GaN/Si异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法与流程

本发明涉及电子晶体管技术领域，尤其涉及一种gan/si异质结侧向型光控impatt(碰撞雪崩渡越时间，impactavalancheandtransist-time)二极管及其制备方法。

背景技术：

间接带隙半导体si在集成电路、电力电子器件等方面为当代科学技术发展作出了巨大贡献，直接宽带隙半导体(al)gan在蓝光紫外照明及探测等光电子领域占据无可替代的地位。近年来，以gan、si和金刚石为代表的宽带隙半导体微波器件的研究取得了较好的进展，这类器件可以在高温、高频、强辐照的条件下工作，有优良的功率性能，研究人员希望在低价大面积的si上生长gan，制造gan/si异质结构场效应管[jae-gillee,etal,appliedphysisexpress,2012,5(6):066502-1-3.]、高电子迁移率晶体管[r.rodríguez,etal,solid-stateelectronics,2017,137:44-51.]、光探测器[f.yakuphanoglu,etal,journalofalloysandcompounds,650:671-675,2015.]等，实现si基微电子与gan基功率电子的强弱电集成，以及si基微电子与gan基光电子的光电集成，形成si高密度集成技术成熟与gan高频率、高电压、高热导的互补优势。因此，gan/si异质结具有十分重要的科技研发价值和广阔的应用前景。

修向前等采用氢化物气相外延(hvpe)方法在si(111)衬底上生长了c面gan厚膜[郑有炓等，功能材料，2011，42(3):509-511+515.]，首先使用金属有机物化学气相沉积方法高温外延20nm的aln缓冲层，再利用hvpe继续生长15μm的gan层。通过x射线衍射(xrd)、拉曼光谱等测试分析，gan厚膜为六方纤锌矿结构，层内的张应力为0.17gpa，光致发光谱(pl)显示在363.7nm处具有很强的gan近带边发射(nbe)峰，没有黄光发射(yl)带。实验表明，缓冲层抑制了衬底与源气的非生长化学反应，降低了gan层的残余应力，适合于si(111)衬底上gan厚膜的hvpe生长。z.hassan等利用电子回旋共振等离子体辅助金属有机物化学气相沉积设备在200℃的n型si(111)衬底上沉积gan形成gan/si异质结[z.hassan,etal,solidstatecommunications,2005,133:283-287.]，电流-电压(i-v)关系展示(n)gan/(n)si异质结为具有整流功能的半导体二极管，理想因子约为1.6。maheshkumar等利用等离子体辅助分子束外延(pa-mbe)技术在p型si(111)衬底上生长了gan形成(n)gan/(p)si异质结[maheshkumar,etal,solidstatecommunications,2011,151:356-359.]，300～530k、±3v范围的i-v关系可解释为空间电荷限制电流行为。gan/si异质结电容包含体电容和充放电电容。300～330k、0～-3v范围1～10khz频率下的电容-电压(c-v)关系反映存在负微分电容(ndc)，高反向电压时，gan/si异质结导带量子阱的能级远在准fermi能级之上，量子阱态不被占据，c-v关系显示经典行为；低反向电压时，低频测试信号可对异质结导带量子阱的较高量子化能级进行充放电，此量子阱态被充电电子占据，c-v关系显示ndc行为，可归结为量子限制效应；但是，量子化能级长时间充放电(电子捕获/逃逸)难以跟上高频交流测试信号的正负转换，c-v关系显示经典行为。

最近aritraacharyya等比较了si、gan各自同质结碰撞雪崩渡越时间二极管的性能[aritraacharyya,etal,journalofcomputationalelectronics,2015,14:309-320.]，但是还没有gan/si异质结侧向型光控impatt二极管的报道。以不同晶型的si晶片为衬底的平面gan/si异质结侧向型光控impatt二极管具有单片集成和串联组合的固有优越性，容易实现光照器件进入雪崩产生区，使得光生载流子与雪崩产生的载流子混合在一起，改变了载流子的输运，控制器件的输出功率、频率、注入闭锁。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管及其制备方法，具有单片集成和串联组合的固有优越性，能易实现光照器件进入雪崩产生区，使光生载流子与雪崩产生的载流子相混合，实现光对器件性能的控制。

