[實用新型]一種基于極化摻雜效應的太赫茲二極管

有效

• 申請號: 201520488512.7
• 申請日: 2015-07-03
• 公開（公告）號: CN205081125U
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發明（設計）人: 董志華;程知群;劉國華;周濤;柯華杰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H01L29/861
• 分類號: H01L29/861;H01L29/201;H01L29/207;H01L29/66
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 杜軍

技術領域

本實用新型屬于微電子技術領域，具體涉及一種基于極化摻雜效應的太赫茲二極管。

背景技術

太赫茲是介于可見光與微波之間的波段，是迄今人類尚未完全探測的一個空白領域，其物理性質獨特，在通信、探測領域具有非常重要的應用前景，具有非常重要的科學研究意義，例如，它曾被日本政府認為是“改變未來的十大科學技術之首”。世界科技強國，紛紛投入人力、物力在這一領域探索科技“寶藏”。

作為太赫茲技術的第一個元素，太赫茲發射源，自然引起世界各國的重視。現階段，太赫茲發射源主要有兩類，一類是光學元件，人們試圖將其振蕩頻率做低，延伸至太赫茲領域。另一類是電學器件，人們試圖將其振蕩頻率做高，拓展到太赫茲領域。電學器件具有結構緊湊、體積小的特點，這在某些場合具有非常巨大的優勢，因此電學的太赫茲源一直是人們研究的重點。在眾多的電子學太赫茲源當中，耿氏二極管是研究的重要方向之一。特別是GaN基的耿氏二極管，更是由于其閾值電場高、擊穿電壓大、功率密度高、振蕩頻率高等特點，倍受青睞。

耿氏二極管也叫轉移電荷器件（TED）,是利用耿氏振蕩效應工作的。最早是在GaAs中發現的，Gunn發現，在GaAs體材料的兩端施以超過某一閾值的電場時，將會產生高頻振蕩，發射出高頻電磁波。振蕩產生的頻率與器件參數相關，但是最高極限受制于材料的物理性質。早期的耿氏二極管也都是GaAs基的，但是在頻率性能方面，GaAs耿氏二極管的振蕩頻率可以達到200GHz，距離太赫茲頻段尚有一段距離。而GaN耿氏二極管的最高頻率可以達到4THz。因此，GaN太赫茲振蕩源成為研究的重點方向。

早期的GaN太赫茲二極管的結構為簡單的三明治結構，兩個厚度約為100nm的n型重摻雜（摻雜濃度~1e19cm^-3）的GaN層中間夾著一個幾微米厚度的輕摻雜的GaN層（摻雜濃度~1e17cm^-3量級）。兩邊的重摻雜區域分別充當發射區和集電區，中間的輕摻雜區域充當有源區。這種器件結構簡單，但是，在有源區存在“死區”，即其中的一段長度是電子的加速區，電子經過這段距離加速才能達到“谷間散射”的速率閾值，從而開始產生耿氏振蕩。為了避免“死區”，后來的研究者引入了“notch摻雜層”,即在發射區和有源區之間插入一層幾十納米厚度的低摻雜濃度層（摻雜濃度~1e16cm^-3量級）。另一種方法是加入重摻雜的AlGaN“熱電子發射層”，它同樣位于發射極和有源區之間。仿真的結果表明，使用“熱電子”發射層之后，電子發射的位置更靠近有源區的邊緣。為進一步提高器件性能，研究者使用了漸變Al組分的熱電子發射層，甚至是多層漸變Al組分的熱電子發射層(比如Al組分為0.01,0.08和0.15)。如此設計可以減小GaN和AlGaN的界面晶格失配，提高器件性能。

盡管采用不同的措施，這些傳統器件的仍存在如下弊端：（1）傳統雜質摻雜方式的激活率低，而且載流子遷移率低。由于GaN是寬禁帶半導體材料，所以雜質在GaN中的激活能很高，造成摻雜雜質的激活效率很低。而且，由于雜質中心的散射作用，載流子的遷移率低。（2）雜質摻雜使晶體的質量降低很多，影響器件性能。由于GaN材料體系的摻雜必須在材料生長的同時進行，對晶體的質量會有不可避免的影響，從而影響器件性能。（3）利用AlGaN熱電子發射層的器件，AlGaN和GaN之間存在很大的晶格失配，產生大量的界面缺陷，影響器件性能。

發明內容

本實用新型針對現有技術的不足，提出了一種基于極化摻雜效應的太赫茲二極管。

一種基于極化摻雜效應的太赫茲二極管，包括陰極電極、漸變Al_xGa_1-xN極化摻雜層、有源區、陽極區和陽極電極；

所述的陽極區上外延生長有源區，有源區外延生長漸變Al_xGa_1-xN極化摻雜層；陽極區的外側設有陽極，漸變Al_xGa_1-xN極化摻雜層的外側設有陰極。

所述的漸變Al_xGa_1-xN極化摻雜層為多層。

作為優選，所述的漸變Al_xGa_1-xN極化摻雜層，其中有源區朝陰極的方向上，Al的組分x從0漸變到0.5。