RTD-gated HEMT研究進(jìn)展

朱長舉

(天津飛騰信息技術(shù)有限公司，天津 510006)

0 引言

太赫茲(terahertz，THz)波頻率在0.1 THz～10.0 THz 范圍，是人類在電磁波譜中尚未完全開發(fā)的一個(gè)十分重要的“半空白區(qū)”，這個(gè)區(qū)域也被成為太赫茲間隙(terahertz gap)。在光學(xué)和納米科學(xué)技術(shù)不斷創(chuàng)新和快速發(fā)展帶動(dòng)下，太赫茲在諸多方面得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，包括生物醫(yī)學(xué)、國防科技、安全檢測、天體物理學(xué)等領(lǐng)域。太赫茲波頻率高，瞬時(shí)帶寬寬，能夠提供非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，對發(fā)展更高速的無限通信技術(shù)有著非常大的吸引力[1]，并且太赫茲波的光子能量遠(yuǎn)低于X-射線的能量，作為生物活體以及精密設(shè)備的無損檢測射線十分安全。除此之外，很多生物大分子或凝聚態(tài)物質(zhì)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級或振動(dòng)能級與太赫茲波包含的能量相當(dāng)，在物質(zhì)鑒別以及各種安全檢查等方面具有巨大的優(yōu)勢[2]。

盡管太赫茲波擁有獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)秀的發(fā)展前景，但是太赫茲波頻率范圍位于微波和光波交叉的區(qū)域，在制造太赫茲頻段的相干源、靈敏探測器等方面存在困難，太赫茲技術(shù)的發(fā)展受限，太赫茲頻段依然是現(xiàn)代設(shè)備物理學(xué)中的一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。傳統(tǒng)的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)的截止頻率通常在40 GHz左右，難以達(dá)到太赫茲頻率，使得太赫茲器件的集成與制造存在困難。缺乏高性能的太赫茲器件成為太赫茲技術(shù)發(fā)展的重大瓶頸之一[3]。為了解決這一難題，具有二維電子流體(Two-Dimensional Electron Fluid，2DEF)效應(yīng)的高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistors，HEMT)給解決這一技術(shù)難點(diǎn)帶來了希望。并且諧振隧穿二極管(Resonant Tunneling Diode，RTD)在制造太赫茲器件同樣具有良好的應(yīng)用前景。目前使用諧振隧穿二極管結(jié)構(gòu)作為高電子遷移率晶體管的柵極的器件，由于其優(yōu)異的性能引起了廣泛的關(guān)注。

1 二維電子流體HEMT

1977年ALLEN S等發(fā)現(xiàn)硅基的場效應(yīng)管存在吸收紅外輻射的現(xiàn)象[4]，并且3年后TSUI D等發(fā)現(xiàn)硅基的場效應(yīng)管還存在發(fā)射紅外輻射的現(xiàn)象[5]。受到這些啟發(fā)，DYAKONOV M和SHUR M在詳細(xì)分析了反型層二維電子氣(Two-Dimensional Electron Gas,2DEG)的基礎(chǔ)上，預(yù)測了在HEMT的溝道中有等離子體波——載流子電荷密度波[6]。這種情形下電子的動(dòng)力學(xué)方程與淺水波的方程相似，并將流體力學(xué)的基本方程和基本原理引進(jìn)到這種工作模型下的場效應(yīng)管的物理模型中，建立了反型層二維電子流體理論。圖1給出了一個(gè)具有彈道效應(yīng)的場效應(yīng)管，L是柵極長度，并且柵極長度L大于電子與電子碰撞的平均自由程。

圖1 具有彈道效應(yīng)的場效應(yīng)管示意圖

HEMT在提供適當(dāng)?shù)碾娺吔鐥l件下，溝道內(nèi)的2DEF能夠激發(fā)產(chǎn)生等離子體波，并且所激發(fā)的等離子體波振蕩的幅度可以不斷增強(qiáng)，直到受到能量損耗機(jī)制的限制。雖然二維電子流體的概念是從二維電子氣的概念中引申出來的，但是并不能簡單地認(rèn)為二維電子流體是二維電子氣的一種特殊情況，二者的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

