太赫兹(Terahertz,THz)技术是一门非常重要的交叉前沿科学技术,THz具有许多独特的性质和优势,因此引起了许多学者的关注。THz波的频率范围为0.1-10 THz,该波段处于微波与红外之间。要想得到THz波段的频率,我们需要寻找恰当的太赫兹波产生源。碰撞离化雪崩渡越时间(IMPATT)二极管可以形成高频甚至太赫兹频段的微波振荡,是一种最强大的微波固态产生源,在毫米波段能产生最高连续波功率输出。GaN材料制作而成的IMPATT二极管,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,相比其他材料转换效率和输出功率都较高,因此成为了研究的热点。然而GaN材料很难形成良好的高浓度掺杂p型欧姆接触,由于上述原因目前没有成熟的工艺制作出GaN基IMPATT二极管。为了对GaN基IMPATT二极管进行制作,本文提出了低-高-低结构的肖特基IMPATT二极管,该结构用肖特基势垒来代替传统的PN结势垒产生雪崩击穿,避免了GaN基P型材料的制备。肖特基接触的优势在于可以提供很高的击穿电流强度,有很小的电极接触电阻,避免了PN结二极管存在的少数载流子存储效应。低-高-低结构中,各个区域有着不同的掺杂浓度,高掺杂的雪崩终止区能够很好的限制雪崩效应,低掺杂的雪崩区能够将高场集中在该区域,从而提高器件的工作效率。本论文主要对GaN基太赫兹IMPATT二极管结构及工艺进行了相关研究,研究内容如下:文章第二章首先介绍了IMPATT器件的不同分类以及静态特性,描述了器件的工作原理,讨论了注入相位延迟和渡越时间效应对IMPATT器件负阻产生的影响,定义并分析了IMPATT器件的功率和效率。之后介绍了Silvaco-Atlas模拟软件并说明了仿真的数值计算过程。最后对本文仿真中所用GaN材料的电子速场关系及碰撞离化模型做了说明。文章第三章首先分析了低-高-低结构的肖特基IMPATT二极管各个区域的掺杂浓度和尺寸对二极管直流特性的影响。雪崩区的掺杂影响漂移区的电场分布,雪崩区的浓度越高,漂移区的电场越小;雪崩终止层浓度决定电场在该区域的斜率;漂移区浓对漂移区的电场分布影响较大,漂移区浓度越高,电场在漂移区斜率绝对值越大。雪崩区宽度越小,雪崩区和漂移区的电场越高;雪崩终止层长度决定了电场强度在雪崩终止层的下降量,进而调节漂移区的电场强度大小;不同的漂移区宽度下各个区域的电场都是一致的,在器件尺寸延伸的漂移区部分,电场按照原有趋势延长。之后在MixedMode中对IMPATT二极管进行大信号仿真,通过不断的调整电路参数获得稳定的二极管振荡波形。对振荡波形进行快速傅里叶变化分析,发现二极管在190到280 GHz范围内转换效率和射频功率密度较高。GaN基IMPATT二极管最佳工作频率为220 GHz,此频率下二极管交流电压调制因子达到33.9%时,器件的转换效率为4.06%,射频功率密度为19.4 mW/μm~2。频率为220 GHz时,分析了不同的交流电压振幅对IMPATT二极管工作性能的影响,发现工作效率和功率随着交流电压振幅的增大而变大。频率为220 GHz,交流电压振幅为40 V时,分析了一个周期中固定时间间隔(0.3 ps)的电子浓度分布,阐述了器件工作过程中电荷包的运动情况。最后讨论了一个周期内三个不同时刻载流子浓度对电场强度的影响,结果表明在穿通结构的二极管中,空间电荷效应会压低IMPATT二极管的电场。文章第四章主要研究了GaN基低-高-低结构的肖特基IMPATT二极管工艺。首先设计了IMPATT器件的高频测试传输线版图,其次进行器件的外延层生长及金属电极制作,然后对器件制作工艺中的欧姆接触和肖特基接触性能进行了测试。介绍了两种提取欧姆接触电阻率的方法直线传输线模型(LTLM)和原点型传输线测试模型(CDTLM),用LTLM方法测试的数据计算了欧姆接触电阻率。介绍了两种提取肖特基势垒高度的方法,I-V法和C-V法。在常温下对肖特基测试器件进行了I-V特性和C-V特性测试,根据测试结果提取了肖特基势垒高度、理想因子和半导体表面的掺杂浓度。最后根据本文的直流测试结果对器件设计及制造过程中的问题进行了分析,并提出了改进方案。