基于AlGaN/GaN自开关二极管特性研究

摘要

随着对太赫兹波的研究越来越深入，太赫兹技术被应用于军事医疗安全等各个领域当中。由于缺少合适的太赫兹源和太赫兹探测器，太赫兹波(0.1～10THz，1THz=1000GHz)与其他频段相比认识和应用相对较少，是阻碍了太赫兹技术迅速发展的一个重要原因。一种新型的平面纳米电子器件——自开关二级管(SSD)可以作为太赫兹探测器，满足了寄生电容小可以大规模集成，同时在室温下可操作等其他太赫兹探测器所不具备的优点，所以自开关二极管在太赫兹探测器领域具有重大的应用意义。本篇论文主要探究的内容如下:
　　首先是对自开关二极管的结构以及工作原理进行调研学习，探究了基于SiC衬底AlGaN/GaN材料作为制备自开关二极管的优点，接着对基于SiC衬底AlGaN/GaN材料样品进行了研究，主要研究了AlGaN/GaN材料的光透过、结构、表面形貌等特性。经透过光谱测试样品在可见光区域透过率平均值在65％以上;对样品进行了XRD测试，样品存在明显的GaN(002)和AlGaN(004)的峰，展示出了AlGaN/GaN的结晶度较好;同时对样品进行了表面以及断面SEM测试，结果显示样品表面较为光滑，断面层与层之间界面清晰，看不到明显缺陷，薄膜生长良好。
　　其次是在制备的AlGaN/GaN材料基础上，通过使用电子束曝光、刻蚀、电子束蒸发、热蒸发等技术，对设计好的自开关二极管器件进行一系列微纳加工，制备出性能良好的SSD器件样品15个，并通过直流探针测试平台对样品进行了测试分析。测试结果显示，制备的SSD器件的电流电压特性表现出了整流特性。
　　最后对制备的SSD器件进行了测试分析，包括电流电压关系测试、输入频率与器件响应度的关系测试、输入功率与器件输出电压的关系测试等。其中通过改变SSD器件的结构参数，如沟道长度(L)、沟道宽度(W)、刻蚀宽度(T)等，分别测试了不同样品，具体结果分析如下;
　　(1)当SSD器件的沟道长度L，以及刻蚀宽度T保持不变，仅改变沟道宽度W，输入功率为0dBm，输入频率从0-110GHz，随着沟道宽度W的逐次增加，器件响应度响应的降低;
　　(2)当SSD的沟道长度L=1μm，沟道宽度W=85nm，刻蚀宽度T=40nm器件性能最好，当测试频率为100GHz(0.1THz)时，器件的响应度为189.4mV/mW;
　　(3)对SSD尺寸进一步缩小，L=1μm、T=30nm、W=60nm时，器件同样表现了较好的响应度，在测试频率为0.1THz时其响应度为46.0mV/mW。
　　(4)当SSD器件的输入频率为1GHz时，输入频率为-30dBm到0dBm时输，出电压与输入功率是呈现线性相关的;当输入信号小于-30dBm，输出电压与器件的输入信号功率不再呈现线性相关;
　　(5)当SSD器件的沟道长度L、刻蚀宽度T不变，随着沟道宽度W的增加，当输入功率-30dBm到0dBm区间某一值固定，器件的输出电压逐渐增加。

目录

声明

摘要

1．1 太赫兹波与太赫兹技术

1．2 太赫兹发射器

1．2．1 基于脉冲激光的太赫兹发射器

1．2．2 光混频器

1．2．3 自由电子激光器

1．2．4 量子级联激光器

1．2．5 气体激光器

1．2．6 耿氏二极管

1．3 太赫兹探测器

1．3．1 时域系统

1．3．2 测辐射热计

1．3．3 高莱探测器

1．3．4 自开关二极管

第二章 物理背景与实验技术

2．1 半导体异质结

2．2 二维电子气

2．3 金属半导体接触

2．3．1 能带图与金属半导体界面势垒

2．3．2 接触电阻率

2．3．3 传输线法

2．4 微纳加工制造技术

2．4．1 电子束曝光技术

2．4．2 干法刻蚀技术

2．5 半导体表征技术

2．6 高频测试技术

第三章 基于SiC衬底生长AlGaN/GaN材料的特性研究

3．2．1 基于SiC衬底AlGaN/GaN材料的透过率测试结果

3．2．3 基于SiC衬底AlGaN/GaN材料的SEM测试结果

3．3 本章小结

第四章 基于AlGaN/GaN的自开关二极管制备及特性研究

4．1 基于SiC衬底AlGaN/GaN SSD的制造流程

4．2 基于SiC衬底AlGaN/GaN SSD的I-V特性

4．3 基于SiC衬底ALGaN/GaN SSD的高频响应特性

4．3．1 沟道宽度对SSD高频特性的影响

4．3．2 沟道长度对SSD高频特性的影响

4．4 基于SiC衬底AlGaN/GaN SSD的输入功率与输出电压特性

4．5 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