4的前景h-sic双漂移区域碰撞雪崩渡越时间设备作为对光敏感大功率来源为0.7兆赫频率政权

文摘

基于宽禁带4的动态性能h-sic双漂移区域()冲渡二极体模拟首次在太赫兹频率(0.7兆赫)地区。模拟实验建立的潜力SiC基础冲渡二极体作为高功率( )太赫兹源。设备发现的寄生串联电阻减少10.7%的功率输出。外部辐射对模拟二极管的影响也进行了研究。发现(我)负电导和(2)二极管的负阻降低,同时,操作的频率和质量因素转变photoillumination下向上。洞4 h-sic碰撞雪崩渡越时间发现主导调制为基础的活动。的不平等级半导体中的电子和空穴电离率可能与这些发现。

1。介绍

太赫兹(太赫兹)科技快速发展的世界各地。有强烈的兴趣的剥削太赫兹频率范围在几乎所有领域的基本的自然科学(物理、化学和生物)以及医学(1]。太赫兹应用程序和技术操作的范围在300 GHz 10太赫兹(1毫米到30微米)吸引增加军事和安全领域的兴趣。世界各地的科学家正在寻找大功率固态源可作为有效的太赫兹源。雪崩影响运输时间(碰撞雪崩渡越时间)二极管是最强大的固态源在毫米和sub-mm-wave频率和广泛应用于各种民用和空间通信系统以及高功率雷达、导弹搜索者,等等。传统碰撞雪崩渡越时间在砷化镓二极管制造(砷化镓)和Si(硅)被发现是可靠的,但这些都是限制权力和操作频率由于基本材料参数的限制。满足逐渐需求高功率太赫兹固态源,广泛的研究正在进行开发的高功率(瓦特级)碰撞雪崩渡越时间的设备可以在高频区域操作。一种方法是使用力量结合技术增加碰撞雪崩渡越时间设备的输出功率,但实际上很难结合大量的设备。另一个选择是开发碰撞雪崩渡越时间设备从宽禁带半导体(银行)有高批判性电场()和热导率()[2]。高价值的以及高饱和漂移速度的电荷载体(),是必不可少的标准选择适合碰撞雪崩渡越时间的基础半导体材料制造,由于功率密度()的一个设备碰撞雪崩渡越时间成正比。此外,在太赫兹设备达到良好的热稳定性、导热基材应该高价值()也。考虑到所有这些事实,世行集团半导体碳化硅(碳化硅)是一种高能碰撞雪崩渡越时间的自动选择设计,因为这种材料提供了至少(我)(二),(iii),相比传统的硅,砷化镓,并输入(磷化铟)。这意味着,SiC碰撞雪崩渡越时间可能会产生比其同行。世行集团的预期表现出色的应用设备可以通过数据的价值评估(FOM)。凯斯的FOM认为晶体管的速度和热限制,和约翰逊的FOM认为高频大功率设备的能力。采取凯斯和约翰逊的FOM Si的团结,凯斯的砷化镓和约翰逊的是0.45和7.1,分别,而4 h-sic是5.1和2782]。高频的fom和高温后,发现操作SiC优于硅和砷化镓。散装的可用性4 h-sic多种类型的晶圆形式(3,4)帮助SiC成为相对成熟的宽禁带半导体技术。所以,根据制造工艺的成熟和独特的材料参数,世行集团半导体,特别是SiC似乎是最好的选择,总的来说,未来十年的设备发展特别是在太赫兹。在低频区域,4的优越性h-sic-based碰撞雪崩渡越时间在传统碰撞雪崩渡越时间已经报道(5]。但原文如此的前景作为高功率太赫兹源还没有探索。作者在本文中首次报道的潜力4 h-sic适合太赫兹的基材碰撞雪崩渡越时间的设备。目前,两个在SiC研究碳化硅多型的流行:6 h-sic 4 h-sic。虽然多型体都有相似的属性,4 h-sic优于6 h-sic因为承运人的机动性在4 h-sic各向同性,即相同的两架飞机(平行和垂直于c设在)六角半导体,而在6 h-sic,航空公司表现出各向异性的流动性。此外,它已经报道,4的高频性能h-sic碰撞雪崩渡越时间远比其6 h-sic同行的以及(6]。因此,生成的可能性高功率从一个碰撞雪崩渡越时间已经被研究了直流小信号特性,世行集团4 h-sic-based平坦曲线DDR(双漂移区域,在太赫兹)冲渡二极体模拟操作制度。

