离子注入型平面横向GaAs太赫兹肖特基二极管

Recently, in the research of terahertz (THz) devices and systems, schottky barrier diode (SBD) has a very broad application prospects, but the frequency characteristics of SBD are constrained by the problem of resistance and capacitance coupling induced by the device structure. This project aims at the above problem to reduce the relevance of the resistance and capacitance by the ion implanted plane lateral GaAs THz SBD. The plane lateral structure SBD with a high cut-off frequency, which contains regional uniformly doped N+/N- junction on the platform by the way of ion implantation and special electrodes prepared on both sides of the N+/N- junction. The structure is a very potential candidate for resistance and capacitance decoupling, which overcomes the bottleneck of frequency characteristics of SBD. In this project, we design a variety of plane lateral structures, and study the regularity of devices performance effect on carrier transport properties to reduce the relevance of the resistance and capacitance. We also investigate the influence of ion implantation process (temperature, concentration, etc.) on the device performance. Finally, a high cut-off frequency THz SBD is realized based on the lateral structure.

在目前的太赫兹器件及系统研究中，肖特基二极管具有十分广阔的应用前景，但是肖特基二极管的频率特性却受限于器件结构带来的电阻电容耦合问题。本项目针对上述问题，提出采用离子注入的方式在台阶上实现区域性均匀掺杂形成N+/N-结，进而在掺杂区域两侧制备电极形成特殊的平面横向二极管结构，该结构非常有潜力实现电阻和电容去耦化，突破目前肖特基二极管频率特性的瓶颈。本项目拟通过设计多种平面横向结构，研究各种结构的载流子横向输运特性对器件的影响，探寻电阻电容去耦化技术，降低电阻和电容的关联性；同时研究离子注入工艺（温度、浓度等）对器件性能的影响，开发出基于平面横向结构肖特基二极管的关键流片技术，最终实现横向结构的高截止频率的太赫兹肖特基二极管。

随着电磁辐射应用越来越广泛,太赫兹技术在近年来受到许多研究人员的关注。肖特基二极管具有速度快、良好的非线性效应、能够在常温下工作和容易集成等优点,所以常被用作太赫兹探测器中的混频器和检波二极管。目前，应用于太赫兹频段的GaAs SBD的肖特基结基本上都是垂直结构。以高电子迁移率的砷化镓(GaAs)材料为基底，通过外延技术生长不同掺杂浓度的外延层得到垂直层状肖特基二极管的结构。传统的垂直结构的肖特基二极管，电容与材料厚度成反比，串联电阻与材料厚度正相关，使得电阻和电容相互耦合，不能有效分离，这是由肖特基二极管的结构决定的。GaAs材料质量已基本没有提升空间，本项目为了提高截止频率，尝试降低肖特基二极管中串联电阻和电容的关联性，设计新的平面横向结构的肖特基二极管。. 本项目采用离子注入的方式在台阶上实现区域性均匀掺杂形成N-/N+结，在掺杂区域两侧制备电极形成特殊的平面横向二极管结构，进而制备出高截止频率的太赫兹肖特基二极管，并围绕提高截止频率这个核心问题进行相关研究。通过设计多种平面横向结构，研究各种横向结构的载流子输运特性对器件的影响，探寻电阻电容去耦化技术，降低电容和串联电阻的关联性。. 明确了N+、N-不同掺杂浓度、器件温度、电极尺寸和结构形式对SBD电流特性的影响。新的横向结构二极管截止频率高的原因可能是采用新结构和离子注入工艺大幅减小二极管的结电容。通过参数优化仿真，使得砷化镓太赫兹二极管在阳极面积为1.0um2时，其截止频率即可达到5.0THz。. 本项目将有助于提高我国太赫兹固态器件技术的基础研究水平和自主创新能力，并将有力推动太赫兹半导体材料和器件技术的发展，为下一步实现基于肖特基二极管的低衬底损耗、高集成度、高性能的太赫兹单片集成电路打下坚实基础。