[发明专利]一种GaN基高压整流共振隧穿二极管

说明书

本发明涉及一种GaN基高压整流共振隧穿二极管。本发明包括面GaN基底、n⁺‑In_0.07Ga_0.93N集电区层、i‑In_0.07Ga_0.93N第一隔离层、AlGaN第一势垒层、i‑In_0.14Ga_0.86N量子阱层、GaN第二势垒层、i‑In_0.21Ga_0.89N第二隔离层、n⁺‑In_0.21Ga_0.89N发射区层、钝化层、集电区金属电极引脚与发射区金属电极引脚。该种GaN基高压共振隧穿二极管—HVRTD具有正向较高阻断电压和反向超低电阻率的伏安特性，且制造工艺与GaN基集成器件和路(包括电路、光路、磁路、气路、机械路及复合路)的微纳集成制造工艺兼容，非常适用于GaN基集成器件和路的ESD保护应用，可以在近似理想的840ns时间内承受±2000V ESD而确保GaN基集成器件和路不被损毁。

技术领域

本发明涉及化合物半导体量子器件技术领域，具体是一种GaN基高压整流共振隧穿二极管(HVRRTD)。

背景技术

对于常规GaN/AlGaN共振隧穿二极管(RTD)器件，由于GaN/AlGaN势垒层的自发极化效应和在外加电压作用下的压电极化效应显著，在GaN/AlGaN势垒层中将形成极化电场。由于受GaN/AlGaN材料内在结构及其表面外延生长动力学等因素制约，对于c面向外延生长，外延生长高质量GaN/AlGaN纳米薄膜，其初始极性面与终了极性面相同。如果GaN基底上表面为c面，即Ga表面极性，则AlGaN势垒层中的极化电场方向与器件外加电场方向相同，会增强RTD器件的共振隧穿效应，有利于比势垒层在无极化效应条件下、在较低偏置电压下获得较强的负微分电阻(NDR)伏安特性，即具有较高的峰值/谷值电流密度；而如果GaN基底上表面为面，即N表面极性，则AlGaN势垒层中的极化电场方向与器件外加电场方向相反，会抑制和破坏RTD器件的共振隧穿效应，很难在5V DC偏置电压以下获得明显的可实用负微分电阻(NDR)伏安特性。而且，由于极化效应的影响，GaN基对称多量子阱(MQW)结构RTD的RT特性关于I-V平面的坐标原点不对称。故此，常规GaN/AlGaN共振隧穿二极管(RTD)器件通常采用上表面为c面的GaN基底，在0-3V DC偏置电压范围可获得明显共振隧穿特性，可面向3VDC/脉冲电源多值逻辑电路或者模拟电路应用。

常规半导体器件或集成电路的片上ESD保护主要有四种常用方案：

(1)反串连(又称堆叠)硅普通二极管保护电路；

这种方案主要是利用反偏二极管在受到反向高压脉冲冲击时的稳压泄流特性和反向低压下的高阻特性、正想低压下的低阻钳位特性相结合，防止所保护的电路或者器件免于高压应力破坏。在没有高压静电放电冲击激励条件下，所保护的电路或者器件正常工作时，保护二极管处于低压阻断太，只有极低的泄漏电流，对其正常工作的影响微乎其微。当引脚信号翻转瞬间出现二极管正偏时，正偏的二极管会将对应引脚峰值电位钳位在略高于电源电位或者略低于地电位幅度，不影响所保护的电路或者器件正常工作。在出现高压静电放电冲击情况下，其中一个二极管稳压导通，将对应引脚峰值电位钳位在电源电位+稳定电压幅度或者地电位-稳定电压幅度。(如果引脚处的堆叠普通二极管与芯片中其他部分的某些PN结是同步制备的，且偏置方向相同，那么这些PN结也将会出现类似的状态。)故其主要缺点体现在两个方面，一方面因其稳定电压较高，稳定电流大导致放电过程功耗高，容易导致局部温升过高而烧毁芯片，不适用于阻断电压较高的器件和电路ESD保护应用；另一方面其只能实现部分保护，其所保护的电路或者器件内部某些区域仍然会受到高压静电放电冲击。

(2)可控硅器件(SCR/又称晶闸管)保护电路；