为了解决上述技术问题，本发明实施例一提供了一种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管及其制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤a1、确定n型gan的晶型及其对应的材料参数、p型掺杂si晶片的材料参数，并将当前晶型的gan、si的材料参数与目标impatt二极管的工作频率相结合，计算出目标impatt二极管的n区及p区的长度；

步骤a2、选择一定厚度的p型si晶片，并在所选si晶片上确定gan/si异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述gan/si异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与n区长度相等的n阱；

步骤a3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n阱中生长当前晶型的n型掺杂gan，形成(n)gan/(p)si异质结；

步骤a4、在所选衬底上，选定所述n阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区得到长度、宽度及深度与n阱的对应值相等的n⁺阱，蚀刻所述第三蚀刻区得到长度为p区长度而宽度及深度与n⁺阱对应值相等的p⁺阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；

步骤a5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n⁺阱中生长当前晶型的n⁺型掺杂gan，以及在所述p⁺阱中生长p⁺型掺杂si，形成n⁺-n-p-p⁺型gan/si异质结；

步骤a6、在所述n⁺-n-p-p⁺型gan/si异质结的表面，利用直接氧化技术，在gan表面形成一定厚度的ga2o3保护层，在si表面形成一定厚度的sio2保护层，并在所述n⁺-n-p-p⁺型gan/si异质结的四周涂覆遮光层；

步骤a7、在所述n⁺阱、p⁺阱的上方以及n⁺阱、p⁺阱之间靠近所述gan/si异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及ga2o3保护层、sio2保护层，得到位于所述n⁺阱上方的第一空隙、位于所述p+阱上方的第二空隙，以及位于所述gan/si异质结两侧区域上方的第三空隙；

步骤a8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属、合金，分别在所述第一空隙、所述第二空隙中形成正、负电极，即得到目标impatt二极管。

其中，所述gan的晶型为纤锌矿结构gan。

其中，所述遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制成。

其中，与(n)gan形成欧姆接触的所述导电金属包括al、ti、ag；与(n)gan形成欧姆接触的所述导电合金包括tial、tialniau合金；与(p)si形成欧姆接触的所述导电金属包括al、cu、au；与(p)si形成欧姆接触的所述导电合金包括tiau、niau合金。

本发明实施例二中提供了一种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤b1、确定p型gan的晶型及其对应的材料参数、n型掺杂si晶片的材料参数，并将当前晶型的gan、si的材料参数与目标impatt二极管的工作频率相结合，计算出目标impatt二极管的n区及p区的长度；

步骤b2、选择一定厚度的n型si晶片，并在所选si晶片上确定gan/si异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述gan/si异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与p区长度相等的p阱；

步骤b3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p阱中生长当前晶型的p型掺杂gan，形成(p)gan/(n)si异质结；

步骤b4、在所选衬底上，选定所述p阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区得到长度、宽度及深度与p阱的对应值相等的p⁺阱，以及蚀刻所述第三蚀刻区得到长度为n区长度而宽度及深度与p⁺阱对应值相等的n⁺阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；

步骤b5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p⁺阱中生长当前晶型p⁺型掺杂gan，以及在所述n⁺阱中生长n⁺型掺杂si，形成p⁺-p-n-n⁺型gan/si异质结；

步骤b6、在所述p⁺-p-n-n⁺型gan/si异质结的表面，利用直接氧化技术，在gan表面形成一定厚度的ga2o3保护层，在si表面形成一定厚度的sio2保护层，并在所述p⁺-p-n-n⁺型gan/si异质结的四周涂覆遮光层；

步骤b7、在所述p⁺阱、n⁺阱的上方以及p⁺阱、n⁺阱之间靠近所述gan/si异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及ga2o3保护层、sio2保护层，得到位于所述p⁺阱上方的第一空隙、位于所述n⁺阱上方的第二空隙，以及位于所述gan/si异质结两侧区域上方的第三空隙；

步骤b8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属、合金，分别在所述第一、第二空隙中形成负、正电极，即得到目标impatt二极管。