寄生积极的串联电阻()是一个至关重要的参数,限制功耗在高频碰撞雪崩渡越时间,导致烧坏的问题。除了衬底的贡献,pn结二极管参数,尤其是耗尽层的宽度,掺杂浓度,等等,也有助于。此外,设备的接触电阻很大程度上有助于总寄生串联电阻。作者已经确定的价值模拟碰撞雪崩渡越时间的设备考虑基质的贡献,未用尽的外延层和欧姆接触。作者评估的价值通过广义模拟技术设计的二极管,及其对开发的影响功率的设备也被模拟。

光控制的动态属性太赫兹碰撞雪崩渡越时间设备可以有巨大的应用先进的雷达和通信系统空间。基本过程是,当一个光子的能量(由于光学/其他辐射)hν大于半导体的带隙的边缘被吸收的逆转偏见pn结冲渡二极体,创造额外的电子空穴对二极管的活跃区域内进行。这些photogenerated运营商产生光电流,从而提高现有热冲渡二极体漏电流。增强的泄漏电流改变了雪崩二极管的相位延迟,后来修改阶段,大小设备终端当前的振荡器电路。前面的实验(7),以及理论(5,6]研究光照亮碰撞雪崩渡越时间二极管表明photogenerated运营商降低效率和输出功率的设备,但是增加的调谐范围mm-wave频段的设备。此外,最近的一份报告对电离辐射的影响如果冲渡二极体特性建立控制碰撞雪崩渡越时间性能的任何外部辐射是一个新兴的技术,目前正在探索的重要应用可能性(8]。这些有趣的结果photoilluminated碰撞雪崩渡越时间促使作者调查理论上外部辐射的作用在调节的动态属性4 h-sic DDR太赫兹碰撞雪崩渡越时间。修改后的仿真方案被用于此目的。

2。理论模拟技术

模拟方法包含三个部分:(i)直流分析,(2)小信号分析,(3)模拟技术研究照明效果。冲渡二极体基本上是一个pn结二极管反向偏置时,雪崩击穿条件。pn结的一维模型一直被认为在目前的分析。以下假设了在直流小信号行为的模拟4 h-sic DDR碰撞雪崩渡越时间二极管:(i)电子和孔速度已饱和,独立于电场在空间电荷层,(2)载体的影响出发认为,和(3)载体扩散的影响一直被忽视。

4 h-sic DDR二极管首先是设计和优化通过广义双迭代模拟技术用于分析碰撞雪崩渡越时间行动9]。该方法涉及迭代领域最大的大小(耗尽层)和它的位置。电场和运营商当前概要文件通过联立解泊松和电流连续性方程。材料参数的实验值,即现实场依赖性的电离率、饱和漂移速度和机动性的航空公司4 h-sic [10)包含在目前的分析。结温度为300 K。设备尺寸、掺杂和二极管的电流密度(表所示1)优化操作在700 GHz经过几个电脑运行。

的小信号分析进行冲渡二极体通过双重迭代模拟技术(9),用于解决两个二阶微分方程涉及二极管电阻()和电抗()。小信号导纳特性(负电导()与电纳(情节),设备负阻,和设备质量因子()优化的SiC DDR二极管是由这种技术在满足适当的边界条件(11]。总集成负阻()和电抗()的二极管可以确定在一个特定的频率ω的电阻率的数值积分()和反应()配置文件在耗尽层(耗尽层宽度),如下: 二极管阻抗表示为。

此外,总二极管阻抗得到的, 二极管总负电导()和电纳()计算从以下表达式: 和是的函数电压()和频率的振荡是由稳态条件(12), 在哪里是负载电导。,,二极管的面积归一化。的关系提供了最低的不确定性在低功率振荡阈值。作者评估使用的现实分析从导纳特性Gummel和蓝色(13],Alderstein et al。12)没有任何激烈的假设。在小信号条件下,(振幅swing)已被视为,假设50%调制的击穿电压。对于这样一个小的价值,已经被考虑计算的价值几乎等于二极管电导(在共振)。的最大功率密度()从设备得到的表达式

二极管负电导在最佳频率()是二极管的面积归一化。太空步目前仿真技术是设置为10∼⁻¹⁰m。早些时候报道了该仿真方法的有效性subterahertz和太赫兹碰撞雪崩渡越时间二极管(11,14]。

