RTD-gated HEMT研究進展

朱長舉

(天津飛騰信息技術有限公司，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的一個十分重要的“半空白區”，這個區域也被成為太赫茲間隙(terahertz gap)。在光學和納米科學技術不斷創新和快速發展帶動下，太赫茲在諸多方面得到了快速發展和應用，包括生物醫學、國防科技、安全檢測、天體物理學等領域。太赫茲波頻率高，瞬時帶寬寬，能夠提供非常高的數據傳輸速率，對發展更高速的無限通信技術有著非常大的吸引力[1]，并且太赫茲波的光子能量遠低于X-射線的能量，作為生物活體以及精密設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物質的轉動能級或振動能級與太赫茲波包含的能量相當，在物質鑒別以及各種安全檢查等方面具有巨大的優勢[2]。

盡管太赫茲波擁有獨特的性質和優秀的發展前景，但是太赫茲波頻率范圍位于微波和光波交叉的區域，在制造太赫茲頻段的相干源、靈敏探測器等方面存在困難，太赫茲技術的發展受限，太赫茲頻段依然是現代設備物理學中的一個具有挑戰性的領域。傳統的金屬-氧化物半導體場效應晶體管(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發展的重大瓶頸之一[3]。為了解決這一難題，具有二維電子流體(Two-Dimensional Electron Fluid，2DEF)效應的高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistors，HEMT)給解決這一技術難點帶來了希望。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用前景。目前使用諧振隧穿二極管結構作為高電子遷移率晶體管的柵極的器件，由于其優異的性能引起了廣泛的關注。

1 二維電子流體HEMT

1977年ALLEN S等發現硅基的場效應管存在吸收紅外輻射的現象[4]，并且3年后TSUI D等發現硅基的場效應管還存在發射紅外輻射的現象[5]。受到這些啟發，DYAKONOV M和SHUR M在詳細分析了反型層二維電子氣(Two-Dimensional Electron Gas,2DEG)的基礎上，預測了在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力學方程與淺水波的方程相似，并將流體力學的基本方程和基本原理引進到這種工作模型下的場效應管的物理模型中，建立了反型層二維電子流體理論。圖1給出了一個具有彈道效應的場效應管，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 具有彈道效應的場效應管示意圖

HEMT在提供適當的電邊界條件下，溝道內的2DEF能夠激發產生等離子體波，并且所激發的等離子體波振蕩的幅度可以不斷增強，直到受到能量損耗機制的限制。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為二維電子流體是二維電子氣的一種特殊情況，二者的區別主要體現在以下兩個方面。

一方面2DEG中的電子的性質與理想氣體中的分子更為接近，與其他粒子發生碰撞的概率很高，平均自由時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生碰撞的概率非常小，平均自由程以及平均自由時間都很大，并且在柵極長度很小的短溝道的場效應管中能夠幾乎不發生散射作用直接穿過溝道，在雜質很小的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，這時候電子的行為與流體內分子更加接近。由于電子和電子之間的距離變得更近，2DEF內的電子與電子直接發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也會產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(chocking effect)等。這些現象一般認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。

處于穩定狀態下的均勻的流體是不產生水波的，在受到擾動的條件下才會產生波動，因此在HEMT的源極和漏極兩端的偏置條件不一致時，2DEF中就會激發產生等離子體波。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經過反復反射得到加強，所以柵極長度更短的HEMT能產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算：

(1)

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

圖2 不同柵極長度HEMT的等離子體波歸一化響應

2 RTD柵控HEMT

在過去的十幾年內，關于2DEF的研究主要集中在三五族的異質結系統的高電子遷移率晶體管，如GN、InGaAs。2DEF器件所激發產生等離子體波與負微分電導元件進行耦合實現更加優秀的性能。諧振隧穿二極管是基于負微分電阻效應的高速兩端納米器件，具有高頻、高速等特點。使用RTD的負阻特性去補償等離子體波在傳播過程中損失的能量，從而達到增強的目的，如使用RTD作為HEMT的柵極的RTD-gated HEMT(Resonant Tunneling Diode Gated High Electron Mobility Transistors)，目前已經取得了一定的成果。這種結構的柵極產生的負微分電導與溝道中的等離子體波之間相互作用，共同作為增益介質，因此能夠產生顯著且穩定的功率增益。RTD-gated HEMT的結構圖如圖3所示[8]，HEMT的柵極控制部分使用RTD結構，該結構的核心部分雙勢壘單勢阱結構使用的是Al0.25GaN-GaN-Al0.25GaN結構。雙勢壘單勢阱結構形成的負微分電阻成為了很多高頻高速器件的基礎之一，使用RTD作為太赫茲波源的振蕩器的振蕩頻率已經能夠超過1 THz。這種基于雙勢壘單勢阱結構的三端器件具有巨大的應用前景。

圖3 RTD-gated HEMT的結構圖

溝道內的電子的電導率ρ(ω)可以使用Durde公式：

(2)