其中，所述gan的晶型仅为纤锌矿结构gan。

其中，所述遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制成。

其中，与(p)gan形成欧姆接触的所述导电金属包括au、ni、pd、pt；与(p)gan形成欧姆接触的所述导电合金包括niau、ptniau合金；与(n)si形成欧姆接触的所述导电金属包括al、cu、au；与(n)si形成欧姆接触的所述导电合金包括tiau、niau合金。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明以不同晶型的si单晶片为衬底的平面gan/si异质结侧向型光控impatt二极管，具有单片集成和串联组合的固有优越性，容易实现光照器件进入雪崩产生区，使得光生载流子与雪崩产生的载流子混合在一起，改变了载流子的输运，控制器件的输出功率、频率、注入闭锁。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其它的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例一中提供的一种(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法的流程图；

图2为本发明实施例一中提供的一种(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法中光照(n)gan区的应用场景图；

图3为本发明实施例一中提供的一种(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法中光照(p)si区的应用场景图；

图4为本发明实施例二中提供的一种(p)gan/(n)si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法的流程图；

图5为本发明实施例二中提供的一种(p)gan/(n)si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法中光照(p)gan区的应用场景图；

图6为本发明实施例二中提供的一种(p)gan/(n)si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法中光照(n)si区的应用场景图；

图7(a)为发明实施例一中制备所得(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管的端电压vt、传导电流密度jc、端电流密度jt的波形图；

图7(b)为发明实施例二中制备所得(p)gan/(n)si异质结impatt二极管的端电压vt、传导电流密度jc、端电流密度jt的波形图；

图8(a)为发明实施例一中制备所得(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管无光照、光照si区、光照gan区的导纳—频率关系图；

图8(b)为发明实施例二中制备所得(p)gan/(n)si异质结侧向型光控impatt二极管无光照、光照si区、光照gan区的导纳—频率关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明实施例一中，提供的一种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法，该方法示出了(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管的制备方法流程，具体包括以下步骤：

步骤a1、确定n型掺杂gan的晶型及其对应的材料参数、p型掺杂si晶片的材料参数，并将当前晶型的gan、si的材料参数与目标impatt二极管的工作频率相结合，计算出目标impatt二极管的n区及p区的长度；

步骤a2、选择一定厚度的p型si晶片，并在所选si晶片上确定gan/si异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述gan/si异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与n区长度相等的n阱；

步骤a3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n阱中生长当前晶型的n型掺杂gan，形成(n)gan/(p)si异质结；

步骤a4、在所选衬底上，选定所述n阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区得到长度、宽度及深度与n阱的对应值相等的n⁺阱，蚀刻所述第三蚀刻区得到长度为p区长度而宽度及深度与n⁺阱对应值相等的p⁺阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；

步骤a5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n⁺阱中生长当前晶型的n⁺型掺杂gan，以及在所述p⁺阱中生长p⁺型掺杂si，形成n⁺-n-p-p⁺型gan/si异质结；

步骤a6、在所述n⁺-n-p-p⁺型gan/si异质结的表面，利用直接氧化技术，在gan表面形成一定厚度的ga2o3保护层，在si表面形成一定厚度的sio2保护层，并在所述n⁺-n-p-p⁺型gan/si异质结的四周涂覆遮光层；

步骤a7、在所述n⁺阱、p⁺阱的上方以及n⁺阱、p⁺阱之间靠近所述gan/si异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及ga2o3保护层、sio2保护层，得到位于所述n⁺阱上方的第一空隙、位于所述p⁺阱上方的第二空隙，以及位于所述gan/si异质结两侧区域上方的第三空隙；

步骤a8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属、合金，分别在所述第一空隙、所述第二空隙中形成正、负电极，即得到目标impatt二极管。

应当说明的是，衬底的si晶片的晶型和掺杂浓度、p⁺阱中生长该晶型si的浓度，以及n阱和n⁺阱中生长的gan的浓度，都可以根据目标impatt二极管的设计要求可调。同时，在步骤a7中，对遮光层及ga2o3或sio2层进行蚀刻形成的第三空隙，可以位于n/p结上方靠近结的n区一侧(如图2所示)，即对n阱上方的ga2o3及遮光层材料进行蚀刻，也可以位于n/p结上方靠近结的p区一侧(如图3所示)，对该处的sio2及遮光层材料进行蚀刻。

