基于二维电子气的太赫兹器件相关理论研究

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1、ElectronGasBasedTHzDevicesByRen—BingTanADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofCondensedMatterPhysicsSuzhouInstituteofNano．TechandNano-Bionics，ChineseAcademyofSciencesInstit

2、uteofSemiconductors，ChineseAcademyofSciencesApril，2013关于学位论文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则，引起有碍著作权人著作权益之问题，将可能承担法律责任。关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所和中国科学院半导体研究所有关保存、使用学位论文的规定，即：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所和中国科学院半导体研究所有权保

3、留学位论文的副本，允许该论文被查阅；中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所和中国科学院半导体研究所可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：坪仁乓导师签名：秀箐日期：夕o／岁J‘叼关于学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明弓Im的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在

4、文中以明确方式标明。签轹哞‘二乏新獬：新日期棚j。谚l摘要太赫兹波因为具有微波、红外以及X射线等已经被广泛应用的其它波段电磁波所不具备的特性而引起了人们广泛的关注。其在基础科学、材料、通讯、环境、生命健康、国防安全等诸多领域有着重要的应用前景。太赫兹辐射源和探测器是太赫兹技术最核心的两个研究方向。基于半导体异质结构的二维电子气系统，由于其易于被外场调控、工艺成熟、器件结构简单，使其在实现具有连续可调、室温工作、体积微型等性能优良的新型太赫兹源和探测器等领域具备巨大的优势。本论文对基于A1GaN／GaN高

5、电子迁移率晶体管太赫兹器件中二维电子气系统的能级结构、电输运特性、集体激发和热电子辐射等进行了系统的理论研究。同时，基于新型石墨烯二维载流子系统，我们建立了天线耦合石墨烯自混频太赫兹探测模型。主要内容具体如下：1．结合Schr6dinger方程和Poisson方程，对AIGaN／GaN高电子迁移率晶体管这一材料体系做了自洽计算。计算了A1GaN／GaN异质结的能级结构、电子分布、波函数、以及二维电子气密度与栅极电压的关系。计算结果表明，在二维电子气浓度小于1013cm_2时，二维电子气主要分布在第一子带

6、上。2．建立了基于玻尔兹曼输运方程的二维体系动量和能量平衡方程，利用漂移的费米分布函数，考虑极化光学声子、形变声学声子、压电声学声子、背景杂质、缺陷、界面粗糙等散射机制，编写数值计算程序自洽求解了动量和能量平衡方程。研究了在稳态直流电场驱动下AIGaN／GaN异质结二维电子气的输运特性特别是高场下的非线性输运特性，得到了在不同晶格温度下的电子漂移速度、热电子温度与外加电场的关系，以及在不同晶格温度下各种散射机制决定的低场迁移率。研究结果表明，在低场区，电场主要加速电子，电子温度增加缓慢，而在高电场区，电

7、子速度增加变缓并趋于饱和，电子温度则迅速增加，这表明在高场区电场主要加热电子。低场迁移率的计算结果表明，在低温时，二维电子气迁移率主要由声学声子和库仑散射决定，而在温度较高时，迁移率主要由光学声子散射决定。3．研究了在外加电场情况下AtGaN／GaN异质结中二维电子气等离激元的色散关系。理论和数值计算结果表明，等离激元的频率与电场强度及波矢与电场方向的夹角有很强的依赖关系。当波矢与电子运动方向同向时，等离子体波基于二维电子气的太赫兹器件相关理论研究的频率比平衡态时候的频率增加；当波矢与运动方向反向时，频

8、率有所降低，类似于经典波动力学中的多普勒效应。这一结果同时表明，等离激元的频率不但可以通过改变栅压来进行调控，还可以通过改变源漏电压进行调控，这为我们今后设计基于等离激元的太赫兹光电器件提供了理论指导。同时我们研究了A1CaN／GaN异质结热电子的黑体辐射与电场、电压的关系，为分析太赫兹光源实验中的相干和非相干辐射提供了理论依据。4．建立了天线耦合石墨烯自混频太赫兹探测器模型。考虑石墨烯的量子电容，建立了描述石墨烯场效应晶体管直流特性的解析