具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體及其製作方法

2023-07-20 21:11:06 2

具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體及其製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，主要改善現有器件隧穿電流小、I-V特性可重複性差的問題。其包括主體和輔體兩部分，主體部分自下而上為：SiC襯底層、GaN外延層、n+GaN集電極歐姆接觸層、第一GaN隔離層、第一InAlN勢壘層、第一GaN主量子阱層、第二GaN主量子阱層、第二InAlN勢壘層、第二GaN隔離層和n+GaN發射極歐姆接觸層；輔體部分有環形電極、圓形電極和鈍化層。環形電極在n+GaN集電極歐姆接觸層上方，圓形電極在n+GaN發射極歐姆接觸層上方，鈍化層在環形和圓形電極上方。本發明能有效提高器件功率、降低功耗並改善可重複性，適用於太赫茲頻段工作。
【專利說明】具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體及其製作方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於微電子器件【技術領域】，涉及寬帶隙半導體GaN材料的共振隧穿二極體及製作方法，可用於高頻、大功率器件製作。

【背景技術】
[0002]近年來，以氮化鎵GaN、碳化矽SiC為代表的第三代寬禁帶半導體材料，是繼以半導體Si為代表的第一代半導體材料和以GaAs為代表的第二代半導體材料之後，在近十年迅速發展起來的新型半導體材料。由於具有大禁帶寬度、高導帶斷續、高熱導率、高臨界場強、高載流子飽和速率、高異質結界面二維電子氣濃度等優良特性，GaN基半導體材料和器件受到了人們廣泛的關注。
[0003]太赫茲技術作為一門新興的科學技術，由於其具有很多獨特的特性以及優勢，吸引了許多科研工作者去研究。太赫茲的頻率範圍為0.1THz到1THz，介於微波與紅外之間，因此要想獲得太赫茲的頻率，必須選擇合適的器件作為太赫茲波的產生源。共振隧穿二極體由於其器件特性成為實現太赫茲器件源的重要選擇。基於GaN基半導體材料製作而成的共振隧穿二極體，繼承了 GaN基化合物半導體材料異質結的優點，它具有高載流子濃度、高載流子遷移率、高工作頻率、大功率及耐高溫等特性，因此成為眾多研究者研究的熱點。
[0004]1991年，Wie等人提出在AlAs/GaAs/AlAs共振隧穿二極體的發射極增加一層InGaAs薄層能有效的提高隧穿電流密度，參見Designing resonant tunnelingstructures for increased peak current density, Appl.Phys.Lett, 58, 1077, 1991.但是隨著人們對太赫茲器件源研究的不斷突破，GaAs共振隧穿二極體的輸出功率已經不能滿足太赫茲器件源的輸出需求。GaN負阻器件同傳統的化合物半導體GaAs負阻器件相比具有更高的工作頻率和輸出功率，且GaN的負阻振蕩器基頻頻率可達750GHz，遠遠大於GaAs的140GHz，而更為重要的是，在THz工作頻率，GaN基器件的輸出功率比GaAs高一到兩個數量級，可以達到幾百毫瓦甚至幾瓦的功率。再者，AlAs/GaAs界面處的二維電子氣的來源是通過調製摻雜形成的，而GaN基異質結界面處的二維電子氣是由材料的極化效應所引起的。選取合適的二維電子氣能有效提高共振隧穿二極體的1-V特性和電流峰谷比。2011年,Razeghi等人報導對AlGaN/GaN/AlGaN共振隧穿二極體的研製,參見Room temperaturenegative differential resistance characteristics of polar Ill—nitride resonanttunneling d1des, Appl.Phys.Lett, 97, 092104, 2010.該方案米用 AlGaN/GaN/AlGaN 量子阱作為共振隧穿二極體的有源區，利用AlGaN/GaN界面的高導帶斷續來增加器件的電流峰谷比。但是由於AlGaN/GaN異質結界面處的高晶格失配、高界面粗糙度和強壓電極化，使得界面處的陷阱中心的激活能和缺陷密度過大，在多次掃描下器件的1-V特性嚴重衰減。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在於針對上述已有基於GaN材料共振隧穿二極體的不足，提出一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體及其製作方法，以提高器件的透射係數，降低功耗，改善GaN共振隧穿二極體1-V特性的可重複性。
[0006]本發明的技術方案是這樣實現的:
[0007]—、本發明基於一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，包括主體部分和輔體部分，主體部分自下而上包括:SiC襯底層、GaN外延層、n+GaN集電極歐姆接觸層、第一GaN隔離層、第一 InAlN勢壘層、第一 GaN主量子阱層、第二 GaN主量子阱層、第二 InAlN勢壘層、第二 GaN隔離層和n+GaN發射極歐姆接觸層；輔體部分包括環形電極、圓形電極和鈍化層，其特徵在於:
[0008]所述第一 GaN主量子阱層與第二 GaN主量子阱層之間設有第一 InGaN子量子阱層；該第一 InGaN子量子阱層，採用In組分為3%?7%的InGaN材料，厚度為0.8?1.2nm ；
[0009]所述第二 InAlN勢壘層與第二 GaN隔離層之間設有第二 InGaN子量子阱層；該第二 InGaN子量子阱層，採用In組分為3%?7%的InGaN材料，厚度為0.8?1.2nm ;
