一种氮极性面氮化镓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氮极性面氮化镓共振隧穿二极管及其制作方法，主要解决现有氮极性面氮化镓共振隧穿二极管材料生长极性控制难度大、位错密度高，器件自热效应及微分负阻效应稳定性和重复性退化问题。其自下而上包括金刚石衬底、SiN过渡层、GaN支撑层、n

【技术实现步骤摘要】
一种氮极性面氮化镓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
，特别涉及一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管，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等特征，是制备高频太赫兹辐射源和多值逻辑数字电路的理想器件。基于共振隧穿二极管制备的高频振荡器是实现太赫兹辐射的途径之一，在安全检测、医疗诊断、高速通信中具有潜在应用。由于氮化镓材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子速度和高热导率等优势，氮化镓基共振隧穿二极管可在室温下实现高频高功率输出。同时，氮化镓基共振隧穿二极管结构简单，是探究垂直结构氮化物器件相关物理输运机制的有效途径。常规的氮极性面氮化镓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集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一势垒层、GaN量子阱层、第二势垒层、第二GaN隔离层、n
+
GaN发射极欧姆接触层和发射极电极，在n
+
GaN集电极欧姆接触层上设有环形集电极电极。该器件存在以下5方面的缺点：
[0003]1.氮极性面氮化镓材料外延时极性控制难度大，易发生极性反转，出现镓极性面和氮极性面混合的晶相。
[0004]2.衬底热导率低，氮极性面氮化镓共振隧穿二极管有源区热量不能及时耗散，热积累效应导致器件出现微分负阻效应衰退，器件可靠性和稳定性恶化。
[0005]3.将氮极性面氮化镓共振隧穿二极管剥离转移到高热导率金刚石衬底上时，器件剥离转移工艺复杂，剥离界面粗糙度不平整，剥离器件完整度低，剥离转移后器件性能出现衰退等问题。
[0006]4.高热导率衬底金刚石与直接生长的氮极性面氮化镓材料之间存在大的晶格失配和晶相失配及其热失配等问题，在其上直接异质外延生长氮极性面氮化镓材料难以实现高的结晶质量。
[0007]5.器件有源区位错分布不均，导致器件漏电严重，器件谷值电流上升引起峰谷电流比和微分负阻效应恶化，同一尺寸器件性能一致性差。
[0008]目前，氮化镓基共振隧穿二极管主要基于镓极性面双势垒单量子阱结构材料制造，这是由于镓极性面器件的材料外延生长技术和器件制备工艺成熟，易于实现高的材料质量和高性能器件。同时，器件输运机制研究深入，为高性能器件结构设计提供了理论支持。然而，氮极性面氮化镓共振隧穿二极管有诸多优势。该结构器件中，发射极电极在外延材料顶部，可以增强对隧穿载流子密度的调控。同时，有利于通过顶部发射极电极将双势垒结构和其他功能材料进行单片集成。通过氮极性氮化镓共振隧穿二极管将III族氮化物半导体与其他功能材料进行无缝连接，对探索未知的器件物理提供了途径。
[0009]然而，氮极性面氮化镓共振隧穿二极管在材料外延生长和器件性能提升存在主要难题。首先，氮极性面氮化镓材料外延生长过程易发生极性反转，极性控制难度大，常出现
镓极性和氮极性混合相。异质外延的氮极性面氮化镓材料中存在高密度的位错缺陷，导致器件有源区量子阱界面粗糙度不平整，形成漏电通道并增加谷值电流，引起器件微分负阻效应退化。其次，氮极性面氮化镓共振隧穿二极管器件有源区热积累效应导致器件结温迅速上升，产生自热效应，导致器件微分负阻效应稳定性和重复性退化。因此，为进一步提升氮极性氮化镓共振隧穿二极管性能，需要采用高热导率的衬底，提升有源区附近传热能力，改善器件自热效应，提高器件可靠性和稳定性。同时，需要对氮极性面氮化镓材料外延技术进行创新，降低异质外延氮极性面氮化镓材料中位错缺陷密度，降低材料极性控制工艺难度。

