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微波固态源器件的研究已成为大功率器件研究的主要内容之一，作为两端口器件中射频振荡输出功率最高的IMPATT器件，GaN基IMPATT二极管是目前国际上非常推崇的最具潜力的太赫兹功率辐射源器件，受到越来越多的重视和深入研究。目前，国际上还没有关于GaN基IMPATT二极管实验研究的报道，但大量的理论模拟结果表明，宽禁带半导体GaN是未来制造IMPATT器件的极具潜力的材料。在此背景下，进一步明确GaN基IMPATT二极管内部载流子的输运过程，设计有利于提高IMPATT二极管输出功率和效率的新型器件结构就成为本文研究的主要内容及目的。
本文的研究工作是在SWB仿真平台下完成的，获得的主要研究成果如下：
1、深入研究了DDM和HDM对GaN基同质结IMPATT二极管直流特性及微波特性的影响。直流特性模拟结果表明，利用DDM得到的IMPATT二极管中的电场强度、载流子的碰撞电离率、击穿电压均高于由HDM得到的结果。通过HDM模拟，进一步明确了GaN基IMPATT二极管内部载流子的电离过程，由于在HDM中包含了载流子的能量弛豫效应，发现载流子的电离率与电场之间存在一滞后效应，同时发现DDM模拟过高地估计了IMPATT二极管雪崩区中载流子的碰撞电离率；微波特性模拟结果表明，在310GHz以下，两种模型都给出了较合理的仿真结果，但在高于310GHz时，HDM模拟得到的器件高频特性要明显优于DDM，HDM模拟结果表明GaN基IMPATT二极管可工作于更广的频率范围。
2、本文设计了一个新颖的基于GaN/AlxGa1-xN/GaN双异质结的IMPATT二极管结构，并利用Sentaurus软件对该异质结IMPATT二极管的直流特性和D波段大信号微波特性进行了模拟，着重研究了AlxGa1-xN中Al组分对器件性能的影响，并对异质结改善器件性能的机理进行了分析。在该结构中，由AlGaN和GaN作为复合漂移区，AlxGa1-xN中Al组分x分别为0.2、0.3、0.4、0.5和0.6。直流特性模拟结果表明，雪崩区中载流子的电离率和击穿电压随着Al组分的增加逐渐增大；高频特性模拟结果表明，AlGaN/GaN异质结的引入提高了器件的射频功率输出能力以及直流-射频转换效率，其中Al组分为0.4的异质结IMPATT二极管具有最佳的微波特性，最大输出功率密度为1.56MW/cm2，直流-射频转换效率为21.99%。本文认为，由于AlGaN/GaN异质结存在极化效应，异质结界面处形成了较高的2DEG浓度，同时具有较大禁带宽度的AlGaN能有效地限制雪崩区，从而使得AlGaN/GaN异质结IMPATT二极管具有比GaN基同质结IMPATT二极管更好的微波特性。
3、本文对晶格匹配的GaN/In0.17Al0.83N/GaN异质结IMPATT二极管进行了研究，设定了三个不同的In0.17Al0.83N层长度值，分别为40nm、45nm和50nm，并着重研究了In0.17Al0.83N层长度的变化对IMPATT二极管性能的影响。直流特性模拟结果表明，IMPATT二极管的击穿电压随着In0.17Al0.83N层长度的增加而降低。微波特性模拟结果表明，IMPATT二极管的输出功率随In0.17Al0.83N层长度的增加而减小，直流-射频转换效率随In0.17Al0.83N层长度的增大先增大后减小。In0.17Al0.83N层长度为40nm的IMPATT二极管具有最大的射频输出功率密度为1.67MW/cm2，In0.17Al0.83N层长度为45nm的IMPATT二极管具有最大的直流-射频转换效率为15.4%。对In0.17Al0.83N层长度为45nm的IMPATT二极管，由于GaN材料的导带与In0.17Al0.83N材料的导带之间具有最大的导带带阶(0.18eV)，从而使得此IMPATT二极管中In0.17Al0.83N/GaN异质结界面处具有最高的2DEG浓度，这是该二极管具有高功率及高效率的一个重要原因。与GaN同质结IMPATT二极管相比，该晶格匹配的异质结构IMPATT二极管的微波特性有了显著改善。
