多区域微分负阻特性的氮化镓基共振隧穿二极管及制作方法技术

本发明专利技术公开了多区域微分负阻特性的氮化镓基共振隧穿二极管及制作方法，主要解决现有氮化镓共振隧穿二极管难以实现多区域微分负阻特性、串联集成度低和微分负阻特性一致性差的问题。其自下而上包括衬底、GaN外延层、发射极欧姆接触层、多层复合有源区、集电极欧姆接触层和集电极电极；多层复合有源区是由N层有源区和N

【技术实现步骤摘要】
多区域微分负阻特性的氮化镓基共振隧穿二极管及制作方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种氮化镓基共振隧穿二极管，可用于多值逻辑数字电路和存储器中。

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、宽带无线通信和电路设计中具有广泛应用。与GaAs材料相比，GaN材料具有宽禁带、高饱和电子速度、高热稳定性的优势，GaN共振隧穿二极管可在室温下实现更高高频和更高高功率输出。GaN材料具有不同的晶体结构和极化特性及多种晶面，给器件结构设计带来更大的自由度。对GaN共振隧穿二极管中与垂直输运相关的物理机制进行研究，是实现复杂结构GaN量子级联激光器的基础。
[0003]高峰谷电流比微分负阻特性也为GaN数字电路设计提供了支撑。GaN共振隧穿二极管微分负阻特性的出现依赖于双势垒单量子阱中的分立能级与发射极二维电子气能级的对齐，理论上可以实现多次对齐过程，进而出现多区域微分负阻特性，这为实现多值逻辑数字电路提供了基础，可以较少的器件数目实现电路功能。但是，由于氮化物材料强的极化效应和能带的不对称性，一般情况下只能出现一个微分负阻区域。
[0004]为了实现多区域微分负阻特性GaN共振隧穿二极管，可以采用多量子阱结构。该结构器件输出特性中，不同区域微分负阻特性的峰值电流和峰谷电流比差别太大，很难应用于数字逻辑电路的单片集成中。此外，也可以采用GaN共振隧穿二极管在同一晶圆上的串联集成来实现多区域微分负阻特性，但这对外延材料片上厚度均匀性和分布波动性的要求极高，给外延生长和器件制造工艺提出了技术挑战。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]一是很难实现两个峰值电流和峰谷电流比相接近的微分负阻特性，不能单独应用于多逻辑数字电路中；
[0006]二是需要通过片上器件的串联工艺集成来实现多区域微分负阻特性，不仅对器件性能的片上一致性要求极高，而且需要消耗大量晶圆面积，同时需要金属互联，器件工艺复杂，容错率低；
[0007]三是要通过多量子阱结构实现多区域微分负阻特性，造成器件微分负阻特性的峰值电流和峰谷电流比差别太大，不适合数字电路的设计，同时多量子阱材料的外延生长会出现材料厚度大的波动和分布不均问题；
[0008]四是微分负阻特性存在自激振荡现象，器件输出特性曲线有“椅子状”的凸起，导致器件性能不稳定、可靠性低。

