新型AlGaN/GaN太赫兹耿氏二极管研究

研究一种应用于太赫兹波段的新型铝镓氮/氮化镓异质结耿氏二极管，面向太赫兹雷达及通讯系统中振荡组部件的需求，以高功率输出特性为重要目标。创新性地采用多级渐变Al组份AlGaN热电子发射层结构，研究异质结极化效应和温度效应对器件的影响，优化设计结构实现宽温度范围的稳定振荡，获得偶极畴模式下基频500GHz和积累模式下基频1THz的理论指标。实际器件制造采用N型导通型碳化硅衬底上外延生长多层氮化镓的材料，采用独创的纵向电极和中间连接电极结构，大幅提高衬底散热能力，有利于高频耿氏振荡的维持，在太赫兹波段实现更高的输出功率。预期目标为200-300 GHz频段内输出功率比GaAs耿氏器件提高一个数量级，达到50-100mW，直流-射频功率转换效率接近或大于1%，是目前实际太赫兹半导体耿氏器件的最新指标。

首次报道采用MOCVD法生长实现了底层notch-doping 加速区(BNL)结构和顶层notch-doping加速区(TNL)结构的GaN基THz耿氏器件外延结构并进行了相关的材料测试分析，并通过自主建立的外延缺陷生长动力学模型解释了器件有源区生长位错湮灭的机理。首次报道设计和实验获得了亚微米渡越区长度的带有三级递进AlGaN层的AlGaN/GaN异质结太赫兹耿氏二极管外延结构，详细研究AlGaN 热电子注射(HEI)层对GaN输运区位错的阻断和结晶质量的影响，进一步通过分析验证揭示了位错从缓冲层穿透并进入AlGaN HEI层时，螺位错和刃位错在AlGaN /GaN异质界面发生弯曲和随之而来的湮灭现象，指出采用底层AlGaN-HEI层结构可以作为AlGaN/GaN异质结THz耿氏器件的最佳选择。同时研究了通过赝晶生长的Al组分渐变AlGaN插入层来湮灭N极性GaN中位错，提出了一种有效改善N极性GaN结晶质量的方法以而改善N极性THz器件的特性。研究提出热退火处理可以使点缺陷密度分布降低31.4 %和 35.0 %，有效改善了GaN中深能级缺陷引入的电荷俘获效应会导致射频功率和转换效率的明显衰减。创新性地提出了多级渐变Al组份的AlGaN热电子发射层耿氏二极管器件结构，利用AlGaN/GaN异质结导带不连续特性和极化效应特性，使大量电子在很短的电子行程内形成稳定的高场畴传播的机理。首次在AlGaN高场输运模型中引入Al组份、合金无序势、极化效应因子从而建立了接近材料实际物理机理的解析模型，并分析耿氏器件偶极畴振荡模式和积累畴振荡模式与器件温度的对应关系。首次报道了关于AlGaN/GaN 2DEG沟道的类HEMT平面耿氏二极管的数值研究，提出了通过调整阴极和阳极掺杂浓度来控制沟道内耿氏畴形成机理，提出了将肖特基-欧姆接触的复合电极结构用于AlGaN/GaN 超短沟弹道耿氏器件的概念。提出InN基耿氏二极管的面积更小且具备更高的功率转换效率。首次从理论上定量地分析了AlGaN/GaN/AlGaN结构RTD中界面缺陷对器件负阻特性的影响，精确解释了RTD器件测试实验中的物理现象，给出了能够有效抑制负阻特性衰减的RTD优化器件结构。首次从理论上分析了InAlN/GaN RTD中缺陷密度和俘获中心的位置对THz RTD器件负阻特性可重复性的影响。