4、本文对4H-SiC/GaN异质结IMPATT二极管进行了研究，利用n型低掺杂的4H-SiC作为器件的漂移区，利用n型高掺杂的4H-SiC作为器件的欧姆接触电极层。该结构中的4H-SiC既作为外延生长GaN的衬底，又作为IMPATT二极管的有源区，有利于器件的散热，也有利于制造大功率垂直型电子器件。该异质结IMPATT二极管最佳工作频率为280GHz，输出功率密度为1.36MW/cm2，直流-射频转换效率为19.2%。模拟结果表明，4H-SiC/GaN异质结也是制造IMPATT二极管的候选材料体系。
本文的研究工作是在SWB仿真平台下完成的，获得的主要研究成果如下：
1、深入研究了DDM和HDM对GaN基同质结IMPATT二极管直流特性及微波特性的影响。直流特性模拟结果表明，利用DDM得到的IMPATT二极管中的电场强度、载流子的碰撞电离率、击穿电压均高于由HDM得到的结果。通过HDM模拟，进一步明确了GaN基IMPATT二极管内部载流子的电离过程，由于在HDM中包含了载流子的能量弛豫效应，发现载流子的电离率与电场之间存在一滞后效应，同时发现DDM模拟过高地估计了IMPATT二极管雪崩区中载流子的碰撞电离率；微波特性模拟结果表明，在310GHz以下，两种模型都给出了较合理的仿真结果，但在高于310GHz时，HDM模拟得到的器件高频特性要明显优于DDM，HDM模拟结果表明GaN基IMPATT二极管可工作于更广的频率范围。
2、本文设计了一个新颖的基于GaN/AlxGa1-xN/GaN双异质结的IMPATT二极管结构，并利用Sentaurus软件对该异质结IMPATT二极管的直流特性和D波段大信号微波特性进行了模拟，着重研究了AlxGa1-xN中Al组分对器件性能的影响，并对异质结改善器件性能的机理进行了分析。在该结构中，由AlGaN和GaN作为复合漂移区，AlxGa1-xN中Al组分x分别为0.2、0.3、0.4、0.5和0.6。直流特性模拟结果表明，雪崩区中载流子的电离率和击穿电压随着Al组分的增加逐渐增大；高频特性模拟结果表明，AlGaN/GaN异质结的引入提高了器件的射频功率输出能力以及直流-射频转换效率，其中Al组分为0.4的异质结IMPATT二极管具有最佳的微波特性，最大输出功率密度为1.56MW/cm2，直流-射频转换效率为21.99%。本文认为，由于AlGaN/GaN异质结存在极化效应，异质结界面处形成了较高的2DEG浓度，同时具有较大禁带宽度的AlGaN能有效地限制雪崩区，从而使得AlGaN/GaN异质结IMPATT二极管具有比GaN基同质结IMPATT二极管更好的微波特性。
3、本文对晶格匹配的GaN/In0.17Al0.83N/GaN异质结IMPATT二极管进行了研究，设定了三个不同的In0.17Al0.83N层长度值，分别为40nm、45nm和50nm，并着重研究了In0.17Al0.83N层长度的变化对IMPATT二极管性能的影响。直流特性模拟结果表明，IMPATT二极管的击穿电压随着In0.17Al0.83N层长度的增加而降低。微波特性模拟结果表明，IMPATT二极管的输出功率随In0.17Al0.83N层长度的增加而减小，直流-射频转换效率随In0.17Al0.83N层长度的增大先增大后减小。In0.17Al0.83N层长度为40nm的IMPATT二极管具有最大的射频输出功率密度为1.67MW/cm2，In0.17Al0.83N层长度为45nm的IMPATT二极管具有最大的直流-射频转换效率为15.4%。对In0.17Al0.83N层长度为45nm的IMPATT二极管，由于GaN材料的导带与In0.17Al0.83N材料的导带之间具有最大的导带带阶(0.18eV)，从而使得此IMPATT二极管中In0.17Al0.83N/GaN异质结界面处具有最高的2DEG浓度，这是该二极管具有高功率及高效率的一个重要原因。与GaN同质结IMPATT二极管相比，该晶格匹配的异质结构IMPATT二极管的微波特性有了显著改善。
4、本文对4H-SiC/GaN异质结IMPATT二极管进行了研究，利用n型低掺杂的4H-SiC作为器件的漂移区，利用n型高掺杂的4H-SiC作为器件的欧姆接触电极层。该结构中的4H-SiC既作为外延生长GaN的衬底，又作为IMPATT二极管的有源区，有利于器件的散热，也有利于制造大功率垂直型电子器件。该异质结IMPATT二极管最佳工作频率为280GHz，输出功率密度为1.36MW/cm2，直流-射频转换效率为19.2%。模拟结果表明，4H-SiC/GaN异质结也是制造IMPATT二极管的候选材料体系。