GaN 共振隧穿二极管及THz 振荡器仿真#
何寒冰，杨林安，郝跃，武小虎，梅楠**
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20090203110012）；国家自然科学基金（61076079）
作者简介：何寒冰，（1986-），男，2009 年获西安电子科技大学电子科学与技术专业学士学位，西安电子
科技大学硕士生，主要研究方向：太赫兹GaN 器件和电路，宽带功率放大器设计。
通信联系人：杨林安，（1966-），男，教授/博导，主要研究方向：半导体太赫兹（THz)关键技术与机理、
SiC 和GaN 电子器件机理与建模、工艺设计和制造的研究. E-mail: layang@xidian.edu.cn
（西安电子科技大学微电子学院，西安 710071）
5 摘要：本文利用Silvaco 软件对GaN 共振隧穿二极管（GaN RTD）进行仿真，重点考虑了界
面陷阱密度对GaN RTD 量子阱性能及负阻特性的影响。结果显示，当密度大于5×1010 cm-2
时，器件的负阻特性几乎消失；当密度在5×106 cm-2至5×109 cm-2 时，器件负阻特性会随
着测量次数的增加而退化。同时结合Hspice，对由GaN RTD 构成的THz 振荡器进行仿真，
首次得到了陷阱密度对振荡器输出功率和RF 转化效率交流特性影响的定量结果。
10 关键词：GaN 共振隧穿二极管；AlGaN/GaN 异质结；界面陷阱
 0 引言
25 赫兹（THz）波是指频率在0.1-10THz 范围内的电磁波，具有重要的学术和应用价值。
在THz 半导体源领域，主要有耿氏二极管（Gunn diode），雪崩碰撞二极管（IMPATT）和
共振隧穿二极管[1]（RTD）。其中共振隧穿二极管是一种量子效应器件，在室温下具有强的
负电阻特性，高的开关速度和负阻相关的振荡特性，受到人们的强烈关注。和其它负阻器件
（如隧道二极管、Gunn 二极管、晶闸管和IMPATT）相比， GaN RTD 具有更小的结电容，
30 使其具有更高的振荡频率[2]。
虽然传统半导体材料制造的共振隧穿二极管RTD（AlGaAs/GaAs RTD[1]和InAs/AlSb
RTD[3]）已经成熟，且有些已经用于实际电路中（带缝隙天线的AlAs/InGaAs RTD 振荡器在
443GHz 输出220μW[4]），但是基于传统半导体材料的RTD 器件会受到功率，温度和频率
的限制，而GaN 材料由于宽禁带、高的峰值电子速度与饱和速度和良好的热稳定性，很适
35 合制造RTD [5]。与传统材料RTD 相比，GaN RTD 具有更高的输出功率（mW 级）和频率[2]，
更高的工作温度。然而，AlN/GaN 异质结有很强的极化特性和高晶格失配密度，使得GaN
RTD 的I-V 特性很不稳定。而AlGaN / GaN 在低Al 组分条件下，异质结界面晶格失配显著
降低，改善了界面特性[2]。目前，国际上通过MBE 和MOCVD 生长的GaN RTD，其负阻特
性均会随着测量次数的增加而衰减[2,6,7]，而且没有实际的GaN RTD 交流特性的报道。有分
 析表明40 GaN RTD 直流特性不稳定和界面电子陷阱密切相关[7]。因此，本文对AlGaN/GaN
RTD 进行研究，重点放在界面电子陷阱对器件的交直流和输出功率与转换效率的影响。
1 GaN 共振隧穿二极管直流特性
GaN RTD 仿真中，采用对称双势垒结构，集电极和发射极的厚度均为100nm，其掺杂
浓度均为1×1018 cm-3；GaN spacer 厚度为5nm，Al0.3Ga0.7N 势垒和GaN 势阱宽度均为2 nm；
45 Spacer 与势垒势阱背景掺杂浓度为1×1016 cm-3。器件面积为28 μm2。器件结构如图1 所示。
阳极
n+-GaN
uid-GaN
uid-Al0.3Ga0.7N
un-GaN
uid-Al0.3Ga0.7N
uid-GaN
n+-GaN
阴极
2nm
2nm
100nm (1×1018 cm-3)
5nm spacer
2nm
RTD
5 nm spacer
100nm (1×1018 cm-3)
图1 Al0.3Ga0.7N/GaN RTD 基本结构
Fig.1 Al0.3Ga0.7N/GaN RTD structure
