GaN系雙勢壘量子阱RTD器件的研究.pdf

1、GaN系（基）RTD由于GaN材料的優(yōu)越特性，如高電子速率峰值、高飽和電子速率峰值、高熱穩(wěn)定性、高禁帶寬度、高擊穿電場、高輸出功率等，因此它在多值邏輯電路、低功耗模擬電路、微波功率電路及THz輻射源器件方面都有很好的應(yīng)用前景。GaN RTD相比GaAs RTD表現(xiàn)出更高的峰谷電流比(PVCR)、更高的輸出功率（mW級）和頻率、更高的工作溫度而吸引了很多的關(guān)注和研究。
　　相比第一代和第二代半導(dǎo)體的單晶材料，GaN單晶的外延生長技術(shù)

2、還是顯得不成熟，且生長完成后的GaN單晶外延層晶體質(zhì)量較差，其中的缺陷密度還是很高；而且纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN材料具有強烈的極化效應(yīng)，當AlN/GaN和AlGaN/GaN形成異質(zhì)結(jié)時，其界面處存在較高密度的極化電荷，這些因素極大地影響了GaN系RTD的負微分電阻(NDR)特性。所以到目前為止，GaN系RTD的NDR特性很不穩(wěn)定，且隨測量次數(shù)的增加會產(chǎn)生退化的現(xiàn)象。這些問題的存在，嚴重制約了GaN系RTD器件的有關(guān)研究及應(yīng)用。為探索解決該問題

3、的途徑，對GaN材料的晶體結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的極化效應(yīng)的機理進行深入的研究與分析，在這基礎(chǔ)上選擇適合構(gòu)成雙勢壘單量子阱(DBS)的半導(dǎo)體材料，進行GaN系RTD器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化來減弱或消除極化效應(yīng)對GaN系RTD其NDR特性的影響，從而獲得具有良好NDR特性的GaN系RTD。
　　本文通過增加發(fā)射極子阱和采用非對稱雙勢壘結(jié)構(gòu)的方法來減弱或消除極化效應(yīng)對GaN系RTD器件NDR特性的影響，并運用Silvaco TCAD仿真工具對這

4、兩種結(jié)構(gòu)進行仿真驗證。仿真結(jié)果表明，這兩種結(jié)構(gòu)都可以減弱極化效應(yīng)對GaN系RTD器件其NDR特性的影響。其中發(fā)射極子阱的結(jié)構(gòu)，增強了GaN系RTD共振隧穿效應(yīng)的機制，且改變后的這個機制受極化效應(yīng)的影響較弱，同時增加了GaN系RTD的電流密度。再根據(jù)量子尺寸效應(yīng)，在發(fā)射極子阱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加GaN勢阱的寬度可在0-4V的掃描電壓范圍實現(xiàn)兩個以上的NDR區(qū)，再優(yōu)化DBS區(qū)的材料結(jié)構(gòu)參數(shù)使兩個相近的NDR區(qū)更好地用于多值邏輯(MVL)電路。<

5、br>　　接下來運用Silvaco TCAD仿真工具研究分析了非對稱雙勢壘情況下GaN系RTD的直流特性參數(shù)隨材料結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的規(guī)律性，分別是在其他參數(shù)不變的情況下，GaN系RTD的直流特性參數(shù)隨發(fā)射極勢壘、勢阱和集電極勢壘材料厚度以及兩個勢壘能量高度變化的規(guī)律性。最后嘗試采用發(fā)射極子阱非對稱雙勢壘結(jié)構(gòu)來改善 GaN系RTD的NDR性能，同樣再優(yōu)化DBS區(qū)的材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，并用Silvaco TCAD仿真軟件進行仿真驗證，仿真結(jié)果表明采用