截止频率8.7 THz的平面肖特基势垒二极管

肖特基势垒二极管(SBD)具有强非线性效应、速度快及容易系统集成等特点,常用于微波、毫米波及太赫兹波的产生和检测。本文通过电子束光刻等技术制作出肖特基接触直径1 μm的二极管,并对二极管进行了直流测试和射频测试。经过直流测试,二极管的串联电阻为10.2 Ω,零偏结电容为1.76 fF,肖特基结截止频率达到了8.7 THz;相同管子的射频测试串联电阻为15.4 Ω,零偏结电容1.46 fF,肖特基结截止频率也达到了7 THz。     

高截止频率肖特基二极管仿真模型研究

基于表面沟道型平面肖特基势垒二极管基本结构,采用GaAs 0.15μm伪高电子迁移率晶体管（pseudomorphic high electron mobility transistors, pHEMT）工艺制程,提出了一种垂直沟道长跨度空气桥的肖特基二极管模型.研究了不同阳极直径对肖特基二极管级联电阻的影响,对比分析了不同焊盘间距下肖特基二极管模型的S参数仿真结果,得到最优空气桥长度;仿真了最优焊盘间距下二极管肖特基结的TCAD模型,根据仿真得到的特性曲线提取肖特基二极管的SPICE参数.经实验测试,该二极管具有极低的零偏置结电容,截止频率高达9 THz,仿真结果与实测结果吻合度较高,可用于太赫兹频段上.     

低电阻GaN基太赫兹空气桥结构平面肖特基二极管

提出了通过增大欧姆接触电极包围角提高GaN基太赫兹肖特基二极管的截止频率的方法,该方法减小了空气桥结构平面肖特基二极管的串联电阻,进而提高了器件的截止频率.设计并制备了不同欧姆接触电极包围角的空气桥结构平面肖特基二极管,通过对器件Ⅰ-Ⅴ特性及C-V特性的测量,可知随着欧姆接触电极包围角的增大,肖特基二极管的串联电阻减小,而肖特基二极管的总电容并没有受影响.欧姆接触电极全包围结构的肖特基二极管截止频率为264 GHz,约为欧姆接触电极包围角为180°器件的1.6倍.     

基于肖特基二极管的太赫兹二倍频器设计

固态倍频器是太赫兹源应用中的关键器件,如何利用非线性器件提高太赫兹倍频器件的效率是设计太赫兹固态电路的关键。本文介绍了利用肖特基二极管非线性特性设计固态太赫兹二倍频器的2种方法,即采用直接阻抗匹配和传输模式匹配设计了2种不同拓扑结构的170 GHz二倍频器,针对设计的结构模型,分别进行三维有限元电磁仿真和非线性谐波平衡仿真。仿真结果表明,在17 dBm输入功率的驱动下,倍频器在160 GHz~180 GHz输出频率范围内,倍频效率在15%左右,输出功率大于7 mW。最后对2种方法设计的倍频器结构进行了简单对比和分析,为今后太赫兹倍频研究和设计提供仿真方法。     

AlGaN/GaN背对背肖特基二极管氢气传感器

通过溅射的方法制作了Pt/AlGaN/GaN背对背肖特基二极管并测试了该器件对氢气的响应.研究了Pt/AlGaN/GaN背对背肖特基二极管在25和100℃时对于10%H2(N2气中)的响应,计算了器件的灵敏度;并比较了两种温度条件下器件对于氢气响应的快慢;空气中的氧气对于器件电流的恢复有重要的作用;最后由热电子发射公式计算了器件在通入10%的氢气前后有效势垒高度的变化.     

AlGaN/GaN背对背肖特基二极管氢气传感器

通过溅射的方法制作了Pt/AlGaN/GaN背对背肖特基二极管并测试了该器件对氢气的响应.研究了Pt/AlGaN/GaN背对背肖特基二极管在25和100℃时对于10%H2(N2气中)的响应,计算了器件的灵敏度;并比较了两种温度条件下器件对于氢气响应的快慢;空气中的氧气对于器件电流的恢复有重要的作用;最后由热电子发射公式计算了器件在通入10%的氢气前后有效势垒高度的变化.     

GaAs肖特基二极管中不连续性电路仿真分析

在太赫兹技术应用系统中,太赫兹混频器是太赫兹接收前端的关键部件,而太赫兹肖特基二极管是太赫兹混频器的核心器件。本文采用信号完整性的方法对肖特基二极管在无源区的特性进行建模分析,并对不连续性、寄生电容等参数进行分析。根据肖特基二极管设计的物理参数,如尺寸、材料的介电常数等,在高频结构仿真器(HFSS)中对肖特基二极管进行建模。通过多次建模仿真,最终给出肖特基二极管的等效电路模型。通过对比 HFSS中提取二极管欧姆焊盘的S参数和 Ansoft-designer中对二极管欧姆焊盘的等效电路进行仿真得到的S参数,证明了等效电路的合理性。该模型可以应用在对太赫兹混频器的电路级仿真中。     

