GaN基双势垒多谐RTD器件的研究
发布时间：2020-12-07 21:46
随着III族氮化物材料和纳米量子器件的发展,基于GaN的共振隧穿二极管(RTD)越来越受到人们的关注,因为它比基于GaAs的共振隧穿二极管具有更好的性能,如更宽的直接带隙,更大的带偏移,更高的峰值电子速度,以及更高的临界击穿电压和热稳定性。本文在对GaN的晶体结构、极化效应以及在获得NDR特性的详细研究基础上,选择初始晶面为a面的GaN作为衬底以及AlGaN/GaN/AlGaN的双势垒单阱(DBS)材料结构,从而在较低偏置电压范围内获得多谐共振隧穿特性,即具有多个NDR特性,并把这种RTD定义为多谐RTD。目前国内外对多谐RTD的报道并不多,本文研究的多谐RTD可用于面向纯量子逻辑电路方面的应用。本文以GaN基双势垒多谐RTD为研究对象,并用Slivaco TCAD软件对所设计的多谐RTD的器件结构进行仿真。本文重点研究了对称双势垒和非对称双势垒结构对多谐RTD特性的影响。在对称结构中,仿真结果表明,由于量子尺寸效应的存在,势阱宽度的改变主要影响多谐RTD负阻区个数的变化,所以可以根据对多谐RTD负阻区个数的需求,选择合适的势阱宽度;势垒厚度和势垒高度的改变影响多谐RTD峰谷电流值、峰...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２不同类型的ＲＴＤ能带结构示意图??
??２．２．ａ、２．２．ｂ）和带间隧穿（如图２．２ｃ），其中带内隧穿又可分为空穴型和电子型两种。??…??ｊ?ｌ——．．．ｒ１：＇ｉｎｎｉ???门?「??．?？???ｊ?？－?４??—??Ｈ?｜?［?广￣一??￣Ｊ￣Ｉ????ａ．空穴型带内隧穿?ｂ．电子型带内隧穿?ｃ．带间隧穿??图２．２不同类型的ＲＴＤ能带结构示意图??２．２?ＲＴＤ的工作原理??量子力学理论表明，当量子阱的宽度近似于德布罗意波长时，阱中的一个能量Ｅ将发生??量子化［５６１，形成束缚态能级如图２．３所示。由图２．３可以看出，这时形成的束缚态能级是分立??的并且是不连续的。????１量子化???能级??发射区?｜?ＤＢＳ区?｜?集电区??＾１?Ｓ?７Ｔ１?ｎＶＴＴＶＴＴＸ??图２．３共振隧穿能带结构图??量子阱中的能级能量为：??，２?２／?＼２??尽＝士?ｆ＝?…?（２．１）??＾?Ｌ］Ｖ?＾??能量间隔为：??Ａ＾（ｎ＋１），？?＝?Ｅｎ＋ｌ?－Ｅｎ＝＾Ｊ－ｆ＼?［（ｎ?＋１）２?－?ｎ２?］?（２．２）??２ｍ?＼ＬＷ）??发生共振隧穿的条件为：??Ｅ?＝?Ｅ０＋－＾ｔ－?（Ｅｃ＜Ｅ＜Ｅｆ）?（２．３）??２ｍ??［２？７＊｛Ｅ０?－Ｅｃ）］＾?＜?＜?［２ｍ＊｛Ｅｆ?－Ｅｃ）］＾?（２．４）??式中，Ａ是简约普朗克常数，是电子有效质量，ＬＷ为量子阱宽度，Ｅ〇为基态能级能量，??Ｅｃ为发射区导带底能级，ＥＦ为费米能级，ｋｘｙ为隧穿时ｘｙ方向的动量。由式（２．１）和式（２．２）??可知
不会降到０，而是降到一个最低值，电流从峰值降到谷值，从而表现出负微分电阻（ＮＤＲ）??特性。??第四阶段，如图２．４．ｄ所示，当Ｅ＾Ｅｒ＾ｋｏＴ时，由发射极到集电极方向的共振隧穿现象再??次增强，电流又会随着电压的增大而增大。??——?——??Ｐｆｌ?Ｅｈ－３Ｋｆ！??＾?Ｅ〇??＾??—Ｌ－ｉ?—?Ｅｃ?、??Ｅｒ－３Ｋ．Ｔ?????Ｅｃ?????????一??＼???ａ．第一阶段?ｂ．第二阶段??Ｋ??Ｅｆ－３Ｋ－Ｔ?二＿＿＿＾??—＿＿＾?ｐ?＼??Ｅｃ?＾?Ｅ（?＾?＼??ｖ．?Ｅｆｔ?＿??、Ｌｉ＾：?＼??ｃ．第三阶段?ｄ．第四阶段??图２．４?ＲＴＤ隧穿过程的不同阶段??２．３?ＲＴＤ的特性??由ＲＴＤ的随穿过程可知，对双势垒单势阱结构的ＲＴＤ的两端加不同的偏压时，其电流??是变化的，其Ｉ－Ｖ特性曲线示意图如图２．５所示。??Ｉ／Ａ?Ｉ／Ａ??Ａ／?１／１／??Ｖｏｌｔａｇｅ／Ｖ?Ｖｏｌｌａｇｅ／Ｖ??图２．５丨－Ｖ特性曲线示意图?图２．６理想的丨－Ｖ特性曲线??由图２．５可以看出，当外加偏压为零时，其电流也为零，对应图中的Ａ点。随着外加偏??压的增大，发生共振隧穿效应，电流也增大，对应图中的Ｂ点。当基态能级等于发射区导带??底能级，电流达到最大，对应图中的Ｃ点。随后共振隧穿消失，电流减小，对应图中的Ｄ点。??直到达到谷值，对应图中的Ｅ点。电流随电压的增大而逐渐减小，这是呈现的特性就是共振??隧穿器件非常重要的一个特性一一负微分电阻特性（ＮＤＲ）
