基于GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管的太赫兹探测器优化研究外文翻译资料

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基于GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管的太赫兹探测器优化研究

摘 要

本论文介绍了一种基于三极子耦合共振天线的高灵敏度室温太赫兹微米栅探测器。与传统的基于双极子耦合天线的探测器相比，器件的响应度在室温下提高了7倍。由于天线的特征尺寸（栅极天线和漏/源极天线之间的距离Lgs以及源极天线和漏极天线之间的距离Lw）是响应探测器的性能指标的主要参数。本论文利用有限时域差分法对天线的特征尺寸进行了优化研究，并且从实验上制备出了响应度为9.45times;10²V/W的室温太赫兹微米栅探测器。

1．研究背景和意义

太赫兹探测器在光谱检测技术和成像技术领域有着巨大的应用前景。因此，基于不同材料和不同探测原理的太赫兹波探测器也应运而生。现有的探测器主要有超导隧道结探测器、^[1] 硅测辐射热计、^[2]肖特基二极管 ^[3]，碳纳米管测辐射热计^[4]以及量子点探测器^[5]。而这些探测器普遍存在响应度低且需要在低温下工作等诸多缺点。因此，室温太赫兹探测器成为当前热点研究问题之一。近年来，有关室温太赫兹探测器方面的报道越来越多，探测器朝着频率可调、低噪声、频率可调、价格低廉和可在室温下工作的方向发展，^[6-15] 而且出现大量具有耦合天线结构的太赫兹探测器，这些天线主要有双极子耦合天线^[16]、矩形平板天线^[17]和对数天线^[18]等。最近，松下公司报道了一种基于纳米栅偶极子共振天线的GaN/AlGaN 太赫兹探测器，该探测器的栅长为80纳米，且器件的响应度达到了1.1times; 10³ V/W。^[19] 最近本研究小组制备了一种集成有三极子耦合天线和低通滤波器的GaN/AlGaN太赫兹探测器，器件的性能指标接近松下公司所制备的探测器^[20]。然而关于太赫兹天线优化方面的报道却很少。通过本论文的研究，我们得到了一种太赫兹天线的优化方法，并且在实验上得到了验证。

2．场效应自混频探测原理及仿真计算

图1为自混频太赫兹探测器的工作原理图。^[20minus;22]根据自混频原理可知，器件的光电流为：

（1）

其中，为电导的导数，和为太赫兹辐射波在栅下二维电子气处产生的横向电场和纵向电场，为横向电场和纵向电场之间的相位差，为辐射太赫兹波的功率，为二维电子气的迁移率，为栅极跟导电沟道之间的电容，和为栅电极的宽度和长度。

图1 自混频探测器的工作原理图

从（1）式可知，光电流主要取决于取决于自混频因子，其中和为栅下二维电子气处太赫兹波的横向电场和纵向电场。因此，天线的耦合效率越高，器件的光响应就越好。如图2（a）-A为传统的双偶极天线结构，其中栅电极直接连接在栅极引线电极上，而图2（a）-B则为对偶极天线的改进，把其中的栅极引线电极换成了非对称的栅极天线，即新设计的三极子蝶形共振天线，在两个结构中，源漏欧姆接触均与源漏天线集成，即天线也充当着欧姆电极的角色。两个天线的长度均为45mu;m，宽度为10mu;m，源漏天线之间的间距为4mu;m，栅长均为500 nm。从模拟结果图2（b）中，可以看出，对于传统的双偶极对称天线，在栅下，横向电场和纵向电场相对于栅极是对称分布的，且栅极边缘横向电场确实得到了比较大的增强，增强因子Ex(A)约为45，但是纵向电场不但没有增强，反而削弱，仅为入射电场强度的0.18倍，而且栅下沟道处这两个电场的相位差比较混乱。但是对于三极子蝶形共振天线，非对称分布的栅极天线在栅下引起了较强的非对称分布的横向电场和纵向电场。跟传统的双偶极天线相比，横向电场和纵向电场都有明显的改善，虽然横向电场增强的不是很明显，但是相对于结构(a)-A，还是有很大的增强（Ex(B) gt;gt; Ex(A)），尤其是纵向方向的电场提高了上千倍（Ez(B) ≫ Ez(A)），而且栅下横向电场和纵向电场之间的相位差几乎为0度或180度，如果对栅下横向电场和纵向电场取平均值，并定义栅下总得电场增强

