RESEARCH ARTICLE

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

Runxian Xing, Hongyang Guo, Bohan Guo, Guohao Yu, Ping Zhang, Jia'an Zhou, An Yang, Yu Li, Chunfeng Hao, Huixin Yue, Zhongming Zeng, Xinping Zhang, Baoshun Zhang

2025, 18(1): 4.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00148-4

Abstract：In this paper, we have studied the electrical excitation of plasma-wave in N-polar AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMT) under asymmetric boundaries leads to terahertz emission. Numerical calculations are conducted through the simultaneous solution of Maxwell’s equations and the self-consistent hydrodynamic model. By employing this method, we solved the plasma-wave model in the channel of an N-polar AlGaN/GaN HEMT. We estimate that, under ideal boundary conditions and with sufficient channel mobility, these devices could generate milliwatts of power. The effects of different GaN channel layer thickness, carrier concentration, gate length and channel carrier velocity on plasma wave oscillation and terahertz radiation in N-polar AlGaN/GaN HEMT are considered. These simulation results based on Dyakonov-Shur instability provide guidance for the future design of high-radiation-power on-chip terahertz sources based on N-polar AlGaN/ GaN HEMTs.

研究背景

随着太赫兹非破坏性成像、生物监测和6G通信技术的发展，太赫兹源成为前沿器件研究的关键领域。Dyakonov和Shur曾预测，在短沟道高电子迁移率晶体管（HEMT）中，等离子体波可能在太赫兹频段发生不稳定性。然而，由于能量转换效率低，目前实验中实现的太赫兹辐射功率最高不到2 μW。相比之下，N极性GaN材料具有超低欧姆接触电阻和增强的电子限制能力，有望实现更高的太赫兹辐射功率。

主要内容

本文通过数值模拟研究了N极性AlGaN/GaN HEMT在非对称边界条件下的太赫兹辐射特性。研究基于Dyakonov-Shur不稳定性，通过同时求解麦克斯韦方程和自洽的流体动力学模型，分析了不同GaN沟道层厚度、载流子浓度、栅极长度和沟道载流子速度对等离子体波振荡和太赫兹辐射的影响。

创新点

首次对N极性AlGaN/GaN HEMT在Dyakonov-Shur不稳定性下的等离子体波不稳定性进行数值模拟。在理想边界条件下，预测这些器件能够产生毫瓦级的太赫兹辐射功率。为基于N极性AlGaN/GaN HEMT的高功率太赫兹片上源的设计提供了理论基础和指导。

研究方法

开发了一个多物理场模拟平台，通过有限差分时域（FDTD）方法同时求解麦克斯韦方程和流体动力学方程。在源端设置零阻抗（开路），在漏端设置无穷大阻抗（短路），模拟非对称边界条件。通过改变GaN沟道层厚度、栅极长度、载流子浓度和载流子速度，研究其对太赫兹辐射频率和功率的影响。

研究结果

1. GaN沟道层厚度的影响：随着GaN层厚度的增加，太赫兹辐射的共振频率增加，但辐射功率先增加后减少。当GaN层厚度为30 nm时，最大辐射功率可达1.3 mW。

2. 栅极长度的影响：较短的栅极长度（如100 nm）能够实现更高的辐射功率（约600 μW），因为短栅极长度导致更高的等离子体波增益和更低的能量损耗。

3. 载流子浓度和速度的影响：随着载流子浓度和载流子速度的增加，太赫兹辐射的频率和功率均显著增加。当载流子速度为2×10⁵ m/s时，最大计算辐射功率可达2.5 mW。

总结

本研究通过数值模拟揭示了N极性AlGaN/GaN HEMT在非对称边界条件下的太赫兹辐射特性，为设计高功率太赫兹片上源提供了重要的理论支持。这些发现有望推动太赫兹技术在通信和成像等领域的应用。