泄漏电流(),进入逆转偏见pn结的耗尽区冲渡二极体,通常是由于热产生的电子和空穴它太小,电子和空穴电流倍增系数, 可以被认为是无限大。因此,增强光照明下的泄漏电流的设备表现为降低。DDR碰撞雪崩渡越时间结构,光电流的成分可能被闪亮的一束激光选择性地改变或设备通过捏造的光学窗口适当的直径,使二极管安装在微波腔。因此,电子饱和电流饱和电流和洞分开可能会增强,这将产生小信号的变化应用设备的行为。顶部安装(TM)和倒装芯片(FC)结构,如图1说明了光学照明方案生成电子和孔的光电流主导,分别。为了评估泄漏电流的作用在控制的动态属性4 h-sic碰撞雪崩渡越时间振荡器,仿真研究是由作者的影响(保持非常高的∼10⁶),(保持非常高的∼10⁶)(我)小信号负电导,(ii)力量,(iii)设备负阻()的平剖面4 h-sic DDR碰撞雪崩渡越时间。基于修改边界条件的数学计算的细节描述由于泄漏电流增强其他地方(11]。

3所示。结果和讨论

优化设计参数的unilluminated SiC DDR冲渡二极体和都是大(= 10吗⁶在上一节中提到的。直流和高频特性的模拟二极管被发表在表2并将第一次讨论。表2显示了太赫兹冲渡二极体基于碳化硅分解为55.3 V。模拟二极管能够生成一个最大值的Wm⁻²效率为10.5%。

表3显示的价值0.7太赫兹的模拟二极管。的小信号值负电导()、电纳(),和预期的负载电导值(在低功率振荡阈值)也报道,在桌子上3。R的值_年代找到4 h-sic碰撞雪崩渡越时间Ω米²。欧姆接触电阻可能会严重限制了高频宽禁带碰撞雪崩渡越时间(太赫兹级别)性能的设备,因此存在接触电阻应包含在现实的积极考虑寄生串联电阻。最近的一项研究表明,欧姆接触n-SiC是由使用纯镍基与薄层底层硅层。通过这种方法,一个稳定和10∼n-SiC接触电阻率低⁻⁷Ω厘米²可以实现在实践中(15]。非常低的具体接触电阻p-SiC没有在现实中实现。使用合金成分如Ni / Al p-SiC,接触电阻率∼10⁻⁶Ω厘米²可以实现在实践中(16]。更值得注意的是,为了得到明显的权力从太赫兹源(瓦特级),特定的接触电阻(低∼10⁻⁷Ω厘米²)应该实现,因为在太赫兹地区内在二极管负电阻通常是非常小的。它可能是预测,进一步增加p-SiC半导体材料的掺杂浓度,所需的接触电阻率∼10⁻⁷Ω厘米²可能在现实中实现。因此,更现实的价值观有效的寄生串联电阻(,包括接触电阻的贡献)成为约Ω米²4 h-sic碰撞雪崩渡越时间。如此低的接触电阻测量可能与输电线路测量(TLM)技术。的影响在二极管的图所示2。它是反映在图上2即使在上述的存在一个明显的功率密度的Wm⁻²可能从模拟获得太赫兹设备。

图3太赫兹二极管显示了小信号阻抗图。图表表明,该设备具有负阻对所有频率高于雪崩频率(),其电容电抗。这是由于这一事实,在振荡频率范围的大小发现是小相比呢。这也是明显的从图3的值和随着工作频率的增加减少。

电子和洞控制光电流的影响在世行集团碰撞雪崩渡越时间的太赫兹性能提出了表4。表中显示的值二极管的减少的降低和。同时,该设备的频率范围展览负电导,转向更高频率的降低以及。输出数据照亮TM和FC平DDR碰撞雪崩渡越时间二极管(表4)表明,负电导值的峰值频率减少6.7%减少从10⁶应用太赫兹设备到25,而类似的降低,减少了23.0%。相同的趋势反映在数据上4(一)和4 (b)的导纳图,应用photoilluminated太赫兹设备绘制。数据显示,孔的影响主要在调制光电流导纳特性比电子占据突出的光电流。最优频率振荡()照亮碳化硅二极管增加了11.4%减少从10⁶到25岁。然而,对于类似的变化向上移要高得多(29.0%)。