式中，Σ是溝道內的電子濃度，τr是電子的平均自由時間。該式包含一個正實部以及一個正虛部，在電路上表現為一個純電阻項和一個電感項。所以溝道內所激發等離子體波能夠使用電阻和電感來作為等效電路模型，后者的電感項與電子的慣性有關。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。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結構的分布式電容和分布式負微分電導。

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絡的分析模型。二端口網絡的分析模型是解決電路系統問題中常用的分析方法，它將一個電路系統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可以選擇，如阻抗參數Z、導納參數Y，散射參數S等。在高頻條件下，阻抗參數Z、導納參數Y等由于電壓或者電流直接測量存在困難，因此在微波射頻領域一般采用散射參數S。圖5給出了使用二端口網絡分析等離子波HEMT的等效電路圖，圖中VS是信號源，ZS是源極阻抗，ZL是負載阻抗，二端口網絡的特性阻抗是Z0，源極的反射系數是ΓS，負阻的反射系數是ΓL，從輸入端看過去的反射系數是Γin，相應地從輸出端看過去的反射系數是Γout。

圖5 使用二端口網絡分析等離子體波HEMT的等效電路圖

根據微波理論可知，等離子體波HEMT的轉移功率增益GT為:

(3)

式中，并且ΓS和ΓL分別為源和負載相對于Z0=50 Ω的反射系數，Γin是輸入端的反射系數，S21是從正向穿透系數，S22是輸出端反射系數。SENSALE-RODRIGUEZ B使用該結構實現了在2 THz下2 dB以及4 THz下4.8 dB的轉移功率增益[9]。在此基礎上，QUISPE H O C改進使用光柵門(grating-gate)結構，如圖6所示。該結構中入射的太赫茲波不是通過外部的天線耦合到器件中，而是通過光柵結構直接耦合到器件有源區的等離子體波中。器件的柵極改進成光柵結構后，不需要額外的片外天線，因此就不需要考慮天線的設計中需要進行負載等的適當匹配。除此之外，該結果有效地增強了一次諧波的放大，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，該結構穩定性條件可能與天線饋線下的穩定條件相比更加寬松。這兩點使得器件能夠實現更高的增益，該結構的轉移功率增益超過40 dB。

圖6 光柵門RTD-gated HEMT的結構示意圖

由于RTD-gated HEMT的轉移功率增益與RTD提供的負微分電導的大小有關，ZHU C等將諧振隧穿二極管結構的柵極改進為光敏諧振隧穿二極管(Optically Switched Resonant Tunneling Diode，ORTD)的柵極，實現了太赫茲頻率的光調制器[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在概念上可以擴展到其他材料系統。InGaAs的電子遷移率μ更高，更容易激發等離子體波，該結果采用的是InGaAs材料體系。ORTD是在RTD的基礎上添加了光吸收層、光窗口，并且為了能夠使光激勵到達光窗口，需要使用透明電極材料。器件處于一定頻率的光激勵的條件下，光吸收層產生光生電子-空穴對，光生電子-空穴對在電場的左右下向相反的方向運動。諧振隧穿二極管的雙勢壘單勢阱結構阻擋了電子通過，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，從而產生了一個附加的電場，使得ORTD的偏置點發生改變從而改變ORTD提供的NDC。該器件實現了在太赫茲頻率下超過95%的調制深度以及超過40 GHz的信號帶寬。

圖7 ORTD-gated HEMT的結構示意圖

除了制造太赫茲功率放大器、太赫茲光調制器之外，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。假設傳輸線振蕩器的負載為純阻性時，振蕩在輸入阻抗的虛部為零的頻率產生。RTD結構提供的負微分電導能夠抵消掉衰減因子α實現太赫茲振蕩。該器件的振蕩頻率與柵極寬度無關，更小的柵極長度以及更小的單位面積的柵極電容能夠實現更高的振蕩頻率。因此該結構能夠通過增加柵極寬度來提升振蕩功率，并且振蕩頻率幾乎不受影響。除此之外該結構同樣存在高次諧波，在適當的天線耦合下能夠實現頻率的選擇。該器件能夠實現0.3 μW振蕩功率和5 THz振蕩頻率。

圖8 RTD-gated HEMT振蕩器的結構示意圖

盡管RTD-gated HEMT的性能比HEMT或RTD的性能都有優勢，但是在HEMT的柵極堆疊雙勢壘單勢阱結構本身具有一定的困難。除此之外為了能夠獲得更低的散射，以便達到已經更好的性能，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，將會成為解決問題的關鍵。

3 結論

太赫茲傳感器網絡、防風雨交通和道路監控系統、衛星通信保密信息，以及醫療、食品、農業和工業等方面應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]。相比與傳統的HEMT器件，等離子波HEMT的截止頻率更高，更適合太赫茲科學技術的發展應用。本文介紹了多種RTD-gated HEMT太赫茲器件，不同的類型的應用領域，包括太赫茲波源、太赫茲探測器、太赫茲光電調制器等，RTD-gated HEMT優異的性能無疑加速了太赫茲技術的發展。