在本发明实施例一中，gan的晶型仅为纤锌矿结构gan。与(n)gan形成欧姆接触的导电金属包括al、ti、ag；与(n)gan形成欧姆接触的导电合金包括tial、tialniau合金；与(p)si形成欧姆接触的导电金属包括al、cu、au；与(p)si形成欧姆接触的导电合金包括tiau、niau合金。遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制成。

以(n)gan/(p)si异质结的侧向型光控impatt二极管作为目标impatt二极管为例，对本发明实施例一中的gan/si异质结侧向型光控impatt二极管及其制备方法的应用场景作进一步说明：

第一步、根据设计频率、材料参数计算得到n⁺-n-p-p⁺型双漂移区(n)gan/(p)si异质结侧向光控impatt二极管n区、p区的长度；在计算过程中选择wz-gan及其理化参数，并且考虑了si材料对异质结器件性能的影响，器件的设计频率fd＝0.85thz，面积a＝10^-7cm²，直流电流密度为3.2×10⁵a/cm²，空间步长为0.5nm，时间步长为4×10^-16s。同时，采用si、gan材料的参数，包括电子、空穴饱和漂移速度υsn、υsp，电子、空穴迁移率μn、μp，电子、空穴电离率αn、αp[α＝aexp(-b/e)，a、b为电离系数]，电子、空穴扩散系数dn、dp，介电常数ε，等等；

第二步、在选定足够厚的p型si衬底上，确定(n)gan/(p)si异质结的位置，在确定结位置的(n)gan一侧，确定第一蚀刻区，按照设计的n区长度，利用化学方法刻蚀第一蚀刻区，得到n区长度相当的n阱，且n阱的深度与n区长度相等；

第三步、利用金属有机物化学气相沉积mocvd技术，在n阱中生长(n)gan，形成(n)gan/(p)si异质结；

第四步、按照设计的n区、p区的长度，在异质结中垂线的结的两侧分别确定第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻第二蚀刻区得到长度、宽度及深度与n阱的对应值相等的n⁺阱，蚀刻第三蚀刻区得到长度为p区长度而宽度及深度与n⁺阱对应值相等的p⁺阱；其中，第二蚀刻区与第一蚀刻区相连；

第五步、利用金属有机物化学气相沉积mocvd技术，在n⁺阱中生长(n⁺)gan，在p⁺阱中生长(p⁺)si，形成n⁺-n-p-p⁺型(n)gan/(p)si异质结；

第六步、在已经形成的n⁺-n-p-p⁺型(n)gan/(p)si异质结表面，氧化出适当厚的ga2o3、sio2层，并对四周全部涂覆一层不透光、不导电、耐腐蚀的树脂形成遮光层；

第七步、在遮光层上方确定三个待蚀刻的区域，利用掩膜刻蚀技术，对准(n⁺)gan的区域进行蚀刻，依次刻蚀掉遮光层及gan层得到第一空隙，选出对准(p⁺)si的区域进行蚀刻，依次刻蚀掉遮光层及sio2层得到第二空隙，以及选出位于n/p结上方靠近结的n区一侧(如图2所示)，即对n阱上方的遮光层及ga2o3材料进行蚀刻，也可以选出位于n/p结上方靠近结的p区一侧(如图3所示)，即对p阱上方的遮光层及sio2材料进行蚀刻，得到第三空隙；其中，p/n结附近刻蚀掉的窗口作为光线的引入口，以便光照对impatt二极管的性能进行调控；

第八步、利用电子束蒸发技术，分别在对准(n⁺)gan、(p⁺)si电极的刻蚀坑中沉积tialniau合金、niau合金，形成电极，以便连接外电源的正极+、负极-；即完成n⁺/n-gan/p/p⁺-si异质结侧向型光控impatt二极管的制造。

上述(n)gan/(p)si异质结的侧向型光控impatt二极管，可以通过建模来进行求解：

利用半导体器件方程，如公式(1)给出的泊松方程和公式(2)、(3)给出的电子、空穴电流密度方程，表征所述(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管内载流子的传导。电流密度总是等于电流密度的漂移和扩散分量的组合，并且漂移电流密度远大于扩散电流密度：

在(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管中，由于载流子的渡越时间比复合时间短几个数量级，因此电子和空穴的复合率比电子和空穴的雪崩发生率的量级要小几个数量级，所以在目前的连续性方程中可以忽略复合率，因此得到基本公式(4)和(5)：