[0010]所述第一 InAlN勢壘層和第二 InAlN勢壘層，均採用In組分為16%?18%的InAlN材料，厚度為0.8?1.2nm。
[0011]二、本發明器件的製作方法，包括如下步驟:
[0012](I)在SiC基片上採用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，外延生長厚度為2?3 μ m 的 GaN 層；
[0013](2)在GaN層上利用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，生長厚度為80?120nm，摻雜濃度為I X 119?9 X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層；
[0014](3)在n+GaN集電極歐姆接觸層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF - MBE方法，生長厚度為2?3nm的第一 GaN隔離層；
[0015](4)在第一 GaN隔離層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為16%?18%的第一 InAlN勢壘層；
[0016](5)在第一 InAlN勢壘層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm的第一 GaN主量子阱層；
[0017](6)在第一 GaN主量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為3%?7%的第一 InGaN子量子阱層；
[0018](7)在第一 InGaN子量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm的第二 GaN主量子阱層；
[0019](8)在第二 GaN主量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為16%?18%的第二 InAlN勢壘層；
[0020](9)在第二 InAlN勢壘層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為3%?7%的第二 InGaN子量子阱層；
[0021](10)在第二 InGaN子量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF - MBE方法，生長厚度為2?3nm的第二 GaN隔離層；
[0022](11)在第二 GaN隔離層上利用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，生長厚度為80?120nm、摻雜濃度為I X 119?9 X 119CnT3的n+GaN發射極歐姆接觸層；
[0023](12)在n+GaN發射極歐姆接觸層上採用刻蝕技術，形成直徑為D的大圓形臺面，刻蝕深度至GaN外延層上表面，30 μ m<D<60 μ m ；
[0024](13)在上述大圓形檯面上繼續採用刻蝕技術，形成直徑為d的小圓形有源臺面，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，10 μ m〈d〈20 μ m ；
[0025](14)分別在n+GaN集電極歐姆接觸層和n+GaN發射極歐姆接觸層上澱積Ti/Al/Ni/Au多層金屬，形成環形電極和圓形電極，該環形電極與小圓形有源臺面不相接觸；
[0026](15)採用PECVD方法在n+GaN集電極歐姆接觸層上方和環形電極上方澱積厚度為200?400nm的SiN鈍化層，並在環形臺面進行刻蝕，露出集電極環形電極。
[0027]本發明與傳統的雙勢壘單勢阱共振隧穿二極體相比，有以下優點:
[0028]1.峰值電流大、功耗低
[0029]本發明由於在第二 InAlN勢壘層與第二 GaN隔離層之間設有第二 InGaN子量子阱層，使電子在該量子阱的能量分布降低，在兩個量子阱對準時隧穿進入GaN主量子阱的電子數量增加，同時透射係數增加，因此峰值電流增大；此外該結構使兩個量子阱中分立能級對準時所需的電壓相比傳統的低，因此閾值電壓降低，從而降低了器件的功耗。
[0030]2.隧穿電流增大
[0031 ] 本發明由於在第一 GaN主量子阱層與第二 GaN主量子阱層之間設有第一 InGaN子量子阱層，該層能降低GaN主量子阱區的分立能級的位置，使得共振時對齊的分立能級距離導帶低更近，增大了隧穿電流。
[0032]3.可重複性好
[0033]本發明合理選取了 InAlN勢壘材料的In組分，根據近年來對於三元氮化物InAlN的研究取得的進展，當In組份為17%?18%時，InAlN的晶格常數與GaN的晶格常數相當，因此採用InAlN作勢壘材料，能與GaN主量子阱形成良好的近晶格匹配的界面，從而降低陷阱中心的位錯密度和激活能，增加了器件1-V特性的可重複性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發明基於具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體的剖面結構圖；
[0035]圖2是圖1的俯視圖；
[0036]圖3是本發明製作基於具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體的工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0037]參照圖1和圖2，本發明是基於一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，包括主體和輔體兩部分，該主體部分自下而上包括=SiC襯底層l、GaN外延層2、n+GaN集電極歐姆接觸層3、第一 GaN隔離層4、第一 InAlN勢壘層5、第一 GaN主量子阱層6、第一 InGaN子量子阱層7、第二 GaN主量子阱層8、第二 InAlN勢壘層9、第二 InGaN子量子阱層10、第二 GaN隔離層11和n+GaN發射極歐姆接觸層12 ;輔體部分包括環形電極13、圓形電極14和鈍化層15。其中:
