GaN基异质结雪崩渡越时间器件击穿及交流特性研究

As the working frequency of semiconductor devices enters the terahertz band, impact ionizaiton avalanche transit-time（IMPATT）devices attract much academic and industrial attention for their advantages of having the highest output power in solid-state sources. Manufacturing IMPATT devices based on advanced semiconductor materials such as gallium nitride (GaN) has become a trend. However, there are two problems: (1)The PN structure is not effective because of the low concentration of p-type GaN. (2)The Schottky structure has too large reverse leakage current to cause device performance degradation. Therefore, the improvement of device structure is urgently needed. For this，the applicant designs the InGaN/GaN and AlGaN/GaN heterojunction IMPATT devices, the DC reverse characteristics and AC large signal output characteristics are studied. Based on the DC characteristic experiment, a breakdown analysis model with temperature, structure and other dependencies was established to analyze the mechanism of reverse characteristics, and then the in-depth analysis of the influence mechanism of devices' AC output characteristics can be investigated. The implementation of the project have application value in the theoretical research, design, manufacture and performance control of GaN-based IMPATT devices.

随着半导体器件工作频率进入太赫兹频段，雪崩渡越时间(IMPATT)器件以其拥有在固态源中最高输出功率的优点备受瞩目。利用先进半导体材料氮化镓（GaN）制造IMPATT器件也就成了为发展趋势所在。但其面临两个问题：1)PN结构由于P型GaN空穴浓度过低无法有效工作；2)肖特基结构反向漏电太大引起器件性能衰减，因此亟待器件结构的改善。为此申请人设计InGaN/GaN及AlGaN/GaN异质结IMPATT器件，以其直流反向特性及交流大信号输出特性为研究对象。在直流特性实验基础上建立含有温度、结构等依赖关系的击穿解析模型，剖析复杂因素对反向特性的影响机理，继而深入研究器件交流输出特性影响机制。项目的实施在GaN基IMPATT器件的理论研究、设计制造和性能调控方面具有参考应用价值。

针对传统的GaN基PN结IPMATT二极管的制造中P型GaN工艺不成熟的问题,本课题提出了几种具体的器件设计方法，利用异质结构设计GaN基IMPATT器件，避免了p型GaN的使用问题。并从内在机制，器件设计参数的影响等方面研究了新结构异质结器件的工作特性，包括：（1）.一种InGaN/GaN同型异质结IMPATT器件的工作特性研究，在国际上\首次提出了n-InGaN/n-GaN新结构IMPATT二极管，并建立了新结构的物理仿真模型，研究了不同In组分下器件的直流击穿特性以及交流输出特性。结果显示当组分为0.2~1时，器件的功率分别达到0.7~3.2MW/cm2，效率可达17%~22%。（2）.设计了一种AlGaN/GaN的肖特基接触、超宽禁带AlGaN材料作为雪崩区的IMPATT二极管，AlGaN首次被提出作为IMPATT器件的雪崩层，既有效增强了“高-低”掺杂结构中对雪崩区电场的限制，材料本身又可以提高器件的击穿电压。由于这些改进，器件交流性能得到了显著提升。结果显示当组分为0.2~0.6时，器件在毫米波段的功率分别达到1.56~2.67MW/cm2，效率可达18.16%~21.98%。（3）.提出了基于p-SiC/n-GaN异质结的双漂移和单漂移IMPATT二极管。结果显示双漂移和单漂移结构的新器件在功率和转换效率得到了显著提升，功率可达2MW/cm2以上，效率可达20%以上，并通过对电场、雪崩注入过程、载流子漂移过程的分析得到了器件性能得以提升的内在物理机制，发现电场的更大摆幅使得器件在渡越区的电子漂移速度增快，以及异质结产生的额外雪崩使得注入能力更强，这均使得器件的性能得到改善。课题的研究对基于宽禁带半导体材料的微波、毫米波段乃至太赫兹波段固态源的设计与制造具有显著的理论和应用意义，并对一般的宽禁带半导体器件，尤其是异质结结构器件带来有价值的参考。