其中，e、q、p、n、ε、x、t、vs分别表示电势、基本电荷、空穴浓度、自由电子浓度、半导体材料的介电常数、器件内某一点与界面之间的距离、饱和漂移速度及时间，jp、jn、dp、dn、vp、vn、αp、αn分别表示的是空穴电流密度和电子电流密度、电子扩散系数、空穴扩散系数、电子饱和漂移速度、空穴饱和漂移速度、电子、空穴电离率，g为雪崩产生率。

根据表达式(1)～(5)，结合适当边界条件和初始条件，采用一维有限差分法求解方程得到(n)gan/(p)si异质结的侧向型光控impatt二极管的电流、电场及其分布情况、直/交流性能。在空间维和时间维上将(n)gan/(p)si异质结的侧向型光控impatt二极管的空间电荷区划分为相等的多个间隔。用i表示空穴及自由电子浓度的空间位置节点，其范围在1≤i≤n内，用j表示电场强度，电流密度、产生率的空间位置节点，规定其范围在1≤j≤n内，用δx表示i+1与i两点的位置差。用k表示为时间节点，规定其范围为1≤k≤n，时间维步长表示为δt，同空间维步长一样，时间维步长是k+1与k两个时刻的时间差。在仿真计算中，为了能够得到较为稳定的收敛数据、准确精度等，空间维步长δx与时间维步长δt需满足δt≤δx²/(2dmax+vmaxdx)，其中dmax为最大的扩散系数值，vmax为饱和漂移速度，即最大漂移速度值。

在求解大信号的特性时，由于数据庞大且复杂，将所用公式离散化可得到较为简易的运算过程，并且较为容易得到收敛的数据，因此，将上述的时间、空间位置节点引入上述方程中，所划分的均匀时间间隔、空间间隔将公式离散化，得到其各自本身的差分格式方程，将所得到差分格式的电流密度公式代入差分格式的连续方程中，得到一个新的离散化的公式，为了降低复杂度，方便计算，将得到的差分格式的公式转化为三对角方程组的标准形式，然后将差分格式的泊松方程与得到的标准三对角方程联合求解，可以得到(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管的电流、电场在时间及空间上的分布情况，通过傅里叶变换，可以进一步得到电导、电纳随频率的变化情况。

参数计算：假设工作频率在f＝1.4thz下，编写程序对(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管进行数值模拟，所涉及到的参数如电子、空穴的漂移速度、扩散系数、漂移系数、迁移率、电离系数等来自文献[monemarb.,etal,materialsscience&engineeringb,2002,93(1):112-122；bykhovskiad,etal,journalofappliedphysics,1997,81(9):6332-6338；dmitrieva.v.,etal,radiativerecombinationratesingan,inn,alnandtheirsolidsolutions,iniii-nitride,sic,anddiamondmaterialsforelectronicdevices.eds.gaskilld.k.,etal,materialresearchsocietysymposiumproceedings,pittsburgh,pa.,1996,423,69-73.]。其中，器件的尺寸计算公式为l＝wn+wp，wn、wp的计算公式为wn/p＝0.5vns(vps)/f，空间步长dx＝0.5х10^-7m，时间步长为5.3х10^-16s，jdc＝4.5х10⁵a/cm²，外加的正弦交流电压vt＝vrfsin(2πft)。

静态参数：在对大信号的数值模拟过程中，虽然所设定的初始载流子不会影响计算最终结果，但是，初始载流子会在一定程度上影响计算的收敛速度，增加计算时间，因此，在对大信号特性性能的研究中，为了避免此类计算问题，首先需要在开始时求解得到一个合适的初始载流子分布。

合理的初始载流子分布可以有以下步骤求解得到：首先，计算wn、wp，预设初始载流子分布p(x,t0)、n(x,t0)、外加直流电压vdc，设定加交流电压为零，而且gan/si异质结雪崩二极管边沿n⁺/n、p/p⁺界面处的电场e＝0，根据上述所设定的初始条件，适当调节载离子掺杂浓度，由公式(1)的泊松方程，得到电场分布e(x,t)及其对应的电压vb，在直流状态下，要求击穿电压vb、直流电压vdc与初始载流子分布电压对应相等，而在实验中，可能会出现初始载流子分布电压vb与击穿电压、直流电压不相等的情况，此时，可以利用公式(6)来调节修正电场，直到得到击穿电压、直流电压、初始载流子分布电压vb＝vdc＝vb，为了能够获得修正后的电场分布，需将得到的δe叠加到(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管内每一点的电场上。

