ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其制作方法，主要解决现有氮化镓共振隧穿二极管峰值电流低、峰谷电流比小和微分负阻效应不对称的问题。其自下而上包括衬底、GaN外延层、n

【技术实现步骤摘要】
ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其制作方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管，可用于高频太赫兹辐射源和高速数字电路。

技术介绍

[0002]共振隧穿二极管是一种垂直结构量子效应器件，具有微分负阻特性、低的结电容、短的载流子输运时间、单极性输运等特征，工作频率可达太赫兹频段。基于共振隧穿二极管器件制备的振荡器具有高频低功耗优势，是实现太赫兹辐射源的途径之一，在安检探测、光谱成像、高速无线通信和电路设计中具有广泛应用。随着材料生长技术和器件制备工艺的进步，已经研制出振荡频率高达1.92THz的InGaAs/AlAs共振隧穿二极管器件。
[0003]与GaAs材料相比，GaN材料具有宽禁带、高饱和电子速度、高热稳定性等优势，GaN共振隧穿二极管可在室温下实现高频高功率输出。AlN/GaN异质结界面大的导带断续有助于提高微分负阻效应，给器件结构设计带来更大的自由度。GaN共振隧穿二极管是结构简单的量子效应器件，借此可深入理解和发现氮化物结构中与垂直输运相关的物理机制。同时，GaN共振隧穿二极管的研究也是实现室温量子级联激光器的有效途径。
[0004]为进一步提高GaN共振隧穿二极管器件性能，尤其是微分负阻效应，获得高的峰值电流和峰谷电流比，材料结构设计与外延技术、器件芯片制造工艺、新材料应用和器件结构创新均成为主要的技术途径。目前报道的GaN共振隧穿二极管峰值电流低、峰谷电流比小、大尺寸器件微分负阻特性差，且器件性能不稳定，不能满足高频低功耗振荡源应用需求。常规的GaN共振隧穿二极管结构如图1所示，其自下而上包括衬底、GaN外延层、n
+
GaN发射极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一AlGaN势垒层、GaN量子阱层、第二AlGaN势垒层、第二GaN隔离层、n
+
GaN集电极欧姆接触层和集电极电极，在n
+
GaN发射极欧姆接触层上设有环形发射极电极。该器件存在以下缺点：
[0005]一是AlGaN/GaN/AlGaN双势垒量子阱存在大的晶格失配，器件有源区具有高密度位错，量子阱界面粗糙不平整，这些材料缺陷作为散射中心和漏电通道，最终降低器件峰值电流，增加谷值电流，使微分负阻效应退化；
[0006]二是AlGaN/GaN/AlGaN双势垒量子阱中存在强的压电极化和自发极化电场，该电场对量子阱能带结构进行调制，影响器件正向和反向偏置下的输运特性，产生不对称微分负阻效应；
[0007]三是GaN共振隧穿二极管集电区一侧存在较宽的耗尽区，降低了反向偏置下电子隧穿几率，削弱了反向偏置下的微分负阻特性；
[0008]四是集电极欧姆接触电阻高，器件串联电阻高，从而增加了共振隧穿微分负阻效应峰值电压和器件功耗；
[0009]五是器件有源区位错分布不均，导致器件性能不稳定、可靠性低，器件性能随尺寸增大而下降，且同一尺寸器件性能一致性差。

