氮化物半导体THz电子器件关键技术研究

The project focuses on new device structures and fabrications of GaN-based IMPATT, Gunn diode, and RTD which have shown promising applications in technology of terahertz source. Based on previous researches of our group, we propose key techniques on the DDR-IMPATT with p-type GaN Schottky contact, the planar Gunn diode with InGaN back barrier, and the InAlN/GaN/InAlN RTD with InGaN interlayer. Particularly, the AlGaN and supper lattice interlayers are proposed to enhance the p-type doping; the deep ohmic contact and surface passivation are proposed to improve the stability of 2DEG in the channel of Gunn diode; the InGaN interlayer are proposed to enhance 2D-2D tunneling mode. Theoretical investigations of these devices are put on the device mechanism and numerical simulation, and device processing are put on the manufacturability, both of which aims to empirically obtain the high efficient avalanche-tunneling mechanism consequently a negative differential I-V characteristic of DDR-IMPATT, and obtain the uniformly distributed 2DEG in the channel of planar Gunn diode thereby easily form a steady electron domain, and significantly lower the defect density at the interface of quantum well in order to realize a steady I-V characteristic of RTD under the condition of scanning bias-voltage.

本项目针对GaN基IMPATT、GunnDiode和RTD器件在太赫兹源技术中的广阔应用前景和器件实现中所面临的关键技术难点，基于前期工作中所取得的研究成果，提出了包括p型肖特基接触DDR结构IMPATT、InGaN背势垒平面结构GunnDiode、InAlN晶格匹配势垒结构RTD新型器件结构和器件工艺实现的关键技术，重点采用AlGaN和多周期超晶格结构增强IMPATT器件的p型掺杂效率和混合隧穿机制、采用深浸欧姆接触和表面钝化改善Gunn器件沟道二维电子气分布稳定性、采用InGaN插入层增强RTD器件的2D隧穿模式的稳定性等创新性的关键技术，通过数值仿真研究其工作机理和器件的可制造性，实现GaN基IMPATT器件p区高效率雪崩和隧穿效率以获得稳定的直流负阻特性，实现GaN基Gunn器件沟道区均匀电子分布以获得高场畴振荡，实现GaN基RTD器件的低缺陷密度以获取稳定的隧穿直流负阻特性。

项目研究包括平面结构GaN基太赫兹耿氏二极管器件、双势垒InAlN(AlGaN)/GaN/InAlN(AlGaN) 基太赫兹共振隧穿二极管器件、肖特基结构GaN基太赫兹雪崩碰撞二极管器件三种新型结构的GaN基太赫兹二极管器件关键机理和实现技术。在耿氏二极管研究上，首次报道了AlGaN/GaN HEMT 结构的类平面耿氏二极管的二维电子气（2DEG）沟道中多畴现象形成机理，提出了二极管器件阴极区插入掺杂浓度spike层，通过调整沟道电场来控制沟道中多畴的个数、振荡频率以及振荡模式，以实现在最佳振荡模式下提升工作频率和射频功率密度的目的；首次提出了一种复合电极代替传统的欧姆接触电极的GaN 平面耿氏二极管结构，以提高超短沟耿氏器件的直流-射频转换效率；提出了多凹槽工艺形成非均匀AlGaN势垒层的方法，以促进偶极畴的快速形成从而降低了渡越区的死区长度，显著提高了耿氏二极管的输出功率和转换效率，同时多畴形成与叠加作用可以显著增强振荡电流的谐波成分，有效提高可用振荡频率；提出了多沟道器件结构，利用偶极畴的叠加作用，使基频的输出功率大大增加，使得短沟道器件中依然有很高的射频输出功率和转换效率。在共振隧穿二极管研究上，首次定量分析揭示了深能级缺陷对InAlN/GaN基隧穿二极管性能影响的机理，提出了带有子量子阱的InGaN/InAlN/GaN/InAlN基RTD新型器件结构，通过改变电子隧穿模式，以大幅提高器件的负阻特性和输出功率；首次提出了非对称势垒的AlGaN/GaN/AlGaN基共振隧穿二极管新型结构，可有效解决量子阱工艺制作精度与器件性能之间的矛盾，研究发现发射极势垒宽度和高度的减小可以有效增加峰值和谷值电流，集电极势垒宽度和高度的增加，可有效提高峰谷电流比和峰值电流，降低谷值电流。在雪崩碰撞二极管研究上，揭示了GaN材料的负微分迁移率特性可以增强器件的交流电压调制系数，从而显著提高器件的转换效率效率和振荡输出功率的机理；首次提出采用非极性面GaN材料，可以使雪崩碰撞器件在更高的振荡频率上获得更高的功率输出和转换效率；对比研究了D波段SiC基雪崩碰撞器件的机理，揭示了在不同晶向SiC材料上制作器件可以获得不同输出性能的机理。