上世纪80年代以来,在世界范围内掀起了太赫兹技术研究热潮。随着人们对太赫兹波的认识不断深入,发现该频段在安全检测、医学成像、宽带通信、生物识别等领域具有非常广阔的应用前景。反观当前产生太赫兹波的手段,设备体积庞大、价格昂贵、转换效率低,无法实现推广使用。一种廉价、便携、可稳定工作于室温下的太赫兹波源是实现太赫兹技术应用的必要条件。共振隧穿二极管（RTD）作为一种固态电子器件,依靠超快的量子隧穿效应,具有独特的负阻特性,易实现片上集成,是最有希望实现便携式低功耗太赫兹波源的器件。近十年间,Ga As基RTD振荡器实现了1.92 THz的振荡频率,输出功率为0.4μW,该研究进一步激发了在高频率和高输出功率上更具潜力的GaN基RTD的研究兴趣。本文围绕GaN基RTD,从材料外延、结构设计、器件工艺、机理分析和振荡特性分析等方面展开研究。主要研究成果如下:1.优化AlN和GaN材料分子束外延（MBE）工艺参数,实现了高质量GaN基RTD材料。首先,研究了生长速率对GaN材料质量的影响。采用汞探针C-V法测试了同质外延薄膜厚度,并用SIMS测试验证了该方法的准确性,为同质外延薄膜厚度的测试提供了一种便捷的测试手段。表征分析了不同生长速率下GaN薄膜的表面形貌、结晶质量、内部杂质和缺陷等,获得了高质量GaN薄膜生长参数。其次,通过研究MBE生长GaN材料的掺杂规律,实现了GaN外延材料中Si掺杂浓度的精确控制。同时,研究了高质量AlN薄膜的生长方法,采用金属调制外延法实现了光滑的表面形貌并抑制了铝滴在薄膜表面的富集。最后,生长AlN/GaN异质结时,采用了铟原子活化辅助表面迁移增强的生长方法,在薄膜表面形成铟原子浸润层,降低了Al原子和Ga原子的迁移能垒,获得了平滑陡峭的异质结界面。2.研制出高性能AlN/GaN双势垒RTD器件。开发了顶电极自对准工艺,制备了直径1～20μm的器件,均实现了室温下稳定的负微分电阻（NDR）特性。其中,直径20μm的器件为蓝宝石衬底上室温下可稳定工作的最大尺寸的器件。直径1μm的器件室温下的峰谷电流比（PVCR）为1.93,达到了同期国际先进水平。器件PVCR受到均一化效应影响,随器件尺寸的增大线性降低,得到了NDR特性出现的位错密度阈值。基于铟原子活化辅助增强表面迁移生长的AlN/GaN双势垒RTD,室温下实现了高达1039 k A/cm~2的峰值电流密度,同时PVCR为1.23,器件综合性能达到国际最高水平。对器件进行了从77K到510K的宽范围变温测试,分析了器件内部散射对于电流输运特性的影响。采用物理模型对器件输出电流进行分解,分析了高峰值电流密度器件PVCR较低的原因。由于有源区存在缺陷能级和散射中心,使量子阱中的基态能级展宽,增加了额外的隧穿过程,导致NDR区域的隧穿电流降低缓慢,增加了器件的谷值电流,降低了器件的PVCR值。3.系统分析了GaN基RTD器件的变温振荡特性,采用电路模型将器件直流特性和振荡特性建立起联系。通过串联电阻法提取了电路中的串联电阻,研究了器件的本征特性,如器件电阻、本征电压等。通过C-V测试了RTD的电容特性,对器件电容变化机理进行分析。从直流变温I-V曲线中提取了不同温度下器件的负微分电导（NDC）值、ΔI和ΔV,计算了器件的振荡频率和输出功率,与测试结果呈现出相同的变化规律,证明了模型的正确性。在测试电路中观测到了GaN基RTD器件的振荡特性,分析了限制器件振荡频率和输出功率的因素。4.提出了一种具有InGaN子阱的AlN/GaN双势垒RTD结构。在GaN量子阱中间插入InGaN子阱,采用Silvaco-ATLAS工具仿真分析了该结构器件的输出特性。仿真采用了改进的NDM模型和NEGF模型,考虑了陷阱电荷的影响。分析了采用InGaN子阱结构RTD器件的输出特性,仿真计算了器件的能带结构、透射系数和电子浓度分布,阐明了InGaN子阱结构的优越性。通过对InGaN子阱结构的厚度和In组分进行优化分析,得到了最佳的InGaN子阱结构参数。此外,为了抑制GaN基RTD器件中的发射极势垒展宽效应,本文提出了一种“U”型阱结构RTD。