其中，w为(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管空间电荷区宽度。其次，利用求得的电场分布e(x)，求解碰撞雪崩渡越时间二极管的漂移速度、空穴电离率、电子电离率在电场中分布情况。

通过不断地调整预设的直流电压vdc可得到不同直流电流密度jdc，然后获得所需要直流电压和电流密度。在数值模拟过程中，虽然所设定的初始载流子不会影响计算最终结果，但是，初始载流子会在一定程度上会影响收敛速度，增加计算时间，因此，为了避免此类计算问题，需要在开始时设定一个合适的初始载流子分布。

交流参数：假设正弦交流电压vt＝vrfsin(2πft)，其中vrf是交流电压源幅值，式中vrf表示电压幅度，设置为0.5vdc，f为交流电压频率，t表示时间，将正弦交流电压及上述求解得到的外加直流电压、直流参数中求解得到空间、时间上电场与电流的变化情况。关于大信号参数的求解，其求解过程与直流参数的求解过程基本一样，不同的是，求解交流参数时，修正电场分布时的外加直流电压变为交流电压，即vdc变为vdc与正弦交流电压vt之和，除此之外，静态与交流的收敛条件不同，即在大信号各个周期的电流密度平均值收敛在静态时所获得的电流密度值。在大信号参数求解过程中，以直流参数为初始条件，经过几个周期后可获得收敛结果。

在数值模拟过程中，要想得到(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管的大信号阻抗特性，需要得到它的电压、电流的关系式，然后经过傅里叶变换后，才能得到它在大信号下的电纳特性。

jc(t)＝σ[jn(x,t)+jp(x,t)]/l(7)

其中，jc为传导电流密度，jt为端电流密度，l＝wn+wp，jd＝cdv/dt，表示位移电流密度，其中c表示冷电容，τ＝wn(p)/vns(vps)表示为渡越时间。

对端电压、端电流进行傅里叶分析，得到了(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管的总导纳，如公式(9)所示：

f表示傅里叶变换，y(0)＝jωc，表示位移电流产生的电纳，

公式(10)-(12)为(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管的输出功率po、直流-交流转换效率η、品质因数q的计算公式：

所述(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管的光敏原理具体为，根据器件内的空穴、电子电流密度jp(x)、jn(x)，定义p(x)＝[jp(x)-jn(x)]/[jp(x)+jn(x)]，在n⁺/n、p/p⁺结x＝0、x＝w处的边界条件分别为：p(x＝0)＝(2/mp-1)，p(x＝w)＝(1-2/mn)；

空穴、电子电流的倍增因子mp、mn分别为：

其中，式(13)和(14)等号右边分母的第1、2、3项分别为热电流、光生载流子的漂移电流、光生载流子的扩散电流。无光照时，没有光生载流子，因此第2、3项均为0。

p区原来的少子为电子。光照p区si产生的电子-空穴对空穴电流的倍增因子mp基本无影响，而导致电子电流的倍增因子m″n大大减小，改变了p区的电导。另外，在n⁺/n、p/p⁺结x＝0、x＝w处的边界条件分别变为：p(x＝0)＝-1，p(x＝w)＝1-2/m″n。

n区原来的少子为空穴。光照n区gan产生的电子-空穴对电子电流的倍增因子mn基本无影响，而引起空穴电流的倍增因子m″p大大减小，改变了p区的电导。另外，在n⁺/n、p/p⁺结x＝0、x＝w处的边界条件分别变为：p(x＝0)＝2/m″n-1，p(x＝w)＝1。

因为si材料的电子电离率大于空穴电离率，而gan材料的电子电离率小于空穴电离率，所以光分别照射p区si、n区gan对n⁺-n-p-p⁺型(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管性能的影响效果不同。

另外，si、gan的带隙eg分别为1.12ev、3.39ev，根据材料吸收光的波长λ限制的要求λ≤1.24/eg，si、gan的吸收光波长λ限分别为1.11μm、0.37μm。所以，采用近红外、近紫外光照射(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管进而调控其性能是可行的。