一方面2DEG中的電子的性質(zhì)與理想氣體中的分子更為接近，與其他粒子發(fā)生碰撞的概率很高，平均自由時(shí)間和平均自由程都較短。而在2DEF中的電子與與其他粒子或聲子發(fā)生碰撞的概率非常小，平均自由程以及平均自由時(shí)間都很大，并且在柵極長度很小的短溝道的場效應(yīng)管中能夠幾乎不發(fā)生散射作用直接穿過溝道，在雜質(zhì)很小的HEMT中更容易形成極低散射的條件。

另一方面2DEG中的電子與電子之間的空間距離較大，遠(yuǎn)大于電子和原子核距離。在2DEF中電子與電子的間距變得很小，接近電子與原子核間的距離，這時(shí)候電子的行為與流體內(nèi)分子更加接近。由于電子和電子之間的距離變得更近，2DEF內(nèi)的電子與電子直接發(fā)生散射的概率變得很大，形成類似流體的粘滯性，即電子的粘滯性。除此之外2DEG也會(huì)產(chǎn)生類似于液體的行為，如波和孤子的傳播、水力跳躍和“窒息”效應(yīng)(chocking effect)等。這些現(xiàn)象一般認(rèn)為是由于電子的碰撞、表面散射、通道橫截面變化等原因造成的。

處于穩(wěn)定狀態(tài)下的均勻的流體是不產(chǎn)生水波的，在受到擾動(dòng)的條件下才會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，因此在HEMT的源極和漏極兩端的偏置條件不一致時(shí)，2DEF中就會(huì)激發(fā)產(chǎn)生等離子體波。如果將HEMT的源極和柵極等效成法布里-珀羅共振腔，等離子波在共振腔內(nèi)經(jīng)過反復(fù)反射得到加強(qiáng)，所以柵極長度更短的HEMT能產(chǎn)生更劇烈的等離子體振蕩。對于柵極長度為亞微米的GaAlAs HEMT，其所激發(fā)的等離子體波的頻率f恰好落在太赫茲頻段[7]，并且可以使用下式來計(jì)算：

(1)

式中，e和m*分別是電子的電荷量和有效質(zhì)量，εr是柵極介質(zhì)的介電常數(shù)，Ω是基波的角頻率。圖2給出了不同柵極長度下，HEMT所激發(fā)的等離子體波的歸一化響應(yīng)，并且從圖中可以發(fā)現(xiàn)HEMT中的等離子體波除了基波外還存在著高次諧波。由于HEMT溝道內(nèi)存在電子與電子、雜質(zhì)離子以及聲子的散射作用等，2DEF所激發(fā)的等離子體波會(huì)在傳播過程中衰減，難以獲得足夠強(qiáng)的等離子體振蕩。上述衰減機(jī)制在電路上可以使用電阻等效，則能夠通過使用負(fù)微分電導(dǎo)(Negative Differential Conductivity，NDC)來抵消衰減因素，實(shí)現(xiàn)等離子體振蕩的增強(qiáng)。

圖2 不同柵極長度HEMT的等離子體波歸一化響應(yīng)

2 RTD柵控HEMT

在過去的十幾年內(nèi)，關(guān)于2DEF的研究主要集中在三五族的異質(zhì)結(jié)系統(tǒng)的高電子遷移率晶體管，如GN、InGaAs。2DEF器件所激發(fā)產(chǎn)生等離子體波與負(fù)微分電導(dǎo)元件進(jìn)行耦合實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)秀的性能。諧振隧穿二極管是基于負(fù)微分電阻效應(yīng)的高速兩端納米器件，具有高頻、高速等特點(diǎn)。使用RTD的負(fù)阻特性去補(bǔ)償?shù)入x子體波在傳播過程中損失的能量，從而達(dá)到增強(qiáng)的目的，如使用RTD作為HEMT的柵極的RTD-gated HEMT(Resonant Tunneling Diode Gated High Electron Mobility Transistors)，目前已經(jīng)取得了一定的成果。這種結(jié)構(gòu)的柵極產(chǎn)生的負(fù)微分電導(dǎo)與溝道中的等離子體波之間相互作用，共同作為增益介質(zhì)，因此能夠產(chǎn)生顯著且穩(wěn)定的功率增益。RTD-gated HEMT的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[8]，HEMT的柵極控制部分使用RTD結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的核心部分雙勢壘單勢阱結(jié)構(gòu)使用的是Al0.25GaN-GaN-Al0.25GaN結(jié)構(gòu)。雙勢壘單勢阱結(jié)構(gòu)形成的負(fù)微分電阻成為了很多高頻高速器件的基礎(chǔ)之一，使用RTD作為太赫茲波源的振蕩器的振蕩頻率已經(jīng)能夠超過1 THz。這種基于雙勢壘單勢阱結(jié)構(gòu)的三端器件具有巨大的應(yīng)用前景。