因子为ExEzcos(ϕ_xminus;ϕ_z)，则可以估算出三极子共振天线的增强因子为双偶极天线的7000倍。造成这种现象的主要原因是对于结构(a)-A而言，栅极两边电荷是对称分布，因此栅下纵向方向的电场相互抵消，而对于三极子蝶形共振天线则不然，栅极两边的电荷是非对称分布的。通过模拟计算可知，三极子耦合共振天线具有较高的耦合效率，图2(c)为所制备的带有三极子耦合共振天线的HEMT探测器件的SEM图和天线结构的局部放大图。

图2 (a)-A传统的双偶极对称天线结构，(a)-B新设计的三极子共振天线；(b)为两种天线

对THz频率的响应； (c)为新设计的三极子蝶形共振天线探测器

3．实验结果和讨论

在GaN/Al_0.27Ga_0.73N材料上制备了六个具有相同三极子蝶形共振天线结构的探测器（材料的室温迁移率为1400cm²/Vs，二维电子气的浓度为1.3times;10¹³cm^minus;2），通过对器件进行优化，试图找到一种提高器件响应度的有效方法。我们把这六个探测器分别记为：#1，#2，# 3，# 4，# 5和#6。为了便于分析天线特征尺寸对探测效率的影响，所有的器件引线电极和天线都具有相同的尺寸，而且都在同一个衬底上，同一批加工出来，并且在同样的条件下进行测试。其中前四个器件具有相同的栅电极长度(L_g = 2mu;m)，但是具有不同的源漏间距，分别为_Lds = 7mu;m，6mu;m，5mu;m 和4mu;m，而后三个器件则具有相同的源漏间距(L_ds = 4mu;m)，但是具有不同的栅电极长度，分别为：L_g = 2mu;m，1mu;m和 0.5mu;m。具体结构尺寸如表1所示，其中#1器件的SEM图如图2（c）所示。

表1: 六个器件的特征参数

我们首先在室温下对这六个器件的电导和电导的导数进行了测试，如图3（a），当栅压为零伏且无太赫兹波辐射时，器件#1，#2，# 3和#4的栅下二维电子气在Vg le; minus;4.0 V时完全夹断，而#5和#6器件的夹断电压则漂移了约0.5 V, 这种现象可能是由于后两个器件在栅电极制作过程中，电子束曝光对器件的栅介质造成了损伤或栅介质层中聚集了部分的负电荷等原因。图3（b）为6个器件的电导的导数。当入射波的频率为903GHz时，测试了这个6个器件的光电流如图3（c）所示。从实验结果可知：（1）随着源漏间距从7mu;m减小到2mu;m，器件的光电流从3.2 nA增大到13.3 nA；（2）随着栅长从2 mu;m减小到0.5 mu;m，器件的光电流从13.3 nA减小到9.1 nA。也就是说源漏间距（L_ds）和栅长（L_w）越小，器件的响应度越高。对此现象我们做了如下分析：因影响器件光电流大小的因素主要是器件的电导的导数和天线的耦合效率，而此时前四个器件的电导的导数基本上是相等的，因此起决定作用的主要是天线太赫兹波的耦合增强因子。而对于后三个器件，器件电导的导数和天线的耦合增强因子共同影响器件的光电流。从图3（d）和（e）可知，前四个器件天线的耦合增强因子随着源漏间距的减小而增大，而后三个器件天线增强因子随着栅电极长度的增大而减小，跟实验测得的光电流的变化趋势比较吻合。

同时，我们制备了第7号样品（#7），#7和#4的天线的所有特征尺寸均相同，并对两者的电学特性和光学响应做了测试，结果发现三极子耦合天线器件的响应度约为双极子耦合天线器件的7倍（如图3（f）所示），说明三极子耦合天线可以有效提高探测器的性能指标，这7个器件的光学和电学测试结果如表2所示。通过优化，室温下器件的响应度从258 V/W 提高到 945 V/W，同时器件的噪声等效功率从9.4times;10^minus;11W/Hz^(1/2)降低到2.8times;10minus;11 W/Hz^(1/2)。

图3 (a)不同器件的电导在室温下随栅压的变化; (b)不同器件的电导的导数在室温下随栅压的变化; (c)室温下所测得不同器件的光电流; (d)天线的增强因子随栅长的变化关系; (e)天线的增强因子随源漏天线间距的变化关系; (f)探测器#4和#7在室温下的响应度。

表2: 室温下七个器件的特征参数和光学响应 (补充数据)

为了进一步验证天线的作用，我们对天线的偏振特性做了测试分析，其结果如图4（a）所示。结果表明当入射波的电场方向跟源漏天线平行时，响应度最大，再一次证明了天线的增强作用。图4（b）为我们在频率约为1THz入射波的照射下得到的成像图。

