本文關(guān)鍵詞：太赫茲波段GaN基共振隧穿器件的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,氮化鎵(GaN)基半導體材料與器件發(fā)展迅速,它被認為是繼第一代和第二代半導體材料之后,第三代寬禁帶半導體材料的代表。由于其具有高臨界場強、高異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣濃度、寬禁帶、高導帶斷續(xù)、高熱導率、高載流子飽和速率等優(yōu)點,GaN基半導體材料和器件得到了廣泛的關(guān)注并引起了眾多研究者的興趣。太赫茲技術(shù)作為一門新興的科學技術(shù),由于其具有很多獨特的特性以及優(yōu)勢,引起了許多科研工作者的關(guān)注。太赫茲的頻率范圍為0.1 THz到10 THz,介于微波與紅外之間,因此要想獲得太赫茲的頻率,必須選擇合適的器件作為太赫茲波的產(chǎn)生源。共振隧穿二極管由于其器件特性成為實現(xiàn)太赫茲器件源的重要選擇�；贕aN基半導體材料制作而成的共振隧穿二極管,繼承了GaN基化合物半導體材料異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點,它具有高載流子濃度、高載流子遷移率、高工作頻率、大功率及耐高溫等特性,因此成為眾多研究者研究的熱點。本文旨在利用GaN基共振隧穿二極管產(chǎn)生穩(wěn)定的大功率太赫茲波段信號,研究內(nèi)容主要針對共振隧穿二極管及其材料的建模、器件退化機理的研究、器件新材料新結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計等幾個方面。論文圍繞國家自然科學基金面上項目“氮化物半導體THz電子器件關(guān)鍵技術(shù)研究”和國家自然科學基金面上項目“新型AlGaN/GaN太赫茲耿氏二極管研究”等項目的研究任務(wù),對太赫茲波段GaN基共振隧穿二極管進行了研究,主要結(jié)論如下:1,論文報道了GaN基RTD的建模過程,依托Monte Carlo模擬結(jié)果和FMBC模型,結(jié)合試驗數(shù)據(jù)等相關(guān)結(jié)果,選定了最優(yōu)遷移率模型,經(jīng)過matlab工具的數(shù)學擬合方法,得到了GaN、AlGaN和InAlN材料的速場關(guān)系,該模型是材料的高場遷移率模型的基礎(chǔ)。隨后利用Silvaco-Altas模擬器對AlGaN/GaN RTD進行建模,依托GaN基異質(zhì)結(jié)界面的極化工程,通過自洽求解薛定諤-泊松方程和非平衡格林函數(shù)并進行相關(guān)計算,依托能帶圖、透射系數(shù)等參量,對AlGaN/GaN RTD的負微分電阻特性進行了表征、分析和研究。同時研究了勢阱寬度、勢壘厚度、隔離層厚度、發(fā)射區(qū)面積和摻雜濃度變化對器件特性的影響,得出了合理選擇相關(guān)參數(shù)能有效提高器件的輸出特性的結(jié)論。2,論文著重分析了目前國內(nèi)外GaN基RTD的研究瓶頸——退化現(xiàn)象。針對異質(zhì)界面處陷阱中心的理論模型和俘獲機制,通過向極化AlGaN/GaN RTD量子阱中引入深能級缺陷,就退化現(xiàn)象的機理進行了深層次的理論分析。得到陷阱中心的缺陷密度、電離率和激活能與RTD的退化效應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系,通過分析它們之間的聯(lián)系,研究了器件的失效機理,指出了GaN基RTD的退化現(xiàn)象是由陷阱中心的缺陷密度和激活能的共同作用引起,并且具有高激活能的深能級陷阱中心對NDR特性的退化起主導作用。最后提出了使用低Al組分的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面并采用同質(zhì)襯底和外延生長技術(shù)能減小陷阱中心對GaN基RTD性能的影響。3,論文報道了近晶格匹配的InAlN/GaN異質(zhì)界面對GaN基RTD退化效應(yīng)的改善,根據(jù)InAlN高場遷移率模型,依托近晶格匹配的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)界面的陷阱中心的缺陷密度和激活能,通過自洽求解薛定諤-泊松方程和非平衡格林函數(shù),得到了In AlN/GaN RTD的負微分電阻特性,并著重分析近晶格匹配的InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)界面對RTD的退化現(xiàn)象的抑制。InAlN/GaN異質(zhì)界面處的大的自發(fā)極化和內(nèi)建電場改變了結(jié)構(gòu)中電子的分布,降低了陷阱中心的激活能,減小甚至消除壓電極化,降低了量子阱區(qū)域的自由電子濃度,抑制了陷阱中心的電離率,改善了NDR特性的可重復性。研究結(jié)果表明采用InAlN作為RTD的勢壘材料可以有效的解決退化現(xiàn)象帶來的負面影響。4,論文報道了具有InGaN子量子阱結(jié)構(gòu)的GaN基RTD的隧穿機理。通過在發(fā)射區(qū)增加一層窄帶隙的InGaN子量子阱,將傳統(tǒng)RTD的3D-2D-3D(發(fā)射區(qū)-勢阱-集電區(qū))的隧穿模式改為2D-2D(子阱-主阱)的隧穿模式。通過對具有InGaN子量子阱結(jié)構(gòu)的RTD的能帶結(jié)構(gòu)、分立能級和透射系數(shù)等參數(shù)的分析,揭示了載流子在器件內(nèi)部的輸運過程。由于電子在隧穿方向上依然保持動量守恒,因此會在I-V特性上呈現(xiàn)出很尖銳的電流峰值,同時由于InGaN子量子阱的引入,電子在該量子阱的能量分布降低,在兩個量子阱對準時隧穿進入Ga N主量子阱的電子數(shù)量增加,同時透射系數(shù)增加,引起了峰值電流的迅速提高,并造成了峰值電壓的降低。隨后,研究了In GaN子量子阱的In組分變化對器件特性的影響,通過分析該結(jié)構(gòu)在不同外加偏置下的能帶圖、分立能級位置和透射系數(shù),指出了合理選取InGaN子量子阱的In組分對提高具有InGaN子量子阱的RTD器件性能尤為重要,得到了使I-V特性最佳的In GaN材料的In組分值。5,論文報道了GaN基RTD的PSPICE大信號電路模型建立過程,通過提取GaN基RTD的寄生電容和本征電阻等相關(guān)參數(shù),并結(jié)合器件的并聯(lián)RLC電路模型搭建了GaN基RTD負阻振蕩器,得到了器件的交流輸出功率和工作頻率。通過傅立葉變換,得到了器件的基波電流和基波電壓。最后分析了陷阱中心對器件的交流特性的影響。
