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。

1仿真模型和方法

本文設計的IMPATT二極管結構及振蕩電路如圖1所示。

(a)Ohmic contact structure

(b)Free running oscillation circuit 圖1 IMPATT二極管結構及振蕩電路Fig.1 Structure and oscillation circuit of IMPATT diode

GaN基IMPATT二極管中P區摻雜濃度為1×1019cm-3；雪崩區為N型摻雜，摻雜濃度為1×1018cm-3，寬度為0.2 μm；漂移區摻雜濃度為5×1016cm-3，寬度為0.3 μm；N型歐姆接觸區摻雜濃度為1×1019cm-3。IMPATT二極管大信號工作電路采用自激振蕩電路，通過估算器件設計頻率及試錯調節電路RLC參數，可找到器件-電路匹配的諧振頻率及在固定頻率下可起振的最大交流振幅；通過系列實驗可獲得IMPATT二極管在某頻率下最佳的交流振蕩波形；最終，通過比較可獲得IMPATT二極管的工作頻段、最佳頻率及功率效率等大信號特性；通過對器件兩端穩定的交流振蕩波形做傅里葉分析，即可獲得IMPATT二極管最終的大信號交流輸出特性。

本文利用Silvaco-TCAD對器件進行仿真，碰撞離化率可表示為[10]

(1)

其中，a,b為碰撞離化系數；E為電場強度。電場強度較高時，能帶到能帶的隧穿電流[11-14]起最主要的影響作用，包括載流子從價帶到導帶的躍遷及從導帶到價帶的躍遷。導帶價帶之間的距離非常小，隧穿產生率隨電場強度的增加而迅速增加。為保證器件特性不受到器件設計結構參數的影響，實驗中不調整器件的摻雜及尺寸等設計參數。即使理想條件下不存在反向隧穿電流，IMPATT二極管性能也嚴重依賴于摻雜及尺寸等設計參數，如這些參數發生改變，就無法判斷反向隧穿電流是否會影響到器件的性能，或說影響的程度有多少。僅通過調節帶到帶隧穿系數A，B的值，就可得到不同的隧穿電流密度，深入觀察其對器件性能的影響。

(2)

其中，λ為模型默認參數。與Si基材料的常數遷移率不同，GaN材料具有明顯的負微分遷移率特性，這對器件的性能是有益的[15]。負微分遷移率可表示為[16]。

(3)

其中，μ0(N)為GaN低場遷移率；N為摻雜濃度；γ,δ,α為蒙特卡羅模擬擬合參數；vsat為高電場強度下電子的飽和速度；Ec為GaN遷移率達到峰值時的電場強度。仿真中使用的相關參數如表1所列。

表1 仿真中使用的相關參數Tab.1 Parameters used in the simulation

2GaN基IMPATT二極管的仿真和討論

2.1直流穩態仿真的結果與討論

不同反向泄漏電流密度情況下，IMPATT二極管的I-V特性輸出曲線，如圖2所示。

圖2 不同反向泄漏電流密度下，IMPATT二極管的 I-V特性輸出曲線Fig.2 I-V output characteristic of IMPATT diode under different reverse leakage current densities

本文將擊穿電壓定義為反向飽和電流達到1 mA時的值。陽極電壓固定為零，陰極電壓的初始值為零。首先，增加非常小的電壓階躍；然后，逐漸增加陰極電壓直到獲得明顯的陰極電流。當電流高達1 mA時，可獲得直流擊穿電壓。通過調節隧穿導致的反向泄漏電流的參數，反向擊穿時，器件的反向泄漏電流密度分別為10-13，10-9，10-6，10-4A·cm-2量級。通常情況下，更大的反向泄漏電流會導致提前擊穿，對應更小的擊穿電壓。但IMPATT二極管的性能嚴重依賴直流下的擊穿電壓，較小的擊穿電壓對應更小的直流及交流功率。為屏蔽擊穿電壓的影響，本文采用固定變量法，仿真中將擊穿電壓固定在理想反向泄漏電流密度為10-13A·cm-2時對應的84 V。圖3為不同反向泄漏電流密度時，IMPATT二極管內部電場及碰撞離化率分布。由圖3可見，4種不同反向泄漏電流密度下，IMPATT二極管內部的電場分布及碰撞離化率分布均完全一致。這是由于4種情況下，IMPATT二極管的擊穿電壓一致，且材料和結構一致。

