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。

1仿真模型和方法

本文设计的IMPATT二极管结构及振荡电路如图1所示。

(a)Ohmic contact structure

(b)Free running oscillation circuit 图1 IMPATT二极管结构及振荡电路Fig.1 Structure and oscillation circuit of IMPATT diode

GaN基IMPATT二极管中P区掺杂浓度为1×1019cm-3；雪崩区为N型掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3，宽度为0.2 μm；漂移区掺杂浓度为5×1016cm-3，宽度为0.3 μm；N型欧姆接触区掺杂浓度为1×1019cm-3。IMPATT二极管大信号工作电路采用自激振荡电路，通过估算器件设计频率及试错调节电路RLC参数，可找到器件-电路匹配的谐振频率及在固定频率下可起振的最大交流振幅；通过系列实验可获得IMPATT二极管在某频率下最佳的交流振荡波形；最终，通过比较可获得IMPATT二极管的工作频段、最佳频率及功率效率等大信号特性；通过对器件两端稳定的交流振荡波形做傅里叶分析，即可获得IMPATT二极管最终的大信号交流输出特性。

本文利用Silvaco-TCAD对器件进行仿真，碰撞离化率可表示为[10]

(1)

其中，a,b为碰撞离化系数；E为电场强度。电场强度较高时，能带到能带的隧穿电流[11-14]起最主要的影响作用，包括载流子从价带到导带的跃迁及从导带到价带的跃迁。导带价带之间的距离非常小，隧穿产生率随电场强度的增加而迅速增加。为保证器件特性不受到器件设计结构参数的影响，实验中不调整器件的掺杂及尺寸等设计参数。即使理想条件下不存在反向隧穿电流，IMPATT二极管性能也严重依赖于掺杂及尺寸等设计参数，如这些参数发生改变，就无法判断反向隧穿电流是否会影响到器件的性能，或说影响的程度有多少。仅通过调节带到带隧穿系数A，B的值，就可得到不同的隧穿电流密度，深入观察其对器件性能的影响。

(2)

其中，λ为模型默认参数。与Si基材料的常数迁移率不同，GaN材料具有明显的负微分迁移率特性，这对器件的性能是有益的[15]。负微分迁移率可表示为[16]。

(3)

其中，μ0(N)为GaN低场迁移率；N为掺杂浓度；γ,δ,α为蒙特卡罗模拟拟合参数；vsat为高电场强度下电子的饱和速度；Ec为GaN迁移率达到峰值时的电场强度。仿真中使用的相关参数如表1所列。

表1 仿真中使用的相关参数Tab.1 Parameters used in the simulation

2GaN基IMPATT二极管的仿真和讨论

2.1直流稳态仿真的结果与讨论

不同反向泄漏电流密度情况下，IMPATT二极管的I-V特性输出曲线，如图2所示。

图2 不同反向泄漏电流密度下，IMPATT二极管的 I-V特性输出曲线Fig.2 I-V output characteristic of IMPATT diode under different reverse leakage current densities

本文将击穿电压定义为反向饱和电流达到1 mA时的值。阳极电压固定为零，阴极电压的初始值为零。首先，增加非常小的电压阶跃；然后，逐渐增加阴极电压直到获得明显的阴极电流。当电流高达1 mA时，可获得直流击穿电压。通过调节隧穿导致的反向泄漏电流的参数，反向击穿时，器件的反向泄漏电流密度分别为10-13，10-9，10-6，10-4A·cm-2量级。通常情况下，更大的反向泄漏电流会导致提前击穿，对应更小的击穿电压。但IMPATT二极管的性能严重依赖直流下的击穿电压，较小的击穿电压对应更小的直流及交流功率。为屏蔽击穿电压的影响，本文采用固定变量法，仿真中将击穿电压固定在理想反向泄漏电流密度为10-13A·cm-2时对应的84 V。图3为不同反向泄漏电流密度时，IMPATT二极管内部电场及碰撞离化率分布。由图3可见，4种不同反向泄漏电流密度下，IMPATT二极管内部的电场分布及碰撞离化率分布均完全一致。这是由于4种情况下，IMPATT二极管的击穿电压一致，且材料和结构一致。