图4（a）器件的偏振特性测试（b）钥匙和火柴棒的太赫兹成像图

4．结论

本论文提出了一种基于自混频太赫兹探测机理的三极子耦合共振天线，通过对不同器件的性能测试和对比，我们发现通过减小器件的栅长（_Lw）和源漏间距（L_ds）可以使器件的响应度分别提高366% 和 179%，也为太赫兹天线的设计提供了一定的指导作用。当然，二维电子气的浓度和栅下场强的分布也可能会影响器件的响应度，仍然还有很多问题需要研究。后期我们将会制备焦平面阵列探测器。

5．致谢

感谢蔡勇老师和吴东岷老师在器件制备和性能测试方面的指导，同时感谢Dr. Dawson教授对本论文的修改和润色。

在GaN基场效应晶体管上使用浮动天线实现的高响应度，低噪声，室温，自混合太赫兹检测器

仅使用光刻技术，我们制造了具有与电子通道电隔离的独特源极和漏极天线的GaN / AlGaN高电子迁移率晶体管。 在室温下工作，它可以通过自混合有效地检测太赫兹辐射，对于III-V器件，响应度（3.6 kV / W）异常高，噪声40pW/

高于热极限。 性能在77K时提高。当设备本身是微米尺寸时，我们的建模表明不对称天线诱导相当局限（lt;200nm）的强自混合区域。 因此，通过设计实现了纳米尺度的有源区，而不需要电子束光刻。

一个变频固态混频器是太赫兹（THz）外差收发器的关键器件之一。基于肖特基二极管和场效应晶体管（FET）的混频器广泛应用于微波和毫米波收发器系统中。然而，在将混频器的工作频率扩展到高灵敏度的THz范围时遇到了巨大的困难，主要困难时结电容和源极/漏极接触电阻减小电子通过时间和各种RC时间常数方面。在基于FET的器件中，可以使用丰富的检测机制/物理和（THz耦合）几何形状。 此外，太赫兹感测可能在门控通道的很小一部分中发生，因此源极和漏极触点的寄生电路效应可能会降低（如本报告所示）。 从这个角度来看，基于FET的THz混频器可以提供比肖特基二极管更好的灵敏度。

自20世纪80年代以来，高电子迁移率晶体管（HEMT）中的等离子体激发作为二维电子气（2DEG）的集体模式已被用于追求敏感的太赫兹检测和光谱。早在1996年，Dyakonov和Shur理论预测和实验证明，当gt;gt;1时（是太赫兹频率，是等离子体激元弛豫时间），通过等离子体波的共振激发可以在纳米FET中实现THz检测。在非谐振状态下（lt;lt;1），阻尼等离子体波在场控制电阻通道中的混合成为主导效应。设计上非常重视的纳米级场效应通道，如不对称源极 - 栅极 - 漏极几何和THz天线（如贴片天线，偶极天线和对数周期天线）。在这些检测器中，源/漏极欧姆接触用作等离子体敏感元件，并直接连接到纳米栅附近的天线。然而，对欧姆接触的作用尚未完全了解，也没有优化。如果可以在不需要局部欧姆接触的情况下检测等离子体波，那将是非常有趣的尝试。在Dyer等人最近的一项研究中，使用了多个重控制门来操纵各个等离子体腔和等离子体波的电流驱动传输。

在这里，我们提出使用浮动天线和2微米长的栅极在GaN / AlGaN HEMT检测器中实现的高响应度THz自混合。我们过去的检测器和现在的检测器之间的相似之处是两者都使用相同的天线设计和自混合作为检测机制和都针对900 GHz进行了优化。不同在于实现天线和欧姆接触。过去检测器的源极和漏极天线直接连接到通道。现在检测器的源极和漏极天线是电隔离的。尽管如此，过去的检测器具有较短的栅极长度（0.7lm），但是新的方法同时提供更好的性能和便于制造。

图1：（a）检测器的光学显微镜图像。 插图：显示隔离天线（i天线）结构的中央门区域（b）检测器的示意横截面和等效电路。

该器件制造在GaN / AlGaN异质结构的表面下约33nm处并提供二维电子气体。电子迁移率和300K处的密度分别为 =187cm² / Vs和n_s = 8.57〜10¹²cm²。使用紫外线（UV）而不是电子束光刻来定义检测器格局。该检测器的的局部俯视图如图1（a）所示。栅极长度为2微米和通道（台面）宽度为8微米。每个天线块都是45 lmtimes;10

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