[发明专利]一种氮化物平面结构共振隧穿二极管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮化物平面结构共振隧穿二极管及其制备方法。本发明的共振隧穿二极管包括：衬底、发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层、集电极掺杂层、发射极电极、集电极电极以及钝化层；本发明采用自对准工艺，并且在光刻胶掩膜制备过程中进行过度曝光与过度显影，显著降低了结面积，减少了器件内漏电通道数目，提高了器件稳定性；发射极电极和集电极电极形成平面结构，避免了刻蚀损伤对电极接触的不利影响；全过程仅需两次光刻，有效降低了工艺难度，加快了研发进程。

技术领域

本发明涉及共振隧穿二极管技术，具体涉及一种氮化物平面结构共振隧穿二极管及其制备方法。

背景技术

太赫兹技术作为一门新兴的科学技术，在安全检测、物质识别、保密通讯、宇宙探测、高精度雷达、组织活检、瞬态光谱研究等方面具有重要的应用前景。共振隧穿二极管作为一种两端器件，能够利用共振隧穿现象产生负微分电阻从而用于制备太赫兹辐射源，得到了广泛的关注。目前比较成熟的RTD技术主要是基于GaAs材料，由于材料固有的性能限制，目前功率只达到微瓦量级。而基于GaN的共振隧穿二极管，具有III族氮化物半导体材料所特有的高电子速率、高击穿场强、大禁带宽度可调范围、耐辐射等优点，有望实现室温下太赫兹的高功率发射。然而，目前氮化物基共振隧穿二极管面临衬底质量差、缺陷密度高、漏电严重、极化场强等难题，器件稳定性差，峰谷电流比低，大大限制了实际应用。因此，优化氮化物共振隧穿二极管结构设计，改善外延生长质量，降低工艺过程的不利影响，对于研制稳定高效氮化物共振隧穿二极管具有重要的意义。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种采用自对准工艺制备的氮化物平面结构共振隧穿二极管，利用大台面截面积大、漏电通道多、电阻小的特点将其作为发射极电极，有效避免了刻蚀对电极接触的不利影响，同时，采用自对准工艺在简化工艺步骤的基础上进一步减小了结面积，有利于降低单个器件内部位错数目，提高器件的稳定性。

本发明的一个目的在于提出一种氮化物平面结构共振隧穿二极管。

本发明的氮化物平面结构共振隧穿二极管包括：衬底、发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层、集电极掺杂层、发射极电极、集电极电极以及钝化层；其中，在衬底上依次外延生长发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层和集电极掺杂层，从而形成外延晶片；形成掩膜版，掩膜板的图形包括同心的圆形和部分环形；通过掩膜板刻蚀外延晶片至发射极掺杂层的上半部分，从而在外延晶片上分别形成圆柱形台面和部分环形台面；在圆柱形台面和部分环形台面的侧面和上表面沉积钝化层；去除掩膜板，掩膜版上的钝化层自动剥离，分别暴露出圆柱形台面和部分环形台面的集电极掺杂层表面，暴露出的集电极掺杂层的表面分别为圆形或部分环形，从而形成自对准剥离开窗；在暴露出来的圆形的集电极掺杂层的表面形成集电极电极，以及在暴露出来的部分环形的集电极掺杂层的表面形成发射极电极，发射极电极和集电极电极形成平面结构。

双势垒结构包括发射极势垒、势阱层和集电极势垒；其中，势阱层的禁带宽度低于发射极势垒和集电极势垒的禁带宽度；发射极势垒和集电极势垒的厚度以及禁带宽度为对称或非对称。发射极势垒和集电极势垒为非掺杂的AlN或AlGaN合金，势阱层为非掺杂的GaN、In组分在0.01～0.2之间的InGaN或Al组分在0.01～0.3之间的AlGaN，各层厚度在0.5～6nm之间，为共振隧穿二极管的有源区。其中，发射极势垒或集电极势垒的厚度不应超过垒层材料的临界弛豫厚度，以避免新位错的产生。

发射极掺杂层和集电极掺杂层为硅或锗掺杂的GaN，掺杂浓度不低于5×10¹⁸cm^-3，厚度在100～300nm之间。发射极非掺隔离层和集电极非掺隔离层为本征GaN，或者In组分在0.01～0.2之间的InGaN或Al组分在0.01～0.3之间的AlGaN合金，厚度不超过20nm。

部分环形的张角在180°～270°之间。

钝化层为低温蒸镀的二氧化硅或氮化硅。