[0038]襯底I採用η型SiC或絕緣型SiC基片；GaN外延層2厚度為2?3 μ m ；n+GaN集電極歐姆接觸層3和發射極歐姆接觸層12的厚度均為80?120nm，摻雜濃度為IX 119?9 X 119CnT3 ;第一 GaN隔離層4和第二隔離層11的厚度均為2?3nm ;第一 InAlN勢壘層5和第二 InAlN勢壘層9厚度均為0.8?1.2nm，且In組分為16%?18%;第一 GaN主量子阱層6和第二 GaN主量子阱層8的厚度均為0.8?1.2nm ;第一 InGaN子量子阱層7的厚度為0.8?1.2nm, In組分為3%?7% ;第二 InGaN子量子阱層10的厚度為0.8?1.2nm，In組分為3 0Z0?7% ;環形電極13和圓形電極14採用Ti/Al/Ni/Au多層金屬，環形電極作為器件的集電極，位於n+GaN集電極歐姆接觸層的上方，圓形電極作為器件的發射極，位於n+GaN發射極歐姆接觸層的上方，鈍化層15位於環形電極和圓形電極上方，厚度為200?400nmo
[0039]參照圖3，本發明基於一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體的製作方法，給出如下三種實施例:
[0040]實施例1:製作厚度為0.8nm、In組分為3%的第一 InGaN子量子阱層和厚度為
0.8nm、In組分為3%的第二 InGaN子量子阱層的共振隧穿二極體。
[0041 ] 步驟I，選用SiC襯底基片。
[0042]選用直徑為2英寸4H_SiC絕緣型SiC襯底基片，並將其背面減薄至150 μ m厚度。
[0043]步驟2，在SiC襯底上外延GaN層。
[0044]採用三乙基鎵與高純氮氣分別作為鎵源與氮源，在溫度為450°C，壓力為40託的條件下，使用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，在SiC襯底基片外延生長厚度為2 μ m的GaN層。
[0045]步驟3,在GaN外延層上生長n+GaN集電極歐姆接觸層。
[0046]以三乙基鎵和高純氮氣分別作為鎵源和氮源，用矽烷氣體作為η型摻雜源，在溫度為1000°C，壓力為40託的條件下採用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，在GaN層上生長厚度為80nm，摻雜濃度為I X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層。
[0047]步驟4，在n+GaN集電極歐姆接觸層上生長第一 GaN隔離層。
[0048]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在n+GaN集電極歐姆接觸層上生長厚度為2nm的弟一 GaN隔尚層。
[0049]生長的工藝條件是:氮氣的流量為1.6mL/min,等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C。
[0050]步驟5，在第一 GaN隔離層上生長第一 InAlN勢壘層。
[0051]以高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 GaN隔離層上生長厚度為
0.8nm, In組分為16 %的第一 InAlN勢魚層。
[0052]生長的工藝條件是:氮氣流量為1.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C。
[0053]步驟6，在第一 InAlN勢壘層上生長第一 GaN主量子阱層。
[0054]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 InAlN勢壘層上生長厚度為0.8nm的第一GaN主量子阱層。
[0055]生長的工藝條件是:氮氣的流量為1.6mL/min,等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C。
[0056]步驟7，在第一 GaN主量子阱層上生長第一 InGaN子量子阱層。
[0057]以高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 GaN主量子阱層上生長厚度為0.8nm, In組分為3%的第一 InGaN子量子阱層。
[0058]生長的工藝條件是:氮氣的流量為1.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鎵爐和銦爐的溫度分別為850和585°C。
[0059]步驟8，在第一 InGaN子量子阱層上生長第二 GaN主量子阱層。
[0060]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 InGaN子量子阱層上生長厚度為0.8nm的第二 GaN主量子阱層。
[0061]生長的工藝條件是:氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C。
[0062]步驟9，在第二 GaN主量子阱層上生長第二 InAlN勢壘層。
[0063]以高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 GaN主量子阱層上生長厚度為0.8nm, In組分為16%的第二 InAlN勢壘層。
