CN104465913B - 具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，主要改善现有器件隧穿电流小、I‑V特性可重复性差的问题。其包括主体和辅体两部分，主体部分自下而上为：SiC衬底层、GaN外延层、n+GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一InAlN势垒层、第一GaN主量子阱层、第二GaN主量子阱层、第二InAlN势垒层、第二GaN隔离层和n+GaN发射极欧姆接触层；辅体部分有环形电极、圆形电极和钝化层。环形电极在n+GaN集电极欧姆接触层上方，圆形电极在n+GaN发射极欧姆接触层上方，钝化层在环形和圆形电极上方。本发明能有效提高器件功率、降低功耗并改善可重复性，适用于太赫兹频段工作。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，涉及宽带隙半导体GaN材料的共振隧穿二极管及制作方法，可用于高频、大功率器件制作。
背景技术
近年来，以氮化镓GaN、碳化硅SiC为代表的第三代宽禁带半导体材料，是继以半导体Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料之后，在近十年迅速发展起来的新型半导体材料。由于具有大禁带宽度、高导带断续、高热导率、高临界场强、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等优良特性，GaN基半导体材料和器件受到了人们广泛的关注。
太赫兹技术作为一门新兴的科学技术，由于其具有很多独特的特性以及优势，吸引了许多科研工作者去研究。太赫兹的频率范围为0.1THz到10THz，介于微波与红外之间，因此要想获得太赫兹的频率，必须选择合适的器件作为太赫兹波的产生源。共振隧穿二极管由于其器件特性成为实现太赫兹器件源的重要选择。基于GaN基半导体材料制作而成的共振隧穿二极管，继承了GaN基化合物半导体材料异质结的优点，它具有高载流子浓度、高载流子迁移率、高工作频率、大功率及耐高温等特性，因此成为众多研究者研究的热点。
1991年，Wie等人提出在AlAs/GaAs/AlAs共振隧穿二极管的发射极增加一层InGaAs薄层能有效的提高隧穿电流密度，参见Designing resonant tunnelingstructures for increased peak current density,Appl.Phys.Lett,58,1077,1991.但是随着人们对太赫兹器件源研究的不断突破，GaAs共振隧穿二极管的输出功率已经不能满足太赫兹器件源的输出需求。GaN负阻器件同传统的化合物半导体GaAs负阻器件相比具有更高的工作频率和输出功率，且GaN的负阻振荡器基频频率可达750GHz，远远大于GaAs的140GHz，而更为重要的是，在THz工作频率，GaN基器件的输出功率比GaAs高一到两个数量级，可以达到几百毫瓦甚至几瓦的功率。再者，AlAs/GaAs界面处的二维电子气的来源是通过调制掺杂形成的，而GaN基异质结界面处的二维电子气是由材料的极化效应所引起的。选取合适的二维电子气能有效提高共振隧穿二极管的I-V特性和电流峰谷比。2011年，Razeghi等人报道对AlGaN/GaN/AlGaN共振隧穿二极管的研制，参见Room temperaturenegative differential resistance characteristics of polar III-nitrideresonant tunneling diodes,Appl.Phys.Lett,97,092104,2010.该方案采用AlGaN/GaN/AlGaN量子阱作为共振隧穿二极管的有源区，利用AlGaN/GaN界面的高导带断续来增加器件的电流峰谷比。但是由于AlGaN/GaN异质结界面处的高晶格失配、高界面粗糙度和强压电极化，使得界面处的陷阱中心的激活能和缺陷密度过大，在多次扫描下器件的I-V特性严重衰减。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有基于GaN材料共振隧穿二极管的不足，提出一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管及其制作方法，以提高器件的透射系数，降低功耗，改善GaN共振隧穿二极管I-V特性的可重复性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一、本发明基于一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：SiC衬底层、GaN外延层、n+GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一InAlN势垒层、第一GaN主量子阱层、第二GaN主量子阱层、第二InAlN势垒层、第二GaN隔离层和n+GaN发射极欧姆接触层；辅体部分包括环形电极、圆形电极和钝化层，其特征在于：
所述第一GaN主量子阱层与第二GaN主量子阱层之间设有第一InGaN子量子阱层；该第一InGaN子量子阱层，采用In组分为3％～7％的InGaN材料，厚度为0.8～1.2nm；
所述第二InAlN势垒层与第二GaN隔离层之间设有第二InGaN子量子阱层；该第二InGaN子量子阱层，采用In组分为3％～7％的InGaN材料，厚度为0.8～1.2nm；
所述第一InAlN势垒层和第二InAlN势垒层，均采用In组分为16％～18％的InAlN材料，厚度为0.8～1.2nm。
二、本发明器件的制作方法，包括如下步骤：
