[發(fā)明專利]含InGaN子阱結(jié)構(gòu)的YAlN/GaN雙勢壘共振隧穿二極管及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110335756.1
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113097313B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 薛軍帥;劉芳;郝躍;張進成;姚佳佳;李藍星;孫志鵬;張赫朋;楊雪妍;吳冠霖
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01L29/88
• 分類號: H01L29/88;H01L29/06;H01L29/12;H01L29/20;H01L29/205;H01L29/36;H01L29/45;H01L21/329
• 代理公司: 西安嘉思特知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61230
• 代理人: 劉長春

本發(fā)明公開了一種含InGaN子阱結(jié)構(gòu)的YAlN/GaN雙勢壘共振隧穿二極管及其制作方法，主要解決現(xiàn)有GaN共振隧穿二極管峰值電流低、峰谷電流比小和性能一致性差的問題。其自下而上包括襯底、GaN外延層、n⁺GaN發(fā)射極歐姆接觸層、GaN隔離層、第一勢壘層、第二勢壘層、InN隔離層、n⁺InN集電極歐姆接觸層、集電極電極，其中兩勢壘層之間依次為第一GaN主量子阱層、In組分為3％?5％的InGaN子量子阱層、第二GaN主量子阱層；兩勢壘層的Y組分均為6％?15％的YAlN。本發(fā)明共振隧穿二極管峰值電流高、峰谷電流比大、峰值隧穿電壓低、具有對稱特性微分負阻效應(yīng)，可用于高頻太赫茲輻射源和高速數(shù)字電路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種含InGaN子阱結(jié)構(gòu)的YAlN/GaN雙勢壘共振隧穿二極管，可用于高頻太赫茲輻射源和高速數(shù)字電路。

背景技術(shù)

共振隧穿二極管是一種量子效應(yīng)器件，具有低的結(jié)電容、短的載流子輸運時間、單極輸運、微分負阻等特征，基于共振隧穿二極管制備的振蕩源具有高頻低功耗優(yōu)勢，在光譜成像、高速無線通信、安檢探測和電路設(shè)計中具有廣泛應(yīng)用。目前成熟的共振隧穿二極管主要基于GaAs和InP材料體系，GaAs基RTD太赫茲振蕩源在260GHz實現(xiàn)了1mW 的輸出功率。III族氮化物材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高電子飽和速度和高熱導(dǎo)率等獨一無二的優(yōu)勢，在高頻微波功率器件和高效電力電子器件領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用，基于 III族氮化物的RTD器件可獲得更好的量子限域性、更高的輸出功率、更高的工作頻率。

GaN材料具有更高的飽和電子漂移速度，電子在耗盡區(qū)的漂移時間更短，有利于提高器件工作頻率；更高的熱導(dǎo)率，意味著散熱更好，能夠適應(yīng)更高工作溫度；更大的擊穿場強，適合高壓工作要求，獲得高功率輸出；較小的介電常數(shù)，器件本征電容更小，有利于提高工作頻率；更大的有效電子質(zhì)量，可以獲得更大的峰值電流密度。同時，III 族氮化物材料禁帶寬度可調(diào)范圍更大，可實現(xiàn)對共振隧穿過程更好調(diào)制，GaN材料有望取代GaAs和InP材料制備RTD器件，實現(xiàn)室溫下更高輸出功率的太赫茲輻射源，尤其是太赫茲波段波長可調(diào)、全固態(tài)的室溫微波振蕩源。

為進一步提高GaN共振隧穿二極管的性能，尤其是改善微分負阻效應(yīng)，使其具有更高的峰值電流和峰谷電流比，以及器件穩(wěn)定性和性能一致性，需要從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和外延、器件制造工藝和器件物理等方面進行深入研究。目前報道的GaN共振隧穿二極管峰值電流低、峰谷電流比小、大尺寸器件微分負阻特性差、器件性能不穩(wěn)定，不能滿足高頻低功耗振蕩源的應(yīng)用需求。常規(guī)的GaN共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)如圖1所示，其自下而上包括襯底、GaN外延層、n⁺GaN發(fā)射極歐姆接觸層、第一GaN隔離層、第一AlGaN勢壘層、GaN量子阱層、第二AlGaN勢壘層、第二GaN隔離層、n⁺GaN集電極歐姆接觸層和集電極電極，在n⁺GaN發(fā)射極歐姆接觸層上設(shè)有環(huán)形發(fā)射極電極。該器件存在以下五方面的不足：

一、由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)存在大的晶格失配，器件有源區(qū)易產(chǎn)生高密度位錯，且量子阱界面粗糙不平整，位錯散射和界面粗糙度散射會增加器件谷值電流，使微分負阻效應(yīng)退化；

二、AlGaN/GaN/AlGaN雙勢壘量子阱中存在強的極化電場，該電場對量子阱能帶結(jié)構(gòu)進行調(diào)制，影響器件正向和反向偏置下的隧穿輸運，產(chǎn)生不對稱的輸出特性；

三、GaN共振隧穿二極管集電區(qū)一側(cè)存在較寬的耗盡區(qū)，降低了反向偏置下電子隧穿幾率和透射系數(shù)，削弱了反向偏置下的微分負阻效應(yīng)；

四、集電極歐姆接觸電阻高，增加了器件串聯(lián)電阻，導(dǎo)致器件峰值電壓和功耗增加；

五、器件有源區(qū)位錯分布不均，導(dǎo)致器件性能不穩(wěn)定、可靠性低且器件性能隨尺寸增大而下降，同一尺寸器件性能一致性差。

發(fā)明內(nèi)容