含InGaN子阱结构的YAlN/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含InGaN子阱结构的YAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其制作方法，主要解决现有GaN共振隧穿二极管峰值电流低、峰谷电流比小和性能一致性差的问题。其自下而上包括衬底、GaN外延层、n

【技术实现步骤摘要】
含InGaN子阱结构的YAlN/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
，特别涉及一种含InGaN子阱结构的YAlN/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量子效应器件，具有低的结电容、短的载流子输运时间、单极输运、微分负阻等特征，基于共振隧穿二极管制备的振荡源具有高频低功耗优势，在光谱成像、高速无线通信、安检探测和电路设计中具有广泛应用。目前成熟的共振隧穿二极管主要基于GaAs和InP材料体系，GaAs基RTD太赫兹振荡源在260GHz实现了1mW 的输出功率。III族氮化物材料具有宽禁带、高击穿场强、高电子饱和速度和高热导率等独一无二的优势，在高频微波功率器件和高效电力电子器件领域获得了成功应用，基于 III族氮化物的RTD器件可获得更好的量子限域性、更高的输出功率、更高的工作频率。
[0003]GaN材料具有更高的饱和电子漂移速度，电子在耗尽区的漂移时间更短，有利于提高器件工作频率；更高的热导率，意味着散热更好，能够适应更高工作温度；更大的击穿场强，适合高压工作要求，获得高功率输出；较小的介电常数，器件本征电容更小，有利于提高工作频率；更大的有效电子质量，可以获得更大的峰值电流密度。同时，III 族氮化物材料禁带宽度可调范围更大，可实现对共振隧穿过程更好调制，GaN材料有望取代GaAs和InP材料制备RTD器件，实现室温下更高输出功率的太赫兹辐射源，尤其是太赫兹波段波长可调、全固态的室温微波振荡源。
[0004]为进一步提高GaN共振隧穿二极管的性能，尤其是改善微分负阻效应，使其具有更高的峰值电流和峰谷电流比，以及器件稳定性和性能一致性，需要从材料结构设计和外延、器件制造工艺和器件物理等方面进行深入研究。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、器件性能不稳定，不能满足高频低功耗振荡源的应用需求。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。该器件存在以下五方面的不足：
[0005]一、由于AlGaN/GaN异质结构存在大的晶格失配，器件有源区易产生高密度位错，且量子阱界面粗糙不平整，位错散射和界面粗糙度散射会增加器件谷值电流，使微分负阻效应退化；
[0006]二、AlGaN/GaN/AlGaN双势垒量子阱中存在强的极化电场，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隧穿输运，产生不对称的输出特性；
[0007]三、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和透射系数，削弱了反向偏置下的微分负阻效应；
[0008]四、集电极欧姆接触电阻高，增加了器件串联电阻，导致器件峰值电压和功耗增
加；
[0009]五、器件有源区位错分布不均，导致器件性能不稳定、可靠性低且器件性能随尺寸增大而下降，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，提出一种含InGaN子阱结构的YAlN/GaN 双势垒共振隧穿二极管及其制作方法，以有效增大器件峰值电流和峰谷电流比，提高器件可靠性和一致性，降低峰值隧穿电压，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、一种含InGaN子阱结构的YAlN/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、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]所述的第一势垒层和第二势垒层之间依次增设有第一GaN主量子阱层、In
y
Ga1‑
y
N子量子阱层、第二GaN主量子阱层；
[0014]所述的第一势垒层和第二势垒层，均采用Y组分x在6％
‑
15％之间，厚度为1nm
‑
3nm，且Y组分一致、厚度相同的Y
x
Al1‑
x
N；
[0015]所述的隔离层，采用厚度为2nm
‑
4nm的InN；
[0016]所述的集电极欧姆接触层，采用厚度为80nm
‑
100nm、掺杂浓度在1x10
19
cm
‑3‑
1x10
20 cm
‑3之间的n
+
InN；
[0017]进一步，所述的In
y
Ga1‑
y
N子量子阱层的In组分为3％
‑
5％，厚度为1nm
‑
3nm；
[0018]进一步，所述的第一和第二GaN主量子阱层，其厚度为1nm
‑
2nm且二者厚度相同；
[0019]进一步，所述的GaN隔离层，其厚度为4nm
‑
10nm；
[0020]进一步，所述的GaN外延层，其厚度为1500nm
‑
