[发明专利]一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管及其制作方法

说明书

本发明公开了一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管及其制作方法，主要解决现有氮极性面氮化镓共振隧穿二极管材料生长极性控制难度大、位错密度高，器件自热效应及微分负阻效应稳定性和重复性退化问题。其自下而上包括金刚石衬底、SiN过渡层、GaN支撑层、n⁺GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一势垒层、GaN量子阱层、第二势垒层、第二GaN隔离层、n⁺GaN发射极欧姆接触层和发射极电极，第一GaN隔离层两侧设有环形集电极电极，第一GaN隔离层到发射极电极的外部包裹有钝化层。本发明器件材料质量高，器件可靠性和稳定性高，能改善器件自热效应并降低器件剥离转移工艺难度，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，特别涉及一种氮极性面氮化镓共振隧穿二极管，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等特征，是制备高频太赫兹辐射源和多值逻辑数字电路的理想器件。基于共振隧穿二极管制备的高频振荡器是实现太赫兹辐射的途径之一，在安全检测、医疗诊断、高速通信中具有潜在应用。由于氮化镓材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子速度和高热导率等优势，氮化镓基共振隧穿二极管可在室温下实现高频高功率输出。同时，氮化镓基共振隧穿二极管结构简单，是探究垂直结构氮化物器件相关物理输运机制的有效途径。常规的氮极性面氮化镓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集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一势垒层、GaN量子阱层、第二势垒层、第二GaN隔离层、n⁺GaN发射极欧姆接触层和发射极电极，在n⁺GaN集电极欧姆接触层上设有环形集电极电极。该器件存在以下5方面的缺点：

1.氮极性面氮化镓材料外延时极性控制难度大，易发生极性反转，出现镓极性面和氮极性面混合的晶相。

2.衬底热导率低，氮极性面氮化镓共振隧穿二极管有源区热量不能及时耗散，热积累效应导致器件出现微分负阻效应衰退，器件可靠性和稳定性恶化。

3.将氮极性面氮化镓共振隧穿二极管剥离转移到高热导率金刚石衬底上时，器件剥离转移工艺复杂，剥离界面粗糙度不平整，剥离器件完整度低，剥离转移后器件性能出现衰退等问题。

4.高热导率衬底金刚石与直接生长的氮极性面氮化镓材料之间存在大的晶格失配和晶相失配及其热失配等问题，在其上直接异质外延生长氮极性面氮化镓材料难以实现高的结晶质量。

5.器件有源区位错分布不均，导致器件漏电严重，器件谷值电流上升引起峰谷电流比和微分负阻效应恶化，同一尺寸器件性能一致性差。

目前，氮化镓基共振隧穿二极管主要基于镓极性面双势垒单量子阱结构材料制造，这是由于镓极性面器件的材料外延生长技术和器件制备工艺成熟，易于实现高的材料质量和高性能器件。同时，器件输运机制研究深入，为高性能器件结构设计提供了理论支持。然而，氮极性面氮化镓共振隧穿二极管有诸多优势。该结构器件中，发射极电极在外延材料顶部，可以增强对隧穿载流子密度的调控。同时，有利于通过顶部发射极电极将双势垒结构和其他功能材料进行单片集成。通过氮极性氮化镓共振隧穿二极管将III族氮化物半导体与其他功能材料进行无缝连接，对探索未知的器件物理提供了途径。