測試計算得到GaN Notch層耿氏二極管陽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)量級為10~(-4)~10~(-6)之間,表明歐姆接觸性能良好。對兩種器件進行I-V測試和脈沖測試,結(jié)果顯示存在負阻特性和振蕩現(xiàn)象。雖然由于測試限制觀察到的負阻特性不太明顯,脈沖測試得到的振蕩不穩(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)計和制備工藝流程是合理的,這對GaN基太赫茲耿氏二極管接下來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)計的Pad測試結(jié)構(gòu)間隙尺寸過小,工藝過程中金屬厚度不夠和測試版圖圖形單一限制了后期的測試。并針對以上問題給出解決方案,重新設(shè)計測試圖形進行器件的制備。
【圖文】：

[2]。圖1.1 太赫茲波在電磁波譜中所處的位置表 1.1 對應(yīng)電磁波譜列表名稱無線電波 毫米波 亞毫米波 太赫茲 紅外線 可見光波長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）太赫茲在時間和空間上具有相干性：太赫茲波可通過偶極子的振蕩得到，還可利用非線性光學差頻獲得。前一種方法具有明顯的時間相干特性，后一種方法在空間上具有相干性[5]。（4）太赫茲波的時域脈沖：太赫茲輻射的時域脈沖通常很窄，，為飛秒級。只有很少的幾個周期的電磁振蕩�？梢赃M行皮秒、飛秒的瞬態(tài)光譜研究 ，THz 波的時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，將會比微波可承載的信道多很多[7]。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN31

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 張懷武;;我國太赫茲基礎(chǔ)研究[J];中國基礎(chǔ)科學;2008年01期

2 謝維信;裴繼紅;;THz信號處理與分析的研究現(xiàn)狀和發(fā)展展望[J];電子學報;2007年10期

3 陳晗;;太赫茲波技術(shù)及其應(yīng)用[J];中國科技信息;2007年20期

4 亓麗梅;楊梓強;高喜;梁正;;光子晶體THz器件的研究進展[J];量子電子學報;2007年05期

5 王文煒;申金娥;榮健;劉文鑫;;太赫茲技術(shù)在通信方面的研究進展[J];湖南城市學院學報(自然科學版);2007年02期

6 曹俊誠;;太赫茲量子級聯(lián)激光器研究進展[J];物理;2006年08期

7 趙國忠;;太赫茲光譜和成像應(yīng)用及展望[J];現(xiàn)代科學儀器;2006年02期

本文編號：2600292