氮化物半導體THz電子器件關鍵技術研究

《氮化物半導體THz電子器件關鍵技術研究》是依託西安電子科技大學，由楊林安擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氮化物半導體THz電子器件關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊林安
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

本項目針對GaN基IMPATT、GunnDiode和RTD器件在太赫茲源技術中的廣闊套用前景和器件實現中所面臨的關鍵技術難點，基於前期工作中所取得的研究成果，提出了包括p型肖特基接觸DDR結構IMPATT、InGaN背勢壘平面結構GunnDiode、InAlN晶格匹配勢壘結構RTD新型器件結構和器件工藝實現的關鍵技術，重點採用AlGaN和多周期超晶格結構增強IMPATT器件的p型摻雜效率和混合隧穿機制、採用深浸歐姆接觸和表面鈍化改善Gunn器件溝道二維電子氣分布穩定性、採用InGaN插入層增強RTD器件的2D隧穿模式的穩定性等創新性的關鍵技術，通過數值仿真研究其工作機理和器件的可製造性，實現GaN基IMPATT器件p區高效率雪崩和隧穿效率以獲得穩定的直流負阻特性，實現GaN基Gunn器件溝道區均勻電子分布以獲得高場疇振盪，實現GaN基RTD器件的低缺陷密度以獲取穩定的隧穿直流負阻特性。

結題摘要

項目研究包括平面結構GaN基太赫茲耿氏二極體器件、雙勢壘InAlN(AlGaN)/GaN/InAlN(AlGaN) 基太赫茲共振隧穿二極體器件、肖特基結構GaN基太赫茲雪崩碰撞二極體器件三種新型結構的GaN基太赫茲二極體器件關鍵機理和實現技術。在耿氏二極體研究上，首次報導了AlGaN/GaN HEMT 結構的類平面耿氏二極體的二維電子氣（2DEG）溝道中多疇現象形成機理，提出了二極體器件陰極區插入摻雜濃度spike層，通過調整溝道電場來控制溝道中多疇的個數、振盪頻率以及振盪模式，以實現在最佳振盪模式下提升工作頻率和射頻功率密度的目的；首次提出了一種複合電極代替傳統的歐姆接觸電極的GaN 平面耿氏二極體結構，以提高超短溝耿氏器件的直流-射頻轉換效率；提出了多凹槽工藝形成非均勻AlGaN勢壘層的方法，以促進偶極疇的快速形成從而降低了渡越區的死區長度，顯著提高了耿氏二極體的輸出功率和轉換效率，同時多疇形成與疊加作用可以顯著增強振盪電流的諧波成分，有效提高可用振盪頻率；提出了多溝道器件結構，利用偶極疇的疊加作用，使基頻的輸出功率大大增加，使得短溝道器件中依然有很高的射頻輸出功率和轉換效率。在共振隧穿二極體研究上，首次定量分析揭示了深能級缺陷對InAlN/GaN基隧穿二極體性能影響的機理，提出了帶有子量子阱的InGaN/InAlN/GaN/InAlN基RTD新型器件結構，通過改變電子隧穿模式，以大幅提高器件的負阻特性和輸出功率；首次提出了非對稱勢壘的AlGaN/GaN/AlGaN基共振隧穿二極體新型結構，可有效解決量子阱工藝製作精度與器件性能之間的矛盾，研究發現發射極勢壘寬度和高度的減小可以有效增加峰值和谷值電流，集電極勢壘寬度和高度的增加，可有效提高峰谷電流比和峰值電流，降低谷值電流。在雪崩碰撞二極體研究上，揭示了GaN材料的負微分遷移率特性可以增強器件的交流電壓調製係數，從而顯著提高器件的轉換效率效率和振盪輸出功率的機理；首次提出採用非極性面GaN材料，可以使雪崩碰撞器件在更高的振盪頻率上獲得更高的功率輸出和轉換效率；對比研究了D波段SiC基雪崩碰撞器件的機理，揭示了在不同晶向SiC材料上製作器件可以獲得不同輸出性能的機理。