近年来,太赫兹(THz)频率因其在超高速无线通信、光谱学和成像等领域的广泛应用,而受到人们的广泛关注。由于THz频率位于光波和毫米波之间,人们正在由光学和电子器件两个方向去产生THz波。对于半导体单振子,人们从光学器件的角度研究了p型锗激光器和THz量子级联激光器,而从电子器件方面,研究了碰撞电离雪崩渡越时间二极管、Gunn二极管和共振隧穿二极管(RTD)等两端器件。其中RTD利用的是量子力学隧穿现象,它能使RTD运行在更高振荡频率。因此,RTD被广泛认为是最快的固态电子器件。最早的RTD电子器件是基于砷化物材料制造,然而,受限于砷化物的材料属性,RTD的输出功率仅仅只有微瓦,这大大限制了其应用。随着近些年来,以GaN为代表的第三代半导体材料以其较宽的带隙,高迁移率、高热导率等优秀特性,而被人们广泛关注。因此GaN基RTD应运而生,然而在III族氮化物材料中存在强的极性和高的缺陷,这使得GaN基RTD在室温下难以维持稳定的负阻特性,即I-V曲线中的NDR区域出现退化。直到最近,基于氮化物异质结构的RTD器件,才在室温下实现了稳定可重复的共振隧穿特性,然而其可重复性仍然是有限的。基于此,尽量开发挖掘基于III族氮化物异质结的RTD器件优势;同时努力研究器件中极性与缺陷不利因素的成因与机制,并提出抑制这些不利因素的方案,这些构成了本文研究的核心。通过研究本文主要得出了以下结论:一、本文提出基于非平衡格林函数的GaN基RTD的仿真模型。本文首先利用综合的蒙特卡罗方法计算得到的理论数据和实际测量的III族氮化物材料的实验数据,通过Matlab数学方法拟合出嵌入于商用Silvaco-Atlas数值模拟仿真器中的迁移率、速场、电离、复合等模型的相关系数参数,得到用于仿真的III族氮化物相关材料模型,其中重点对限制III族氮化物应用的极性和缺陷陷阱进行了建模。在这些材料模型的基础上,通过非平衡格林函数对GaN基RTD器件的输运过程成功建模。在器件仿真中通过自恰求解带有陷阱电荷的泊松薛定谔耦合方程,得到器件内部的电势和电子分布,通过平面格林函数可以得到电流密度以及器件的透射系数等用来表征RTD器件宏观和微观参数。仿真结果显示出清晰稳定的负微分电阻(NDR),并且该负阻依赖于量子阱和势垒层以及其他参数,理论上我们所采用的模型是自恰的。二、本文采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)外延技术,在同质GaN衬底上生长了AlGaN/GaN异质结,并通过X射线衍射(XRD)和扫描透射电子显微镜(STEM)技术对外延层的整体质量和各外延层厚度进行了表征。其后采用传统的半导体器件制造工艺制作了GaN基RTD,并对其进行了测试。测试结果显示RTD在正向电压扫描上呈现出清晰的NDR,但是经过多次扫描后峰值电流密度出现明显的衰退现象,同时在对器件进行正反向电压扫描时,I-V特性呈现出非对称性。最后我们利用数值模型对实验结果进行了分析,分析结果揭示出正是极性导致强的内建电场改变了RTD有效区的势垒结构以及电子分布,从而影响了透射系数和缺陷的电离率,最终导致器件I-V可重复下降以及正反偏置电流的非反对称性。基于此我们提出可以通过抑制材料极性来达到改进器件的特性的目的。三、本文提出了延非极性方向生长的AlGaN/GaN异质结基RTD结构。在非极性方向生长AlGaN/GaN外延层恰好使得极性电场和外延层生长方向垂直,从而规避了极性对器件特性的负面影响。首先对非极性GaN材料进行建模,其后在材料模型的基础上成功建立非极性器件模型,得到负微分特性。研究发现非极性方向的RTD能获得比极性RTD更高的峰值电流密度和峰谷电流比以及低的峰值电压。同时由于极性的缺失,非极性RTD具有对称的双势垒,因而在正反偏置下RTD可以获得对称的I-V曲线,这一特性扩展了RTD的应用。最后提出正是由于极性的缺失,RTD器件有效区的自由电子未被扫走,从而压制了缺陷陷阱的电离可能性,提高了非极性方向上I-V曲线的可重复性。四、本文提出了极化匹配的AlInN/GaN异质结基RTD结构。在极性方向上采用极化匹配于GaN的AlInN三元合金做RTD的势垒层,消除内建电场,改进器件I-V特性。首先成功模拟了AlInN材料模型,在此基础上建立器件模型,然后通过自恰求解带有缺陷陷阱电荷的泊松薛定谔方程和平面非平衡格林函数,获得负微分电阻特性。研究结果显示由于内建电场的消失,极化匹配的RTD可以实现对称的I-V特性,同时改进了器件I-V特性的可重复性,并提高本征响应频率。五、本文提出了AlGaN/GaN异质结基三势垒结构。通过第三个势垒层的引入,使得RTD的I-V特性曲线中出现两个负微分电阻区,这将RTD器件的应用扩展到更多的领域。利用已有的材料和器件模型,通过自恰求解带有陷阱电荷的泊松薛定谔方程和平面非平衡格林函数,获得三势垒RTD负微分电阻。最后,提出通过调节势垒层的宽度和势垒层Al组分以及子量子阱的宽度,可以有效地调节NDR区域的个数以及各NDR区的PVCR和峰值电流,这些为我们的实际应用增加了很大的灵活性。