太赫兹波段GaN肖特基势垒IMPATT二极管特性研究

发布时间：2018-03-21 22:19

本文选题：太赫兹　切入点：GaN　出处：《西安电子科技大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：太赫兹技术是一种新兴技术,在很多领域都有诱人的应用前景。太赫兹技术首先要解决的问题就是太赫兹辐射源,在半导体太赫兹辐射源中IMPATT二极管是输出功率最大的,Si基、GaAs基IMPATT二极管由于材料本身特性的限制无法在太赫兹波段输出大功率。GaN材料具有禁带宽度大、饱和电子速度高、击穿场强大、耐高温等特性,非常适合制作太赫兹波段大功率IMPATT二极管。然而GaN材料一般是异质外延,结晶质量比较差含有大量缺陷,并且GaN材料高浓度高质量的p型掺杂非常困难,很难形成良好的p型欧姆接触,接触电阻过大可导致器件不能出现负阻效应,基于上述原因目前GaN基IMPATT二极管还没有实现,还处于仿真研究阶段。以前研究的都是pn结类型的GaN基IMPATT二极管,本文提出一种带有雪崩终止层的肖特基势垒IMPATT二极管。采用肖特基势垒代替pn结避免了GaN高掺杂的p型欧姆接触区,而且金属热导率更高有利于器件散发热量,电阻率更低有利于减小串联电阻。为了形成肖特基接触雪崩区掺杂浓度比较低。雪崩终止层是高掺杂的n型层,电场强度在雪崩终止层处显著下降从而使雪崩在此处终止。与没有雪崩终止层的IMPATT二极管相比,它可以在更低的电压下发生雪崩击穿,降低直流功耗,产生更少的热量。本文在Silvaco TCAD的Atlas仿真平台上对IMPATT二极管的雪崩击穿电压、电场分布、碰撞产生率、电子漂移速度等静态特性进行仿真研究。研究了IMPATT二极管的雪崩区和雪崩终止层的掺杂浓度及尺寸对静态特性的影响。研究发现雪崩区和雪崩终止层掺杂浓度升高时雪崩击穿电压降低,但雪崩终止层掺杂浓度对击穿电压影响更大。雪崩区和雪崩终止层的尺寸减小时雪崩击穿电压增大,但雪崩终止层的尺寸影响更大一些。雪崩终止层掺杂浓度越高,电场强度在雪崩终止层下降量越大;雪崩区的掺杂浓度越高,漂移区电场强度的下降速率越大。雪崩终止层长度增加时电场强度在此下降量增加,因而漂移区电场强度降低;雪崩区长度增加时雪崩区和漂移区的电场强度同时降低。碰撞产生率及漂移区电子漂移速度受电场强度影响。如果雪崩终止层内电场强度下降的比较少,则漂移区的电场强度太高,导致漂移区的碰撞产生率比较大,雪崩区就会向漂移区扩展。如果漂移区的电场强度太低则电子漂移速度就不会饱和。根据IMPATT二极管直流功耗不能太大、漂移区电子漂移速度要饱和、雪崩区不能延伸进入漂移区等原则,本文确定了一组合适的器件参数,为接下来的动态分析打下基础。本文在Silvaco TCAD的混合仿真平台上对IMPATT二极管的动态特性进行仿真。IMPATT二极管的偏置电路采用电压驱动型的。首先根据IMPATT二极管的参数确定了偏置电路的参数,以使偏置电路与器件匹配,在偏置电路的驱动下IMPATT二极管产生了160GHz的振荡波形,交流电流滞后于交流电压93°左右,交流负阻大约为-5.7Ω。然后研究了一个周期内器件内部的电势、电场、电离系数、电子浓度、空穴浓度等参数随时间的变化。雪崩阶段电场强度比较高、电离系数比较大,雪崩区电子浓度迅速增加,漂移区只在其末端残留一些电子并逐渐被欧姆接触区吸收;漂移阶段电场强度比较低,电离系数比较小,雪崩倍增基本上停止,雪崩区载流子浓度迅速减小,漂移区电子波包以饱和速度向欧姆接触区漂移。还研究了直流偏置电压、交流电压振幅、器件工作频率对射频功率、转换效率的影响,振幅增加器件性能有显著的提升,直流偏置电压增加器件性能缓慢增加,器件的性能随着工作频率的增加而迅速下降。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN31

【参考文献】