近年来,氮化镓(GaN)基半导体材料与器件发展迅速,它被认为是继第一代和第二代半导体材料之后,第三代宽禁带半导体材料的代表。由于其具有高临界场强、高异质结界面二维电子气浓度、宽禁带、高导带断续、高热导率、高载流子饱和速率等优点,GaN基半导体材料和器件得到了广泛的关注并引起了众多研究者的兴趣。太赫兹技术作为一门新兴的科学技术,由于其具有很多独特的特性以及优势,引起了许多科研工作者的关注。太赫兹的频率范围为0.1 THz到10 THz,介于微波与红外之间,因此要想获得太赫兹的频率,必须选择合适的器件作为太赫兹波的产生源。共振隧穿二极管由于其器件特性成为实现太赫兹器件源的重要选择。基于GaN基半导体材料制作而成的共振隧穿二极管,继承了GaN基化合物半导体材料异质结的优点,它具有高载流子浓度、高载流子迁移率、高工作频率、大功率及耐高温等特性,因此成为众多研究者研究的热点。本文旨在利用GaN基共振隧穿二极管产生稳定的大功率太赫兹波段信号,研究内容主要针对共振隧穿二极管及其材料的建模、器件退化机理的研究、器件新材料新结构的仿真设计等几个方面。论文围绕国家自然科学基金面上项目“氮化物半导体THz电子器件关键技术研究”和国家自然科学基金面上项目“新型AlGaN/GaN太赫兹耿氏二极管研究”等项目的研究任务,对太赫兹波段GaN基共振隧穿二极管进行了研究,主要结论如下:1,论文报道了GaN基RTD的建模过程,依托Monte Carlo模拟结果和FMBC模型,结合试验数据等相关结果,选定了最优迁移率模型,经过matlab工具的数学拟合方法,得到了GaN、AlGaN和InAlN材料的速场关系,该模型是材料的高场迁移率模型的基础。随后利用Silvaco-Altas模拟器对AlGaN/GaN RTD进行建模,依托GaN基异质结界面的极化工程,通过自洽求解薛定谔-泊松方程和非平衡格林函数并进行相关计算,依托能带图、透射系数等参量,对AlGaN/GaN RTD的负微分电阻特性进行了表征、分析和研究。同时研究了势阱宽度、势垒厚度、隔离层厚度、发射区面积和掺杂浓度变化对器件特性的影响,得出了合理选择相关参数能有效提高器件的输出特性的结论。2,论文着重分析了目前国内外GaN基RTD的研究瓶颈——退化现象。针对异质界面处陷阱中心的理论模型和俘获机制,通过向极化AlGaN/GaN RTD量子阱中引入深能级缺陷,就退化现象的机理进行了深层次的理论分析。得到陷阱中心的缺陷密度、电离率和激活能与RTD的退化效应的内在联系,通过分析它们之间的联系,研究了器件的失效机理,指出了GaN基RTD的退化现象是由陷阱中心的缺陷密度和激活能的共同作用引起,并且具有高激活能的深能级陷阱中心对NDR特性的退化起主导作用。最后提出了使用低Al组分的AlGaN/GaN异质结界面并采用同质衬底和外延生长技术能减小陷阱中心对GaN基RTD性能的影响。3,论文报道了近晶格匹配的InAlN/GaN异质界面对GaN基RTD退化效应的改善,根据InAlN高场迁移率模型,依托近晶格匹配的InAlN/GaN异质结界面的陷阱中心的缺陷密度和激活能,通过自洽求解薛定谔-泊松方程和非平衡格林函数,得到了In AlN/GaN RTD的负微分电阻特性,并着重分析近晶格匹配的InAlN/GaN异质结界面对RTD的退化现象的抑制。InAlN/GaN异质界面处的大的自发极化和内建电场改变了结构中电子的分布,降低了陷阱中心的激活能,减小甚至消除压电极化,降低了量子阱区域的自由电子浓度,抑制了陷阱中心的电离率,改善了NDR特性的可重复性。研究结果表明采用InAlN作为RTD的势垒材料可以有效的解决退化现象带来的负面影响。4,论文报道了具有InGaN子量子阱结构的GaN基RTD的隧穿机理。通过在发射区增加一层窄带隙的InGaN子量子阱,将传统RTD的3D-2D-3D(发射区-势阱-集电区)的隧穿模式改为2D-2D(子阱-主阱)的隧穿模式。通过对具有InGaN子量子阱结构的RTD的能带结构、分立能级和透射系数等参数的分析,揭示了载流子在器件内部的输运过程。由于电子在隧穿方向上依然保持动量守恒,因此会在I-V特性上呈现出很尖锐的电流峰值,同时由于InGaN子量子阱的引入,电子在该量子阱的能量分布降低,在两个量子阱对准时隧穿进入Ga N主量子阱的电子数量增加,同时透射系数增加,引起了峰值电流的迅速提高,并造成了峰值电压的降低。随后,研究了In GaN子量子阱的In组分变化对器件特性的影响,通过分析该结构在不同外加偏置下的能带图、分立能级位置和透射系数,指出了合理选取InGaN子量子阱的In组分对提高具有InGaN子量子阱的RTD器件性能尤为重要,得到了使I-V特性最佳的In GaN材料的In组分值。5,论文报道了GaN基RTD的PSPICE大信号电路模型建立过程,通过提取GaN基RTD的寄生电容和本征电阻等相关参数,并结合器件的并联RLC电路模型搭建了GaN基RTD负阻振荡器,得到了器件的交流输出功率和工作频率。通过傅立叶变换,得到了器件的基波电流和基波电压。最后分析了陷阱中心对器件的交流特性的影响。