一种应用于太赫兹频段的AlGaN-GaN耿氏二极管研究-李亮

·1340·一种应用于太赫兹频段的AlGaN/GaN耿氏二极管研究李亮1张瑾2张俊2（1扬州海科电子科技有限公司，扬州225001；2中船重工第723研究所，扬州225001）[e-mail]摘要：本文介绍了一种应用于太赫兹频段的AlGaN/GaN耿氏二极管。通过在器件的阴极和有源区之间引入AlGaN势垒层来提高电子能量，从而获得稳定的耿氏振荡。通过仿真表明：该结构在300-450K温度区间内，依然处于稳定的工作模式下；在更高的温度下，振荡频率可以达到540GHz。关键词：太赫兹;GaN;耿氏二极管ResearchonAlGaN/GaNGunnDiodeforApplicationintheTerahertzFrequencyLiLiang1ZhangJin2ZhangJun2(1YangzhouHaikeElectronicsCo.Ltd.,Yangzhou225001;2723institueofChinaShipbuildingIndustryCorporation,Yangzhou225001)Abstract:ThispaperintroduceanAlGaN/GaNGunndiodeforapplicationintheTerahertzspectrum.AnAlGaNbarrierlayerbetweenthecathodeandactivelayerisproposedtoenhancetheelectronenergy,soastoobtainthestableGunnoscillation.Simulationshowsthattheimprovedstructurewithinthetemperaturerange300-450Kisstillunderstableworkingmode.Athighertemperatures,thediodegeneratesthehigherfrequencyaround540GHz.Keywords:Terahert;GaN;GunnDiode1引言太赫兹波是指频率在0.1～10THz之间的电磁波，在电磁波谱上位于微波和红外线之间，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空白”区。太赫兹波有非常重要的学术和应用价值，由于太赫兹波所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，在雷达通信，反恐检查，环境监测，天文探测等领域有着广阔的应用前景。耿氏二极管作为昀有发展前景的太赫兹固态源，已经成为国际上争先发展的领域。耿氏二极管是一种基于“负阻效应（NDR）”的固态振荡器，具有噪声低输出功率高等优点。目前耿氏二极管的器件加工主要在GaAs半导体材料上完成，基于GaAs加工的耿氏二极管器件可靠性很高，然而其自身的能带结构限制了器件的工作频率以及功率[1,2]。为了满足军事雷达，高速通信以及生物探测等需求，需要采用其他半导体材料来输出更高的频率和功率。目前相关研究提出GaN耿氏二极管，GaN不仅拥有出色的负阻特性，而且工作频率以及输出功率都要好于GaAs[3,4]。本文将介绍GaN耿氏二极管的研究背景，然后提出一种优化的GaN耿氏二极管器件结构，并且通过仿真获得了优化后的结构内部电场分布，随着温度变化的振荡模式以及频率特性，相关结果都表明该结构能够满足太赫兹源的应用要求。2耿氏二极管理论介绍1963年耿氏在实验中观察到，在n型GaAs样品的两端加上直流电压，当电压较小时样品电流随电压增高而增大；当电压超过某一临界值εth后，随着电压的增高电流反而减小（这种随电场的增加电流下降的现象称为负阻效应）；电压继续增大则电流趋向饱和。这说明n型GaAs样品具有负阻特·1341·性，可用半导体能带理论解释。砷化镓是一种多能谷材料，其中主能谷和临近的子能谷具有不同的性质。