一种低功耗GaN/AlGaN共振隧穿二极管制造技术

本发明专利技术涉及一种低功耗GaN/AlGaN共振隧穿二极管。本发明专利技术包括GaN基底、n+‑GaN集电区层、i‑GaN第一隔离层、i‑AlGaN第一势垒层、i‑GaN量子阱层、i‑AlGaN第二势垒层、i‑GaN或者i‑InGaN第二隔离层、n+‑GaN发射区层、AlN钝化层、集电区金属电极引脚与发射区金属电极引脚。本发明专利技术采用高质量非

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗GaN/AlGaN共振隧穿二极管
本专利技术涉及化合物半导体量子器件
，具体是一种低功耗GaN/AlGaN共振隧穿二极管。
技术介绍
对于常规GaN/AlGaN共振隧穿二极管(RTD)器件，由于GaN/AlGaN势垒层的自发极化效应和在外加电压作用下的压电极化效应显著，在GaN/AlGaN势垒层中将形成极化电场。由于受GaN/AlGaN材料内在结构及其表面外延生长动力学等因素制约，对于c面向外延生长，外延生长高质量GaN/AlGaN纳米薄膜，其初始极性面与终了极性面相同。如果GaN基底上表面为c面，即Ga表面极性，则AlGaN势垒层中的极化电场方向与器件外加电场方向相同，会增强RTD器件的共振隧穿效应，有利于比势垒层在无极化效应条件下获得更强的负微分电阻(NDR)伏安特性，即具有更高的峰值/谷值电流密度，因而器件的功耗较高；而如果GaN基底上表面为面，即N表面极性，则AlGaN势垒层中的极化电场方向与器件外加电场方向相反，会抑制和破坏RTD器件的共振隧穿效应，很难获得明显的可实用负微分电阻(NDR)伏安特性。故此，常规GaN/AlGaN共振隧穿二极管(RTD)器件通常采用上表面为c面的GaN基底。本专利技术采用分子束外延(MBE)生长N表面极性高质量纤锌矿GaN材料，经一次斜切得到非面GaN基底，或者采用斜切衬底上金属有机化学汽相淀积(MOCVD)外延生长N上表面极性高质量纤锌矿GaN材料，经再次斜切所得非面GaN基底；如附图1所示为纤锌矿四轴坐标系，即以a1，a2，a3和c轴为四个坐标轴构成四轴坐标系表征的三维空间，所得非面GaN基底的初始晶向范围落在该四轴坐标系表征的三维空间中闭区间方向范围超声波气体流量检测模块，或者按照晶格对称性所对应的等效晶向范围内，经过后续MBE或者MOCVD依次外延生长即刻蚀n+-GaN、i-GaN、i-AlGaN、i-GaN、i-AlGaN、i-GaN、AlN及金属纳米薄膜制备出一种低功耗GaN/AlGaN基共振隧穿二极管。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低功耗GaN/AlGaN共振隧穿二极管。本专利技术包括基底、集电区层、第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层、发射区层、钝化层、集电区金属电极引脚与发射区金属电极引脚。所述的基底上表面外延集电区层，集电区层上表面中部外延第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层与发射区层；第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层和发射区层构成共振隧穿二极管的中央量子结构区域。中央量子结构区域上表面为发射区金属电极引脚，中央量子结构区域外侧沉积有钝化层，钝化层外侧为集电区金属电极引脚。基底采用上表面晶面分别为纤锌矿四轴坐标系中的或者a面的高质量混合极性上表面的外延本征的GaN基底。基底为厚度102-103μm的GaN层、集电区层为10-2-100μm厚的n+-GaN层、第一隔离层为100-101nm厚的i-GaN层、第一势垒层为1.5-5nm厚的i-AlGaN层、量子阱层为1.5-7nm厚的i-GaN层、第二势垒层为1.5-5nm厚的i-AlGaN层、第二隔离层为0-101nm厚的i-GaN或者i-InGaN层、发射区层为10-2-100μm厚的n+-GaN层、钝化层为101nm厚的AlN层。集电区层中n+-GaN掺杂浓度为1e18-1e19cm-3。以GaN基底作为器件载体，起到决定器件层外延生长方向、支撑器件层、器件层中器件之间的隔离及辅助工作中的器件散热等作用；集电区层上表面外部区域与集电区金属电极之间形成欧姆接触，起收集与传输第一隔离层的电子流作用；在热学方面则作为第一隔离层与高质量混合极性上表面半绝缘GaN基底及集电区金属电极引脚之间的热传导媒质；第一隔离层在器件结构上连接集电区层与第一势垒层，主要为穿过第一势垒层的电子提供通向集电区层的疏运路径、作为集电区层与第一势垒层之间的热传输路径及隔离集电区层中量子能级对第一势垒层两侧量子能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层中对应的共振量子能级等作用；第一势垒层在结构上隔离第一隔离层与量子阱层，作为第一隔离层与量子阱层之间的纳米级厚度有限高势垒，即第一隔离层与量子阱层之间电子量子共振隧穿的路径；量子阱层介于第一隔离层与第二势垒层之间，作为纳米级厚度有限深电子势阱提供沿能量纵向量子化的电子能级；第二势垒层在结构上隔离量子阱层与第二隔离层，作为量子阱层与第二隔离层之间的纳米级厚度有限高势垒，即量子阱层与第二隔离层之间电子量子共振隧穿的路径；第二隔离层在器件结构上连接第二势垒层与发射区层，主要输运来自发射区层的电子，作为第二势垒层与发射区层之间的热传输路径，隔离发射区层中量子能级对第二势垒层两侧量子能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层对应的共振量子能级；发射区层与发射区金属电极引脚之间形成欧姆接触，连接第二隔离层与发射区金属电极引脚，作为第二隔离层与发射区金属电极引脚之间电子流的低阻通路和热传输路径；集电区金属电极引脚与集电区之间形成欧姆接触,连接器件集电区与外部电路；钝化层将器件的表面需要保护部分与外界环境之间隔离开来,并钝化表面悬挂键。所述的钝化层、集电区金属电极引脚和发射区金属电极引脚组成三个同心圆或者同心正多边形。所述的中央量子结构区域外围的发射区层、第二隔离层、第二势垒层、量子阱层、第一势垒层和第一隔离层采用光刻工艺依次掩模。所述的钝化层淀积在中央量子结构区域外侧；并采用光刻工艺掩模。所述的集电区金属电极引脚和发射区金属电极引脚上表面采用化学机械抛光工艺平坦化。所述的势垒层中的极化电场方向与外加极化电场方向不重合，也不反向重合，二者之间存在一个夹角，用α表示，称为有效极化角，则AlGaN势垒层中的有效极化电场满足式(1)所示的投影定律：k是玻尔兹曼常数，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，PSP为自发极化强度，PPZ为压电极化强度，q是电子电荷量大小。本专利技术针对现有技术的不足，提供一种采用高质量非极性上表面的外延本征GaN基底上外延生长GaN/AlGaN纳米薄膜制备的GaN/AlGaN共振隧穿二极管。该共振隧穿二极管能够具有足够明显且可实用的负微分电阻(NDR)伏安特性，且其伏安特性在足够低的正偏压下的负微分电阻特性具有的峰值电流与谷值电流比常规c向初始上表面GaN基底的GaN/AlGaN共振隧穿二极管的峰值电流与谷值电流更低，从而在实际应用中的功耗较低，有利于节省能源、保护环境与可持续发展。实现了GaN/AlGaN共振隧穿二极管内部极化电场方向与外加电场方向的剥离，使得后者的方向与前者的方向或者负方向之间的夹角落在(74°,90°]区间，从而使得极化电场在后者方向上的分量的绝对值减小到分解之前的绝对值的28％以下，以至于当其分量的方向与外加电场方向相反时，其分量强度不足以完全破坏GaN/AlGaNRTD的共振隧穿条件，而是只能在一定程度上减弱共振隧穿效应，从而有助于获得较低电压下具有较低特征电流，且具有一定实用性的GaN/AlGaN共振隧穿二极管。附图说明图1为纤锌矿四轴坐标系；图2为本专利技术的整体结构示意图；图3本专利技术的可选俯视结构示意图；图4为本专利技术实施例的结构示意图。具体实施方式如附图2示，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低功耗GaN/AlGaN共振隧穿二极管，包括基底、集电区层、第一隔离层、第一势垒

