稀有金属 2004,(03),590-591 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.040

基于GaN的太拉赫兹负微分电阻振荡器

曹俊诚

中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室 上海200050 ,上海200050

摘 要：

在闪锌矿结构的GaN中 , 载流子在Γ能谷中反射能够引起负微分电阻效应。基于这种机制的GaNn+ nn+ 振荡器的自振荡频率在太拉赫兹范围内。从理论上仔细研究了这种振荡器内部电场畴的动态变化以及振荡频率对振荡器两端所加电场的依赖关系 , 并预言了利用GaN负微分电阻振荡器作为可调谐太拉赫兹源的理论可能性。

关键词：

太拉赫兹;负微分电阻;庚氏效应;

中图分类号： TN752

收稿日期：2003-09-11

基金：国家重要自然科学基金 ( 2 0 0 1CCA0 2 80 0 );重大国家研究项目特别基金 (G2 0 0 0 0 683 );上海市科技发展基金-光计划专项 ( 0 116610 75 ) 资助;

GaN Negative-Differential-Resistivity Oscillator for Terahertz Range

Abstract：

Inflection of carriers in the Γ valley, prior to the usual intervalley scattering, can cause the well-known negative differential resistance (NDR) in zinc-blende (Zb) GaN. GaN n⁺n n⁺ oscillators based on this mechanism have a self-oscillating frequency in the terahertz (THz) range. The electric domain dynamics and the self-oscillation frequency dependence on the applied dc field by the drift-diffusion model were studied carefully. The potential application of GaN Gunn diodes as tunable oscillators working in the THz regime was predicted.

Keyword：

terahertz; negative-differential-resistivity; gunn-effect;

Received： 2003-09-11

近年来, 宽带隙的Ⅲ-N化合物吸引了越来越多的理论和实验的研究 ^[1,2] ; 与已经得到广泛应用的GaAs, InP等Ⅲ-Ⅴ材料相比, 它们有更大的优势。 比如, 能够承受更大的电场强度, 具有更高的饱和速度, 低的噪声率和高的工作温度等。 最近的研究表明, GaN负微分电阻 (耿氏) 振荡器的频率可以在太拉赫兹范围。 在GaN中, 振荡的产生是由于载流子在Γ能谷中反射造成的。 所谓的反射点就是电子的群速度的微分 (ν_k=dE/dk) 为零的点。 在这点电子的速度最大。 如果电子能量继续增大, 则其速度反而会减小, 也就是说电子的有效质量为负值。 电子在Γ能谷中反射和通常熟知的电子在Γ能谷和L能谷间的散射是产生负微分电阻的两种不同的相互竞争的机制。 究竟哪种机制起主要作用要看反射点的能量和次低能谷能量之间的大小关系。 在闪锌矿结构的GaN中, 反射点能量低于次低能谷能量最低点的能量, 所以前者起主导作用, 如图1所示。

1 直流电场下振荡器内电场畴及频率对电场的依赖关系

研究的闪锌矿结构的GaN n⁺n n⁺ 振荡器长度为0.3 μm, 搀杂浓度分别为[n⁺]=10¹⁹ cm^-3和[n]=10¹⁸ cm^-3。 我们使用漂移-扩散模型研究振荡器内电场畴的瞬态变化特征以及自振荡频率对直流电场的依赖关系, 得到如图2, 3所示的结果。

振荡器两端电压在开始的0.2 ns内稳定增加到3.0 V以防止击穿, 此后电压稳定在3.0 V。 阴极的电子在向阳极迁移过程中被电场加速, 能量逐渐增加, 速度也越来越大。 当电子的能量达到反射点处的值后, 随着能量的增加其速度反而减小, 这样原来的电子的均匀分布不再稳定, 在阴极附近会形成电子浓度分布不均匀, 从而形成电场畴。 图2为振荡器内电场畴随时间 (横坐标) 和空间 (纵坐标) 的等高图, 从图中可以看出电场畴的变化规律: 它首先在阴极附近形成, 然后随着向阳极的移动强度越来越大, 最后到达阳极消失。 电场畴的形成是产生振荡电流的原因。 我们所研究的GaN振荡器的振荡电流频率约为1.78 THz。

图1 闪锌矿结构GaN能带 (上半部分) 和群速度 (下半部分) 示意图

Fig.1 Energy band structure (top) and group relocity (botton) of zinc-blende GaN

图2 电场畴的时间空间变化图

Fig.2 Spatiotemporal evolution of the electric field

图3 自振荡频率与所加直流电压关系图

Fig.3 Dependence of self-oscillation frequencies on dc biases

还研究了在不同的掺杂下, 电流自振荡频率随加在振荡器两端直流电压的变化特征, 结果如图3所示。 在给定搀杂的情况下, 振荡器存在2个临界电压值V^*和V^** (V^*<V^**) 。 位于这两个值之间的偏压可以引起电流振荡。 如果电压高于V^**或者低于V^*, 电流经过短暂的振荡后会达到一个稳定的值而不会有振荡。 使直流偏压从V^*～V^**稳定增加, 可以发现自振荡频率首先逐渐降低, 达到一个最小值后随着电压的增加又逐渐增大。 事实上, 随着直流偏压的变化, 可以有各种各样复杂的振荡模式形成。 这个结果与一些负有效质量半导体超晶格在直流偏压下的振荡频率变化规律非常相似 ^[3] 。 从图3还可看出, 在可以产生振荡电流的搀杂范围内, 相同的偏压下掺杂浓度越低, 自振荡电流的频率越高。

2 结 论

使用漂移-扩散模型从理论上研究了利用电子在Γ能谷中反射引起的负微分电阻效应设计的GaN n⁺n n⁺ 振荡器。 在直流偏压下, 振荡器内部可以产生复杂的电场畴, 从而产生自振荡电流, 频率在THz范围内。 自振荡频率随直流电压的变化规律说明, 可以以这种振荡器为基础来设计可调谐的THz源。

参考文献

[1] 　KrishnamurthyS , SchilfgaardeMvan, SherA , etal.　Bandstructureeffectonhigh fieldtransportinGaNandGaNAl[J].Appl.Phys.Lett., 1999, 71:1997.

[2] 　JoshiRP , ViswanadhaS .　MontecarloanalysisofGaN basedGunnOscillatorsformicrowavepowergeneration[J].J.Appl.Phys., 2003.4836.

[3] 　CaoJC , LeiXL .　Chaoticdynamicsinterahertiz drivensemicon ductorswithnegtiveeffectivemass[J].Phys.Rev.B , 2001.115308.