圖3 不同反向泄漏電流密度時，IMPATT二極管 內部電場及碰撞離化率分布Fig.3 Internal electric field stength and impact ionization generation rate distribution of the IMPATT diode under different reverse leakage current densities

2.2交流大信號仿真的結果與討論

圖4為自激振蕩電路獲得的典型交流電壓和電流起振波形。通過試錯調節電路參數，即可獲得與器件振蕩頻率匹配的交流振蕩波形。

圖4 交流電壓及電流起振波形Fig.4 RF voltage and current oscillation waveforms

圖5為自激振蕩電路獲得的最大交流電壓振幅、最大交流電流振幅及電流電壓相位延遲隨振蕩頻率的變化關系，交流大信號直流偏置電流密度為100 kA·cm-2。由圖 5(a)可見，在反向泄漏電流密度為10-13，10-9，10-6A·cm-2時，IMPATT二極管最大交流電壓的振幅先隨頻率的升高而增大，在高頻 275 GHz 后又開始衰減；當反向泄漏電流密度為 10-4A·cm-2時，最大交流電壓的振幅隨頻率的升高而持續增大。由圖5(b)可見，在不同反向泄漏電流密度下，IMPATT二極管最大電流振幅隨頻率變化趨勢與交流電壓的趨勢一致。這是由于交流電流主要靠交流電壓驅動，故顯示出同等振幅。由圖5(c)可見，造成IMPATT二極管性能差異的一個主要原因是交流電流電壓相位延遲。反向泄漏電流密度較大時，器件的相位延遲較大，根據公式[17]

(4)

其中，VRF,IRF,VDC,IDC分別為交流電壓、交流電流、直流電壓和直流電流。反向泄漏電流將對IMPATT二極管的負電導及交流功率產生顯著的影響。在獲得上述參數后，可計算IMPATT二極管的功率和效率等大信號輸出特性。

(a)Maximum RF voltage

(b)Maximum RF current

(c)Phase delay圖5 最大交流電壓振幅、最大交流電流振幅及電流 電壓相位延遲隨振蕩頻率的變化關系Fig.5 Maximum RF voltage amplitude, maximum RF current amplitude and phase delay vs. frequency

圖6為不同反向泄漏電流密度時，GaN基IMPATT二極管負電導密度和電納密度隨頻率的變化關系。

圖6 不同反向泄漏電流密度時，GaN基IMPATT二極管 負電導密度和電納密度隨頻率的變化關系Fig.6 Negative conductance and susceptance density vs. operating frequency under different reverse leakage current densities

由圖6可見，反向泄漏電流的存在會影響器件的電納特性，不同反向泄漏電流密度時，器件的負電導密度隨頻率的變化趨勢大致相同，但最大負電導密度及對應的工作頻率不同。反向泄漏電流密度為10-13A·cm-2時，IMPATT二極管最大負電導密度為2.8×10-3S·cm-2，對應的工作頻率為200 GHz；當反向泄漏電流密度為10-9，10-6A·cm-2時，最大負電導密度分別為4×10-3S·cm-2和5.1×10-3S·cm-2，對應的工作頻率都為200 GHz；當反向泄漏電流密度為10-4A·cm-2時，最大負電導密度為 6.2×10-3S·cm-2，對應的工作頻率為225 GHz。

圖7為不同反向泄漏電流密度時，IMPATT二極管交流輸出的功率-頻率特性曲線和效率-頻率特性曲線。

(a)RF power density vs. f

(b)Efficiency vs. f圖7 不同反向泄漏電流密度時，IMPATT二極管的交流輸出 功率密度-頻率特性曲線和效率-頻率特性曲線Fig.7 Output power density-frequency characteristic curve and

