GaN IMPATTダイオードを用いた新規テラヘルツ光源の開発

使用 GaN IMPATT 二极管开发新型太赫兹光源

• 批准号: 22KJ1582
• 负责人: 川崎 晟也
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1582/
• 关键词: GaN; IMPATTダイオード; マイクロ波発振

マイクロ波帯で動作するGaN IMPATTダイオードの高性能化に向けて今期はデバイス作製プロセスの改善および、デバイス構造の改善に取り組んだ。デバイス作製プロセスについては、主にGaN結晶成長条件、p型GaNへの接触抵抗の低減を試みた。MOVPE法による、GaNの結晶成長条件を検討し、10 nm/min程度の低成長レートで薄膜GaNの精密な膜厚制御を可能とし、高周波発振に向けた薄膜GaNデバイス層の成長へは一定の目途がついた。また、p型GaNに対する抵抗性接触電極材料として従来のNi系電極から新規にPd系電極を検討し、その接触比抵抗を従来の半分程度にまで低減し、10-4 Ωcm2台と他の機関と比較しても遜色ない優れた接触比抵抗が実現できた。デバイス構造については、れまで、単純なp+-n-n+構造としていたところを、接合界面に高濃度n型層を挟んだp+-n+-n-n+構造を検討した。その結果、従来よりも低電圧での駆動に成功し、発振動作に必要な入力電力を約半減した。また、従来よりも高出力での動作に成功した。これらの検討結果を用いて、マイクロ波帯GaN IMPATTダイオードを作製した結果、周波数は最高で21 GHz (従来比約2倍), 出力は最大で8 W (従来比約10倍)が得られ、世界で初めてGaN IMPATTダイオードのワット級動作を実現した。また、高周波化に合わせて、空洞共振器を新たに設計し、それに付随する導波管、同軸変換アダプタを整備し、34 GHz帯までの発振測定を可能とした。加えて、先行してスペクトラムアナライザに取り付けるミキサを用意し、Wバンド（～100 GHz）までの測定系を整備した。

本学期，我们致力于改进器件制造工艺和器件结构，以提高在微波频段工作的 GaN IMPATT 二极管的性能。在器件制造工艺方面，我们主要尝试降低GaN晶体生长条件和p型GaN的接触电阻。我们研究了使用MOVPE方法的GaN晶体生长条件，发现可以在约10 nm/min的低生长速率下精确控制薄膜GaN的厚度，并且可以达到一定的水平我已经确定了用于高频振荡的薄膜 GaN 器件层的生长。此外，我们研究了一种新型的Pd基电极代替传统的Ni基电极作为p型GaN的电阻接触电极材料，并将接触比电阻降低到传统电极的一半左右，达到10的水平-4 Ωcm2 等机构，我们能够实现与前一产品相当的优异接触电阻率。关于器件结构，我们现在考虑在结界面处夹有高浓度n型层的p+-n+-n-n+结构，而不是简单的p+-n-n+结构。结果，我们成功地以比以前更低的电压驱动该器件，将振荡操作所需的输入功率减少了大约一半。它还成功地以比以前更高的产量运行。利用这些研究结果，我们制造了微波波段 GaN IMPATT 二极管，其最高频率为 21 GHz（约为传统产品的两倍），最大输出为 8 W（约为传统产品的 10 倍）。世界上第一个实现瓦级运行的 GaN IMPATT 二极管。此外，为了应对更高的频率，我们设计了新型空腔谐振器，并准备了配套的波导和同轴转换适配器，使得测量高达34 GHz的振荡成为可能。此外，我们提前准备了一个连接到频谱分析仪的混频器，并准备了高达W频段（~100 GHz）的测量系统。

项目成果

マイクロ波帯Hi-Lo型GaN IMPATTダイオードの設計および作製

微波频段Hi-Lo型GaN IMPATT二极管的设计与制作

• 发表时间: 2023
• 作者: 川崎晟也

GaN IMPATT diode with pulsed watt-class microwave oscillation

具有脉冲瓦特级微波振荡的 GaN IMPATT 二极管

• 发表时间: 2022
• 作者: Seiya Kawasaki