GaN系双势垒量子阱RTD器件的研究

摘要

GaN系（基）RTD由于GaN材料的优越特性，如高电子速率峰值、高饱和电子速率峰值、高热稳定性、高禁带宽度、高击穿电场、高输出功率等，因此它在多值逻辑电路、低功耗模拟电路、微波功率电路及THz辐射源器件方面都有很好的应用前景。GaN RTD相比GaAs RTD表现出更高的峰谷电流比(PVCR)、更高的输出功率（mW级）和频率、更高的工作温度而吸引了很多的关注和研究。
　　相比第一代和第二代半导体的单晶材料，GaN单晶的外延生长技术还是显得不成熟，且生长完成后的GaN单晶外延层晶体质量较差，其中的缺陷密度还是很高；而且纤锌矿结构的GaN材料具有强烈的极化效应，当AlN/GaN和AlGaN/GaN形成异质结时，其界面处存在较高密度的极化电荷，这些因素极大地影响了GaN系RTD的负微分电阻(NDR)特性。所以到目前为止，GaN系RTD的NDR特性很不稳定，且随测量次数的增加会产生退化的现象。这些问题的存在，严重制约了GaN系RTD器件的有关研究及应用。为探索解决该问题的途径，对GaN材料的晶体结构及其产生的极化效应的机理进行深入的研究与分析，在这基础上选择适合构成双势垒单量子阱(DBS)的半导体材料，进行GaN系RTD器件结构的设计与参数优化来减弱或消除极化效应对GaN系RTD其NDR特性的影响，从而获得具有良好NDR特性的GaN系RTD。
　　本文通过增加发射极子阱和采用非对称双势垒结构的方法来减弱或消除极化效应对GaN系RTD器件NDR特性的影响，并运用Silvaco TCAD仿真工具对这两种结构进行仿真验证。仿真结果表明，这两种结构都可以减弱极化效应对GaN系RTD器件其NDR特性的影响。其中发射极子阱的结构，增强了GaN系RTD共振隧穿效应的机制，且改变后的这个机制受极化效应的影响较弱，同时增加了GaN系RTD的电流密度。再根据量子尺寸效应，在发射极子阱结构的基础上增加GaN势阱的宽度可在0-4V的扫描电压范围实现两个以上的NDR区，再优化DBS区的材料结构参数使两个相近的NDR区更好地用于多值逻辑(MVL)电路。
　　接下来运用Silvaco TCAD仿真工具研究分析了非对称双势垒情况下GaN系RTD的直流特性参数随材料结构参数变化的规律性，分别是在其他参数不变的情况下，GaN系RTD的直流特性参数随发射极势垒、势阱和集电极势垒材料厚度以及两个势垒能量高度变化的规律性。最后尝试采用发射极子阱非对称双势垒结构来改善 GaN系RTD的NDR性能，同样再优化DBS区的材料结构参数，并用Silvaco TCAD仿真软件进行仿真验证，仿真结果表明采用发射极子阱非对称双势垒结构可以明显提升RTD的PVCR值，进而改善GaN系RTD器件的性能。采用发射极子阱非对称AlInN双势垒结构并优化DBS区材料结构参数，使GaN系RTD器件的PVCR值提升为38.49。

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缩略词

第一章 绪论

1.1引言

1.2研究目的和意义

1.3研究进展和现状

1.4论文主要研究内容

第二章RTD概述

2.1 RTD的材料及基本结构

2.2 RTD的工作原理

2.3 RTD的电学特性参数[4]

2.4 GaN单晶材料的外延技术

2.5 GaN单晶材料外延的衬底

2.6 GaN非极性材料

2.7本章小结

第三章 GaN材料的极化效应

3.1 GaN材料的极性及极化效应

3.2异质结构中的极化面电荷

3.3 GaN RTD的材料结构及界面极化面电荷

3.4 GaN RTD界面极化面电荷的计算[20,66]

3.5仿真结果及分析

3.6本章小结

第四章 发射极子阱对RTD特性的影响

4.1增加发射极子阱结构的仿真与验证

4.2 改变势垒材料

4.3本章小结

第五章 非对称双势垒结构的对RTD特性影响的研究

5.1非对称RTD材料结构与能带结构

5.2非对称结构的仿真与验证

5.3非对称RTD改变结构参数仿真

5.4 发射极子阱非对称RTD结构

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

附录