【技术特征摘要】
1.一种低功耗GaN/AlGaN共振隧穿二极管，包括基底、集电区层、第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层、发射区层、钝化层、集电区金属电极引脚与发射区金属电极引脚；其特征在于：所述的基底上表面外延集电区层，集电区层上表面中部外延第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层与发射区层；第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层和发射区层构成共振隧穿二极管的中央量子结构区域；中央量子结构区域上表面为发射区金属电极引脚，中央量子结构区域外侧沉积有钝化层，钝化层外侧为集电区金属电极引脚；基底采用上表面晶面分别为纤锌矿四轴坐标系中的或者a面的高质量混合极性上表面的外延本征的GaN基底；基底为厚度102-103μm的GaN层、集电区层为10-2-100μm厚的n+-GaN层、第一隔离层为100-101nm厚的i-GaN层、第一势垒层为1.5-5nm厚的i-AlGaN层、量子阱层为1.5-7nm厚的i-GaN层、第二势垒层为1.5-5nm厚的i-AlGaN层、第二隔离层为0-101nm厚的i-GaN或者i-InGaN层、发射区层为10-2-100μm厚的n+-GaN层、钝化层为101nm厚的AlN层；以GaN基底作为器件载体，起到决定器件层外延生长方向、支撑器件层、器件层中器件之间的隔离及辅助工作中的器件散热等作用；集电区层上表面外部区域与集电区金属电极之间形成欧姆接触，起收集与传输第一隔离层的电子流作用；在热学方面则作为第一隔离层与高质量混合极性上表面半绝缘GaN基底及集电区金属电极引脚之间的热传导媒质；第一隔离层在器件结构上连接集电区层与第一势垒层，主要为穿过第一势垒层的电子提供通向集电区层的疏运路径、作为集电区层与第一势垒层之间的热传输路径及隔离集电区层中量子能级对第一势垒层两侧量子能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层中对应的共振量子能级等作用；第一势垒层在结构上隔离第一隔离层与量子阱层，作为第一隔离层与量子阱层之间的纳米级厚度有限高势垒，即第一隔离层与量子阱层之间电子量子共振隧穿的路径；量子阱层介于第一隔离层与第二势垒层之间，作为纳米级厚度有限深电子势阱提供沿能量纵向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海鹏，白建玲，林弥，张忠海，郝郗亮，吕伟锋，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33