反向泄漏電流對GaN基雪崩渡越時間二極管性能的影響

戴 揚，盧昭陽，黨江濤，葉青松，雷曉藝，張云堯，廖晨光，趙 武

(西北大學 信息科學與技術學院，西安710127)

雪崩渡越時間(impact ionization avalanche transit time，IMPATT)二極管作為一種能產生連續振蕩的半導體太赫茲固態源，具有更高的功率和直流-交流轉換效率，廣泛用于微波、毫米波乃至太赫茲波源中[1-2]。第3代半導體中的SiC和GaN，具有較大的禁帶寬度和較高的熱導率，是制造器件的候選材料。尤其是GaN材料，具有更高的電子飽和漂移速度和可制造更優良的異質結構等特點，更多地用于IMPATT二極管的設計與制造[3-4]。

傳統的IMPATT二極管的核心結構是一個可產生雪崩的PN結，包括一個高濃度P區與相鄰的次高濃度N區。高濃度P區不僅承擔著和相鄰的N區形成單邊突變結的作用，還作為直接和金屬電極相連的歐姆接觸區。隨著P區摻雜濃度的增高，GaN基IMPATT二極管的直流-交流轉換效率與P區摻雜濃度基本呈線性正比關系[5-6]。一般來說，P區濃度大于等于1019cm-3才可使器件有效工作。但較高的摻雜濃度又會帶來以“帶到帶”隧穿電流機制為主的，較大的反向泄漏電流會影響時刻工作在反偏狀態下的IMPATT二極管的性能。Li等[7-8]研究表明，InAlN/GaN IMPATT二極管的效率為15.4%，輸出功率密度為1.7 MW·cm-2； AlGaN/GaN IMPATT二極管的效率為22%，輸出功率密度為1.56 MW·cm-2。Cao等[9]研究發現，p-GaN/n-GaN(單漂移)的效率為20.6%，輸出功率密度為1.24 MW·cm-2。但這些仿真研究未考慮隧穿效應的影響及機制。反向泄漏電流對GaN基IMPATT二極管性能的影響研究尚未見報道，本文對不同反向泄漏電流密度時的GaN基IMPATT二極管進行直流和交流性能的仿真，得出性能差異，并分析了反向泄漏電流對性能的影響機制。……