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近晶格匹配的In0.17Al0.83N/GaN异质结构IMPATT二极管仿真研究

摘要

基于对一种新型的近晶格匹配的In0.17Al0.83N/GaN异质结构IMPATT二极管仿真特性进行了一系列的研究。通过对击穿电压、噪声特性、二极管电场强度比较发现，相对于同质结GaN结构的IMPATT二极管来说异质结结构的IMPATT二极管具有更局部化的雪崩击穿区宽度，并且随着雪崩终止区宽度的增加，电场强度、击穿电压和射频输出功率逐渐减小。

关键词：异质结构、近晶格匹配、IMPATT二极管

第一章、绪论

1.1、GaN材料的概述

目前我们所研究的GaN一般是一种属于无机物的化学材料，其本质上也是属于化合物材料。这种化合物材料的硬度比较高，和一种纤锌矿的结构比较类似。氮化镓具有比较宽的能带间隙,目前发展中通常应用于功率较大的微型电子器件中。就当下全球在半导体领域的发展来看,GaN材料在半导体领域的研究仍然是热门和重点,是的微型、发光电子元器件研制过程中必备的新型半导体材料。GaN材料有能量大的原子键、化学性质比较好,一般不同任何酸性物质发生化学反应等性质。另外GaN材料的抗辐照性能比较好,基于这些性质，其在大功率器件、频率高的微波器件以及光学微型电子器件方面的应用有着良好广泛的发展前景。

GaN在一千零五十摄氏度的高温下开始发生化学反应:固态的氮化镓在高温情况下分解为气态的镓和气态的氮气。我们是通过衍射法了解到了GaN晶体的晶格类型是六方晶系。在惰性气体中，一千摄氏温度下氮化镓会不断地缓慢挥发，显示氮化镓在温度较高的情况下仍然是比较稳定的。而当温度在一千一百三十摄氏度高温时，其蒸汽压会比理论下计算得到数据偏低原因是其内部存在氮化镓的多聚体分子。氮化镓的化学性质稳定，通常不和水发生反

应，同时还不和一些酸，例如HCL、HNO3、H2SO4反应，即使是浓度低的氢氟酸也不能使氮化镓分解。氮化镓只会在加热的碱性物质中才会溶解。

上述对gan材料的各种分析可知，目前它是企业设计、开发和研制各种高温、大功率光学电子元器件和微波光学元件的主要原子材料。目前,随着分子束外延技术在gan材料应用领域方面的深入研究和重要薄膜长成技术领域的突破性发展，我们得到了很多新的氮化镓薄层。以氮化镓材料为基础研制出的各种二极管、三极管、mos管应用到了很多器件的制备中。基于GaN材料的这些特性以及优点，我们可以在某些方面做更深一步的研究讨论。本文所研究讨论的的这种IMPATT二极管就是由GaN材料和另外一种材料InAlN组合而成。

1.2、异质结的物理原理及其特性

N1

N1

N+

N2

欧姆接触

N++

肖特基接触肖特基接触

图1异质结构二极管原理图[2]

作为一种特别的PN结，半导体的一种异质分子结主要结构是由两层以上各种类型不同的单层半导体薄膜材料和两层薄膜上的复合物材料按一定顺序地通过沉积积放到一个材料衬底上而结合形成的,这些薄膜复合物结在材料的高性能带内和间隙间的大小通常是不一样的。异质结大致可以划分为同形异质结和型异质结主要依据组成异质结的两种单晶材料的导电性和类型作为依据来划分。作为一种非常的接近于理想状态的二极管，异质结二极管有着优越的特性。特别的，经过改变半导体每一层材料的厚度以及每层材料的能带间隙，能够调整二极管交流特性参数。一般情况下构成异质结的要求是：构成的两种或者两种以上的材料要有类似的原子间隙、大致一样的晶格形状以及在膨胀反面相似的特性。目前，我们主要应用外延方法、沉淀以及金属合金的方式制备异质结。

目前的发展看异质结的不同类型和在相对于电压偏置的状态下能带异质结构分析模型有很多种，并且在各自的领域发挥着越来越重要的作用，也正是这些特性使得异质结的研究成为了热点。如果我们采用了宽禁电阻带n或n型环形半导体和狭窄禁电阻带n或p型环形半导体相互连接而所形成的一种异质射频结合结构来将其作为一个射频发射结,则采用该类型半导体可以同时获得较高的射频注入电阻比和较好的射频发射驱动效率。

这对本实验所用到的异质结IMPATT二极管有重要的意义，以p型gan与n型inaln组成的异质结晶体管为例,可以有效地使得晶体管的基区变得大大地减薄,从而可以大大改善晶体管的工作频率和特性,使这样一种结构所制造的双极晶体管被统称为异质结双极晶体管,这种晶体管在微型领域有着大量的使用。而本文所研究的In0.17Al0.

83N/GaN基异质结构IMPATT二极管是一种掺杂分布为n-n-n的SDR结构。通过改变雪崩终止区的三元宽度，来实现同质结与异质结的转换并实现二者的对照比较。

1.3、近晶格匹配的In0.17Al0.83N/GaNIMPATT异质结构二极管的原理以及应用前景