一种具有强极化异质结沟道的耿氏二极管及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有强极化异质结沟道的耿氏二极管及其制备方法，属于半导体器件技术领域。该耿氏二极管包括衬底、沉积于衬底上的缓冲层、至少一组沉积于缓冲层上的异质结沟道、阴极和阳极；每组异质结沟道包括沟道层和势垒层，势垒层沉积于沟道层表面；沟道层为非故意掺杂的GaN层，势垒层为非故意掺杂的ε

【技术实现步骤摘要】
一种具有强极化异质结沟道的耿氏二极管及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种具有强极化异质结沟道的耿氏二极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波是一种频率在0.1～10THz之间的电磁波。太赫兹波与微波技术相比，具有更高的分辨率；与光波技术相比，具有更低的能量和更好的穿透能力。电子转移器件(又称耿氏二极管)被认为是一种极具潜力的太赫兹信号源发生器件。耿氏二极管主要是利用半导体中电子在导带中从主能谷转移到子能谷而产生负微分效应而制成的实用性器件。用来制作耿氏二极管的材料需满足以下条件：(1)半导体导带中应具备多能谷结构，且能量差必须大于几个KT，以满足室温下全部电子处于主能谷中；(2)与电子在次能谷相比，主能谷中电子须具有更低有效质量、更高的迁移率，因此在发生谷间跃迁时实现负微分电阻效应；(3)能谷间的能量差应小于禁带宽度，以防止电子转移开始之前发生跨越禁带的碰撞雪崩离化。目前大量应用的耿氏二极管主要以传统的III、V族化合物砷化镓(GaAs)为主，受限于较窄的能带宽度(1.42eV)和较小的击穿电场(0.4MV/cm)，器件的负阻振荡基频频率小于150GHz且输出功率偏低(仅在毫瓦量级)，使其应用受到限制。
[0003]现有技术《A 218
‑
GHz second
‑
harmonic multiquantum well GaAs
‑
based planar Gunn diodes》(DOI:10.1002/mop.27393)中公开了一种以GaAs和AlGaAs形成异质结的多沟道平面耿氏二极管。该方案中由于GaAs禁带宽度窄、临界击穿场强低，从而限制了耿氏二极管的耐压和抗辐照能力，且导致其输出功率较小。而多沟道异质结阴阳电极采用平面电极，则导致难以与下层沟道形成欧姆接触，多沟道的优势难以充分发挥。此外，AlGaAs/GaAs异质结极化弱，需要调制掺杂层，使得外延结构更复杂。
[0004]现有技术《太赫兹波段GaN基类HEMT平面耿氏二极管的研究》(DOI：CNKI:CDMD:1.1018.085847)中公开了一种以GaN和AlGaN形成异质结的多沟道平面耿氏二极管。该方案中同样存在势垒极化强度弱、二维电子气(2DEG)浓度低导致沟道方阻较大，影响器件输出功率的问题；以及平面电极难以与多沟道的下层沟道形成欧姆接触的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供一种具有强极化异质结沟道的耿氏二极管。该耿氏二极管具有高耐压、高迁移率、高输出功率和低导通电阻的特征。
[0006]具体地，本专利技术采用如下技术方案来实现上述目的：
[0007]一种具有强极化异质结沟道的耿氏二极管，包括衬底、沉积于所述衬底上的缓冲层、至少一组沉积于所述缓冲层上的异质结沟道、阴极和阳极；每组所述异质结沟道包括沟道层和势垒层，所述势垒层沉积于所述沟道层表面；所述沟道层和所述势垒层之间形成二维电子气；所述沟道层为非故意掺杂的GaN层，所述势垒层为非故意掺杂的ε
‑
Ga2O3层；所述异质结沟道相对的两侧分别刻蚀有再生长区域，每个所述再生长区域的刻蚀深度深至所述
缓冲层；所述阴极和所述阳极分别沉积于两个所述再生长区域。
[0008]由于ε相氧化镓(ε
‑
Ga2O3)为六方晶系的极性相，可以与同为六方晶系纤锌矿型结构的氮化镓(GaN)形成异质结；且ε
‑
Ga2O3本身具有很强的自发极化能力，其自发极化电荷高达2
×
10
14
cm
‑2，相比于现有的GaN常用的势垒层(AlGaN、InGaN、AlN等)高出一个数量级，ε
‑
Ga2O3作为强极化势垒层与GaN形成ε
‑
Ga2O3/GaN异质结时，不需要通过δ调制掺杂，仅靠其强极化就可以在异质结沟道的异质结界面处中产生超高浓度的2DEG，以降低导通电阻。ε
