基于蒙特卡洛方法的InN基耿氏二极管偶极畴模式太赫兹频率源研究

For the requirement of small size THz source working under roomt temperature, we do research, do the work of Gunn device designing working under dipole mode.For the frequenctly carriers overshoot and undershoot in Gunn dioxde, we adopt the self-consistent solution of Monte Carlo method and Poisson equations to describe the physical characteristic and predictive the device performance.For the momentum and energy relaxation problems under high frequencies,with the help of Monte Carlo method, the relaxtion process in time and space will be researched.For the skin effect under THz frequency, we adopt the couple of Monte Carlo method and Maxwell's equations considering the skin effect with Boltzmann equation to solve the problem of device transport properties. Based on the transport research, considering the couple of Gunn dioxde and external circuit. The ralationship between different working modes, dipole transition mode domain, dipole domains domains delay mode, dipole domains quenched domain mode, and circuit parameters and oscillation performance will be researched deeply. For the problems of Gunn device performance degradation under high-temperature and high-frequency, the degradation mechanism will be conducted in-depth study based on transport studies. Finnally, construct the Gunn dioxde THz source which can satisfy the requierment of power and frequency.

为满足可工作在常温下的小型化太赫兹源的需求，本项目对工作于偶极畴模式的InN基耿氏二极管器件设计进行研究。针对太赫兹频段下耿氏二极管器件内部频繁出现的载流子上冲和下冲现象，结合泊松方程和蒙特卡洛方程的自洽求解，准确描述太赫兹源的器件物理特性，进一步对器件性能进行预测。针对高频下动量和能量弛豫问题，利用蒙特卡罗方法对耿氏二极管内部在时间和空间上出现的弛豫过程进行研究。针对耿氏二极管出现的趋肤效应问题，基于蒙特卡洛方法和麦克斯韦方程，将趋肤效应与玻尔兹曼相结合，研究器件的输运特性。在此基础上，考虑耿氏二极管和外电路的耦合问题，对工作于偶极畴不同工作模式，偶极畴渡越模式，偶极畴延迟畴模式，偶极畴淬灭畴模式与电路参数的关系及振荡性能进行深入的研究。针对高温和高频耿氏器件性能退化的问题，基于输运研究，对退化机理进行深入研究。最终建立可在常温工作并且满足功率和频率要求的InN基耿氏二极管太赫源。

由于有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少。由于太赫兹独特的技术优势，使得其在环境监控，生物分子诊断和药物鉴定，安检，太空成像和同性，无损检测等领域具有重要的应用价值和前景。太赫兹技术广泛推广的最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的太赫兹频率发射源。.本课题的研究通过蒙特卡罗输运方法能够建立太赫兹下器件电子输运的瞬态特性，输运的时间精度是飞秒尺度，完全满足电子在皮秒级的电子行为（对应THz），突破传统漂移扩散模型对瞬态输运的限制；同时基于能带的输运方法，能够准确再现耿氏二极管太赫兹震荡的物理机理，明确了谷间散射，能带非抛物线因子，有效质量等对瞬态和稳态输运以及太赫兹波的影响；最后，建立将蒙特卡罗、泊松方程、电路基尔霍夫方程相耦合的输运平台，该平台能够完成III-V族氮化物半导体材料和器件的输运计算。..研究从InN体材料输运研究和耿氏效应入手，通过蒙特卡洛输运方法求解玻尔兹曼方程，精确计算InN载流子的输运特性，并通过与泊松方程耦合的方式来获得耿氏二极管在太赫兹频率段下的直流和交流特性，掌握InN基耿氏二极管产生太赫兹波的基本规律，设计基于耿氏效应的太赫频率源。.同时本项目不仅对InN，还对GaN耿氏二极管进行了研究，对均匀掺杂耿氏二极管太赫兹源的输运特性进行了研究。基于蒙特卡洛方法和泊松方程，在太赫兹频段，对均匀掺杂GaN耿氏二极管，在直流和交流偏置下，对其输运行为进行了研究，明确了产生耿氏振荡的物理机理。研究表明，当积累畴运动到阳极，并不一定导致电流的增加，器件内部的平均速度比电子浓度对电流的影响更大。该研究表明，准确的进行基于耿氏二极管的太赫兹源研究需要采用蒙特卡洛方法，传统的漂移扩散模型不能准确描述耿氏二极管电子输运特性和解释太赫兹源产生机理。