由圖7可見，當反向泄漏電流密度越大時，IMPATT二極管的輸出功率密度及轉換效率顯著降低。高反向泄漏電流密度下，IMPATT二極管的輸出功率密度及轉換效率顯著降低的原因是獲得的交流電壓和電流振幅顯著降低。首先，在整個振蕩頻段內，反向泄漏電流密度越大，IMPATT二極管的直流-交流轉換效率和輸出功率越低；其次，當反向泄漏電流密度為10-13，10-9，10-6A·cm-2時，工作頻段為150～300 GHz的范圍內，且工作頻率為150 GHz時，直流-交流轉換效率和輸出功率密度最高可達到14.72%和1.27 MW·cm-2，當反向泄漏電流密度為10-4A·cm-2時，工作頻段為177～300 GHz的范圍內，頻率帶寬較小。這表明，較高的反向泄漏電流會對IMPATT二極管的工作頻段產生影響，使IMPATT二極管失去低頻段的振蕩能力；10-13，10-9，10-6A·cm-2的反向泄漏電流密度所對應的最高轉換效率分別為26.68%，14.35%，10.56%，最高輸出功率密度分別為2.23 MW·cm-2，1.26 MW·cm-2，0.94 MW·cm-2，最佳頻率約為225 GHz。當反向泄漏電流密度增至10-4A·cm-2時，直流-交流轉換效率為7.35%，輸出功率密度為0.66 MW·cm-2，但最佳頻率提升到275 GHz左右。頻率的提升是因為反向泄漏電流的主要成分為隧穿電流，直接作用結果是導致功率效率的降低，但可使IMPATT二極管工作狀態進入混合隧道IMPATT二極管模式，從而獲得更高的工作頻率[18]。影響功率性能的主要機制是由于反向泄漏電流作為直流電流成分，在器件工作在反向偏置下時，直接以直流偏置電流的形式出現。反向泄漏電流越大，所占直流偏置源的電流比重越高，而這一部分電流并未轉變為器件內部由雪崩產生的注入電流，也就是說對器件的交流輸出能力無益。所以，器件的轉換效率和輸出功率密度會隨著反向泄漏電流的增大而降低，并使器件工作頻段變窄，甚至器件難以起振。

圖8為不同的反向泄漏電流密度下，IMPATT二極管在間隔時間為1/20周期內的電場強度動態分布。

(a)J=10-13 A·cm-2

(b)J=10-9 A·cm-2

(c)J=10-6 A·cm-2

(d)J=10-4 A·cm-2圖8 不同的反向泄漏電流密度下，IMPATT二極管在間隔 時間為1/20周期內的電場強度動態分布Fig.8 Dynamic distribution of electric field strength of IMPATT diodes at intervals of 1/20 oscillation period under different reverse leakage currents

由圖8可見，反向泄漏電流的大小直接影響IMPATT二極管在一個交流周期內電場強度的振幅。反向泄漏電流密度分別為10-13，10-9，10-6，10-4A·cm-2時，電場強度振幅分別可達到0.9，0.7，0.5，0.2 MV·cm-1，也就是說在較大的反向泄漏電流密度下，器件內部電場在一個周期內的擺動明顯減小，這直接導致IMPATT二極管只能生成較小的交流電壓振幅，從而導致了圖5(a)和圖5(b)中的結論。根據IMPATT二極管的工作機制，較小的交流電壓及電流振幅則對應較小的雪崩注入電流，這成為較大的反向泄漏電流下，IMPATT二極管交流性能衰減的最主要原因。

反向隧穿電流作為一種非理想效應，是IMPATT二極管工作中反向飽和電流的主要成分之一。較大的反向飽和電流可使器件的性能退化。頻率較高時，隧穿電流效應會越來越顯著，不可忽略，尤其是進入太赫茲頻段后。隧穿電流的渡越時間可忽略，對器件的頻率性能提升有利，但同時會使功率輸出能力下降。隧穿電流不僅會影響器件的電壓電流相位差，而且會減小IMPATT二極管在交流工作下的電場強度振幅，即影響器件的交流電壓振幅。

3結論

仿真研究表明GaN基IMPATT二極管的反向泄漏電流可顯著影響器件的交流性能。本文設計的GaN基PN結IMPATT二極管在反向泄漏電流密度分別為10-13，10-9，10-6，10-4A·cm-2時，效率分別為26.68%，14.35%，10.56%，7.35%。當反向泄漏電流較小時，IMPATT二極管可作為振蕩波源使用；當反向泄漏電流較大時，IMPATT二極管交流性能會受到顯著影響，甚至不能達到工作要求。通過從IMPATT二極管工作時的內部電學特性分析可得，影響性能衰減的主要是反向泄漏電流中的隧穿電流成分的升高，導致在一個交流工作周期中，內部電場分布的振幅減小，帶來較小的交流注入電流。