‑
Ga2O3具有高达5eV的禁带宽度和8MV/cm临界击穿场强，将其作为势垒层，能有效提升器件的耐压特性。以GaN作为沟道层，ε
‑
Ga2O3与GaN之间具有的大带阶差，使得ε
‑
Ga2O3/GaN异质结沟道载流子具有很好的限域性和迁移率。通过纵向增加导通沟道的数目可以进一步降低电阻，提高器件输出功率，而不增大器件栅宽和不占用更大的晶圆面积。在多组相邻的异质结沟道之间，上层异质结沟道的沟道层作为下层异质结沟道的帽层；下层异质结沟道的势垒层作为上层异质结沟道的背势垒层，能够进一步提高沟道载流子的限域性。
[0009]在本专利技术的方案中，势垒层还可以用与GaN晶格相匹配的ScAlN层或渐变Al组分的Al
x
Ga1‑
x
N层(0＜x＜1)代替非故意掺杂的ε
‑
Ga2O3层。
[0010]ScAlN材料具有热稳定性好、带隙宽以及显著的自发极化的特点，同样具有六方晶系纤锌矿型结构，且与GaN的晶格匹配，因此采用与GaN晶格匹配的ScAlN作为势垒层可以在实现强极化的同时，有效减小晶格失配带来的负面效应。
[0011]采用渐变Al组分的Al
x
Ga1‑
x
N作为势垒层，从异质结界面的低Al组分开始逐渐提高Al
x
Ga1‑
x
N势垒层Al组分，不仅能够降低异质结界面的晶格失配，还可以提高势垒层中Al组分上限，因此可以在进一步增强极化的同时有效改善器件线性度。
[0012]在优选的实施方案中，每个所述再生长区域均沉积有重掺杂的接触层；每个所述接触层的底部与所述缓冲层接触，每个所述接触层与每组所述异质结沟道的二维电子气接触；所述阴极和所述阳极分别沉积于两个所述接触层的顶部。
[0013]在阴极区域和阳极区域分别沉积有重掺杂的接触层，能够进一步保证异质结沟道产生的2DEG与阴极和阳极更好地相连，提高晶圆片的平整度，降低工艺风险，并有助于形成良好的欧姆接触，简化退火工艺。
[0014]在进一步优选的实施方案中，所述接触层均为重掺杂n型GaN层。
[0015]在优选的实施方案中，所述衬底包括SiC衬底、GaN衬底、金刚石衬底、蓝宝石衬底中至少一种。
[0016]在进一步优选的实施方案中，所述衬底为铁掺杂的SiC衬底。
[0017]在优选的实施方案中，所述缓冲层为非故意掺杂的GaN层。
[0018]在优选的实施方案中，所述阴极和所述阳极分别与所述接触层形成欧姆接触。
[0019]在优选的实施方案中，所述异质结沟道包括插入层或/和背势垒层；所述插入层位于每组所述异质结沟道中势垒层和沟道层之间；所述背势垒层位于每组所述异质结沟道中沟道层的下方。
[0020]本专利技术还提供上述任一项所述的具有强极化异质结沟道的耿氏二极管的制备方法，包括以下步骤：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有强极化异质结沟道的耿氏二极管，其特征在于，包括衬底、沉积于所述衬底上的缓冲层、至少一组沉积于所述缓冲层上的异质结沟道、阴极和阳极；每组所述异质结沟道包括沟道层和势垒层，所述势垒层沉积于所述沟道层表面；所述沟道层和所述势垒层之间形成二维电子气；所述沟道层为非故意掺杂的GaN层，所述势垒层为非故意掺杂的ε
‑
Ga2O3层；所述异质结沟道相对的两侧分别刻蚀有再生长区域，每个所述再生长区域的刻蚀深度深至所述缓冲层；所述阴极和所述阳极分别沉积于两个所述再生长区域。2.根据权利要求1所述的具有强极化异质结沟道的耿氏二极管，其特征在于，每个所述再生长区域均沉积有重掺杂的接触层；每个所述接触层的底部与所述缓冲层接触，每个所述接触层与每组所述异质结沟道的二维电子气接触；所述阴极和所述阳极分别沉积于两个所述接触层的顶部。3.根据权利要求2所述的具有强极化异质结沟道的耿氏二极管，其特征在于，所述接触层均为重掺杂n型GaN层。4.根据权利要求1所述的具有强极化异质结沟道的耿氏二极管，其特征在于，所述衬底包括SiC、GaN、金刚石、蓝宝石衬底中至少一种。5.根据权利要求1所述的具有强极化异质结沟道的耿氏二极管，其特征在于，所述缓冲层为非故意掺杂的GaN层。6.根据权利要求1所述的具有强极化异质结沟道的耿氏二极管，其特征在于，所述异质结沟道包括插入层或/和背势垒层；所述插入层位于每组所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴畅，王凯，耿茂华，吴佳燕，曾宇磊，
申请(专利权)人：湖北九峰山实验室，
类型：发明
国别省市：