数据5(一个)和5 (b)显示配置文件负电阻率的峰值频率对应于不同的值(),(分别为应用二极管。负电阻率资料给物理洞察力有助于耗尽层的区域权力。在每种情况下,概要文件的特点是两个负电阻率的峰值在中间的两个漂移层二极管雪崩地区下降空间。从数据中观察到的是,由于电子和洞光电流的增强,电子的负电阻率的峰值,洞漂移层逐渐消沉。还发现,减少负电阻率的峰值的大小的变化更明显比同样的对应孔控制光电流的变化对应于电子控制光电流。

模拟研究还描述了,在4 h-sic DDR碰撞雪崩渡越时间的情况下,减少从10⁶25,在二极管负阻发生减少了54.0% ()。另一方面,改变从10⁶至25日减少74.3%(表4)。

输出功率的变化与最佳频率的不同的值和也见表4。再次,从研究中发现设备质量的大小因素的最佳频率振荡增加明显减少而相同的变化值(表4)。

泄漏电流的增强电子和洞主导光电流从而导致减少,和同时向上移。虽然photo-generated泄漏电流由孔调节设备的直流和高频特性明显,由电子在调制相同的相对较少的影响。mm-wave Si DDR,据报道,电子饱和电流更占主导地位的改变和(7]。在Si,电子电离率大于孔电离率。这意味着,通过控制DDR碰撞雪崩渡越时间行动将通过提高电离运营商Si,更高的频移可能实现。同样的逻辑,也可以得出结论,在4 h-sic,洞比电子电离运营商,因为4 h-sic DDR碰撞雪崩渡越时间在太赫兹光照明下光电流主导区域更敏感的洞。这个洞泄漏电流的相对优势在光学控制4 h-sic DDR碰撞雪崩渡越时间性能的不平等可以归因于电离系数值在4 h-sic [10]。

的热导率4 h-sic (∼500 W⁻¹K⁻¹)是非常高的。这有助于消散的SiC碰撞雪崩渡越时间生成的热量迅速从结。此外,如果钻石散热器采用的实际实现4 h-sic太赫兹碰撞雪崩渡越时间装置,如此高的有效热导率会增加价值,结温不会显著增加环境(300 K),虽然设备产量的Wm⁻²。

由于缺乏任何实验数据SiC太赫兹冲渡二极体,仿真结果无法比较。然而,变化太赫兹的本质属性的设计下二极管photoillumination的协议与实验结果趋势Si-based冲渡二极体在较低频率区域。它可能是这里提到的大信号计算机模拟可以提供改进的量化信息的影响光学频率调谐以及照明输出功率,但应对光照明的性质,预测的小信号分析,将保持不变。

4所示。结论

当前模拟研究建立4 h-sic-based DDR冲渡二极体可以产生高功率甚至在太赫兹频率高达0.7。在早些时候的报道文献[14),操作仅限于0.5太赫兹的频率。此外,本文作者实际模拟的价值总寄生串联电阻对太赫兹SiC碰撞雪崩渡越时间,其中包括贡献来自二极管以及欧姆接触电阻,同时,在上一篇文章14),由于没有考虑接触金属串联电阻。基于总串联电阻的信息,本文提供一个可以得到更准确的想法SiC DDR的可利用的功率二极管在太赫兹。此外,外部辐射的影响在这个设备上0.7太赫兹似乎明显突出。因此预计photo-irradiated 4 h-sic DDR碰撞雪崩渡越时间在更高频率的频率调谐能力会好点。讨论实验验证的可行性并不包含在上一篇文章(14]。在本文中,作者将讨论以下的可能性上的光学照明实验验证4 h-sic DDR二极管。实现4 h-sic太赫兹冲渡二极体可能通过以下流程步骤。

设备制造流程步骤,如光刻后,沉积的金属接触。通过活性离子蚀刻和台面形成。

太赫兹属性的描述可能介质共面波导,设备在波导不可或缺的一部分。

太赫兹(0.1 - 1太赫兹)动力传动,金属狭缝波导,捏造锯270μm宽缝通过一个140毫米宽,300μm厚硅板可以使用(图6)[18]。更高的频率(3太赫兹)权力交接,带状结构制造从陶瓷氧化铝可以利用17]。原理图的结构如图7(一)和7 (b)。