[0064]生長的工藝條件是:氮氣的流量為1.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C。
[0065]步驟10，在第二 InAlN勢壘層上生長第二 InGaN子量子阱層。
[0066]以高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 InAlN勢壘層上生長厚度為0.8nm, In組分為3%的第二 InGaN子量子阱層。
[0067]生長的工藝條件是:氮氣的流量為1.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，銦爐和鎵爐的溫度分別為585和850°C。
[0068]步驟11，在第二 InGaN子量子阱層上生長第二 GaN隔離層。
[0069]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 InGaN子量子阱層上生長厚度為2nm的第二 GaN隔離層。
[0070]生長的工藝條件是:氮氣的流量為1.6mL/min,等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C。
[0071]步驟12，在第二 GaN隔離層上生長n+GaN發射極歐姆接觸層。
[0072]以三乙基鎵和高純氮氣分別作為鎵源和氮源，矽烷氣體作為η型摻雜源，在溫度為1000°C，壓力為40託的條件下採用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，在第二 GaN隔離層上生長厚度為80nm，摻雜濃度為I X 119CnT3的n+GaN發射極歐姆接觸層。
[0073]步驟13,形成大圓形臺面。
[0074]在n+GaN發射極歐姆接觸層上光刻形成直徑為40 μ m的大圓形掩膜圖形，再用反應離子刻蝕RIE方法，使用BCl3An2刻蝕氣體源，刻蝕的深度至GaN外延層的上表面，形成大圓形臺面。
[0075]步驟14,形成小圓形臺面。
[0076]在形成的大圓柱檯面上光刻形成直徑為ΙΟμπι的同軸小圓形掩膜圖形,在GaN外延層上光刻形成內徑為40 μ m的同軸環形掩膜圖形，再用反應離子刻蝕RIE方法，使用BC13/C12刻蝕氣體源，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，形成小圓形臺面。
[0077]步驟15，形成環形電極和圓形電極。
[0078]在整個器件表面採用真空電子束蒸發設備依次蒸發Ti/Al/Ni/Au多層金屬，厚度分別為30nm/120nm/50nm/160nm,經過金屬剝離形成形成環形電極13和圓形電極14。
[0079]步驟16,形成GaN歐姆接觸。
[0080]對整個器件進行快速熱退火處理，退火條件為950°C，50秒鐘，氬氣氣氛，形成GaN歐姆接觸。
[0081]步驟17，露出環形電極和圓形電極。
[0082]採用PECVD工藝在器件正面澱積厚度為200nm的SiN鈍化層，鈍化後採用RIE刻蝕方法，利用CF4氣體刻蝕形成開孔，露出環形電極13和圓形電極14，完成器件的製作。
[0083]經上述工藝步驟，最終形成的基於具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體管芯剖面參照圖1所示。
[0084]實施例2:製作厚度為lnm、In組分為5%的第一 InGaN子量子阱層和厚度為lnm、In組分為5%的第二 InGaN子量子阱層的共振隧穿二極體。
[0085]步驟一，選用直徑為2英寸6H_SiC絕緣型SiC襯底基片，背面減薄至150 μ m襯底厚度。
[0086]步驟二，採用三乙基鎵與高純氮氣分別作為鎵源與氮源，使用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，在溫度為450°C，外壓力為40託的工藝條件下，外延生長厚度為2 μ m的
GaN 層。
[0087]步驟三，採用高純氮氣和三乙基鎵分別作為氮源和鎵源，矽烷氣體作為η型摻雜源，使用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，在溫度為100(TC，壓力為40託的工藝條件下，在GaN層上生長厚度為lOOnm，摻雜濃度為5 X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層。
[0088]步驟四，採用高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C的工藝條件下，在n+GaN集電極歐姆接觸層上生長厚度為2nm的第一 GaN隔離層。
[0089]步驟五，採用高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C的工藝條件下，在第一 GaN隔離層上生長厚度為lnm，In組分為17%的第一 InAlN
勢壘層。
[0090]步驟六，採用高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C的工藝條件下，在第一 InAlN勢壘層上生長厚度為Inm的第一 GaN主量子阱層。
[0091]步驟七，採用高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鎵爐和銦爐的溫度分別為850和585°C的工藝條件下，在第一 GaN主量子阱層上生長厚度為lnm，In組分為5%的第一InGaN子量子阱層。
[0092]步驟八，採用高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C的工藝條件下，在第一 InGaN子量子阱層上生長厚度為Inm的第二 GaN主量子阱層。
