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用前景。GaN RTD相比GaAs RTD表現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注和研究。
　　相比第一代和第二代半導體的單晶材料，GaN單晶的外延生長技術

2、還是顯得不成熟，且生長完成后的GaN單晶外延層晶體質量較差，其中的缺陷密度還是很高；而且纖鋅礦結構的GaN材料具有強烈的極化效應，當AlN/GaN和AlGaN/GaN形成異質結時，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，且隨測量次數的增加會產生退化的現象。這些問題的存在，嚴重制約了GaN系RTD器件的有關研究及應用。為探索解決該問題

3、的途徑，對GaN材料的晶體結構及其產生的極化效應的機理進行深入的研究與分析，在這基礎上選擇適合構成雙勢壘單量子阱(DBS)的半導體材料，進行GaN系RTD器件結構的設計與參數優(yōu)化來減弱或消除極化效應對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構的方法來減弱或消除極化效應對GaN系RTD器件NDR特性的影響，并運用Silvaco TCAD仿真工具對這

4、兩種結構進行仿真驗證。仿真結果表明，這兩種結構都可以減弱極化效應對GaN系RTD器件其NDR特性的影響。其中發(fā)射極子阱的結構，增強了GaN系RTD共振隧穿效應的機制，且改變后的這個機制受極化效應的影響較弱，同時增加了GaN系RTD的電流密度。再根據量子尺寸效應，在發(fā)射極子阱結構的基礎上增加GaN勢阱的寬度可在0-4V的掃描電壓范圍實現兩個以上的NDR區(qū)，再優(yōu)化DBS區(qū)的材料結構參數使兩個相近的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的直流特性參數隨材料結構參數變化的規(guī)律性，分別是在其他參數不變的情況下，GaN系RTD的直流特性參數隨發(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構來改善 GaN系RTD的NDR性能，同樣再優(yōu)化DBS區(qū)的材料結構參數，并用Silvaco TCAD仿真軟件進行仿真驗證，仿真結果表明采用