N极性AlGaN/GaN HEMT太赫兹辐射特性研究，开创器件设计新范式

Numerical study of terahertz radiation from N-polar AlGaN/GaN HEMT under asymmetric boundaries

第一作者：邢润贤

通讯作者：张新平、于国浩

通讯单位：南京理工大学、中国科学院苏州纳米与仿生研究所

【研究背景】

太赫兹（THz）技术在生物医学成像、环境监测、6G 通信等领域具有重要应用前景，但高效稳定的太赫兹辐射源一直是技术瓶颈。Dyakonov-Shur（DS）不稳定性理论指出，短沟道高电子迁移率晶体管（HEMT）中的二维电子气（2DEG）等离子体波振荡可产生太赫兹辐射。与传统 Ga 极性 GaN 材料相比，N 极性 AlGaN/GaN HEMT 具有更低的欧姆接触电阻（0.16Ω・mm）和更高的电子浓度（5.3×10¹³ cm⁻²），为实现高功率太赫兹辐射提供了新机遇。

【文章简介】

南京理工大学团队联合中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，基于多物理场耦合仿真平台，首次系统研究了 N 极性 AlGaN/GaN HEMT 在非对称边界条件下的 DS 不稳定性及太赫兹辐射特性。研究通过自洽求解 Maxwell 方程与流体动力学模型，揭示了 GaN 通道层厚度、栅长、载流子浓度及电子漂移速度对等离子体波振荡和辐射功率的影响规律。相关成果以Numerical study of terahertz radiation from N-polar AlGaN/GaN HEMT under asymmetric boundaries为题发表于《Frontiers of Optoelectronics》2025 年第1 期。

创新点一：多物理场耦合模型揭示辐射机制

设计的 N 极性 HEMT 结构（图 1）采用 20 nm AlGaN 势垒层、30 nm GaN 通道层与 5 nm SiN 钝化层，栅长 100 nm。作者构建了包含流体动力学方程与 Maxwell 方程的自洽仿真模型，首次分析了 N 极性 HEMT 在 DS 边界条件下的等离子体波行为。结果表明，非对称边界（源端短路、漏端开路）可有效激发等离子体波振荡，其能量通过栅极耦合转化为太赫兹辐射。栅极区域的电场分布（图2）表明，垂直电场分量（E_y）显著高于水平分量（E_x），验证了栅极作为辐射耦合器的关键作用。

图1 N-极性AlGaN/GaN HEMT器件结构示意图

图2 HEMT器件中的归一化电场分布。(a)栅极区域x方向上的电场分布。(b)栅极区域y方向上的电场分布。(c)非栅极区域x方向上的电场分布。(d)非栅极区域y方向的电场分布。

创新点二：参数优化实现高功率辐射

1.沟道层厚度：当 GaN 层厚度从 20 nm 增至 40 nm 时，共振频率仅增加 0.6 THz，但辐射功率先升后降，在 30 nm 时达到峰值 1300 μW（图 3）。这归因于波矢与栅极耦合效率的动态平衡。

图3 频率和功率随沟道厚度d的变化(m* = 0.2m₀, n₀= 2 × 10¹³cm⁻², v₀= 2 × 10⁵m/s, L_g= 100 nm, τ = 1 × 10⁻¹²s)

2.栅长调控：栅长缩短至 100 nm 时，辐射功率可达 600 μW，且频率与理论预测一致（图 4a）。更长的栅长会导致能量耗散增加，当超过 250 nm 时等离子体波振荡消失（图 4b）。

图4(a)频率和功率随栅极长度L_g的变化。(b)不同栅极长度下电流密度随时间的变化(m* = 0.2m₀, n₀= 2 × 10¹³cm⁻², v₀= 2 × 10⁵m/s, d_GaN= 30 nm, τ = 1 × 10⁻¹²s)

3.载流子浓度与速度：辐射功率随载流子浓度增加先升后降，在2×10¹³ cm⁻²时达到饱和（图 5）；电子漂移速度从2×10⁵ m/s提升至4×10⁵ m/s时，功率线性增长至 2.5 mW，频率仅轻微增加（图 6）。

图5 频率和功率随沟道载流子面密度n₀的变化(m* = 0.2m₀, L_g= 100 nm, v₀= 2 × 10⁵m/s, d_GaN= 30 nm, τ = 1 × 10⁻¹²s)

图6 频率和功率随沟道载流子速度v₀的变化(m* = 0.2m₀, L_g= 100 nm, n₀= 2 × 10¹³cm⁻², d_GaN= 30 nm, τ = 1 × 10⁻¹²s)

【总结与展望】

该研究为 N 极性 AlGaN/GaN HEMT 在片上太赫兹源的设计提供了理论依据。通过优化材料参数（如：降低接触电阻、提高电子迁移率）、器件结构创新（如：引入多栅极或周期性调制结构，增强等离子体波与电磁场的耦合效率）和工艺优化（如：采用纳米加工技术（如电子束光刻）精确控制栅长与通道层厚度），有望突破现有太赫兹源的功率限制。未来研究可进一步探索异质结构设计与实验验证，推动高功率太赫兹技术的实际应用。

【作者介绍】

张新平，现为南京理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。1997年、2000年分别获吉林工业大学学士、硕士学位，2003年获吉林大学工学博士学位。主要从事塑性微成形技术、材料加工数值模拟、轻合金塑性成形技术研究。

于国浩，现为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所项目研究员。2013年毕业于中国科学院大学，获微电子学、固体电子学博士学位。2019年为日本名古屋大学未来材料系统研究所访问学者。研究方向为氮化镓（GaN）材料与器件，包括GaN垂直功率器件、GaN HEMT器件、GaN太赫兹器件等。

第一作者介绍：邢润贤是南京理工大学材料科学与工程学院的博士生。他于 2020 年获得中国安徽工业大学学士学位。他的主要研究方向是太赫兹等离子体相关器件的研究。