[0093]步驟九，採用高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C的工藝條件下，在第二 GaN主量子阱層上生長厚度為lnm，In組分為17%的第二InAlN勢壘層。
[0094]步驟十，採用高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮氣的流量為
1.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，銦爐和鎵爐的溫度分別為585和850°C的工藝條件下，在第二 InAlN勢壘層上生長厚度為lnm，In組分為5%的第二 InGaN子量子阱層。
[0095]步驟十一，採用高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C的工藝條件下，在第二 InGaN子量子阱層上生長厚度為2nm的第二 GaN隔離層。
[0096]步驟十二，採用三乙基鎵和高純氮氣分別作為鎵源和氮源，矽烷氣體作為η型摻雜源，使用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，在溫度為1000°C，壓力為40託的工藝條件下，在第二 GaN隔離層上生長厚度為lOOnm，摻雜濃度為5 X 119CnT3的n+GaN發射極歐姆接觸層。
[0097]步驟十三，在n+GaN發射極歐姆接觸層上光刻形成直徑為40 μ m的大圓形掩膜圖形，採用BC13/C12刻蝕氣體源，使用反應離子刻蝕RIE方法，刻蝕的深度至GaN外延層的上表面，形成大圓形臺面。
[0098]步驟十四，在形成的大圓柱檯面上光刻形成直徑為20μπι的同軸小圓形掩膜圖形，在GaN外延層上光刻形成內徑為50 μ m的同軸環形掩膜圖形，採用BC13/C12刻蝕氣體源，使用反應離子刻蝕RIE方法，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，形成小圓形臺面。
[0099]步驟十五，在整個器件表面採用真空電子束蒸發設備依次蒸發厚度分別為30nm/120nm/50nm/ 160nm的Ti/Al/Ni/Au多層金屬，使用金屬剝離的工藝方法,形成環形電極13和圓形電極14。
[0100]步驟十六，在氬氣氣氛，950°C，50秒的工藝條件下，對整個器件進行快速熱退火處理，形成GaN歐姆接觸。
[0101]步驟十七，採用PECVD工藝在器件正面澱積厚度為300nm的SiN鈍化層。
[0102]步驟十八，採用CF4氣體，使用RIE刻蝕方法，在鈍化層SiN上進行開孔，露出環形電極13和圓形電極14，完成器件的製作。
[0103]經上述工藝步驟，最終形成的基於具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體管芯剖面參照圖1所示。
[0104]實施例3:製作厚度為1.2nm、In組分為7%的第一 InGaN子量子阱層和厚度為
1.2nm、In組分為7%的第二 InGaN子量子阱層的共振隧穿二極體。
[0105]步驟A，選用直徑為2英寸6H_SiC導通型η型SiC襯底基片，摻雜濃度為
2.0X 1018cnT3，背面減薄至150 μ m襯底厚度。
[0106]步驟B，外延生長GaN層，n+GaN集電極歐姆接觸層和GaN隔離層:
[0107](BI)採用三乙基鎵與高純氮氣作為鎵源與氮源，使用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，以溫度為450°C，壓力為40託的工藝條件，在襯底基片上外延生長厚度為3 μ m的GaN層；
[0108](B2)採用與(BI)相同的氮源和鎵源，以矽烷氣體為η型摻雜源，採用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，以溫度為1000°C，壓力為40託的工藝條件，在GaN層上生長厚度為120nm，摻雜濃度為9 X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層。
[0109]步驟C，n+GaN集電極歐姆接觸層生長第一 GaN隔離層。
[0110]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在n+GaN集電極歐姆接觸層上生長厚度為3nm的第一 GaN隔離層。其生長條件為:
[0111]氮氣的流量為1.6mL/min ；
[0112]等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W ；
[0113]鎵爐的溫度為850°C。
[0114]步驟D，在第一 GaN隔離層上生長第一 InAlN勢壘層。
[0115]以高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 GaN隔離層上生長厚度為
1.2nm, In組分為18%的第一 InAlN勢壘層，其生長條件為:
[0116]氮氣的流量為1.6mL/min ；
[0117]等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W ；
[0118]鋁爐的溫度為900°C，銦爐的溫度為585°C。
[0119]步驟E，在第一 InAlN勢壘層上生長第一 GaN主量子阱層。
[0120]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 InAlN勢壘層上生長厚度為1.2nm的第一GaN主量子阱層，其生長條件為:
[0121]氮氣的流量為1.6mL/min ；