平面肖特基二极管的制作

为研究制作THz频段下工作的肖特基二极管器件,系统研究了平面肖特基二极管的制作工艺。通过分子束外延(MBE)生长了掺杂浓度分别为5×1018 cm-3的缓冲层和2×1017 cm-3的外延层,并研究温度对厚度的影响,使得膜层厚度控制良好,晶格完整。通过参数控制,减小了等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的SiO2钝化层应力,使压指结构的翘曲情况得以改善。研究了不同退火温度下欧姆接触的情况,使接触电阻率减小到0.8×10-7 ?/cm2。用电子束光刻和干法刻蚀制作了亚微米级的阳极区域,结合GaAs湿法刻蚀的速率控制,完成了表面沟道的制作,制作出完整的平面肖特基二极管。通过I-U曲线理论计算,二极管的截止频率达到太赫兹量级,为后续工作奠定了基础。     

AlGaN/GaN横向肖特基势垒二极管的仿真与制作

基于GaN横向肖特基势垒二极管(SBD)的频率特性和应用的需要,设计了一种基于AlGaN/GaN异质结的横向SBD.利用Silvaco Atlas软件研究了 AlGaN势垒层的厚度和Al摩尔组分对异质结AlχGaN1-χ/GaN SBD电学性能的影响.仿真结果表明,SBD器件截止频率随Al摩尔组分的增加先增大再减小,当AlχGaN,1-χ层中Al摩尔组分为0.2～0.25,其厚度为20～30nm时,AlGaN/GaN SBD器件的频率特性最好.在仿真的基础上,设计制作出了肖特基接触直径为2 μm的非凹槽和凹槽型AlGaN/GaN横向空气桥SBD.通过直流I-V[测试和射频S参数测试,提取了两种SBD器件的理想因子、串联电阻、结电容、截止频率和品质因子等关键参数,该平面 SBD可应用于片上集成和混合集成的太赫兹电路的设计与制造.     

5 THz混频二极管等效电路模型研究

采用电磁场和电路联合仿真,基于直流测试和三维电磁建模仿真技术,建立了截止频率5 THz的混频肖特基二极管的等效电路模型。重点研究了二极管的非线性结模型和外围结构三维电磁全波仿真模型,构建了考虑实际电路形式的四端口三维电磁全波仿真模型。该等效电路模型可用于太赫兹低频段混频模块设计,该模型的建立方法也为更高频段模型的建立提供了一种参考。基于该模型设计了一款220 GHz分谐波混频器,在192~230 GHz宽带范围内,双边带变频损耗小于10 dB,测试结果与仿真结果较为一致。     

Ar离子注入边缘终端准垂直GaN肖特基势垒二极管

为了研究离子注入边缘终端对准垂直GaN肖特基势垒二极管性能的影响,对器件进行了二维模拟仿真,分析了终端区域尺寸对肖特基结边缘处峰值电场及正向特性的影响,得到了宽度5μm、厚度200 nm的最优终端区域尺寸.基于工艺仿真软件设计了Ar离子注入工艺参数,依次以30keV、5.0×1013 cm-2,60 keV、1.5×1014cm-2和 140 keV、4.5×1014cm-2的注入能量和注入剂量进行多次注入,形成了Ar离子终端结构.采用Ar离子注入终端的GaN二极管的反向击穿电压从73 V提高到146 V,同时注入前后器件正向特性变化不大.结果表明,采用优化尺寸参数的终端结构能够有效降低肖特基结边缘处的峰值电场强度,从而提高器件的反向击穿电压.     

无凹槽AlGaN/GaN肖特基势垒二极管正向电流输运机制

研究了无凹槽AlGaN/GaN肖特基势垒二极管(SBD)的正向电流输运机制。分别采用Ni/Au和TiN作为阳极金属材料制备了无凹槽AlGaN/GaN SBD,对比了两种SBD的直流特性。并通过测量器件的变温I-V特性,研究了器件的正向电流输运机制。结果表明,TiN-SBD(0.95 V@1 mA·mm^-1)与Ni/Au-SBD(1.15 V@1 mA·mm^-1)相比实现了更低的开启电压,从而改善了正向导通特性。研究发现两种SBD的势垒高度和理想因子都强烈依赖于环境温度,通过引入势垒高度的高斯分布模型解释了这种温度依赖性,验证了正向电流输运机制为与势垒高度不均匀分布相关的热电子发射机制。     

T形阳极太赫兹GaAs肖特基二极管的设计与制备

通过对平面形太赫兹肖特基二极管的结构与寄生参数的分析优化,设计并研制了适用于太赫兹频段的不同阳极直径的管芯。管芯为小尺寸设计,采用双层胶电子束直写技术制作T形阳极,阳极剥离后采用100nm的SiO_2介质进行钝化保护,比传统工艺约500nm的SiO_2介质大幅降低,有效降低了器件寄生电容,研制出截止频率f_T(C_(j0))8THz、f_T(C_(total))3.9THz的管芯。通过直流I-V测试和小信号S参数测试提取管芯参数,并分析对比了不同阳极直径管芯的性能参数。     

