利用非对称双栅InAlGaN/GaN HEMT实现的可调谐非共振太赫兹探测

作者：Shivansh Awasthi、Vikas Kumar、Ankur Gupta

印度德里印度理工学院（IIT D）应用电子研究中心（CARE）集成系统实验室，新德里110016

摘要

本文提出了一种单通道非对称双栅（ADG）InAlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），用于在不同温度条件下实现可调谐、非共振的太赫兹（THz）波检测。引入四元InAlGaN势垒后，与传统的AlGaN HEMT相比，二维电子气（2DEG）密度得到提高，从而改善了电子传输性能。数值模拟表明，该探测器可实现高达12,000 V/W的响应度和80 pW/Hz0.5的最小噪声等效功率（NEP）。在该器件配置中，主栅极暴露于THz辐射下，而次级栅极通过直流偏置来控制载流子分布。为了突出这种单通道ADG四元势垒设计的优势，将其检测性能与多通道AlGaN/GaN HEMT进行了比较。最后，分析了高温（高达200 °C）对响应度和NEP的影响，证明了其稳定的性能，并为高温THz传感应用提供了途径。

引言

太赫兹波（200 GHz至20 THz）由于其独特的非电离特性，在医学成像、隐藏武器检测、无损检测、无线通信和光谱学等多种应用中展现出巨大潜力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。作为X射线等电离辐射的安全替代品，开发灵敏且高效的THz探测器变得越来越重要，这也是一个活跃的研究领域[11]、[12]、[13]。迄今为止已经提出了多种类型的THz探测器，可以分为不同的类别：热探测器（例如，玻尔兹曼探测器）、光子探测器（例如，肖特基势垒二极管）、基于碳纳米管（CNTs）的探测器、热电探测器以及基于等离子体波的探测器（例如，MOSFET和III-V族HEMT）[14]、[15]、[16]、[17]。基于场效应晶体管的太赫兹探测器（THz-FET）最初由M. Shur和D. Dyakonov[18]提出，利用了等离子体波中的电阻混合效应。此后，开发了多种基于FET的THz探测器，采用了MOSFET、石墨烯FET以及其他二维（2D）材料[19]、[20]。许多THz-FET是使用标准硅CMOS技术制造的[21]。然而，CMOS的固有局限性（如低电子迁移率和有限的高频性能）限制了其在THz检测中的有效性。

AlGaN/GaN HEMT最近作为有前景的THz探测器器件出现，这得益于GaN的材料优势，如高饱和速度、较大的击穿场强、高电子迁移率、高2DEG密度、强的抗辐射能力和较高的击穿电压[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。这些特性使得基于AlGaN/GaN HEMT的THz探测器能够实现低NEP和高响应度。已有几种基于AlGaN/GaN HEMT的THz探测器在文献中被提出并报道[15]、[28]、[29]、[30]、[31]。尽管大多数研究集中在单通道和双通道AlGaN/GaN HEMT架构上以提升THz检测性能，但四元势垒材料（如InAlGaN）的潜力尚未得到充分探索[32]、[33]。与AlGaN相比，InAlGaN具有更好的横向传输特性和更佳的晶格匹配度，从而提高了2DEG密度[34]、[35]。因此，研究其在这些先进势垒配置下的THz检测性能以及高温对THz性能的影响非常重要，因为它们具有更好的材料特性。

在本研究中，我们提出了SC-ADG InAlGaN/GaN HEMT结构，其中主栅极暴露于THz辐射下，而次级栅极通过直流电压独立控制。研究了次级栅极直流偏置对探测器响应的增强作用。将所提出的结构与多通道AlGaN/GaN HEMT基THz探测器进行了比较，以评估响应度和NEP的改进情况。对SC-ADG InAlGaN/GaN HEMT和多通道HEMT（MC-HEMT）配置进行了结构优化。在宽温度范围（25 °C至200 °C）内分析了检测性能，以评估所提结构的热稳定性。本文的结构如下：第2节描述了测量设置和提出的THz探测器设计；第3节详细介绍了THz检测原理；第4节在不同温度下优化并分析了THz检测性能；第5节总结了全文。

章节摘录

基线直流测量和提出的InAlGaN/GaN HEMT THz探测器设计

图1(a)展示了AlGaN/GaN HEMT器件的光学显微图像，图1(b)展示了相应的I_D-V_D特性。图2说明了测量装置，该装置由Lake Shore DC探针站组成。我们之前的工作[23]中对器件进行了高达40 GHz的S参数RF测量。该器件表现出优异的S₂₁增益，表明其具有THz检测潜力。尽管基于AlGaN势垒的HEMT已被用于THz检测

THz检测机制和建模

Dyakonov和Shur[18]建立了使用FET进行THz检测的基本理论，其中HEMT中的2DEG可以支持与入射电磁辐射共振的等离子体振荡。根据他们的模型，基于FET的THz探测器不受载流子传输时间的限制，可以在几太赫兹的频率下工作。他们提出，当FET在栅极电压下偏置并受到THz辐射照射时，会在漏极端产生响应。

结果与讨论

图5(a)和图5(b)分别展示了InAlGaN HEMT传输特性（I_D-V_G）和响应电压（ΔU）随铟成分和栅极-2直流电压的变化情况。在图5(a)中，随着铟含量的增加，由于合金散射增加和载流子迁移率降低，漏极电流减小；而较低的铟含量则由于电子传输改善和散射减少而使电流增强

结论

与基于AlGaN的MC-HEMT相比，提出的SC-ADG InAlGaN/GaN HEMT在高性能THz波检测方面具有显著优势。使用四元InAlGaN势垒层后，Rv,max提高了12,737 V/W，NEPmin达到了80 pW/Hz0.5，且无需额外的外延制造工艺。SC-ADG InAlGaN HEMT的次级栅极直流电压优化为4 V，铟含量优化为8%，以最大化探测器的Rv。

CRediT作者贡献声明

Ankur Gupta：项目监督、项目管理、研究工作及资金获取。Vikas Kumar：撰写、审稿与编辑。Shivansh Awasthi：撰写初稿、软件开发、方法论设计、数据整理及概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度德里的固态物理实验室（SSPL）制造了GaN HEMT器件。