技术实现思路

[0010]本专利技术目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其制作方法，以有效增大峰值电流和峰谷电流比，提高器件可靠性和一致性，实现正向和反向偏置下对称特性微分负阻效应。
[0011]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0012]1、一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管，自下而上包括衬底、GaN外延层、n
+
GaN发射极欧姆接触层、GaN隔离层、第一势垒层、GaN量子阱层、第二势垒层、隔离层、集电极欧姆接触层、集电极电极，GaN隔离层两侧设有环形发射极电极，GaN隔离层到集电极电极的外部包裹有钝化层，其特征在于：
[0013]所述第一势垒层和第二势垒层，采用组分x在15％
‑
20％之间、厚度为1nm
‑
3nm且Sc组分一致、厚度相同的Sc
x
Al1‑
x
N；
[0014]所述隔离层，采用厚度为2nm
‑
4nm的InN；
[0015]所述集电极欧姆接触层，采用掺杂浓度在1x10
19
cm
‑3‑
1x10
20 cm
‑3之间，厚度为80nm
‑
100nm的n
+
InN；
[0016]进一步，所述的GaN量子阱层，其厚度为1nm
‑
3nm。
[0017]进一步，所述的GaN隔离层，其厚度为4nm
‑
10nm。
[0018]进一步，所述的GaN外延层，其厚度为1500nm
‑
4000nm。
[0019]进一步，所述的n
+
GaN发射极欧姆接触层，其掺杂浓度为5x10
19
cm
‑3‑
1x10
20 cm
‑3，厚度为100nm
‑
300nm。
[0020]进一步，所述的钝化层采用SiN材料、Al2O3材料、HfO2材料中的任意一种材料。
[0021]进一步，所述的衬底采用自支撑氮化镓单晶材料、蓝宝石材料、碳化硅材料、硅材料中的任意一种材料。
[0022]2、一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0023]1)采用分子束外延方法或金属有机物化学气相淀积方法在衬底上外延生长1500nm
‑
4000nm的GaN外延层；
[0024]2)采用分子束外延方法，在GaN外延层上生长n
+
GaN发射极欧姆接触层，其厚度为100nm
‑
300nm，掺杂浓度为5x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3；
[0025]3)采用分子束外延方法,在n
+
GaN发射极欧姆接触层上生长厚度为4nm
‑
10nm的GaN隔离层；
[0026]4)采用分子束外延方法，在GaN隔离层上生长Sc组分x在15％
‑
20％之间、厚度为1nm
‑
3nm的第一Sc
x
Al1‑
x
N势垒层；
[0027]5)采用分子束外延方法，在第一ScAlN势垒层上生长厚度为1nm
‑
3nm的GaN量子阱层；
[0028]6)采用分子束外延方法，在GaN量子阱层上生长Sc组分x在15％
‑
20％之间、厚度为1nm
‑
3nm的第二Sc
x
Al1‑
x
N势垒层；
[0029]7)采用分子束外延方法，在第二ScAlN势垒层生长厚度为2nm
‑
4nm的InN隔离层；
[0030]8)采用分子束外延方法，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管，自下而上包括衬底(1)、GaN外延层(2)、n
+
GaN发射极欧姆接触层(3)、GaN隔离层(4)、第一势垒层(5)、GaN量子阱层(6)、第二势垒层(7)、隔离层(8)、集电极欧姆接触层(9)、集电极电极(10)，GaN隔离层(4)两侧设有环形发射极电极(12)，GaN隔离层(4)到集电极电极(10)的外部包裹有钝化层(11)。其特征在于：所述第一势垒层(5)和第二势垒层(7)采用Sc组分x在15％
‑
20％之间、厚度为1nm
‑
3nm且Sc组分一致、厚度相同的Sc
x
Al1‑
x
N；所述隔离层(8)，采用厚度为2nm
‑
4nm的InN；所述集电极欧姆接触层(9)，采用掺杂浓度在1x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3之间，厚度为80nm
‑
100nm的n
+
InN。2.如权利要求1所述的共振隧穿二极管，其特征在于：所述的GaN量子阱层(6)，其厚度为1nm
‑
3nm；所述的GaN隔离层(4)，其厚度为4nm
‑
10nm。所述的GaN外延层(2)，其厚度为1500nm
‑
4000nm。3.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的n
+
GaN发射极欧姆接触层(3)，其掺杂浓度为5x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3，厚度为100nm
‑
300nm；所述的钝化层(11)采用SiN材料、Al2O3材料、HfO2材料中的任意一种材料。所述的衬底(1)采用自支撑氮化镓单晶材料、蓝宝石材料、碳化硅材料、硅材料中的任意一种材料。4.一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：1)采用分子束外延方法或金属有机物化学气相淀积方法在衬底(1)上外延生长1500nm
‑
4000nm的GaN外延层(2)；2)采用分子束外延方法，在GaN外延层(2)上生长n
+
GaN发射极欧姆接触层(3)，其厚度为100nm
‑
300nm，掺杂浓度为5x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3；3)采用分子束外延方法,在n
+
GaN发射极欧姆接触层(3)上生长厚度为4nm
‑
10nm的GaN隔离层(4)；4)采用分子束外延方法，在GaN隔离层(4)上生长Sc组分x在15％
‑
20％之间、厚度为1nm
‑
3nm的第一Sc
x
Al1‑
x
N势垒层(5)；5)采用分子束外延方法，在第一ScAlN势垒层(5)上生长厚度为1nm
‑
3nm的GaN量子阱层(6)；6)采用分子束外延方法，在GaN量子阱层(6)上生长Sc组分x在15％
‑
20％之间、厚度为1nm
‑
3nm的第二Sc
x
Al1‑
x
N势垒层(7)；7)采用分子束外延方法，在第二ScAlN势垒层(7)生长厚度为2nm
‑
4nm的InN隔离层(8)；8)采用分子束外延方法，在InN隔离层(8)上生长n
+
InN集电极欧姆接触层(9)，其厚度为80nm
‑
100nm，掺杂浓度为1x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3；9)采用传统光学光刻，在n
+
InN集电极欧姆接触层(9)上，形成台面隔离图案，以光刻胶为掩膜，用感应耦合等离子体刻蚀方法，使用BCl3/Cl2气体源，刻蚀外延材料，形成深度为500nm
‑
700nm的台面隔离；10)采用电子束光刻，在n
+
InN集电极欧姆接触层(9)上，形成直径为1μm
‑
4μm的圆形图
形。以光刻胶为掩膜，采用电子束蒸发方法蒸发Ti/Au/Ni金属层，形成集电极电极(10)。而后以金属为掩膜，采用感应耦合等离子体刻蚀方法，使用BCl3/Cl2气体源，刻蚀深度至n
+
GaN发射极欧姆接触层(3)，形成从GaN隔离层(4)到集电极电极(10)的圆柱台面；11)采用传统光学光刻，在n
+
GaN发射极欧姆接触层(3)上，形成内圆周距圆柱台面3μm的圆环图形。以光刻胶为掩膜，采用电子束蒸发方法蒸发Ti/Au金属层，形成发射极电极(12)；12)采用等离子体增强化学气相沉积法或原子层淀积工艺，在n
+
GaN发射极欧姆接触层(3)至集电极电极(10)的表面淀积厚度为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛军帅，刘芳，张进成，郝跃，孙志鹏，李蓝星，姚佳佳，杨雪妍，张赫朋，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：