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基于蓝宝石衬底的室温可重复氮化物共振隧穿二极管
2019-03-22 14:31:44 | 【 【打印】【关闭】

  太赫兹技术作为一门新兴的科学技术,在安全检测、物质识别、保密通讯、宇宙探测、高精度雷达、组织活检、瞬态光谱研究等方面具有重要的应用前景,寻找合适的太赫兹源是太赫兹技术研究中的重点研究方向之一。其中,基于共振隧穿二极管(RTD)的太赫兹震荡源具有体积小、能量转换效率高、波长连续可调、易于集成、室温工作、可光电集成等优势,成为实现可实用太赫兹器件源的重要选择。

  近年来,氮化物凭借其高饱和载流子漂移速率、高击穿场强、高热导率、耐辐射、更大范围的可调禁带宽度等优点,成为国际上光电器件材料研究的热点。基于氮化物的共振隧穿二极管被认为是实现室温大功率太赫兹振荡源的理想器件,是目前国际上RTD研究的热点。然而,由于材料质量问题,蓝宝石衬底上生长制备的RTD难以实现稳定工作,目前室温可重复的结果仅限于少数自支撑GaN衬底上生长制备的RTD,更加廉价、利于商业集成的蓝宝石衬底上生长的稳定RTD尚未见报道。同时由于缺陷和极化场的影响,器件本征的输运特性未得到细致的研究。

 

  近期,北京大学物理学院宽禁带中心王新强、沈波课题组和中物院微太中心苏娟、谭为等合作,应用分子束外延法在蓝宝石/GaN模板上成功实现了微分负阻室温可重复的AlN/GaN RTD,并对它的电学特性进行了详细的研究。在室温下,该样品表现出两个稳定可重复的共振隧穿峰,电流峰谷比分别为1.8和1.3, 峰值电流密度达到5kA/cm2和164 kA/cm2。通过变温测试,在反向偏压下发现一段负温度系数的电流震荡区域,并结合理论计算证实此震荡结构源于费米能级依次与量子阱中不同束缚能级对齐产生的共振隧穿。在每个共振隧穿峰前,还观察到了发射极积累层准连续态与量子阱中束缚能级共振隧穿引起的复制峰。 在考虑极化场和能带的非抛物性后,上述观察到的共振隧穿现象与能带计算结果一一得到了对应,理论与实验符合得很好。值得说明的是,实验中采用的势垒厚度仍偏厚,而且尚未使用AlGaN势垒,器件的性能尚存巨大提升空间。

  该结果证实了在蓝宝石衬底上生长氮化物进行共振隧穿精确控制的可能,为实现氮化物共振隧穿结构提供了新的、更加廉价、易于集成的衬底选择,并将大大推动基于蓝宝石衬底甚至硅衬底上氮化物单片微波集成电路的发展。相关工作在线发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201800651)上,文章第一作者为博士生王丁。 

来源:http://www.materialsviewschina.com/2019/03/35209/

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