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，提出一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管及其制作方法，以提高材料外延质量，改善器件自热效应，提高器件可靠性和稳定性，同时降低器件剥离转移工艺难度。
[0011]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0012]1、一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管，自下而上包括衬底、n
+
GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一势垒层、GaN量子阱层、第二势垒层、第二GaN隔离层、n
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GaN发射极欧姆接触层、发射极电极，第一GaN隔离层两侧为环形集电极电极，第一GaN隔离层到发射极电极刻蚀形成圆柱台，该圆柱台面外部包裹有钝化层，其特征在于：
[0013]所述衬底采用金刚石材料；
[0014]所述n
+
GaN集电极欧姆接触层与衬底与之间设有SiN过渡层和GaN支撑层，用于淀积衬底和支撑共振隧穿二极管的n
+
GaN集电极欧姆接触层。
[0015]进一步，所述SiN过渡层，其厚度为50nm
‑
200nm；所述GaN支撑层，其厚度为4μm
‑
10μm；所述衬底，其厚度为40μm
‑
60μm。
[0016]进一步，所述的n
+
GaN集电极欧姆接触层和n
+
GaN发射极欧姆接触层，其掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑1×
10
20
cm
‑3，厚度为100nm
‑
300nm；所述的第一GaN隔离层和第二GaN隔离层，其厚度为4nm
‑
8nm；所述的第一势垒层和第二势垒层，采用AlN、AlGaN、InAlN中的任意一种，其厚度为1nm
‑
3nm；所述的GaN量子阱层，其厚度为1nm
‑
3nm；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。
[0017]2、一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管的制作方法，其特征在于，包括如下：
[0018]1)在自支撑氮化镓外延片上，利用化学气相淀积工艺生长厚度为2nm
‑
5nm的石墨烯、BN、MoS2中的任意一种转移层；
[0019]2)用金属有机物化学气相淀积工艺，在转移层上依次生长厚度为50nm
‑
200nm的GaN或AlN成核层和厚度为1000nm
‑
3000nm的GaN缓冲层；
[0020]3)采用分子束外延方法，在缓冲层上生长n
+
GaN发射极欧姆接触层，其厚度为100nm
‑
300nm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑1×
10
20
cm
‑3；
[0021]4)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
‑
8nm的第二GaN隔离层；
[0022]5)采用分子束外延方法，在第二GaN隔离层上生长厚度为1nm
‑
3nm的第二势垒层；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管，自下而上包括衬底(1)、n
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GaN集电极欧姆接触层(4)、第一GaN隔离层(5)、第一势垒层(6)、GaN量子阱层(7)、第二势垒层(8)、第二GaN隔离层(9)、n
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GaN发射极欧姆接触层(10)、发射极电极(11)，第一GaN隔离层(5)两侧为环形集电极电极(13)，第一GaN隔离层(5)到发射极电极(11)刻蚀形成圆柱台，该圆柱台面外部包裹有钝化层(12)，其特征在于：所述衬底(1)采用金刚石材料；所述n
+
GaN集电极欧姆接触层(4)与衬底(1)与之间设有GaN支撑层(3)和SiN过渡层(2)，用于支撑共振隧穿二极管的n
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GaN集电极欧姆接触层和淀积衬底。2.如权利要求1所述的共振隧穿二极管，其特征在于：所述SiN过渡层(2)，其厚度为50nm
‑
200nm；所述GaN支撑层(3)，其厚度为4μm
‑
10μm；所述衬底(1)，其厚度为40μm
‑
60μm。3.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述的n
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GaN集电极欧姆接触层(4)和n
+
GaN发射极欧姆接触层(10)，其掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑1×
10
20
cm
‑3，厚度为100nm
‑
300nm；所述的第一GaN隔离层(5)和第二GaN隔离层(9)，其厚度为4nm
‑
8nm；所述的第一势垒层(6)和第二势垒层(8)，采用AlN、AlGaN、InAlN中的任意一种，其厚度为1nm
‑
3nm；所述的GaN量子阱层(7)，其厚度为1nm
‑
3nm；所述的钝化层(12)采用SiN材料、Al2O3材料、HfO2材料中的任意一种材料。4.一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管的制作方法，其特征在于，包括如下：1)在自支撑氮化镓外延片上，利用化学气相淀积工艺生长厚度为2nm
‑
5nm的石墨烯、BN、MoS2中的任意一种转移层；2)用金属有机物化学气相淀积工艺，在转移层上依次生长厚度为50nm
‑
200nm的GaN或AlN成核层和厚度为1000nm
‑
3000nm的GaN缓冲层；3)采用分子束外延方法，在缓冲层上生长n
+
GaN发射极欧姆接触层(10)，其厚度为100nm
‑
300nm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑1×
10
20
cm
‑3；4)采用分子束外延方法,在n
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GaN发射极欧姆接触层(10)上生长厚度为4nm
‑
8nm的第二GaN隔离层(9)；5)采用分子束外延方法，在第二GaN隔离层(9)上生长厚度为1nm
‑
3nm的第二势垒层(8)；6)采用分子束外延方法，在第二势垒层(8)上生长厚度为1nm
‑
3nm的GaN量子阱层(7)；7)采用分子束外延方法，在GaN量子阱层(7)上生长厚度为1nm
‑
3nm的第一势垒层(6)；8)采用分子束外延方法，在第一势垒层(6)上生长厚度为4nm
‑
8nm的第一GaN隔离层(5)；9)采用分子束外延方法，在第一GaN隔离层(5)上生长n
+
GaN集电极欧姆接触层(4)，其厚度为100nm
‑
300nm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑1×
10
20
cm
‑3；10)采用金属有机物化学气相淀积工艺，在n
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GaN集电极欧姆接触层上淀积厚度为4μm
‑
10μm的GaN支撑层(3)；
11)用低压化学气相淀积技术，在GaN支撑层(3)上淀积厚度为50nm
‑
200nm的SiN过渡层(2)；12)用微波等离子体化学气相淀积工艺，在SiN过渡层(2)上淀积厚度为40μm
‑
60μm的金刚石衬底(1)；13)剥离自支撑氮化镓外延片和转移层；14)使用刻蚀技术，去除成核层和缓冲层；15)将n
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GaN发射极欧姆接触层(10)及其之上部分整体进行上下翻转；16)采用传统光学光刻，在n
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GaN发射极欧姆接触层(10)上，形成台面隔离图案，再以光刻胶为掩膜，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；17)采用电子束光刻，在n
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GaN发射极欧姆接触层(10)上，形成直径为1μm
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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，形成发射极电极(11)，再以金属为掩膜，采用感应耦合等离子体刻蚀方...

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