基于共振隧穿机制的太赫兹波振荡器特性模拟

牛萍娟 于莉媛 毛陆虹 郭维廉

（1.天津工业大学电气工程与自动化学院 天津 300387 2.天津大学电子信息工程学院 天津 300072）

1 引言

太赫兹（THz）波段（0.1～1mm）位于微波和毫米波的范围内，因其在超高速无线通信、环境遥感、光谱和成像等方面的应用而受到了极大的关注[1]。太赫兹技术的发展引发了相应元器件的产生，其中太赫兹波辐射源是太赫兹波技术的最重要的基础性元器件。主要的太赫兹波源有量子级联激光器（QCL）、耿氏器件、高电子迁移晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）、异质结双极型晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor，HBT）、共振隧穿二极管（Resonant Tunneling Diodes，RTD）等，其中，RTD 具有体积小、可常温工作、易于控制和电路集成等特点，适于制作1THz 左右的太赫兹波源[2]。RTD是一种基于量子隧穿效应的两端负阻器件，其I-V特性表现出负微分电阻特性，具有响应速度快、工作频率高、低压低功耗和多稳态等特点，目前RTD 被视作在室温下太赫兹振荡器的可用器件之一[3]。而RTD 作为太赫兹波源，其功率较低的缺点是制约其发展的重要原因，应用RTD 谐振缝隙天线，可作为提高振荡器输出功率的有效方法。目前，国内外已经有多家单位对太赫兹波段的RTD 器件进行研究[4-9]，在实验上已报道的RTD最高振荡频率已达到1.1THz[4]，最高功率预计可达200μW[9]。

由于InP 材料体系具有比GaAs 材料更高的热导率以及电子平均漂移速度，在本文中，针对InP衬底、InGaAs/AlAs 双势垒的RTD 与缝隙天线结构相结合，仿真模拟太赫兹波源的工作频率和功率。利用等效电路理论和Pspice 软件对共振隧穿振荡器（Resonant Tunneling Oscillator，RTO）的等效电路模型进行振荡频率和功率的模拟计算，同时，为获得更高的频率和输出功率，通过改进RTD和天线的结构，理论上预计将可得到振荡频率在1.2THz 频率下输出功率可达到115μW 的太赫兹波振荡源。并且在PSpice 仿真环境下进行验证，获得与理论计算相符的结果。

2 器件结构

本文中仿真的RTD 的器件材料结构如图1 所示。由顶层向下各层材料结构为n+-GaInAs（30nm）/n-GaInAs（50nm）/隔离层GaInAs（非掺杂，5nm）/势垒AlAs（非掺杂，1.5nm）/势阱GaInAs（非掺杂，4.5nm）/势垒AlAs（非掺杂，1.5nm）/隔离层GaInAs（非掺杂，5nm）/n-GaInAs（50nm）/n+-GaInAs（400nm）。GaInAs 层结构与InP 衬底晶格匹配较好[11-14]。

图1 RTD 结构示意图Fig.1 Schematic for the RTD structure

3 理论分析

3.1 理论模型

RTO 器件由RTD 与缝隙天线两个部分共同组成。由RTD 材料结构和器件特性，将其简化为由RTD 的负微分电导和寄生部分组成的等效电路，将缝隙天线简化为导纳形式，得到如图2 所示的RTO等效电路模型。

图2 RTO 等效电路Fig.2 Equivalent circuit of RTO

图中包括RTD 的负微分电导，寄生元件和天线导纳；Cd是RTD 的量子电容；Rc是Au/Pd/Ti 电极和n+-GaInAs 的接触电阻；Cc是接触电容；Rm是包括RTD 的体电阻和从RTD 下端电极扩散的电阻；Lm是体电感，小到可以忽略不计；Ya是缝隙天线的导纳；负微分电导Gd取决于振荡电压Vac的幅值和RTD 的传输时间。

式中，ω是振荡角频率；τrtd是在RTD 势垒层和势阱层的隧穿时间；τdep是集电极耗尽层渡越时间，τdep=ddep/Vs；ddep是耗尽层厚度；Vs是饱和速度，Vs=3×107cm/s；τrtd和τdep的估算值分别为38fs和33fs。低频负微分电导Grtd，来自实测的负阻I-V曲线[4]。

电容Cd为

式中，耗尽区平板电容表示为C0=εS/d；ε是介电常数；S是RTD 的面积；d是发射极堆积层和集电极耗尽层的总厚度；Crtd表示为

振荡器的稳态条件是全部导纳为0。

式中，Y可分成实部和虚部导出频率有关项，振荡条件被表示为

式（5）给出了振荡电路的谐振条件。通过解此方程得到ω获得振荡频率。振荡频率与耗尽区平板电容C0、隧穿时间和集电极渡越时间有关。

输出功率可写为

式中，Gr是包括Ya在内的辐射电导。

3.2 结果分析

RTD 的寄生元件对振荡频率和输出功率均存在一定的影响。由于耗尽层扩散电容和渡越时间增加引起隔离层厚度变化，导致最大振荡频率降低。由以上方程得到RTO 输出功率与振荡频率之间的关系，如图3 所示。

图3 RTD 功率和频率的关系Fig.3 Power vs.frequency of RTD

在高于峰值频率处，振荡频率增大则输出功率减小，这是由于辐射电导随着天线长度的减小而减小。在低于峰值频率处，输出功率随振荡频率的减小而减小，由于总的负电导减小。面积较小和隔离层厚度相比更小的器件具有更高的输出功率，因为在相同的频率下Cd减小引起的天线长度增大，导致辐射电导增大。由图3 可知，理论上可能得到振荡频率为1.2THz，振荡输出功率为115μW。

4 Pspice 仿真

利用Pspice 软件对RTD 器件进行模拟仿真，结合RTD 的I-V曲线，获得RTD 的等效电路模型。其中Rd为微分电阻，Crtd为量子电容，C0为耗尽区平板电容，Iin为驱动电流源。其中接触电阻Rc，接触电容Cc，体电阻Rm，体电感Lm均被忽略[15]。图4 为简化的RTD 等效电路模型和天线等效模型。

图4 简化的RTD和天线等效电路模型Fig.4 Simplied equivalent circuit model of RTD Equivalent model and antenna

根据等效电路，在PSpice 仿真环境下输出功率与振荡频率之间的关系，如图5 所示，当改变隔离层厚度时，会影响到耗尽层平板电容等寄生元件的大小，得到不同的仿真结果。在输出功率为100μW的条件下，理论上可能得到振荡频率最高可达到360GHz。当振荡频率为300GHz 时，输出功率可以达到112μW。

图5 输出功率和频率的关系Fig.5 Output power vs.frequency

进一步地对RTO 的振荡特性进行仿真，输入交流稳态AC 分析观察响应，得到时域和频域的输出波形，如图6 所示。

图6 模拟RTO 的输入输出波形Fig.6 Simulated input waveform and output waveforms of RTO

应用简化的等效电路模型进行 Pspice 模拟仿真，其结果与理论计算基本相符，但仍存在一定误差，这种误差不可避免。

5 结论

本文对RTD 与缝隙天线集成振荡器的振荡特性进行了理论分析。RTD 采用GaInAs/AlAs 双势垒RTD 结构。在振荡特性的理论分析中，考虑到RTD等效电路中所有寄生元件的影响，计算出的振荡频率与测量结果基本一致。优化器件结构后振荡器频率为1.2THz 时输出功率达到115μW 理论上有望实现。同样在PSpice 仿真环境下也得到的较为相符的结果。

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