[实用新型]一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管

说明书

技术领域

本实用新型属于微电子技术领域，具体涉及一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管。

背景技术

太赫兹是介于可见光与微波之间的波段，是迄今人类尚未完全探测的一个空白领域，其物理性质独特，在通信、探测领域具有非常重要的应用前景，具有非常重要的科学研究意义，例如，它曾被日本政府认为是“改变未来的十大科学技术之首”。世界科技强国，纷纷投入人力、物力在这一领域探索科技“宝藏”。

作为太赫兹技术的第一个元素，太赫兹发射源，自然引起世界各国的重视。现阶段，太赫兹发射源主要有两类，一类是光学元件，人们试图将其振荡频率做低，延伸至太赫兹领域。另一类是电学器件，人们试图将其振荡频率做高，拓展到太赫兹领域。电学器件具有结构紧凑、体积小的特点，这在某些场合具有非常巨大的优势，因此电学的太赫兹源一直是人们研究的重点。在众多的电子学太赫兹源当中，耿氏二极管是研究的重要方向之一。特别是GaN基的耿氏二极管，更是由于其阈值电场高、击穿电压大、功率密度高、振荡频率高等特点，倍受青睐。

耿氏二极管也叫转移电荷器件（TED）,是利用耿氏振荡效应工作的。最早是在GaAs中发现的，Gunn发现，在GaAs体材料的两端施以超过某一阈值的电场时，将会产生高频振荡，发射出高频电磁波。振荡产生的频率与器件参数相关，但是最高极限受制于材料的物理性质。早期的耿氏二极管也都是GaAs基的，但是在频率性能方面，GaAs耿氏二极管的振荡频率可以达到200GHz，距离太赫兹频段尚有一段距离。而GaN耿氏二极管的最高频率可以达到4THz。因此，GaN太赫兹振荡源成为研究的重点方向。

早期的GaN太赫兹二极管的结构为简单的三明治结构，两个厚度约为100nm的n型重掺杂（掺杂浓度~1e19cm^-3）的GaN层中间夹着一个几微米厚度的轻掺杂的GaN层（掺杂浓度~1e17cm^-3量级）。两边的重掺杂区域分别充当发射区和集电区，中间的轻掺杂区域充当有源区。这种器件结构简单，但是，在有源区存在“死区”，即其中的一段长度是电子的加速区，电子经过这段距离加速才能达到“谷间散射”的速率阈值，从而开始产生耿氏振荡。为了避免“死区”，后来的研究者引入了“notch掺杂层”,即在发射区和有源区之间插入一层几十纳米厚度的低掺杂浓度层（掺杂浓度~1e16cm^-3量级）。另一种方法是加入重掺杂的AlGaN“热电子发射层”，它同样位于发射极和有源区之间。仿真的结果表明，使用“热电子”发射层之后，电子发射的位置更靠近有源区的边缘。为进一步提高器件性能，研究者使用了渐变Al组分的热电子发射层，甚至是多层渐变Al组分的热电子发射层(比如Al组分为0.01,0.08和0.15)。如此设计可以减小GaN和AlGaN的界面晶格失配，提高器件性能。

尽管采用不同的措施，这些传统器件的仍存在如下弊端：（1）传统杂质掺杂方式的激活率低，而且载流子迁移率低。由于GaN是宽禁带半导体材料，所以杂质在GaN中的激活能很高，造成掺杂杂质的激活效率很低。而且，由于杂质中心的散射作用，载流子的迁移率低。（2）杂质掺杂使晶体的质量降低很多，影响器件性能。由于GaN材料体系的掺杂必须在材料生长的同时进行，对晶体的质量会有不可避免的影响，从而影响器件性能。（3）利用AlGaN热电子发射层的器件，AlGaN和GaN之间存在很大的晶格失配，产生大量的界面缺陷，影响器件性能。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管。

一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，包括阴极电极、渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层、有源区、阳极区和阳极电极；

所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。

所述的渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层为多层。

作为优选，所述的渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层，其中有源区朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.5。