N面AlGaN/GaN共振隧穿二极管结构优化

摘要

太赫兹技术是一种新兴科学技术，因其在医学、检测、通信、雷达等领域的应用而受到广泛关注。在众多太赫兹源中，共振隧穿二极管因其高频高速的特性成为太赫兹领域的研究热点，其中研究最多、应用最广泛的主要是基于Si、GaAs材料，其输出功率太低，无法满足太赫兹源的需求。人们开始考虑通过新材料来提升共振隧穿二极管的性能。此时氮化镓材料的优势逐渐凸显，在微波大功率器件领域发展深远，因此许多科学家开始研究GaN基共振隧穿二极管在太赫兹领域应用的潜力。然而，GaN基共振隧穿二极管的应用也面临很多困难，如缺陷和异质结界面的极化电荷会严重影响器件性能。
　　本研究主要内容包括：⑴选定了仿真中所用的物理模型。分析了与Ga面GaN材料相比，N面GaN材料的优势及存在的问题。⑵使用Silvaco软件建立N面和Ga面AlGaN/GaN RTD的模型，其中包含极化效应对器件性能产生的影响。使用非平衡格林函数等模型进行仿真，得到 I-V曲线、导带图、隧穿几率和能量关系图等，分析得出N面和Ga面AlGaN/GaN RTD的区别。同时研究了势垒宽度、势阱宽度、欧姆接触区掺杂浓度、Al组分和隔离层厚度对 N面AlGaN/GaN RTD性能的影响，发现减小势垒宽度、增大掺杂浓度、减小隔离层厚度可以改善器件性能，同时要折中选择势阱宽度、Al组分的值。给出了 N面AlGaN/GaN RTD的具体工艺步骤。⑶研究了外加偏压对N面AlGaN/GaN RTD隧穿几率的影响，发现 N面AlGaN/GaN RTD峰值电压下的隧穿几率峰值并未达到最大值。通过对不对称N面AlGaN/GaN RTD进行结构优化，旨在提高峰值电压下的隧穿几率峰值。通过研究不对称势垒宽度、不对称掺杂浓度、不对称Al组分、不对称隔离层厚度的器件在不同外加偏压下的隧穿几率和能量关系图，发现窄发射势垒宽度、宽收集势垒宽度可以增大峰值电压下的隧穿几率峰值，同时减小欧姆接触区的掺杂浓度、增大前隔离层厚度也可以增大峰值电压下的隧穿几率峰值。

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第一章 绪论

1.1 GaN材料的优势

1.2太赫兹技术概述

1.3太赫兹半导体器件概述

1.4共振隧穿二级管的研究背景和面临的挑战

1.5本论文研究工作

第二章 GaN基共振隧穿二极管器件建模和特性分析

2.1共振隧穿二极管机理

2.2 GaN基材料参数分析及极化效应

2.3 Silvaco器件建模过程

2.4本章小结

第三章 N面AlGaN/GaN共振隧穿二极管特性研究

3.1 N面GaN材料

3.2 N面共振隧穿二极管的结构

3.3 N面共振隧穿二极管的直流特性

3.4势垒宽度对N面共振隧穿二极管直流特性的影响

3.5势阱宽度对N面共振隧穿二极管直流特性的影响

3.6欧姆接触区掺杂浓度对N面共振隧穿二极管直流特性的影响

3.7 Al组分对N面共振隧穿二极管直流特性的影响

3.8隔离层厚度对N面共振隧穿二极管直流特性的影响

3.9 N面共振隧穿二极管的工艺设计

3.10 本章小结

第四章 不对称N面AlGaN/GaN共振隧穿二极管特性研究

4.1外加偏压对N面共振隧穿二极管隧穿几率的影响

4.2不对称势垒结构的N面共振隧穿二极管

4.3不对称掺杂浓度的N面共振隧穿二极管

4.4不对称Al组分的N面共振隧穿二极管

4.5不对称隔离层厚度的N面共振隧穿二极管

4.6本章小结

第五章 总结

参考文献

致谢

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