【参考文献】：
期刊论文
[1]A GaN/InGaN/AlGaN MQW RTD for versatile MVL applications with improved logic stability[J]. Haipeng Zhang,Qiang Zhang,Mi Lin,Weifeng Lü,Zhonghai Zhang,Jianling Bai,Jian He,Bin Wang,Dejun Wang. Journal of Semiconductors. 2018(07)
[2]子阱及非对称势垒对GaN RTD电学特性的影响[J]. 苏娟,谭为,高博. 太赫兹科学与电子信息学报. 2017(05)
[3]Piezoelectric polarization and quantum size effects on the vertical transport in AlGaN/GaN resonant tunneling diodes[J]. Dakhlaoui H,Almansour S. Chinese Physics B. 2016(06)
[4]太赫兹通信技术研究进展[J]. 顾立,谭智勇,曹俊诚. 物理. 2013(10)
[5]InP材料体系RTD的研制[J]. 高金环,杨瑞霞,武一宾,贾科进,商耀辉,张磊,杨克武. 电子器件. 2007(04)
[6]共振隧穿二极管(RTD)的物理模型——共振隧穿器件讲座(3)[J]. 郭维廉. 微纳电子技术. 2006(04)
[7]共振隧穿器件概述——共振隧穿器件讲座(1)[J]. 郭维廉. 微纳电子技术. 2005(09)
[8]共振隧穿器件及其集成技术发展趋势和最新进展[J]. 郭维廉,牛萍娟,苗长云. 微纳电子技术. 2005(07)
[9]共振隧穿二极管[J]. 郭维廉,梁惠来,张世林,牛萍娟,毛陆虹,赵振波,郝景臣,魏碧华,张豫黔,宋婉华,杨中月. 微纳电子技术. 2002(05)
[10]GaN的极性特征、测量及应用[J]. 刘宝林. 半导体光电. 2002(02)
博士论文
[1]高性能AlGaN/GaN异质结材料的MOCVD生长与特性研究[D]. 倪金玉.西安电子科技大学 2009
本文编号：2903946
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２不同类型的ＲＴＤ能带结构示意图??
??２．２．ａ、２．２．ｂ）和带间隧穿（如图２．２ｃ），其中带内隧穿又可分为空穴型和电子型两种。??…??ｊ?ｌ——．．．ｒ１：＇ｉｎｎｉ???门?「??．?？???ｊ?？－?４??—??Ｈ?｜?［?广￣一??￣Ｊ￣Ｉ????ａ．空穴型带内隧穿?ｂ．电子型带内隧穿?ｃ．带间隧穿??图２．２不同类型的ＲＴＤ能带结构示意图??２．２?ＲＴＤ的工作原理??量子力学理论表明，当量子阱的宽度近似于德布罗意波长时，阱中的一个能量Ｅ将发生??量子化［５６１，形成束缚态能级如图２．３所示。由图２．３可以看出，这时形成的束缚态能级是分立??的并且是不连续的。????１量子化???能级??发射区?｜?ＤＢＳ区?｜?集电区??＾１?Ｓ?７Ｔ１?ｎＶＴＴＶＴＴＸ??图２．３共振隧穿能带结构图??量子阱中的能级能量为：??，２?２／?＼２??尽＝士?ｆ＝?…?（２．１）??＾?Ｌ］Ｖ?＾??能量间隔为：??Ａ＾（ｎ＋１），？?＝?Ｅｎ＋ｌ?－Ｅｎ＝＾Ｊ－ｆ＼?［（ｎ?＋１）２?－?ｎ２?］?（２．２）??２ｍ?＼ＬＷ）??发生共振隧穿的条件为：??Ｅ?＝?Ｅ０＋－＾ｔ－?（Ｅｃ＜Ｅ＜Ｅｆ）?（２．３）??２ｍ??［２？７＊｛Ｅ０?－Ｅｃ）］＾?＜?＜?［２ｍ＊｛Ｅｆ?－Ｅｃ）］＾?（２．４）??式中，Ａ是简约普朗克常数，是电子有效质量，ＬＷ为量子阱宽度，Ｅ〇为基态能级能量，??Ｅｃ为发射区导带底能级，ＥＦ为费米能级，ｋｘｙ为隧穿时ｘｙ方向的动量。由式（２．１）和式（２．２）??可知