主谷上电子能量昀低，对应的迁移率μ就比较高；而子谷上电子能量较高，对应的迁移率μ就比较低。在没有外加电场的情况下，大部分电子处于主能谷上，随着外加电场的增大，主能谷上的电子发生散射，部分电子开始转移到子能谷上，电子的迁移率降低，快电子转化为慢电子，从而出现负阻效应。当外加电场超过阈值时，电子在某处大量积累，其周围的电子也随之被耗尽从而形成空穴，这样就形成了电子空穴对，也就是耿氏畴。耿氏畴在成熟之后就会开始从阴极向阳极传播，当耿氏畴被阳极吸收后，阴极就会重新开始电子的积累，周而复始，形成周期性的振荡。根据文献报道，GaAs耿氏二极管的电子谷间转移速率限制了其振荡频率，当振荡频率超过100GHz时，输出功率将会急剧下降，这也就意味着GaAs耿氏二极管不能满足太赫兹源的应用需求。昀近，GaN耿氏二极管因为其电学特性方面优异的表现，而成为产生太赫兹信号的理想器件。如表1.1所示，GaN的禁带宽度远高于GaAs，这就导致GaN中击穿场强约为GaAs的10倍。GaN中能带间隔也是远高于GaAs，这就导致GaN中发生耿氏振荡的阈值电场远大于GaAs。所以GaN中更高的击穿场强和阈值电场，使得器件可以在高驱动电压下工作，从而获得更大输出功率。GaN中电子峰值速度和饱和速度约为GaAs中两倍，在相同器件长度情况下GaN中振荡频率是GaAs的两倍以上。而由于GaN中更低的电容分布以及损耗分布，根据相关理论研究表明，GaN振荡频率要远高于GaAs。由于GaN中更强的电场强度以及更短的电子转移时间，这些特性提升了GaN耿氏二极管的振荡频率和输出特性，其应用范围将延伸到太赫兹频段。表1.1GaN材料和GaAs材料的参数对比材料禁带宽度Eg(eV)击穿电场EB(MV/cm)能带间隔ΔE（eV）阈值电场Fth(KV/cm)饱和漂移速度ν　sat(cm/s)峰值漂移速度ν　peak(cm/s)预测负阻振荡频率fNDR(GHz)GaN3.423.32.11502×1073.0×107750GaAs1.420.40.33.51×1071.5×1071003AlGaN/GaN耿氏二极管仿真结果分析图1给出了传统的GaN耿氏二极管偏置电路，其中器件和LCR谐振腔相连接，可以通过调整LCR使得谐振腔的固有频率和耿氏二极管的工作频率相匹配。器件的有源区由n型GaN构成，掺杂浓度为1×1017cm-3。耿氏二极管的振荡频率可由公式f=vsat/L推导出，其中vsat为电子在GaN中饱和速度，L为有源区长度。3μm有源区长度产生的振荡频率大约是100GHz，而1μm产生的振荡频率大约是200GHz。要想获得更高的振荡频率，需要进一步缩短有源区长度，然而这会导致耿氏二极管工作在不稳定的状态下。根据文献报道，若电子在进入有源区前就获得了足够大的能量，就可以形成稳定的耿氏振荡[5,6]。基于这个理论，我们提出将AlGaN势垒层应用到GaN耿氏二极管中，以提升电子能量。如图2(a)所示为传统的“阴极（0.1μm）/有源区（0.6μm）/阳极（0.1μm）”同质GaN耿氏二极管结构。然后我们在此基础上提出改进，如图2(b)所示为“阴极（0.1μm）/AlGaN势垒层（100nm）/有源区（0.6μm）/阳极（0.1μm）”AlGaN/GaN耿氏二极管结构。由于AlGaN禁带宽度要大于GaN，导带之间的不连续会形成一个量子阱，这个量子阱从阴极向阳极看，电场分布逐渐升高，当到达AlGaN/GaN界面处时，电场陡然下降，对于电子来说，只有电子获得足够高能量才能通过这个量子阱从而到达有源区中。图1GaN耿氏二极管偏置电路·1342·图2（a）传统的同质GaN耿氏二极管器件结构（b）改进的AlGaN/GaN耿氏二极管器件结构我们通过Silvaco’ATLAS仿真平台，研究了AlGaN/GaN耿氏二极管的耿氏振荡特性，并且对比了两种结构的GaN耿氏二极管稳态振荡频率。图3(a)和(b)给出了两种耿氏二极管偶极畴振荡时有源区中的电场分布对比。可以看出GaN同质耿氏二极管中，耿氏畴外的电场逐渐提升以促进振荡的形成，耿氏畴在有源区端开始成核，在传播过程中逐步成熟。