技术实现思路

[0009]本专利技术目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种多区域微分负阻特性的氮化镓基共振隧穿二极管及制作方法，以提升器件集成度和可靠性，降低对多量子阱材料厚度波动的要求，避免片上器件串联所需的金属互联工艺复杂和器件性能不一致，实现多个峰值电流和峰谷电流比接近相同的微分负阻效应。
[0010]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0011]1、一种多区域微分负阻效应的氮化镓基共振隧穿二极管，自下而上包括衬底、GaN外延层、发射极欧姆接触层、有源区、集电极欧姆接触层、集电极电极、有源区的两侧为环形发射极电极；有源区到集电极电极为刻蚀形成的圆柱台面，该圆柱台面外部包裹有钝化层，其特征在于：
[0012]所述有源区采用由N层有源区和N
‑
1层n
+
GaN串联层交替排列组成的复合结构，每两层有源区之间通过掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
20
cm
‑3，厚度为30nm
‑
200nm的n
+
GaN串联层连接，以实现多个峰值电流和峰谷电流比相接近的微分负阻特性，其中N≥2。
[0013]进一步，所述复合结构的有源区，其每一层自下而上均包括第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层和第二隔离层；
[0014]该第一隔离层和第二隔离层的厚度均为4nm
‑
15nm的GaN；
[0015]该第一势垒层和第二势垒层的组分一致，其厚度均为1nm
‑
3nm，且厚度相同；
[0016]该量子阱层采用组分v在0％
‑
100％之间的In
v
Ga1‑
v
N，其厚度为1nm
‑
3nm。
[0017]进一步，所述第一势垒层和第二势垒层的材料相同，均可采用Sc
x
Al1‑
x
N、Y
x
Al1‑
x
N、B
w
Al
y
Ga
z
N中的任意一种，其组分x均在5％
‑
25％之间，组分w、y、z均在0％
‑
100％之间，且满足w+y+z＝100％。
[0018]进一步，所述集电极欧姆接触层，其掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
20
cm
‑3，厚度为50nm
‑
200nm的n
+
GaN；所述发射极欧姆接触层，其掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
20
cm
‑3，厚度为50nm
‑
200nm的n
+
GaN；所述GaN外延层，其厚度为500nm
‑
5000nm；
[0019]进一步，所述钝化层采用SiN材料、Al2O3材料、HfO2材料中的任意一种材料；所述衬底采用自支撑氮化镓单晶材料、自支撑氮化铝单晶材料、蓝宝石材料、碳化硅材料、硅材料、氮化硼材料、金刚石材料中的任意一种材料。
[0020]2、一种多微分负阻效应的氮化镓基共振隧穿二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0021]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500nm
‑
5000nm的GaN外延层；
[0022]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50nm
‑
200nm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多区域微分负阻效应的氮化镓基共振隧穿二极管，自下而上包括衬底(1)、GaN外延层(2)、发射极欧姆接触层(3)、有源区(4)、集电极欧姆接触层(5)、集电极电极(6)、有源区的两侧为环形发射极电极(8)；有源区(4)到集电极电极(6)为刻蚀形成的圆柱台面，该圆柱台面外部包裹有钝化层(7)，其特征在于：所述有源区(4)采用由N层有源区和N
‑
1层n
+
GaN串联层交替排列组成的复合结构，每两层有源区之间通过掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
20
cm
‑3，厚度为30nm
‑
200nm的n
+
GaN串联层连接，以实现多个峰值电流和峰谷电流比相接近的微分负阻特性，其中N≥2。2.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述复合结构的有源区(4)，其每一层自下而上均包括第一隔离层(41)、第一势垒层(42)、量子阱层(43)、第二势垒层(44)和第二隔离层(45)；该第一隔离层(41)和第二隔离层(45)的厚度均为4nm
‑
15nm的GaN；该第一势垒层(42)和第二势垒层(44)的组分一致，其厚度均为1nm
‑
3nm，且厚度相同；该量子阱层(43)采用组分v在0％
‑
100％之间的In
v
Ga1‑
v
N，其厚度为1nm
‑
3nm。3.如权利要求2所述的二极管，其特征在于：所述第一势垒层(42)和第二势垒层(44)的材料相同，均可采用Sc
x
Al1‑
x
N、Y
x
Al1‑
x
N、B
w
Al
y
Ga
z
N中的任意一种，其组分x均在5％
‑
25％之间，组分w、y、z均在0％
‑
100％之间，且满足w+y+z＝100％。4.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述集电极欧姆接触层(5)，其掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
20
cm
‑3，厚度为50nm
‑
200nm的n
+
GaN；所述发射极欧姆接触层(3)，其掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
20
cm
‑3，厚度为50nm
‑
200nm的n
+
GaN；所述GaN外延层(2)，其厚度为500nm
‑
5000nm。5.如权利要求1所述的二极管，其特征在于：所述钝化层(7)采用SiN材料、Al2O3材料、HfO2材料中的任意一种材料；所述衬底(1)采用自支撑氮化镓单晶材料、自支撑氮化铝单晶材料、蓝宝石材料、碳化硅材料、硅材料、氮化硼材料、金刚石材料中的任意一种材料。6.一种多微分负阻效应的氮化镓基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500nm
‑
5000nm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50nm
‑
200nm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
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)上交替生长多层复合结构的有源区(4)：3a)生长第一层有源区：3a1)在n
+
GaN发射极欧姆接触层(3)上生长厚度为4nm
‑
15nm的GaN第一隔离层(41)；3a2)在GaN第一隔离层(41)上生长厚度为组分x在5％
‑
25％之间、厚度为1nm
‑
3nm的Sc
x
Al1‑
x
N或Y
x
Al1‑
x
N；或组分w、y、z在0％
‑
100％，w+y+z＝100％，厚度为1nm
‑
3nm的B
w
Al
y
Ga
z
N的第一势垒层(42)；
3a3)在第一势垒层(42)上生长组分v在0％
‑
100％之间、厚度为1nm
‑
3nm的In
v
Ga1‑
v
N量子阱层(43)；3a4)在量子阱层(43)上生长组分和厚度与第一势垒层(42)相同的第二势垒层(44)；3a5)在第二势垒层(44)上生长厚度为4nm
‑
15nm的GaN第二隔离层(45)，完成第一层有源区的生长；3b)采用分子束外延方法，在第一层有源区上生长掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
20
cm
‑3，厚度为30nm
‑
200nm的第一层n
+
GaN串联层；3c)在第一层n
+
GaN串联层上按照3a)的工艺流程生成第二层有源区，完成两层有源区和一层串联层的复合结构有源区生长；依次循环生长，最终形成具有N层有源区和N
‑
1层n
+
GaN串联层的多层复合结构的有源区(4)；4)采用分子束外延方法，在复合结构的有源区(4)上生长n
+
GaN集电极欧姆接触层(5)，其厚度为50nm
‑
200nm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3‑5×
10
20
cm
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛军帅，姚佳佳，吴冠霖，郭壮，刘仁杰，赵澄，李泽辉，袁金渊，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：