图3 不同反向泄漏电流密度时，IMPATT二极管 内部电场及碰撞离化率分布Fig.3 Internal electric field stength and impact ionization generation rate distribution of the IMPATT diode under different reverse leakage current densities

2.2交流大信号仿真的结果与讨论

图4为自激振荡电路获得的典型交流电压和电流起振波形。通过试错调节电路参数，即可获得与器件振荡频率匹配的交流振荡波形。

图4 交流电压及电流起振波形Fig.4 RF voltage and current oscillation waveforms

图5为自激振荡电路获得的最大交流电压振幅、最大交流电流振幅及电流电压相位延迟随振荡频率的变化关系，交流大信号直流偏置电流密度为100 kA·cm-2。由图 5(a)可见，在反向泄漏电流密度为10-13，10-9，10-6A·cm-2时，IMPATT二极管最大交流电压的振幅先随频率的升高而增大，在高频 275 GHz 后又开始衰减；当反向泄漏电流密度为 10-4A·cm-2时，最大交流电压的振幅随频率的升高而持续增大。由图5(b)可见，在不同反向泄漏电流密度下，IMPATT二极管最大电流振幅随频率变化趋势与交流电压的趋势一致。这是由于交流电流主要靠交流电压驱动，故显示出同等振幅。由图5(c)可见，造成IMPATT二极管性能差异的一个主要原因是交流电流电压相位延迟。反向泄漏电流密度较大时，器件的相位延迟较大，根据公式[17]

(4)

其中，VRF,IRF,VDC,IDC分别为交流电压、交流电流、直流电压和直流电流。反向泄漏电流将对IMPATT二极管的负电导及交流功率产生显著的影响。在获得上述参数后，可计算IMPATT二极管的功率和效率等大信号输出特性。

(a)Maximum RF voltage

(b)Maximum RF current

(c)Phase delay图5 最大交流电压振幅、最大交流电流振幅及电流 电压相位延迟随振荡频率的变化关系Fig.5 Maximum RF voltage amplitude, maximum RF current amplitude and phase delay vs. frequency

图6为不同反向泄漏电流密度时，GaN基IMPATT二极管负电导密度和电纳密度随频率的变化关系。

图6 不同反向泄漏电流密度时，GaN基IMPATT二极管 负电导密度和电纳密度随频率的变化关系Fig.6 Negative conductance and susceptance density vs. operating frequency under different reverse leakage current densities

由图6可见，反向泄漏电流的存在会影响器件的电纳特性，不同反向泄漏电流密度时，器件的负电导密度随频率的变化趋势大致相同，但最大负电导密度及对应的工作频率不同。反向泄漏电流密度为10-13A·cm-2时，IMPATT二极管最大负电导密度为2.8×10-3S·cm-2，对应的工作频率为200 GHz；当反向泄漏电流密度为10-9，10-6A·cm-2时，最大负电导密度分别为4×10-3S·cm-2和5.1×10-3S·cm-2，对应的工作频率都为200 GHz；当反向泄漏电流密度为10-4A·cm-2时，最大负电导密度为 6.2×10-3S·cm-2，对应的工作频率为225 GHz。

图7为不同反向泄漏电流密度时，IMPATT二极管交流输出的功率-频率特性曲线和效率-频率特性曲线。

(a)RF power density vs. f

(b)Efficiency vs. f图7 不同反向泄漏电流密度时，IMPATT二极管的交流输出 功率密度-频率特性曲线和效率-频率特性曲线Fig.7 Output power density-frequency characteristic curve and