【關(guān)鍵詞】：太赫茲 共振隧穿二極管 陷阱中心 InAlN/GaN異質(zhì)界面
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN31
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 符號對照表14-16
• 縮略語對照表16-20
• 第一章 緒論20-28
• 1.1 寬禁帶半導體材料GaN研究背景20-21
• 1.2 太赫茲技術(shù)的研究背景21-26
• 1.2.1 太赫茲波的定義及特點21-22
• 1.2.2 太赫茲半導體輻射源概述22-24
• 1.2.3 太赫茲共振隧穿器件的研究背景和現(xiàn)狀24-26
• 1.3 本論文研究工作和安排26-28
• 第二章 GaN基共振隧穿二極管器件模型及數(shù)值仿真方法28-48
• 2.1 共振隧穿器件的分類及工作原理28-32
• 2.1.1 勢阱中能量的量子化29-30
• 2.1.2 共振隧穿效應(yīng)30
• 2.1.3 共振隧穿二極管中的電流成分30-32
• 2.1.4 峰值電壓的組成32
• 2.2 Silvaco-Altas模擬軟件簡介32-35
• 2.2.1 Silvaco-Altas的基本方程33-34
• 2.2.2 Silvaco-Altas數(shù)值計算過程34-35
• 2.3 GaN基RTD材料參數(shù)及模型解析35-38
• 2.3.1 GaN基材料的物理參數(shù)35-36
• 2.3.2 GaN基RTD材料的極化效應(yīng)36-38
• 2.4 GaN、AlGa N和InAlN材料速場關(guān)系的計算38-45
• 2.4.1 GaN低場遷移率模型40-41
• 2.4.2 AlGaN低場遷移率模型41-42
• 2.4.3 GaN高場速場關(guān)系模型42-43
• 2.4.4 AlGaN高場速場關(guān)系模型43-44
• 2.4.5 In AlN高場速場關(guān)系模型44-45
• 2.5 本章小結(jié)45-48
• 第三章 AlGaN/GaN共振隧穿二極管特性研究48-70
• 3.1 RTD的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計48-53
• 3.1.1 RTD的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計48-50
• 3.1.2 RTD的工藝設(shè)計50-53
• 3.2 GaN基RTD材料的模擬計算53-57
• 3.2.1 GaN基RTD材料的極化計算53-56
• 3.2.2 泊松-薛定諤方程的自洽求解56-57
• 3.3 AlGaN/GaN RTD的直流特性57-64
• 3.3.1 模擬計算中采用的RTD結(jié)構(gòu)57
• 3.3.2 器件的負微分電阻特性和滯回效應(yīng)57-59
• 3.3.3 勢阱寬度對NDR特性影響59
• 3.3.4 勢壘厚度對NDR特性影響59-60
• 3.3.5 發(fā)射區(qū)摻雜對NDR特性影響60-61
• 3.3.6 發(fā)射區(qū)面積對NDR特性影響61
• 3.3.7 隔離層厚度對NDR特性影響61-62
• 3.3.8 Al組分變化對NDR特性的影響62-64
• 3.3.9 AlGaN/GaN RTD和傳統(tǒng)AlGaAs/GaAs RTD的比較64
• 3.4 AlGaN/GaN RTD性能退化的機理研究64-68
• 3.4.1 陷阱中心的參數(shù)和模型65-66
• 3.4.2 退化機理的分析66-68
• 3.5 本章小結(jié)68-70
• 第四章 近晶格匹配In AlN/GaN共振隧穿二極管特性研究70-84
• 4.1 近晶格匹配In AlN/GaN異質(zhì)結(jié)材料特性70-73
• 4.2 In AlN/GaN RTD的直流特性73-78
• 4.2.1 In AlN/GaN RTD的結(jié)構(gòu)和計算參數(shù)73-74
• 4.2.2 器件的I-V特性和滯回效應(yīng)74-76
• 4.2.3 量子阱結(jié)構(gòu)變化對器件I-V特性影響76-78
• 4.2.4 發(fā)射區(qū)摻雜對器件I-V特性影響78
• 4.3 In AlN/GaN RTD的退化機理分析78-82
• 4.4 本章小結(jié)82-84
• 第五章 新型In GaN/In AlN/GaN/InAlN雙量子阱共振隧穿二極管特性分析84-98
• 5.1 共振隧穿理論分類84-87
• 5.1.1 共振隧穿的兩種物理理論模型84-86
• 5.1.2 不同維度下的隧穿模型86-87
• 5.2 具有In GaN子量子阱結(jié)構(gòu)的InAlN/GaN RTD直流特性87-93
• 5.2.1 器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)87-89
• 5.2.2 器件的能帶圖89-90
• 5.2.3 器件的直流特性90-91
• 5.2.4 量子阱結(jié)構(gòu)變化對NDR特性影響91-93
• 5.3 In組分變化對器件特性影響93-95
• 5.4 器件退化現(xiàn)象分析95-97
• 5.5 本章小結(jié)97-98
• 第六章 GaN基共振隧穿二極管交流特性分析98-106
• 6.1 共振隧穿二極管的直流等效模型98-100
• 6.1.1 以物理參數(shù)為基礎(chǔ)的I-V模型98-99
• 6.1.2 高斯函數(shù)-指數(shù)函數(shù)模型99-100
• 6.2 共振隧穿二極管的交流模型100-102
• 6.2.1 R_n C等效電路模型100-101
• 6.2.2 量子阱電感等效電路模型101-102
• 6.3 GaN基RTD負阻振蕩器和交流特性102-104
• 6.4 本章小結(jié)104-106
• 第七章 結(jié)論和展望106-110
• 7.1 研究結(jié)論106-107
• 7.2 研究展望107-110
• 參考文獻110-118
• 致謝118-120
• 作者簡介120-122

