基于新型沟槽式周期性栅晶体管的等离子体波共振探测机理及器件制备研究

Far infrared remote sensing technology is widely used in the astronomy and atmosphere detections. The plasmonic wave resonant detector basing on slit-grating-gate transistor is one of important devices which can realize tunable and room-temperature THz detection. Howerver, the detection frequency, quantum efficiency, and work temperature of the device can not fulfil the requirements of remote sensing applications. In this project, a new kind of tunable plasmonic resonant detector basing on slit-grating-gate double-channel HEMT will be fabricated and studied. Firstly, the double channel and high-Al barrier hetrostructure designs are used into the HEMT. These designs can supply the HEMT with high density of two-dimensional electron gas, high mobility, and long momentum relaxation time making the detector get into the real room-temperature THz frequency detection. Secondly, a slit grating gate design is used to better couple the incoming THz signal. The slit grating gate provides the near-field interaction with the two-dimensional electron gas plasmonic resonant making the device being tunable under gate voltages. This project will develop a new theoretical way which combines the electromagnetic Finite-difference time-domain method and quantum transportation final-element method at the two-dimensional calculation boundary conditions. With the developed Drude model, the high-order resonant Restrahlen band effect, resonant enhancement at the anticrossing regime and low frequency absorption enhancement by the double-channel hybrid effect are studied in detail. The results of this project will offer a great sustain to realizing of the tunable and room-temperature THz detection.

基于晶体管等离子体波探测器是最有希望实现远红外太赫兹遥感的探测器之一，但目前这种器件的探测频率可调性、工作温度、量子效率还没有满足应用需求，需要在等离子体波共振探测机理和基于新结构晶体管等离子体波操控方面进行深入的研究。本课题拟研制一种新型基于沟槽式周期性栅双沟道晶体管的等离子体波共振探测器。利用其具有沟道电子浓度高、迁移率高、动量弛豫时间长的优点，以及双沟道等离子体波共振杂化显著提升共振吸收强度的特点，使得探测器真正进入室温下太赫兹频率探测。同时采用沟槽式周期性栅极，为入射信号和等离子体波提供波矢补偿和近场耦合，实现连续可调探测。项目提出电磁场计算与半导体量子输运计算自洽新方法，结合光学声子修正Drude模型，澄清高阶共振Restrahlen band现象和色散交叉区域共振增强现象的物理起源，揭示等离子体波共振探测机理。为等离子体波共振探测器在远红外太赫兹遥感中的应用提供基础支撑。

III-V族半导体材料包括GaAs、InGaAs、GaN在现代微电子工业和光电领域的占据重要的地位，GaN材料由于宽的禁带和高的热导率等独特性质吸引了人们的广泛关注。带宽可集成式太赫兹器件在未来生物医学、国防安全、工业领域等方面具有广阔的应用前景。在这方面，研究III-V族器件的直流和太赫兹频率响应特性对实现单片集成光谱系统来说具有重要意义，本文的主要结果如下：.1、研究了基于GaN材料体系的极化特性，利用氮化物材料的不同极化特性可以调制器件的导带边能量分布形式，对AlGaN/GaN/InGaN/GaN双异质结器件的热电子效应进行了一系列研究，包括载流子传输模型的建立、基于界面散射研究其对器件高场输出特性的影响。结果发现：器件在高电场下的负微分电阻主要由于沟道载流子的非均匀分布形成尖锐的势垒所造成的，由于载流子的高能量非平衡分布使得沟道局域着过多的热光学声子能量，造成严重的自加热效应。.2、设计了交替周期性光栅AlGaN/GaN场效应晶体管结构，采用时域有限差分法（FDTD）数值模拟计算了二维电子气等离子体激元共振太赫兹波吸收谱。在正栅压下，填充栅可调制增强原本狭缝下方无法调制的二维电子气密度，该增强的二维电子气对金属栅下方的电子气起到一个高效的电振荡器作用，显著提高了激发等离子体激元高阶共振模式的强度，增强了太赫兹波的吸收。研究了器件载流子的弹道输运特性，表明在交变信号下由于载流子延迟效应短沟道器件呈现非单纯电阻行为。.3、研究了太赫兹辐射激发器件沟道等离子体波的物理过程，对于GaN基器件由于沟道高的载流子浓度，可以克服其他异质结构出现的2THz以上频率信号急剧衰减现象，并有望实现室温可调工作。基于流体力学模型，建立了太赫兹—等离子体波电磁耦合理论模型，对等离子体波的偶极振动规律进行研究。分析了AlN和双沟道器件的等离子体波共振特性，结果表明GaN材料器件在1～10THz频率有望实现室温太赫兹信号转换，而在10THz以上由于Restralen带的存在，等离子体波的激发受到抑制作用。