4000nm；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]2、一种含InGaN子阱结构的YAlN/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：
[0025]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；
[0026]2)采用分子束外延方法，在GaN外延层上生长厚度为100nm
‑
300nm，掺杂浓度为 5x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3的n
+
GaN发射极欧姆接触层；
[0027]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 Ga本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含InGaN子阱结构的YAlN/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)、第二势垒层(9)、隔离层(10)、集电极欧姆接触层(11)、集电极电极(12)，GaN隔离层(4)两侧设有环形发射极电极(13)，GaN隔离层(4)到集电极电极(12)的外部包裹有钝化层(14)，其特征在于：所述的第一势垒层(5)和第二势垒层(9)之间依次增设有第一GaN主量子阱层(6)、In
y
Ga1‑
y
N子量子阱层(7)、第二GaN主量子阱层(8)；所述的第一势垒层(5)和第二势垒层(9)，均采用Y组分x在6％
‑
15％之间，厚度为1nm
‑
3nm，且Y组分一致、厚度相同的Y
x
Al1‑
x
N；所述的集电极欧姆接触层(11)，采用厚度为80nm
‑
100nm、掺杂浓度在1x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3之间的n
+
InN。2.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：In
y
Ga1‑
y
N子量子阱层(7)的In组分为3％
‑
5％，厚度为1nm
‑
3nm。3.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的InN隔离层(10)，其厚度为2nm
‑
4nm；所述的第一GaN主量子阱层(6)和第二GaN主量子阱层(8)，其厚度为1nm
‑
2nm且二者厚度相同；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。4.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(14)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。5.一种含InGaN子阱结构的YAlN/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)上生长厚度为100nm
‑
300nm，掺杂浓度为5x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3的n
+
GaN发射极欧姆接触层(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Y组分x在6％
‑
15％之间，厚度为1nm
‑
3nm的第一Y
x
Al1‑
x
N势垒层(5)；5)采用分子束外延方法，在第一YAlN势垒层(5)上生长厚度为1nm
‑
2nm的第一GaN主量子阱层(6)；6)采用分子束外延方法，在第一GaN主量子阱层(6)上生长In组分y在3％
‑
5％之间，厚度为1nm
‑
3nm的In
y
Ga1‑
y
N子量子阱层(7)；7)采用分子束外延方法，在In
y
Ga1‑
y
N子量子阱层(7)上生长厚度为1nm
‑
2nm的第二GaN主
量子阱层(8)；8)采用分子束外延方法，在第二GaN主量子阱层(8)上生长Y组分x在6％
‑
15％之间，厚度为1nm
‑
3nm的第二Y
x
Al1‑
x
N势垒层(9)；9)采用分子束外延方法，在第二YAlN势垒层(9)生长厚度为2nm
‑
4nm的InN隔离层(10)；10)采用分子束外延方法，在InN隔离层(10)上生长n
+
InN集电极欧姆接触层(11)，其厚度为80nm
‑
100nm，掺杂浓度为1x10
19
cm
‑3‑
1x10
20
cm
‑3；11)采用传统光学光刻，在n
+
InN集电极欧姆接触层(11)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；12)对已形成台面隔离的台面进行电子束光刻，形成直径为1μm
‑
4μm的圆形图案。以光刻胶为掩膜，采用电子束蒸发方法，在圆形图案上蒸发Ti/Au/Ni金属层，形成集电极电极(12)。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(12)的圆柱台面；13)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。再以光刻胶为掩膜，采用电子束蒸发方法在圆环图案...

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