圖3 RTD-gated HEMT的結(jié)構(gòu)圖

溝道內(nèi)的電子的電導(dǎo)率ρ(ω)可以使用Durde公式：

(2)

式中，Σ是溝道內(nèi)的電子濃度，τr是電子的平均自由時(shí)間。該式包含一個(gè)正實(shí)部以及一個(gè)正虛部，在電路上表現(xiàn)為一個(gè)純電阻項(xiàng)和一個(gè)電感項(xiàng)。所以溝道內(nèi)所激發(fā)等離子體波能夠使用電阻和電感來作為等效電路模型，后者的電感項(xiàng)與電子的慣性有關(guān)。由于等離子體波在溝道的傳輸過程中具有相似性，KHMYROVA I提出使用傳輸線模型作為等離子體波HEMT的等效電路模型，如圖4所示。圖中r是溝道的分布式電阻，l是溝道的分布式電感，c是柵極的分布式電容、g是柵極的分布式電導(dǎo)。對于RTD-gated HEMT的等效電路模型與等離子體波HEMT的基本相似，不同之處在c、g分別為RTD結(jié)構(gòu)的分布式電容和分布式負(fù)微分電導(dǎo)。

圖4 等離子體HEMT等效電路圖

RTD-gated HEMT的等效電路的分析方法可以使用傳輸線模型常用的二端口網(wǎng)絡(luò)的分析模型。二端口網(wǎng)絡(luò)的分析模型是解決電路系統(tǒng)問題中常用的分析方法，它將一個(gè)電路系統(tǒng)簡化成具有兩對端子對的黑盒子。分析這樣的電路模型有多種參數(shù)可以選擇，如阻抗參數(shù)Z、導(dǎo)納參數(shù)Y，散射參數(shù)S等。在高頻條件下，阻抗參數(shù)Z、導(dǎo)納參數(shù)Y等由于電壓或者電流直接測量存在困難，因此在微波射頻領(lǐng)域一般采用散射參數(shù)S。圖5給出了使用二端口網(wǎng)絡(luò)分析等離子波HEMT的等效電路圖，圖中VS是信號源，ZS是源極阻抗，ZL是負(fù)載阻抗，二端口網(wǎng)絡(luò)的特性阻抗是Z0，源極的反射系數(shù)是ΓS，負(fù)阻的反射系數(shù)是ΓL，從輸入端看過去的反射系數(shù)是Γin，相應(yīng)地從輸出端看過去的反射系數(shù)是Γout。

圖5 使用二端口網(wǎng)絡(luò)分析等離子體波HEMT的等效電路圖

根據(jù)微波理論可知，等離子體波HEMT的轉(zhuǎn)移功率增益GT為:

(3)

式中，并且ΓS和ΓL分別為源和負(fù)載相對于Z0=50 Ω的反射系數(shù)，Γin是輸入端的反射系數(shù)，S21是從正向穿透系數(shù)，S22是輸出端反射系數(shù)。SENSALE-RODRIGUEZ B使用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在2 THz下2 dB以及4 THz下4.8 dB的轉(zhuǎn)移功率增益[9]。在此基礎(chǔ)上，QUISPE H O C改進(jìn)使用光柵門(grating-gate)結(jié)構(gòu)，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)中入射的太赫茲波不是通過外部的天線耦合到器件中，而是通過光柵結(jié)構(gòu)直接耦合到器件有源區(qū)的等離子體波中。器件的柵極改進(jìn)成光柵結(jié)構(gòu)后，不需要額外的片外天線，因此就不需要考慮天線的設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行負(fù)載等的適當(dāng)匹配。除此之外，該結(jié)果有效地增強(qiáng)了一次諧波的放大，并且通過耦合效率降低了高次諧波的放大。除了有效的電耦合外，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性條件可能與天線饋線下的穩(wěn)定條件相比更加寬松。這兩點(diǎn)使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的增益，該結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移功率增益超過40 dB。

