太赫兹波段GaN基共振隧穿器件的研究

发布时间：2017-05-25 04:11

  本文关键词：太赫兹波段GaN基共振隧穿器件的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,氮化镓(GaN)基半导体材料与器件发展迅速,它被认为是继第一代和第二代半导体材料之后,第三代宽禁带半导体材料的代表。由于其具有高临界场强、高异质结界面二维电子气浓度、宽禁带、高导带断续、高热导率、高载流子饱和速率等优点,GaN基半导体材料和器件得到了广泛的关注并引起了众多研究者的兴趣。太赫兹技术作为一门新兴的科学技术,由于其具有很多独特的特性以及优势,引起了许多科研工作者的关注。太赫兹的频率范围为0.1 THz到10 THz,介于微波与红外之间,因此要想获得太赫兹的频率,必须选择合适的器件作为太赫兹波的产生源。共振隧穿二极管由于其器件特性成为实现太赫兹器件源的重要选择。基于GaN基半导体材料制作而成的共振隧穿二极管,继承了GaN基化合物半导体材料异质结的优点,它具有高载流子浓度、高载流子迁移率、高工作频率、大功率及耐高温等特性,因此成为众多研究者研究的热点。本文旨在利用GaN基共振隧穿二极管产生稳定的大功率太赫兹波段信号,研究内容主要针对共振隧穿二极管及其材料的建模、器件退化机理的研究、器件新材料新结构的仿真设计等几个方面。论文围绕国家自然科学基金面上项目“氮化物半导体THz电子器件关键技术研究”和国家自然科学基金面上项目“新型AlGaN/GaN太赫兹耿氏二极管研究”等项目的研究任务,对太赫兹波段GaN基共振隧穿二极管进行了研究,主要结论如下:1,论文报道了GaN基RTD的建模过程,依托Monte Carlo模拟结果和FMBC模型,结合试验数据等相关结果,选定了最优迁移率模型,经过matlab工具的数学拟合方法,得到了GaN、AlGaN和InAlN材料的速场关系,该模型是材料的高场迁移率模型的基础。随后利用Silvaco-Altas模拟器对AlGaN/GaN RTD进行建模,依托GaN基异质结界面的极化工程,通过自洽求解薛定谔-泊松方程和非平衡格林函数并进行相关计算,依托能带图、透射系数等参量,对AlGaN/GaN RTD的负微分电阻特性进行了表征、分析和研究。同时研究了势阱宽度、势垒厚度、隔离层厚度、发射区面积和掺杂浓度变化对器件特性的影响,得出了合理选择相关参数能有效提高器件的输出特性的结论。2,论文着重分析了目前国内外GaN基RTD的研究瓶颈——退化现象。针对异质界面处陷阱中心的理论模型和俘获机制,通过向极化AlGaN/GaN RTD量子阱中引入深能级缺陷,就退化现象的机理进行了深层次的理论分析。得到陷阱中心的缺陷密度、电离率和激活能与RTD的退化效应的内在联系,通过分析它们之间的联系,研究了器件的失效机理,指出了GaN基RTD的退化现象是由陷阱中心的缺陷密度和激活能的共同作用引起,并且具有高激活能的深能级陷阱中心对NDR特性的退化起主导作用。最后提出了使用低Al组分的AlGaN/GaN异质结界面并采用同质衬底和外延生长技术能减小陷阱中心对GaN基RTD性能的影响。3,论文报道了近晶格匹配的InAlN/GaN异质界面对GaN基RTD退化效应的改善,根据InAlN高场迁移率模型,依托近晶格匹配的InAlN/GaN异质结界面的陷阱中心的缺陷密度和激活能,通过自洽求解薛定谔-泊松方程和非平衡格林函数,得到了In AlN/GaN RTD的负微分电阻特性,并着重分析近晶格匹配的InAlN/GaN异质结界面对RTD的退化现象的抑制。InAlN/GaN异质界面处的大的自发极化和内建电场改变了结构中电子的分布,降低了陷阱中心的激活能,减小甚至消除压电极化,降低了量子阱区域的自由电子浓度,抑制了陷阱中心的电离率,改善了NDR特性的可重复性。研究结果表明采用InAlN作为RTD的势垒材料可以有效的解决退化现象带来的负面影响。4,论文报道了具有InGaN子量子阱结构的GaN基RTD的隧穿机理。通过在发射区增加一层窄带隙的InGaN子量子阱,将传统RTD的3D-2D-3D(发射区-势阱-集电区)的隧穿模式改为2D-2D(子阱-主阱)的隧穿模式。通过对具有InGaN子量子阱结构的RTD的能带结构、分立能级和透射系数等参数的分析,揭示了载流子在器件内部的输运过程。由于电子在隧穿方向上依然保持动量守恒,因此会在I-V特性上呈现出很尖锐的电流峰值,同时由于InGaN子量子阱的引入,电子在该量子阱的能量分布降低,在两个量子阱对准时隧穿进入Ga N主量子阱的电子数量增加,同时透射系数增加,引起了峰值电流的迅速提高,并造成了峰值电压的降低。随后,研究了In GaN子量子阱的In组分变化对器件特性的影响,通过分析该结构在不同外加偏置下的能带图、分立能级位置和透射系数,指出了合理选取InGaN子量子阱的In组分对提高具有InGaN子量子阱的RTD器件性能尤为重要,得到了使I-V特性最佳的In GaN材料的In组分值。5,论文报道了GaN基RTD的PSPICE大信号电路模型建立过程,通过提取GaN基RTD的寄生电容和本征电阻等相关参数,并结合器件的并联RLC电路模型搭建了GaN基RTD负阻振荡器,得到了器件的交流输出功率和工作频率。通过傅立叶变换,得到了器件的基波电流和基波电压。最后分析了陷阱中心对器件的交流特性的影响。
【关键词】：太赫兹 共振隧穿二极管 陷阱中心 InAlN/GaN异质界面
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN31