[0122]等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W ；
[0123]鎵爐的溫度為850°C。
[0124]步驟F，在第一 GaN主量子阱層上生長第一 InGaN子量子阱層。
[0125]以高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 GaN主量子阱層上生長厚度為1.2nm，In組分為7%的第一 InGaN子量子阱層，生長過程中氮氣的流量為1.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鎵爐和銦爐的溫度分別為850和585°C。
[0126]步驟G，在第一 InGaN子量子阱層上生長第二 GaN主量子阱層。
[0127]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 InGaN子量子阱層上生長厚度為1.2nm的第二 GaN主量子阱層，其生長條件為:
[0128]氮氣的流量為1.6mL/min ；
[0129]等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W ；
[0130]鎵爐的溫度為850°C。
[0131 ] 步驟H，在第二 GaN主量子阱層上生長第二 InAlN勢壘層。
[0132]以高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 GaN主量子阱層上生長厚度為1.2nm, In組分為18%的第二 InAlN勢壘層，生長過程中氮氣的流量為1.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C。
[0133]步驟I，在InAlN勢壘層上生長第二 InGaN子量子阱層。
[0134]以高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產生使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在InAlN勢壘層上生長厚度為
1.2nm, In組分為7%的第二 InGaN子量子阱層，其生長條件為:
[0135]氮氣的流量為1.6mL/min ；
[0136]等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W ；
[0137]銦爐的溫度為585°C，鎵爐的溫度為850°C。
[0138]步驟J，在第二 InGaN子量子阱層上生長第二 GaN隔離層。
[0139]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 InGaN子量子阱層上生長厚度為3nm的第二 GaN隔離層，其生長條件為:
[0140]氮氣的流量為1.6mL/min ；
[0141]等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W ；
[0142]鎵爐的溫度為850°C。
[0143]步驟K，在第二 GaN隔離層上生長n+GaN發射極歐姆接觸層。
[0144]採用三乙基鎵與高純氨氣作為鎵源與氮源，以矽烷氣體為η型摻雜源，在溫度為1000°C，壓力為40託下同樣採用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，在第二 GaN隔離層上生長厚度為120nm，摻雜濃度為9 X 119CnT3的n+GaN發射極歐姆接觸層。
[0145]步驟L，刻蝕大小圓臺面:
[0146](LI)在n+GaN發射極歐姆接觸層上光刻形成直徑為60 μ m的大圓形掩膜圖形，再用反應離子刻蝕RIE方法，使用BCl3An2刻蝕氣體源，刻蝕深度至GaN外延層上表面，形成大圓形臺面。
[0147](L2)在形成的大圓柱檯面上光刻形成直徑為20 μ m的同軸小圓形掩膜圖形，在GaN外延層上光刻形成內徑為60 μ m的同軸環形掩膜圖形，再用反應離子刻蝕RIE方法，使用BC13/C12刻蝕氣體源，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，形成小圓形臺面。
[0148]步驟M，在整個器件表面採用真空電子束蒸發設備依次蒸發Ti/Al/Ni/Au多層金屬，厚度分別為30nm/120nm/50nm/160nm,通過金屬剝離形成環形電極13和圓形電極14。
[0149]步驟N，，在950°C，氬氣氣氛下對整個器件快速退火退火50秒，形成GaN歐姆接觸。
[0150]步驟0，採用PECVD工藝在器件正面澱積厚度為400nm的SiN鈍化層，鈍化後採用RIE刻蝕方法，利用CF4氣體刻蝕形成開孔，露出環形電極13和圓形電極14，完成器件的製作。
[0151]經上述工藝步驟，最終形成的基於具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體管芯剖面參照圖1所示。
【權利要求】
1.一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，包括主體部分和輔體部分，主體部分自下而上包括:SiC襯底層(I)、GaN外延層(2)、n+GaN集電極歐姆接觸層(3)、第一 GaN隔離層(4)、第一 InAlN勢壘層(5)、第一 GaN主量子阱層(6)、第二 GaN主量子阱層(8)、第二 InAlN勢壘層(9)、第二 GaN隔離層(11)和n+GaN發射極歐姆接觸層(12);輔體部分包括環形電極(13)、圓形電極(14)和鈍化層(15)，其特徵在於: 所述第一 GaN主量子阱層(6)與第二 GaN主量子阱層(8)之間設有第一 InGaN子量子阱層(7);該第一 InGaN子量子阱層(7)，採用In組分為3 %?7 %的InGaN材料，厚度為0.8 ?1.2nm ； 所述第二 InAlN勢壘層(9)與第二 GaN隔離層(11)之間設有第二 InGaN子量子阱層(10);該第二 InGaN子量子阱層(10)，採用In組分為3%?7%的InGaN材料，厚度為0.8?1.2nm ； 所述第一 InAlN勢壘層(5)和第二 InAlN勢壘層(9)，均採用In組分為16 %?18 %的InAlN材料，厚度為0.8?1.2nm。
