基于自支撑衬底的GaN基共振隧穿二极管结构设计和MBE生长研究

This project aims to develop high quality terahertz resonant tunneling diode for room temperature operation, we took the advantage of molecular beam epitaxy (MBE) growth technology, combined with high quality GaN free-standing substrate with low dislocation density grown in our institute, to exploit the GaN based Terahertz devices. The design of high quality Al(Ga)N/GaN/Al(Ga)N double barrier resonant tunneling structure, optimization of MBE growth , fabrication process and performance research will be carried out by utilizing the suitable low dislocation density GaN free-standing substrate grown by Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) growth. The key technologies of terahertz device will focus on getting the high peak-to-valley ratio (PVR) by controllable materials growth, which we could get high quality device with steep interface. Moreover the low ohmic resistance contact technology in device fabrication process will be solved for the high performance GaN based terahertz device working at room temperature. The fullfill of III-N NDR terahertz device is the core device of the room temperature terahertz light source, which can provide seed light source for terahertz signal source with higher power and better monochromaticity.

GaN具有的高迁移率、高电导率、高电子浓度和高电子饱和速度等优点，使其成为室温太赫兹器件的研究热点。项目以GaN基共振隧穿二极管为目标器件，利用原子精度控制的分子束外延（MBE）生长技术，结合HVPE生长的高质量自支撑GaN衬底，开展高性能太赫兹共振隧穿二极管（RTD）关键技术研究。在选取合适的低位错GaN自支撑衬底的基础上，进行Al(Ga)N/GaN/Al(Ga)N双势垒共振隧穿结构的设计、MBE材料生长优化、工艺制备和性能探索研究。项目重点攻克高峰谷比(PVR)太赫兹共振隧穿结构的材料优化可控生长技术和器件的高峰值电流输出，进一步解决低电阻欧姆接触工艺制备技术，从而得到高性能的GaN基室温太赫兹负阻器件，这一器件是实现室温太赫兹光源的核心器件，可与振荡电路结合为产生更高功率和单色性更佳的太赫兹信号源提供种子光源，为获得实用化的室温太赫兹光源奠定技术基础。

共振隧穿二极管（RTD）是一种基于量子隧穿效应的电子器件，具有高频、高速、低电压和微分负阻等特点，在太赫兹（THz）光源领域具有独特的应用价值。室温工作固态小型化THz光源器件在高速无线通信、生物医学、安全检查、等离子体诊断等领域有广泛的应用需求。GaN基是制作室温太赫兹振荡源的核心部件之一，但是输出功率低、性能稳定性差等因素严重制约着其实际应用。本项目围绕具有室温负微分电阻特性的GaN基RTD器件，从器件结构设计、材料生长及关键工艺开发等方面开展了系统性研究，并探讨了器件性能失效和双向负微分电阻特性机制。主要研究内容如下：1）基于模拟软件设计并优化了RTD器件的外延结构。通过理论模拟，研究了强极化电场影响下的器件外延厚度及掺杂浓度等结构参数对于其光电输出性能的影响。确定了其物构关系，得到了理论上能够实现共振隧穿效应的RTD器件的外延结构。2）采用分子束外延（MBE）技术基于不同衬底进行RTD器件的外延生长与优化，获得了缺陷密度低至8×107cm-2的外延材料，实现高质量RTD器件的外延生长及精准调控技术，解决了微米级尺寸器件的金属剥离和台面刻蚀等工艺难题，开发了独特的金属硬掩模工艺技术，完成了GaN基RTD器件的制备。3）在GaN自支撑衬底上实现了微分负阻现象，器件峰值电流密度和峰谷电流比分别达到160 kA/cm2和1.56。首次报道了具有室温双向负微分电阻特性的GaN基RTD，基于纳米尺度表征测试，并结合极化场下的能带结构以及载流子传输行为分析，明确了这是由势垒中Al组分的改变引起导带的偏移，进而导致载流子输运在正负偏压下的差异化所引起。4）基于低频噪声测试证实RTD器件内部存在0.21 eV和0.54 eV两种深能级缺陷，形成了漏电通道；并利用基于杂化密度泛函理论的第一性原理计算方法，确定了两种深能级缺陷分别是由N空位缺陷和VN-NGa缺陷对导致的，进而阐述了穿透位错和深能级缺陷导致的内部漏电是造成基于蓝宝石衬底所制备的RTD器件失效的根本原因。