图4所示，为本发明实施例二中，提供的另一种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管制备方法，该方法示出了(p)gan/(n)si异质结侧向型光控impatt二极管的制备方法流程，具体包括以下步骤：

步骤b1、确定p型gan的晶型及其对应的材料参数、n型掺杂si晶片的材料参数，并将当前晶型的gan、si的材料参数与目标impatt二极管的工作频率相结合，计算出目标impatt二极管的n区、p区的长度；

步骤b2、选择一定厚度的n型si晶片，并在所选si晶片上确定gan/si异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述gan/si异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与p区长度相等的p阱；

步骤b3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p阱中生长当前晶型的p型掺杂gan，形成(p)gan/(n)si异质结；

步骤b4、在所选衬底上，选定所述p阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区得到长度、宽度及深度与p阱的对应值相等的p⁺阱，以及蚀刻所述第三蚀刻区得到长度为n区长度而宽度及深度与p⁺阱对应值相等的n⁺阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；

步骤b5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p⁺阱中生长当前晶型p⁺型掺杂gan，以及在所述n⁺阱中生长n⁺型掺杂si，形成p+-p-n-n+型(p)gan/(n)si异质结；

步骤b6、在所述p+-p-n-n+型(p)gan/(n)si异质结的表面，利用直接氧化技术，在gan表面形成一定厚度的ga2o3保护层，在si表面形成一定厚度的sio2保护层，并在所述p+-p-n-n+型(p)gan/(n)si异质结的四周涂覆遮光层；

步骤b7、在所述p⁺阱、n⁺阱的上方以及p⁺阱、n⁺阱之间靠近所述gan/si异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及ga2o3保护层、sio2保护层，得到位于所述p⁺阱上方的第一空隙、位于所述n⁺阱上方的第二空隙，以及位于所述gan/si异质结两侧区域上方的第三空隙；

步骤b8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属、合金分别，在所述第一、第二空隙中形成负、正电极，即得到目标impatt二极管。

在本发明实施例二中，gan的晶型仅为纤锌矿结构gan；在p⁺阱中沉积ptniau合金，在n⁺阱中沉积niau合金；遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制成。

相应于本发明实施例一中提供的一种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管应用制备得到的(n)gan/(p)si异质结侧向型光控impatt二极管，本发明实施例二中提供的一种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管应用制备得到的(p)gan/(n)si异质结侧向型光控impatt二极管具有相似性，以及二者的光控原理完全相同，因此在此不再赘述。

本发明仿真了(n)gan/(p)si、(p)gan/(n)si两种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管的直、交流性能。

图7(a)、图7(b)分别表示(n)gan/(p)si、(p)gan/(n)si两种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管的端电压vt、传导电流密度jc、端电流密度jt的波形图。如图显示，经一个周期后，jc趋于稳定，此后，jc的变化规律与端电压的变化规律一致，在正半周期内一直在上升，达到最大值后，在半个周期内减小，得到最小值，然后又在下一个半周期内上升到最大值又减小。从图7(a)、图7(b)可见，端电压vt与传导电流密度jc之间存在大约π/2的相位差，与端电流jt之间的相位差达到了大约一个π。

图8(a)、图8(b)分别表示(n)gan/(p)si、(p)gan/(n)si两种gan/si异质结侧向型光控impatt二极管无光照、光照si区、光照gan区的导纳—频率关系，根据输出功率、转换效率计算公式得到，(p)gan/(n)si异质结与(n)gan/(p)si异质结impatt二极管相比，前者的输出功率、转换效率较高。

对比图8(a)、图8(b)可见，对gan/sic异质结侧向型光控impatt二极管，光照gan区域引起负电导下降的效果比光照si区域的效果更加显著，这与gan为直接带隙材料、光吸收更强有关。

在本发明实施例中，实施本发明的有益效果：

本发明以不同晶型的si晶片为衬底的平面gan/si异质结侧向型光控impatt二极管，具有单片集成和串联组合的固有优越性，容易实现光照器件进入雪崩产生区，使得光生载流子与雪崩产生的载流子混合在一起，改变了载流子的输运，控制器件的输出功率、频率、注入闭锁。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如rom/ram、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。