反向泄漏电流对GaN基雪崩渡越时间二极管性能的影响

戴 扬，卢昭阳，党江涛，叶青松，雷晓艺，张云尧，廖晨光，赵 武

(西北大学 信息科学与技术学院，西安710127)

雪崩渡越时间(impact ionization avalanche transit time，IMPATT)二极管作为一种能产生连续振荡的半导体太赫兹固态源，具有更高的功率和直流-交流转换效率，广泛用于微波、毫米波乃至太赫兹波源中[1-2]。第3代半导体中的SiC和GaN，具有较大的禁带宽度和较高的热导率，是制造器件的候选材料。尤其是GaN材料，具有更高的电子饱和漂移速度和可制造更优良的异质结构等特点，更多地用于IMPATT二极管的设计与制造[3-4]。

传统的IMPATT二极管的核心结构是一个可产生雪崩的PN结，包括一个高浓度P区与相邻的次高浓度N区。高浓度P区不仅承担着和相邻的N区形成单边突变结的作用，还作为直接和金属电极相连的欧姆接触区。随着P区掺杂浓度的增高，GaN基IMPATT二极管的直流-交流转换效率与P区掺杂浓度基本呈线性正比关系[5-6]。一般来说，P区浓度大于等于1019cm-3才可使器件有效工作。但较高的掺杂浓度又会带来以“带到带”隧穿电流机制为主的，较大的反向泄漏电流会影响时刻工作在反偏状态下的IMPATT二极管的性能。Li等[7-8]研究表明，InAlN/GaN IMPATT二极管的效率为15.4%，输出功率密度为1.7 MW·cm-2； AlGaN/GaN IMPATT二极管的效率为22%，输出功率密度为1.56 MW·cm-2。Cao等[9]研究发现，p-GaN/n-GaN(单漂移)的效率为20.6%，输出功率密度为1.24 MW·cm-2。但这些仿真研究未考虑隧穿效应的影响及机制。反向泄漏电流对GaN基IMPATT二极管性能的影响研究尚未见报道，本文对不同反向泄漏电流密度时的GaN基IMPATT二极管进行直流和交流性能的仿真，得出性能差异，并分析了反向泄漏电流对性能的影响机制。……