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陳勇波;周建軍;徐躍杭;國云川;徐銳敏;;GaN高電子遷移率晶體管高頻噪聲特性的研究[J];微波學報;2011年06期

2 張保平;蔡麗娥;張江勇;李水清;尚景智;王篤祥;林峰;林科闖;余金中;王啟明;;GaN基垂直腔面發(fā)射激光器的研制[J];廈門大學學報(自然科學版);2008年05期

3 汪連山,劉祥林,岳國珍,王曉暉,汪度,陸大成,王占國;N型GaN的持續(xù)光電導[J];半導體學報;1999年05期

4 趙麗偉;滕曉云;郝秋艷;朱軍山;張帷;劉彩池;;金屬有機化學氣相沉積生長的GaN膜中V缺陷研究[J];液晶與顯示;2006年01期

5 張進城;董作典;秦雪雪;鄭鵬天;劉林杰;郝躍;;GaN基異質(zhì)結(jié)緩沖層漏電分析[J];物理學報;2009年03期

6 陳裕權(quán);;歐洲通力合作發(fā)展GaN技術(shù)[J];半導體信息;2009年04期

7 張金風;郝躍;;GaN高電子遷移率晶體管的研究進展[J];電力電子技術(shù);2008年12期

8 唐懿明;;電注入連續(xù)波藍光GaN基垂直腔面發(fā)射激光器[J];光機電信息;2008年08期

9 Tim McDonald;;基于GaN的功率技術(shù)引發(fā)電子轉(zhuǎn)換革命[J];中國集成電路;2010年06期

10 陳裕權(quán);;日本GaN基器件研究進展[J];半導體信息;2004年02期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陳勇波;周建軍;徐躍杭;國云川;徐銳敏;;GaN高電子遷移率晶體管高頻噪聲特性的研究[A];2011年全國微波毫米波會議論文集（下冊）[C];2011年

