太赫兹频段InP基共振隧穿二极管及其振荡器的研究

太赫兹频段InP基共振隧穿二极管及其振荡器的研究
近年来,太赫兹(THz)波独特的性质使得其在高速无线通信、安检成像等领域表现出巨大的应用潜力,其中紧凑和室温工作的太赫兹源是其应用系统的关键组成。

基于磷化铟(InP)基共振隧穿二极管(RTD)的太赫兹振荡器以其结构紧凑、室温工作、有一定输出功率和覆盖频率较宽等优点而受到了广泛的关注。

然而,目前限制InP基RTD振荡器应用的主要因素是其输出功率偏低(一般不足1 mW)。

本文通过研究提升RTD器件性能、RTD器件精确测试与建模和振荡电路阻抗匹配特点,为提升RTD振荡器输出功率奠定基础,主要开展了 RTD器件材料结构优化设计、可精确控制结区面积的器件制备工艺、RTD器件测试建模和RTD 振荡电路阻抗匹配等四部分的研究:1.提出并验证了优化发射极隔离层厚度来提升RTD振荡器功率密度的方法。

理论上研究了 RTD分层材料结构对器件电学性能的影响规律,针对材料结构设计中RTD器件负微分电导区域的电压宽度和电流宽度难以同时增大的问题,提出了优化发射极隔离层厚度的方法,进行了相应的In0.8Ga0.2As/AlAsRTD材料结构设计,并完成实验验证。

2.RTD器件结区面积直接决定了器件的功率和频率特性,同时,适用于太赫兹频段的RTD器件需要低寄生参量,本文通过研究InGaAs的横向湿法刻蚀各向异性特点,提出并开发了一种利用在线I-V测试来制备空气桥结构RTD器件并精确控制结区面积的稳定工艺,从而在工艺层面确保RTD器件电学性能的稳定性。

3.RTD器件的结区电容对器件建模和振荡器电路设计具有重要的作用,但实验中由于测试系统中存在难以消除的低频振荡,其结区电容难以通过传统C-V测试方法来提取,本课题采用了高频测试方法测试了 RTD的散射参数,然后利用较
高频段的测试数据进行结区电容的提取,该方法可以有效消除低频振荡的影响,进而精确提取RTD器件结区电容,可实现更精确的RTD器件建模。

4.提出了 RTD 振荡电路的阻抗匹配设计方法。

针对不同结区面积RTD振荡器难以有效提高输出功率的问题,本课题基于建立的RTD等效模型进行了的阻抗匹配理论研究,得出了不同结区面积RTD振荡器输出功率对应最佳匹配负载的规律,提出了针对不同结区面积进行特定阻抗匹配的方法,该方法可以在电路层面有效提高振荡器输出功率。