不会降到０，而是降到一个最低值，电流从峰值降到谷值，从而表现出负微分电阻（ＮＤＲ）??特性。??第四阶段，如图２．４．ｄ所示，当Ｅ＾Ｅｒ＾ｋｏＴ时，由发射极到集电极方向的共振隧穿现象再??次增强，电流又会随着电压的增大而增大。??——?——??Ｐｆｌ?Ｅｈ－３Ｋｆ！??＾?Ｅ〇??＾??—Ｌ－ｉ?—?Ｅｃ?、??Ｅｒ－３Ｋ．Ｔ?????Ｅｃ?????????一??＼???ａ．第一阶段?ｂ．第二阶段??Ｋ??Ｅｆ－３Ｋ－Ｔ?二＿＿＿＾??—＿＿＾?ｐ?＼??Ｅｃ?＾?Ｅ（?＾?＼??ｖ．?Ｅｆｔ?＿??、Ｌｉ＾：?＼??ｃ．第三阶段?ｄ．第四阶段??图２．４?ＲＴＤ隧穿过程的不同阶段??２．３?ＲＴＤ的特性??由ＲＴＤ的随穿过程可知，对双势垒单势阱结构的ＲＴＤ的两端加不同的偏压时，其电流??是变化的，其Ｉ－Ｖ特性曲线示意图如图２．５所示。??Ｉ／Ａ?Ｉ／Ａ??Ａ／?１／１／??Ｖｏｌｔａｇｅ／Ｖ?Ｖｏｌｌａｇｅ／Ｖ??图２．５丨－Ｖ特性曲线示意图?图２．６理想的丨－Ｖ特性曲线??由图２．５可以看出，当外加偏压为零时，其电流也为零，对应图中的Ａ点。随着外加偏??压的增大，发生共振隧穿效应，电流也增大，对应图中的Ｂ点。当基态能级等于发射区导带??底能级，电流达到最大，对应图中的Ｃ点。随后共振隧穿消失，电流减小，对应图中的Ｄ点。??直到达到谷值，对应图中的Ｅ点。电流随电压的增大而逐渐减小，这是呈现的特性就是共振??隧穿器件非常重要的一个特性一一负微分电阻特性（ＮＤＲ）
【参考文献】：
期刊论文
[1]A GaN/InGaN/AlGaN MQW RTD for versatile MVL applications with improved logic stability[J]. Haipeng Zhang,Qiang Zhang,Mi Lin,Weifeng Lü,Zhonghai Zhang,Jianling Bai,Jian He,Bin Wang,Dejun Wang. Journal of Semiconductors. 2018(07)
[2]子阱及非对称势垒对GaN RTD电学特性的影响[J]. 苏娟,谭为,高博. 太赫兹科学与电子信息学报. 2017(05)
[3]Piezoelectric polarization and quantum size effects on the vertical transport in AlGaN/GaN resonant tunneling diodes[J]. Dakhlaoui H,Almansour S. Chinese Physics B. 2016(06)
[4]太赫兹通信技术研究进展[J]. 顾立,谭智勇,曹俊诚. 物理. 2013(10)
[5]InP材料体系RTD的研制[J]. 高金环,杨瑞霞,武一宾,贾科进,商耀辉,张磊,杨克武. 电子器件. 2007(04)
[6]共振隧穿二极管(RTD)的物理模型——共振隧穿器件讲座(3)[J]. 郭维廉. 微纳电子技术. 2006(04)
[7]共振隧穿器件概述——共振隧穿器件讲座(1)[J]. 郭维廉. 微纳电子技术. 2005(09)
[8]共振隧穿器件及其集成技术发展趋势和最新进展[J]. 郭维廉,牛萍娟,苗长云. 微纳电子技术. 2005(07)
[9]共振隧穿二极管[J]. 郭维廉,梁惠来,张世林,牛萍娟,毛陆虹,赵振波,郝景臣,魏碧华,张豫黔,宋婉华,杨中月. 微纳电子技术. 2002(05)
[10]GaN的极性特征、测量及应用[J]. 刘宝林. 半导体光电. 2002(02)
博士论文
[1]高性能AlGaN/GaN异质结材料的MOCVD生长与特性研究[D]. 倪金玉.西安电子科技大学 2009
本文编号：2903946
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