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 符号对照表14-16
• 缩略语对照表16-20
• 第一章 绪论20-28
• 1.1 宽禁带半导体材料GaN研究背景20-21
• 1.2 太赫兹技术的研究背景21-26
• 1.2.1 太赫兹波的定义及特点21-22
• 1.2.2 太赫兹半导体辐射源概述22-24
• 1.2.3 太赫兹共振隧穿器件的研究背景和现状24-26
• 1.3 本论文研究工作和安排26-28
• 第二章 GaN基共振隧穿二极管器件模型及数值仿真方法28-48
• 2.1 共振隧穿器件的分类及工作原理28-32
• 2.1.1 势阱中能量的量子化29-30
• 2.1.2 共振隧穿效应30
• 2.1.3 共振隧穿二极管中的电流成分30-32
• 2.1.4 峰值电压的组成32
• 2.2 Silvaco-Altas模拟软件简介32-35
• 2.2.1 Silvaco-Altas的基本方程33-34
• 2.2.2 Silvaco-Altas数值计算过程34-35
• 2.3 GaN基RTD材料参数及模型解析35-38
• 2.3.1 GaN基材料的物理参数35-36
• 2.3.2 GaN基RTD材料的极化效应36-38
• 2.4 GaN、AlGa N和InAlN材料速场关系的计算38-45
• 2.4.1 GaN低场迁移率模型40-41
• 2.4.2 AlGaN低场迁移率模型41-42
• 2.4.3 GaN高场速场关系模型42-43
• 2.4.4 AlGaN高场速场关系模型43-44
• 2.4.5 In AlN高场速场关系模型44-45
• 2.5 本章小结45-48
• 第三章 AlGaN/GaN共振隧穿二极管特性研究48-70
• 3.1 RTD的材料结构设计和工艺设计48-53
• 3.1.1 RTD的材料结构设计48-50
• 3.1.2 RTD的工艺设计50-53
• 3.2 GaN基RTD材料的模拟计算53-57
• 3.2.1 GaN基RTD材料的极化计算53-56
• 3.2.2 泊松-薛定谔方程的自洽求解56-57
• 3.3 AlGaN/GaN RTD的直流特性57-64
• 3.3.1 模拟计算中采用的RTD结构57
• 3.3.2 器件的负微分电阻特性和滞回效应57-59
• 3.3.3 势阱宽度对NDR特性影响59
• 3.3.4 势垒厚度对NDR特性影响59-60
• 3.3.5 发射区掺杂对NDR特性影响60-61
• 3.3.6 发射区面积对NDR特性影响61
• 3.3.7 隔离层厚度对NDR特性影响61-62
• 3.3.8 Al组分变化对NDR特性的影响62-64
• 3.3.9 AlGaN/GaN RTD和传统AlGaAs/GaAs RTD的比较64
• 3.4 AlGaN/GaN RTD性能退化的机理研究64-68
• 3.4.1 陷阱中心的参数和模型65-66
• 3.4.2 退化机理的分析66-68
• 3.5 本章小结68-70
• 第四章 近晶格匹配In AlN/GaN共振隧穿二极管特性研究70-84
• 4.1 近晶格匹配In AlN/GaN异质结材料特性70-73
• 4.2 In AlN/GaN RTD的直流特性73-78
• 4.2.1 In AlN/GaN RTD的结构和计算参数73-74
• 4.2.2 器件的I-V特性和滞回效应74-76
• 4.2.3 量子阱结构变化对器件I-V特性影响76-78
• 4.2.4 发射区掺杂对器件I-V特性影响78
• 4.3 In AlN/GaN RTD的退化机理分析78-82
• 4.4 本章小结82-84
• 第五章 新型In GaN/In AlN/GaN/InAlN双量子阱共振隧穿二极管特性分析84-98
• 5.1 共振隧穿理论分类84-87
• 5.1.1 共振隧穿的两种物理理论模型84-86
• 5.1.2 不同维度下的隧穿模型86-87
• 5.2 具有In GaN子量子阱结构的InAlN/GaN RTD直流特性87-93
• 5.2.1 器件结构及参数87-89
• 5.2.2 器件的能带图89-90
• 5.2.3 器件的直流特性90-91
• 5.2.4 量子阱结构变化对NDR特性影响91-93
• 5.3 In组分变化对器件特性影响93-95
• 5.4 器件退化现象分析95-97
• 5.5 本章小结97-98
• 第六章 GaN基共振隧穿二极管交流特性分析98-106
• 6.1 共振隧穿二极管的直流等效模型98-100
• 6.1.1 以物理参数为基础的I-V模型98-99
• 6.1.2 高斯函数-指数函数模型99-100
• 6.2 共振隧穿二极管的交流模型100-102
• 6.2.1 R_n C等效电路模型100-101
• 6.2.2 量子阱电感等效电路模型101-102
• 6.3 GaN基RTD负阻振荡器和交流特性102-104
• 6.4 本章小结104-106
• 第七章 结论和展望106-110
• 7.1 研究结论106-107
• 7.2 研究展望107-110
• 参考文献110-118
• 致谢118-120
• 作者简介120-122

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