50 GaN RTD 实验证实，由GaN 材料自身缺陷和AlGaN/GaN 异质结界面晶格失配等所引
起的异质结缺陷，表现为电子陷阱，这些电子陷阱捕获且不释放电子，从而使得界面处这些
未释放的电子不断积累。这些积累的捕获电子降低了RTD 的有效势垒高度，进而改变了共
振隧穿二极管的隧穿机制。由于界面陷阱的存在，GaN RTD 的电流特性极不稳定，即随着
连续测量次数的增加，GaN RTD 的负阻特性会渐渐退化[2,6,8]。
55 为重点研究电子陷阱对器件的影响，加入了三个AlGaN/GaN 量子阱陷阱能级
（Ea1=0.33eV，捕获系数σ 为8.719×10-19 cm2[9]，Ea2=0.93eV，捕获系数σ 为1.2×10-13 cm2[10]，
Ea3=1eV，捕获系数σ 为2×10-12 cm2[11]），同时也加入极化电荷，以势垒和势阱均为2 nm
的结构为基础，对面积为28 μm2 的Al0.3G a0.7N/GaN RTD 直流特性进行仿真，得到了各密
度下GaN RTD 器件I-V 特性的变化规律。如图2 所示，从图中可以看到，当密度高于5×1010
60 cm-2 时，器件负阻性明显退化，这和实际实验中的结果相一致[7]。
 图2 Al0.3Ga0.7N/GaN RTD 直流特性随缺陷密度变化
Fig.2 Al0.3Ga0.7N/GaN RTD DC I-V curve change with the trap density
65 实验与仿真中，器件负阻特性随着测量次数的增加而衰退，即在对器件进行多次连续来
回扫描后，器件负阻特性渐渐衰退，如图3 所示。当密度在5×106 cm-2 至5×108 cm-2 时，峰
值电流（Ip）和谷值电流均不断降低。这充分表明：界面陷阱的存在，使得器件负阻特性极
不稳定，即负阻特性随测量次数增加而退化。这使得目前无法得到GaN RTD 真正的交流特
性，更限制了器件在实际功能电路中的应用。
70
图3 正向峰值电流随测量次数的变化曲线
Fig.3 Ip change with the scan times
 2 GaN 共振隧穿二极管振荡器特性
75 以势垒势阱均为2nm 的结构为基础，在缺陷密度为5×108 cm-2，面积为28 μm2 的结构
下，提取其寄生电容（电压变化）和本征电阻（7Ω），并在Hspice 中建立了此结构器件的
大信号模型，在器件模型二端并联电感，电容和电阻，构成一负阻振荡器，通过拟合器件直
流扫描正向1、20、50 次的I-V 曲线，得到器件在正向扫描各次时的负载上的震荡波形，如
图4 所示。表1 为由图4 得到的电学参数。如表所示，由于电子陷阱的存在，使得器件直流
80 特性会随着扫面次数的增加而衰退，同时交直流特性也会受严重影响，即频率，交流输出功
率，DC-RF 转换效率均随扫描次数的增加而严重恶化。因此，界面陷阱对GaN RTD 交直流
性能具有至关重要的影响，从而导致实际的GaN RTD 在目前条件下，根本不能用于实际的
功能电路中。
85 图4 正向扫描1、20、50 时负载上的振荡波形
Fig.4 waveform from load
表1 振荡器电学参数
Tab.1 electrical parameters of the Negative resistance oscillator
扫描次数 振荡频率（GHz） 交流功率（mW） RF效率
1 322 21 10.3%
20 302 17.7 8.9%
50 298 7.5 3.9%
90
3 结论
通过研究界面陷阱对Al0.3Ga0.7N/GaN RTD 的影响，得到了当密度高于5×1010 cm-2 时，
器件负阻特性会明显衰退。这要求实际生产器件时，为能观察到器件负阻特性，材料缺陷密
度必须低于5×1010 cm-2。对器件在各缺陷密度下进行多次连续来回扫描，得到在缺陷密度为
95 5×106 cm-2 以上时，器件负阻特性会随着测量次数的增加而退化，这表明，为得到能实用的
器件，GaN 材料的缺陷必须尽可能低且AlGaN/GaN 异质结界面质量尽可能高，否则，器件
即使观察到负阻效应也只能出现有限次数。同时，通过建立器件大信号模型，构成负阻振荡
 器，得到了GaN RTD 的交流特性，并首次得到了负载上的功率及器件的RF 效率。