由图7可见，当反向泄漏电流密度越大时，IMPATT二极管的输出功率密度及转换效率显著降低。高反向泄漏电流密度下，IMPATT二极管的输出功率密度及转换效率显著降低的原因是获得的交流电压和电流振幅显著降低。首先，在整个振荡频段内，反向泄漏电流密度越大，IMPATT二极管的直流-交流转换效率和输出功率越低；其次，当反向泄漏电流密度为10-13，10-9，10-6A·cm-2时，工作频段为150～300 GHz的范围内，且工作频率为150 GHz时，直流-交流转换效率和输出功率密度最高可达到14.72%和1.27 MW·cm-2，当反向泄漏电流密度为10-4A·cm-2时，工作频段为177～300 GHz的范围内，频率带宽较小。这表明，较高的反向泄漏电流会对IMPATT二极管的工作频段产生影响，使IMPATT二极管失去低频段的振荡能力；10-13，10-9，10-6A·cm-2的反向泄漏电流密度所对应的最高转换效率分别为26.68%，14.35%，10.56%，最高输出功率密度分别为2.23 MW·cm-2，1.26 MW·cm-2，0.94 MW·cm-2，最佳频率约为225 GHz。当反向泄漏电流密度增至10-4A·cm-2时，直流-交流转换效率为7.35%，输出功率密度为0.66 MW·cm-2，但最佳频率提升到275 GHz左右。频率的提升是因为反向泄漏电流的主要成分为隧穿电流，直接作用结果是导致功率效率的降低，但可使IMPATT二极管工作状态进入混合隧道IMPATT二极管模式，从而获得更高的工作频率[18]。影响功率性能的主要机制是由于反向泄漏电流作为直流电流成分，在器件工作在反向偏置下时，直接以直流偏置电流的形式出现。反向泄漏电流越大，所占直流偏置源的电流比重越高，而这一部分电流并未转变为器件内部由雪崩产生的注入电流，也就是说对器件的交流输出能力无益。所以，器件的转换效率和输出功率密度会随着反向泄漏电流的增大而降低，并使器件工作频段变窄，甚至器件难以起振。

图8为不同的反向泄漏电流密度下，IMPATT二极管在间隔时间为1/20周期内的电场强度动态分布。

(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图8 不同的反向泄漏电流密度下，IMPATT二极管在间隔 时间为1/20周期内的电场强度动态分布Fig.8 Dynamic distribution of electric field strength of IMPATT diodes at intervals of 1/20 oscillation period under different reverse leakage currents

由图8可见，反向泄漏电流的大小直接影响IMPATT二极管在一个交流周期内电场强度的振幅。反向泄漏电流密度分别为10-13，10-9，10-6，10-4A·cm-2时，电场强度振幅分别可达到0.9，0.7，0.5，0.2 MV·cm-1，也就是说在较大的反向泄漏电流密度下，器件内部电场在一个周期内的摆动明显减小，这直接导致IMPATT二极管只能生成较小的交流电压振幅，从而导致了图5(a)和图5(b)中的结论。根据IMPATT二极管的工作机制，较小的交流电压及电流振幅则对应较小的雪崩注入电流，这成为较大的反向泄漏电流下，IMPATT二极管交流性能衰减的最主要原因。

反向隧穿电流作为一种非理想效应，是IMPATT二极管工作中反向饱和电流的主要成分之一。较大的反向饱和电流可使器件的性能退化。频率较高时，隧穿电流效应会越来越显著，不可忽略，尤其是进入太赫兹频段后。隧穿电流的渡越时间可忽略，对器件的频率性能提升有利，但同时会使功率输出能力下降。隧穿电流不仅会影响器件的电压电流相位差，而且会减小IMPATT二极管在交流工作下的电场强度振幅，即影响器件的交流电压振幅。

3结论

仿真研究表明GaN基IMPATT二极管的反向泄漏电流可显著影响器件的交流性能。本文设计的GaN基PN结IMPATT二极管在反向泄漏电流密度分别为10-13，10-9，10-6，10-4A·cm-2时，效率分别为26.68%，14.35%，10.56%，7.35%。当反向泄漏电流较小时，IMPATT二极管可作为振荡波源使用；当反向泄漏电流较大时，IMPATT二极管交流性能会受到显著影响，甚至不能达到工作要求。通过从IMPATT二极管工作时的内部电学特性分析可得，影响性能衰减的主要是反向泄漏电流中的隧穿电流成分的升高，导致在一个交流工作周期中，内部电场分布的振幅减小，带来较小的交流注入电流。