氮化镓太赫兹肖特基二极管新结构研究

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随着电磁辐射应用越来越广泛,太赫兹技术在近年来受到许多研究人员的关注。目前,太赫兹技术研究的重点在于提高辐射源和探测器的性能。肖特基二极管具有速度快、良好的非线性效应、能够在常温下工作和容易集成等优点,所以常被用作太赫兹探测器中的混频器和检波二极管。传统GaAs肖特基二极管的频率虽然能够达到太赫兹频段,但输出功率太低阻碍了太赫兹技术的发展。氮化镓(GaN)材料是新一代宽禁带半导体材料,凭借着大功率优势成为研究的热点,因此GaN基肖特基二极管的研究对太赫兹技术的发展有着重要的意义。在传统的SBD器件结构中,因为GaN的电子迁移率远低于GaAs的电子迁移率,所以很难通过工艺的方法降低二极管串联电阻RS,使得 GaN基SBD最高截止频率明显低于GaAs基SBD。因此必须采用新的器件结构提高GaN基SBD的截止频率,本文研究的重点是基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的肖特基二极管。AlGaN/GaN异质结的引入,可以利用二维电子气中的高电子迁移率降低沟道电阻,提高二极管的截止频率。异质结多沟道结构由多个异质结组成,能够为二极管的电流提供多个通道,进一步降低导通电阻,提高截止频率。  本研究主要内容包括:⑴对基于GaN材料、AlGaN材料和AlGaN/GaN异质结的肖特基二极管的静态特性、反向击穿电压和截止频率进行研究。通过分析得出以下结论:掺杂能够提高GaN基SBD的正向导通电流,但是会降低电子迁移率(GaN材料中的电子迁移率远小于GaAs),所以需要找到新的方法降低串联电阻;同等掺杂时AlGaN SBD正向电流远小于GaN SBD,原因是AlGaN材料的亲和能远小于GaN,所以AlGaN SBD的肖特基势垒高度比GaN SBD高出很多;通过降低AlGaN SBD中的Al组分可以起到降低开启电压,增大正向电流的作用;和 AlGaN SBD相比,AlGaN/GaN单异质结SBD具有更小的串联电阻;此外,异质结界面电荷的存在会使二极管的反向击穿电压下降。分别计算传统结构GaN肖特基二极管和AlGaN/GaN单异质结肖特基二极管的截止频率得出,异质结结构可以降低串联电阻、提高二极管的截止频率。⑵研究了AlGaN/GaN异质结多沟道SBD的沟道数变化,势垒层Al组分变化,势垒层和沟道层厚度变化对器件直流特性的影响。然后,利用之前仿真出的IV曲线提取异质结多沟道SBD的串联电阻,计算出AlGaN/GaN异质结多沟道SBD的截止频率。经过计算得出,和传统结构的GaN肖特基二极管相比,异质结多沟道SBD的串联电阻有所下降,二极管的截止频率明显提高。随后基于前面仿真的结果,总结AlGaN/GaN异质结多沟道SBD的参数优化、结构改善的建议,介绍极化掺杂的概念,提出将基于AlGaN/GaN异质结FESBD中的双金属阳极结构引入到AlGaN/GaN异质结多沟道SBD中提高反向击穿电压降低开启电压的可能性。给出了一种基于AlGaN/GaN异质结多沟道结构的太赫兹肖特基二极管的制造流程。
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