测量太赫兹的功率和频率可能会用太赫兹矢量网络分析仪(VNA),或者采用光电导法(如右侧图所示图6)。

一个如图的安排类似8和9适当修改,包括光电导检测太赫兹的功率和频率,可以用于光学照明实验4 h-sic碰撞雪崩渡越时间。辐射强度可能实验增加了一个凸透镜,表示图8。

认为这些发现可能用于实现光学太赫兹模块有效应用程序集成在太赫兹通信和星际探险。

确认

作者(Moumita慕克吉)和(Nilratan Mazumder)希望表达他们的感谢导演,加尔各答国际信息技术研究所,他对工作的兴趣。Moumita慕克吉感谢国防研究与发展组织(DRDO),印度新德里高级研究奖学金授予她开展这项工作。初步仿真结果ka波段4 h-sic碰撞雪崩渡越时间二极管院刊发表在12日Microcoll微波通信会议期间举行2007年5月14 - 16在布达佩斯,匈牙利,187 - 190页。

引用

1. p·h·西格尔,“太赫兹技术”,IEEE微波理论和技术,50卷,不。3,910页,2002年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 诉诉Buniatyan和v . m . Aroutiounian”差距半导体微波设备”,物理学杂志D,40卷,不。20,6355页,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. r . Madar”,在争用碳化硅,”自然,卷430,不。7003年,974页,2004。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. r . Yakimova和e·简森,”现状和进展SiC的增长,”钻石和相关材料,9卷,不。3 - 6,432页,2000。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. m·穆克吉:Mazumder, a . Dasgupta”分析photo-illuminated毫米波大功率碰撞雪崩渡越时间振荡器,”微波通信学报12 Microcoll会议(割' 07)p。187年,布达佩斯,匈牙利,2007年5月。视图:谷歌学术搜索
6. m·穆克吉和n . Mazumder”效应的光学照明h-sic DDR碰撞雪崩渡越时间二极管140 GHz, 4日”学报》第三届国际会议上电脑和设备通信(编解码器06年)p。298年,加尔各答,印度,2006年12月。视图:谷歌学术搜索
7. 惠普Vyas以及、r·j·古特曼和j·m·博雷戈,“孔效应和电子光电流在碰撞雪崩渡越时间振荡器的微波相互作用,“IEEE电子设备,26卷,不。3,232页,1979年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m . b . Tagaev“电离辐射对硅冲渡二极体特性的影响,“土耳其物理学杂志,23卷,不。6,985页,1999。视图:谷歌学术搜索
9. s·k·罗伊,m .曾经r . Ghosh和比比Pal,“直流领域计算机方法和载体当前配置文件在碰撞雪崩渡越时间设备从字段中极值在耗尽层,”学报第一会议上数值分析的半导体器件(NASECODE I)艾德,j·h·米勒,p。266年,都柏林,爱尔兰,1979年6月。视图:谷歌学术搜索
10. “电子档案:新半导体材料、特点和性质,“http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC。视图:谷歌学术搜索
11. m·慕克吉n . Mazumder s . k .罗伊和k他,:“GaN冲渡二极体:对光敏感的高功率太赫兹源”半导体科学技术,22卷,不。12,1258页,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. l·h·m·g·阿德勒施泰因Holway Jr .)和s . l . g .楚“碰撞雪崩渡越时间二极管串联电阻的测量IEEE电子设备,30卷,不。2,179页,1983年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. h . k . Gummel和j·l·蓝”,一个小信号理论碰撞雪崩渡越时间二极管的雪崩噪声”IEEE电子设备,14卷,不。9,569页,1967。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. m·穆克吉和n . Mazumder”光照亮4 h-sic太赫兹碰撞雪崩渡越时间装置,”埃及《固体,30卷,不。1,87页,2007。视图:谷歌学术搜索
15. p•弗里德里希•“制造碳化硅电力设备技术挑战,”《CS MANTECH会议美国德克萨斯州奥斯汀市,221年,页,2007年5月。视图:谷歌学术搜索
16. h .稳索m . Lazar p Brosselard et al .,“Ni-Al p型4 h-sic欧姆接触,”超晶格和微观结构,40卷,不。4 - 6,626页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. c .叶、f . Shimabukuro和p h·西格尔,“低损耗太赫兹带状波导,”应用光学,44卷,不。28日,5937页,2005年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. m .韦希特尔·m·内格尔,h . Kurz”金属狭缝波导无色散低损耗太赫兹信号传输,”应用物理快报,卷90,不。6篇文章ID 061111 3页,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2008 Moumita穆克吉等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。