基于肖特基势垒二极管的太赫兹固态倍频源和检测器研制

本文基于GaAs肖特基势垒二极管以及混合集成电路工艺,对太赫兹固态倍频和检测技术开展了研究.文章结合肖特基势垒二极管物理结构,采用电磁场仿真软件和电路仿真软件相结合的综合分析方法,对各模块电路进行优化设计,研制出了高倍频效率的倍频源和高灵敏度的检测器(检波器和谐波混频器).0.15THz检波器测得最高检波电压灵敏度1600mV/mW,在0.11~0.17THz灵敏度典型值为600mV/mW,切线灵敏度优于-29dBm.0.15THz二倍频器测得最高倍频效率7.5%,在0.1474~0.152THz效率典型值为6.0%.0.18THz二倍频器测得最高倍频效率14.8%,在0.15~0.2THz效率典型值为8.0%.0.15THz谐波混频器测得最低变频损耗10.7dB,在0.135~0.165THz变频损耗典型值为12.5dB.0.18THz谐波混频器测得最低变频损耗5.8dB,在0.165~0.2THz变频损耗典型值为13.5dB,在0.21~0.24THz变频损耗典型值为11.5dB.     

高性能GaN微波整流肖特基二极管的设计和制作

通过对准垂直型GaN微波整流肖特基二极管结构的研究,建立了二极管势垒层和传输层模型,根据模型提出了图形化和多空气桥结构来应对现有GaN生长技术不成熟带来额外寄生电阻的问题,并设计制作出联U型器件.为了验证结构的优势,同时制作了用于对比的传统指型器件.通过大量测试,得到联U型器件的平均寄生电阻为2.38 Ω,约为指型器件的89.8％.零偏压下联U型器件的结电容为0.48 pF,约为指型器件的90.6％.联U型器件的平均截止频率为139 GHz,相比指型器件提高了约23％.在不增加寄生电容、不牺牲功率容量的情况下,降低了二极管的寄生电阻,大大提高了高频状况下GaN微波整流二极管的整流效率.     

GaN基肖特基结构紫外探测器

在蓝宝石 (0 0 0 1)衬底上采用低压金属有机物化学气相沉积 (MOCVD)方法生长GaN外延层结构 ,以此为材料制作了GaN基肖特基结构紫外探测器 .测量了该紫外探测器的暗电流曲线、C V特性曲线、光响应曲线和响应时间曲线 .该紫外探测器在 5V偏压时暗电流为 0 4 2nA ,在 10V偏压时暗电流为 38 5nA .在零偏压下 ,该紫外探测器在2 5 0nm～ 36 5nm的波长范围内有较高的响应度 ,峰值响应度在 36 3nm波长处达到 0 12A/W ,在 36 5nm波长左右有陡峭的截止边 ;当波长超过紫外探测器的截止波长 (36 5nm左右 ) ,探测器的响应度减小了三个数量级以上 .该紫外探测器的响     

6H-SiC高压肖特基势垒二极管

在可商业获得的 N型 6 H - Si C晶片上 ,通过化学气相淀积 ,进行同质外延生长 ,在此结构材料上 ,通过热蒸发 ,制作 Ni/6 H- Si C肖特基势垒二极管 .测量并分析了肖特基二极管的电学特性 ,结果表明 ,肖特基二极管具有较好的整流特性 :反向击穿电压约为 45 0 V,室温下 ,反向电压 VR=- 2 0 0 V时 ,反向漏电流 JL=5× 10 - 4 A· cm- 2 ;理想因子为 1.0 9,肖特基势垒高度为 1.2 4— 1.2 6 e V ,开启电压约为 0 .8V     

GaN基肖特基结构紫外探测器

在蓝宝石(0001)衬底上采用低压金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法生长GaN外延层结构,以此为材料制作了GaN基肖特基结构紫外探测器.测量了该紫外探测器的暗电流曲线、C-V特性曲线、光响应曲线和响应时间曲线.该紫外探测器在5V偏压时暗电流为0.42nA,在10V偏压时暗电流为38.5nA.在零偏压下,该紫外探测器在250nm～365nm的波长范围内有较高的响应度,峰值响应度在363nm波长处达到0.12A/W,在365nm波长左右有陡峭的截止边;当波长超过紫外探测器的截止波长(365nm左右),探测器的响应度减小了三个数量级以上.该紫外探测器的响应时间小于2μs.     

6H-SiC高压肖特基势垒二极管

在可商业获得的N型6H-SiC晶片上,通过化学气相淀积,进行同质外延生长,在此结构材料上,通过热蒸发,制作Ni/6H-SiC肖特基势垒二极管．测量并分析了肖特基二极管的电学特性,结果表明,肖特基二极管具有较好的整流特性：反向击穿电压约为450V,室温下,反向电压VR=-200V时,反向漏电流JL=5×10-4A*cm-2;理想因子为1.09,肖特基势垒高度为1.24—1.26eV,开启电压约为0.8V．