[发明专利]ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其制作方法

说明书

本发明公开了一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其制作方法，主要解决现有氮化镓共振隧穿二极管峰值电流低、峰谷电流比小和微分负阻效应不对称的问题。其自下而上包括衬底、GaN外延层、n⁺GaN发射极欧姆接触层、GaN隔离层、第一势垒层、GaN量子阱层、第二势垒层、隔离层、集电极欧姆接触层和集电极电极；这两个势垒层均采用Sc组分在15％‑20％之间、厚度为1‑3nm且Sc组分、厚度相同的ScAlN；隔离层采用厚度为2‑4nm的InN；集电极欧姆接触层采用n⁺InN。本发明器件峰值电流高、峰谷电流比大、能实现正反向对称微分负阻效应，且工作频率和输出功率高，可用于高频太赫兹辐射源和高速数字电路。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管，可用于高频太赫兹辐射源和高速数字电路。

背景技术

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、高速无线通信和电路设计中具有广泛应用。随着材料生长技术和器件制备工艺的进步，已经研制出振荡频率高达1.92THz的InGaAs/AlAs共振隧穿二极管器件。

与GaAs材料相比，GaN材料具有宽禁带、高饱和电子速度、高热稳定性等优势，GaN共振隧穿二极管可在室温下实现高频高功率输出。AlN/GaN异质结界面大的导带断续有助于提高微分负阻效应，给器件结构设计带来更大的自由度。GaN共振隧穿二极管是结构简单的量子效应器件，借此可深入理解和发现氮化物结构中与垂直输运相关的物理机制。同时，GaN共振隧穿二极管的研究也是实现室温量子级联激光器的有效途径。

为进一步提高GaN共振隧穿二极管器件性能，尤其是微分负阻效应，获得高的峰值电流和峰谷电流比，材料结构设计与外延技术、器件芯片制造工艺、新材料应用和器件结构创新均成为主要的技术途径。目前报道的GaN共振隧穿二极管峰值电流低、峰谷电流比小、大尺寸器件微分负阻特性差，且器件性能不稳定，不能满足高频低功耗振荡源应用需求。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：

一是AlGaN/GaN/AlGaN双势垒量子阱存在大的晶格失配，器件有源区具有高密度位错，量子阱界面粗糙不平整，这些材料缺陷作为散射中心和漏电通道，最终降低器件峰值电流，增加谷值电流，使微分负阻效应退化；

二是AlGaN/GaN/AlGaN双势垒量子阱中存在强的压电极化和自发极化电场，该电场对量子阱能带结构进行调制，影响器件正向和反向偏置下的输运特性，产生不对称微分负阻效应；

三是GaN共振隧穿二极管集电区一侧存在较宽的耗尽区，降低了反向偏置下电子隧穿几率，削弱了反向偏置下的微分负阻特性；

四是集电极欧姆接触电阻高，器件串联电阻高，从而增加了共振隧穿微分负阻效应峰值电压和器件功耗；

五是器件有源区位错分布不均，导致器件性能不稳定、可靠性低，器件性能随尺寸增大而下降，且同一尺寸器件性能一致性差。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的缺点，提出一种ScAlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其制作方法，以有效增大峰值电流和峰谷电流比，提高器件可靠性和一致性，实现正向和反向偏置下对称特性微分负阻效应。

本发明的技术方案是这样实现的：