2.根據權利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，其特徵在於GaN外延層⑵厚度為2?3μπι。
3.根據權利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，其特徵在於n+GaN集電極歐姆接觸層(3)和發射極歐姆接觸層(12)的厚度為80?120nm，摻雜濃度為IXlO19 ?9X1019cm_3。
4.根據權利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，其特徵在於第一InAlN勢壘層(5)和第二 InAlN勢壘層(9)厚度為0.8?1.2nm。
5.根據權利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，其特徵在於第一GaN主量子阱層(6)和第二 GaN主量子阱層(8)厚度為0.8?1.2nm。
6.根據權利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，其特徵在於第一InGaN子量子阱層(J)厚度為0.8?1.2nm。
7.根據權利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，其特徵在於第二InGaN子量子阱層(10)厚度為0.8?1.2nm。
8.根據權利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體，其特徵在於襯底採用η型SiC或絕緣型SiC基片。
9.一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極體製作方法，按如下步驟進行: (1)在SiC基片上採用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，外延生長厚度為2?3μ m的GaN層； (2)在GaN層上利用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，生長厚度為80?120nm，摻雜濃度為I X 119?9 X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層； (3)在n+GaN集電極歐姆接觸層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為2?3nm的第一 GaN隔離層； (4)在第一GaN隔離層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為.0.8?L2nm、In組分為16%?18%的第一 InAlN勢壘層； (5)在第一InAlN勢壘層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm的第一 GaN主量子講層； (6)在第一GaN主量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為3%?7%的第一 InGaN子量子阱層； (7)在第一InGaN子量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm的第二 GaN主量子阱層； (8)在第二GaN主量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為16%?18%的第二 InAlN勢壘層； (9)在第二InAlN勢壘層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為3%?7%的第二 InGaN子量子阱層； (10)在第二InGaN子量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為2?3nm的第二 GaN隔離層； (11)在第二GaN隔離層上利用金屬有機物化學氣相澱積MOCVD方法，生長厚度為80?120nm、摻雜濃度為I X 119?9 X 119CnT3的n+GaN發射極歐姆接觸層； (12)在n+GaN發射極歐姆接觸層上採用刻蝕技術，形成直徑為D的大圓形臺面，刻蝕深度至GaN外延層上表面,30 μ m<D<60 μ m ； (13)在上述大圓形檯面上繼續採用刻蝕技術，形成直徑為d的小圓形有源臺面，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，10 μ m〈d〈20 μ m ； (14)分別在n+GaN集電極歐姆接觸層和n+GaN發射極歐姆接觸層上澱積Ti/Al/Ni/Au多層金屬，形成環形電極和圓形電極，該環形電極與小圓形有源臺面不相接觸； (15)採用PECVD方法在n+GaN集電極歐姆接觸層上方和環形電極上方澱積厚度為200?400nm的SiN鈍化層，並在環形臺面進行刻蝕，露出集電極環形電極。
【文檔編號】H01L33/32GK104465913SQ201410696211
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】楊林安, 陳浩然, 李月, 田言, 陳安, 郝躍 申請人:西安電子科技大學