2 金豫浙;曾祥華;胡益佩;;γ輻照對GaN基白光和藍光LED的光學和電學特性影響[A];二00九全國核反應(yīng)會暨生物物理與核物理交叉前沿研討會論文摘要集[C];2009年

3 魏萌;王曉亮;潘旭;李建平;劉宏新;肖紅領(lǐng);王翠梅;李晉閩;王占國;;高溫AlGaN緩沖層的厚度對Si(111)基GaN外延層的影響[A];第十一屆全國MOCVD學術(shù)會議論文集[C];2010年

4 王文軍;宋有庭;袁文霞;曹永革;吳星;陳小龍;;用Li_3N和Ga生長塊狀GaN單晶的生長機制[A];第七屆北京青年科技論文評選獲獎?wù)撐募痆C];2003年

5 劉福浩;許金通;王玲;王榮陽;李向陽;;GaN基雪崩光電二極管及其研究進展[A];第十屆全國光電技術(shù)學術(shù)交流會論文集[C];2012年

6 王曦;孫佳胤;武愛民;陳靜;王曦;;新型硅基GaN外延材料的熱應(yīng)力模擬[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學術(shù)會議論文集（10）[C];2007年

7 高飛;熊貴光;;GaN基量子限制結(jié)構(gòu)共振三階極化[A];第五屆全國光學前沿問題研討會論文摘要集[C];2001年

8 凌勇;周赫田;朱星;黃貴松;黨小忠;張國義;;利用近場光譜研究GaN藍光二極管的雜質(zhì)發(fā)光[A];第五屆全國STM學術(shù)會議論文集[C];1998年

9 王連紅;梁建;馬淑芳;萬正國;許并社;;GaN納米棒的合成與表征[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學術(shù)會議論文集（6）[C];2007年

10 陳寵芳;劉彩池;解新建;郝秋艷;;HVPE生長GaN的計算機模擬[A];第十六屆全國半導體物理學術(shù)會議論文摘要集[C];2007年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 銀河證券 曹遠剛;春蘭股份 開發(fā)GaN 又一方大[N];中國證券報;2004年

2 ;松下電器采用SiC基板開發(fā)出新型GaN系高頻晶體管[N];中國有色金屬報;2003年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 趙景濤;GaN基電子器件勢壘層應(yīng)變與極化研究[D];山東大學;2015年

2 毛清華;高光效硅襯底GaN基大功率綠光LED研制[D];南昌大學;2015年

3 陳浩然;太赫茲波段GaN基共振隧穿器件的研究[D];西安電子科技大學;2015年

4 龔欣;GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管及相關(guān)基礎(chǔ)研究[D];西安電子科技大學;2007年

5 徐波;GaN納米管的理論研究及GaN緊束縛勢模型的發(fā)展[D];中國科學技術(shù)大學;2007年

6 李亮;GaN基太赫茲器件的新結(jié)構(gòu)及材料生長研究[D];西安電子科技大學;2014年

7 王虎;藍寶石襯底上AlN薄膜和GaN、InGaN量子點的MOCVD生長研究[D];華中科技大學;2013年

8 高興國;GaN基稀磁半導體薄膜的制備與性能研究[D];山東師范大學;2014年

9 欒崇彪;GaN基電子器件中極化庫侖場散射機制研究[D];山東大學;2014年

10 周圣軍;大功率GaN基LED芯片設(shè)計與制造技術(shù)研究[D];上海交通大學;2011年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 徐新兵;基于GaN納米線鐵電場效應(yīng)晶體管及相關(guān)電性能[D];華南理工大學;2015年

2 周金君;溫度對GaN（0001）表面生長吸附小分子SrO、BaO和Ti0_2影響的理論研究[D];四川師范大學;2015年

3 艾明貴;星載GaN微波固態(tài)功率放大器的研究[D];中國科學院研究生院(空間科學與應(yīng)用研究中心);2015年

4 王玉堂;Virtual Source模型模擬分析GaN基電子器件特性研究[D];山東大學;2015年

5 井曉玉;壘結(jié)構(gòu)對硅襯底GaN基綠光LED性能的影響[D];南昌大學;2015年

6 徐政偉;硅襯底GaN基LED光電性能及可靠性研究[D];南昌大學;2015年

7 肖新川;GaN微波寬帶功率放大器的設(shè)計與實現(xiàn)[D];電子科技大學;2014年

8 郭潔;Ce摻雜GaN納米結(jié)構(gòu)的制備及物性研究[D];新疆大學;2015年

9 尹成功;毫米波GaN基HEMT小信號建模和參數(shù)提取[D];電子科技大學;2014年

10 馮嘉鵬;GaN基HEMT器件的性能研究與設(shè)計優(yōu)化[D];河北工業(yè)大學;2015年

  本文關(guān)鍵詞：太赫茲波段GaN基共振隧穿器件的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：392694