圖6 光柵門RTD-gated HEMT的結(jié)構(gòu)示意圖

由于RTD-gated HEMT的轉(zhuǎn)移功率增益與RTD提供的負(fù)微分電導(dǎo)的大小有關(guān)，ZHU C等將諧振隧穿二極管結(jié)構(gòu)的柵極改進(jìn)為光敏諧振隧穿二極管(Optically Switched Resonant Tunneling Diode，ORTD)的柵極，實(shí)現(xiàn)了太赫茲頻率的光調(diào)制器[10]，如圖7所示。SENSALE-RODRIGUEZ B提出的RTD-gated HEMT器件考慮的材料是GaN體系，但等離子體RTD-gated HEMT在概念上可以擴(kuò)展到其他材料系統(tǒng)。InGaAs的電子遷移率μ更高，更容易激發(fā)等離子體波，該結(jié)果采用的是InGaAs材料體系。ORTD是在RTD的基礎(chǔ)上添加了光吸收層、光窗口，并且為了能夠使光激勵(lì)到達(dá)光窗口，需要使用透明電極材料。器件處于一定頻率的光激勵(lì)的條件下，光吸收層產(chǎn)生光生電子-空穴對，光生電子-空穴對在電場的左右下向相反的方向運(yùn)動(dòng)。諧振隧穿二極管的雙勢壘單勢阱結(jié)構(gòu)阻擋了電子通過，形成了電子的積累。在雙勢壘單勢阱的另一端為了保持電中性積累的正電荷，從而產(chǎn)生了一個(gè)附加的電場，使得ORTD的偏置點(diǎn)發(fā)生改變從而改變ORTD提供的NDC。該器件實(shí)現(xiàn)了在太赫茲頻率下超過95%的調(diào)制深度以及超過40 GHz的信號帶寬。

圖7 ORTD-gated HEMT的結(jié)構(gòu)示意圖

除了制造太赫茲功率放大器、太赫茲光調(diào)制器之外，MAO X等提出了RTD-gated HEMT的太赫茲振蕩器[11]，如圖8所示。等離子體波HEMT的等效電路與傳輸線模型相同，可以作為振蕩器的諧振腔。假設(shè)傳輸線振蕩器的負(fù)載為純阻性時(shí)，振蕩在輸入阻抗的虛部為零的頻率產(chǎn)生。RTD結(jié)構(gòu)提供的負(fù)微分電導(dǎo)能夠抵消掉衰減因子α實(shí)現(xiàn)太赫茲振蕩。該器件的振蕩頻率與柵極寬度無關(guān)，更小的柵極長度以及更小的單位面積的柵極電容能夠?qū)崿F(xiàn)更高的振蕩頻率。因此該結(jié)構(gòu)能夠通過增加?xùn)艠O寬度來提升振蕩功率，并且振蕩頻率幾乎不受影響。除此之外該結(jié)構(gòu)同樣存在高次諧波，在適當(dāng)?shù)奶炀€耦合下能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的選擇。該器件能夠?qū)崿F(xiàn)0.3 μW振蕩功率和5 THz振蕩頻率。

圖8 RTD-gated HEMT振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖

盡管RTD-gated HEMT的性能比HEMT或RTD的性能都有優(yōu)勢，但是在HEMT的柵極堆疊雙勢壘單勢阱結(jié)構(gòu)本身具有一定的困難。除此之外為了能夠獲得更低的散射，以便達(dá)到已經(jīng)更好的性能，該器件需要工作在低溫條件下，無形中又增加了使用成本。隨著制造工藝的更迭和升級以及新型材料的研制，如單層石墨烯材料等，將會(huì)成為解決問題的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

太赫茲傳感器網(wǎng)絡(luò)、防風(fēng)雨交通和道路監(jiān)控系統(tǒng)、衛(wèi)星通信保密信息，以及醫(yī)療、食品、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等方面應(yīng)用都需要更高功率的太赫茲源，更靈敏的太赫茲傳感器以及更多功能的器件和材料的支持[12]。相比與傳統(tǒng)的HEMT器件，等離子波HEMT的截止頻率更高，更適合太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。本文介紹了多種RTD-gated HEMT太赫茲器件，不同的類型的應(yīng)用領(lǐng)域，包括太赫茲波源、太赫茲探測器、太赫茲光電調(diào)制器等，RTD-gated HEMT優(yōu)異的性能無疑加速了太赫茲技術(shù)的發(fā)展。