而在AlGaN/GaN耿氏二极管中，当电子受到外界驱动从阴极出发时，由于AlGaN势垒层的存在，电子只有积累足够的能量才可以摆脱量子阱的束缚，高能电子一旦注射进有源区中，耿氏畴立即成核并且成熟，随即形成稳定的振荡。图3(a)GaN同质耿氏二极管振荡时内部电场分布(b)AlGaN/GaN耿氏二极管振荡时内部电场分布。其中曲线扫描间隔为250fs如图4所示，我们通过仿真获得了温度范围在300–500K和偏置电压在28–34V区间内的耿氏振荡对比，并且提取了两种GaN耿氏二极管的基频。耿氏二极管的工作模式有三种[7,8]：稳定的模式：偶极畴模式，定义为mode1；较稳定的模式：偶极积累模式，定义为mode2；不稳定的模式：积累模式，定义为mode3。相比较同质的GaN耿氏二极管，AlGaN/GaN耿氏二极管工作频率略低一些。然而当工作温度从300K升高到450K时，AlGaN/GaN耿氏二极管中的振荡模式维持在稳定状态下，也就意味着振荡频率稳定度要高于同质结构。在更高的温度下（500K），两种结构都工作在积累模式下，AlGaN/GaN结构的工作频率此时超过了同质结构。机理分析如下：AlGaN势垒层的阻值要大于相同厚度的GaN层，这就导致在同一偏置电压下，AlGaN势垒层处的压降增大以及有源区中压降减小。此时测试振荡的耿氏畴的外部电场Er会相应减小，根据文献报道，Er的减小会导致耿氏畴漂移速度降低，这就使得在300K-450K温度区间内，AlGaN/GaN耿氏二极管的工作频率略低于同质结构。然而当温度达到500K时，AlGaN中发生本征激发，此时AlGaN中电导率上升，Er随之也上升，耿氏畴漂移速度就恢复到正常，工作频率逐渐赶上同质结构，昀高振荡频率可达540GHz。从器件可靠性方面看，AlGaN/GaN结构相比GaN同质结构要稳定很多，更有利于未来GaN耿氏二极管在太赫兹方面的应用和推广。图4温度导致两种耿氏二极管中振荡频率以及振荡模式发生变化4结论本文提出了一种应用于太赫兹频段的AlGaN/GaN耿氏二极管结构。AlGaN/GaN结构在耿氏二极管中引入了量子阱。通过仿真结果显示，在外部电场的驱动下，电子获得高能量后摆脱了量子阱的束缚并且迅速完成能谷间的散射，这增强了器件工作稳定性。当工作温度达到500K时，AlGaN/GaN耿氏二极管结构的振荡频率可以达到540GHz，基本满足太赫兹应用的要求。·1343·参考文献[1]B.E.Foutzetal.,ComparisonofhighfieldelectrontransportinGaNandGaAs,Appl.Phys.Lett.1997,Mar,70(21),2849-2852.[2]N.R.Couch,H.Spooner,P.H.Beton,etal.,High-performance,gradedAlGaAsinjector,GaAsGunndiodesat94GHz,IEEEElectronDeviceLetters.1989,Jul,10(7),288.[3]K.Mutamba,O.Yilmazoglu,C.Sydlo,etal.,TechnologyaspectsofGaN-baseddiodesforhigh-fieldoperation,SuperlatticesandMicrostruct.2006,Sep,40(4-6),363.[4]O.Yilmazoglu,K.Mutamba,D.Pavlidis,etal.,MeasurednegativedifferentialresistivityforGaNGunndiodesonGaNsubstrate,Electron.Lett.,2007,Apr,43(8),480.[5]A.Förster,M.I.Lepsa,D.Freundt,etal.,HotelectroninjectorGunndiodeforadvanceddriverassistancesystems,Appl.Phys.A.200