(1)在SiC基片上采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，外延生长厚度为2～3μm的GaN层；
(2)在GaN层上利用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，生长厚度为80～120nm，掺杂浓度为1×1019～9×1019cm-3的n+GaN集电极欧姆接触层；
(3)在n+GaN集电极欧姆接触层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为2～3nm的第一GaN隔离层；
(4)在第一GaN隔离层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm、In组分为16％～18％的第一InAlN势垒层；
(5)在第一InAlN势垒层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm的第一GaN主量子阱层；
(6)在第一GaN主量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm、In组分为3％～7％的第一InGaN子量子阱层；
(7)在第一InGaN子量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm的第二GaN主量子阱层；
(8)在第二GaN主量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm、In组分为16％～18％的第二InAlN势垒层；
(9)在第二InAlN势垒层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm、In组分为3％～7％的第二InGaN子量子阱层；
(10)在第二InGaN子量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为2～3nm的第二GaN隔离层；
(11)在第二GaN隔离层上利用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，生长厚度为80～120nm、掺杂浓度为1×1019～9×1019cm-3的n+GaN发射极欧姆接触层；
(12)在n+GaN发射极欧姆接触层上采用刻蚀技术，形成直径为D的大圆形台面，刻蚀深度至GaN外延层上表面，30μm<D<60μm；
(13)在上述大圆形台面上继续采用刻蚀技术，形成直径为d的小圆形有源台面，刻蚀深度至n+GaN集电极欧姆接触层，10μm<d<20μm；
(14)分别在n+GaN集电极欧姆接触层和n+GaN发射极欧姆接触层上淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属，形成环形电极和圆形电极，该环形电极与小圆形有源台面不相接触；
(15)采用PECVD方法在n+GaN集电极欧姆接触层上方和环形电极上方淀积厚度为200～400nm的SiN钝化层，并在环形台面进行刻蚀，露出集电极环形电极。
本发明与传统的双势垒单势阱共振隧穿二极管相比，有以下优点：
1.峰值电流大、功耗低
本发明由于在第二InAlN势垒层与第二GaN隔离层之间设有第二InGaN子量子阱层，使电子在该量子阱的能量分布降低，在两个量子阱对准时隧穿进入GaN主量子阱的电子数量增加，同时透射系数增加，因此峰值电流增大；此外该结构使两个量子阱中分立能级对准时所需的电压相比传统的低，因此阈值电压降低，从而降低了器件的功耗。
2.隧穿电流增大
本发明由于在第一GaN主量子阱层与第二GaN主量子阱层之间设有第一InGaN子量子阱层，该层能降低GaN主量子阱区的分立能级的位置，使得共振时对齐的分立能级距离导带低更近，增大了隧穿电流。
3.可重复性好
本发明合理选取了InAlN势垒材料的In组分，根据近年来对于三元氮化物InAlN的研究取得的进展，当In组份为17％～18％时，InAlN的晶格常数与GaN的晶格常数相当，因此采用InAlN作势垒材料，能与GaN主量子阱形成良好的近晶格匹配的界面，从而降低陷阱中心的位错密度和激活能，增加了器件I-V特性的可重复性。
附图说明
图1是本发明基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管的剖面结构图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明制作基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管的工艺流程图。
具体实施方式
参照图1和图2，本发明是基于一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，包括主体和辅体两部分，该主体部分自下而上包括：SiC衬底层1、GaN外延层2、n+GaN集电极欧姆接触层3、第一GaN隔离层4、第一InAlN势垒层5、第一GaN主量子阱层6、第一InGaN子量子阱层7、第二GaN主量子阱层8、第二InAlN势垒层9、第二InGaN子量子阱层10、第二GaN隔离层11和n+GaN发射极欧姆接触层12；辅体部分包括环形电极13、圆形电极14和钝化层15。其中：
衬底1采用n型SiC或绝缘型SiC基片；GaN外延层2厚度为2～3μm；n+GaN集电极欧姆接触层3和发射极欧姆接触层12的厚度均为80～120nm，掺杂浓度为1×1019～9×1019cm-3；第一GaN隔离层4和第二隔离层11的厚度均为2～3nm；第一InAlN势垒层5和第二InAlN势垒层9厚度均为0.8～1.2nm，且In组分为16％～18％；第一GaN主量子阱层6和第二GaN主量子阱层8的厚度均为0.8～1.2nm；第一InGaN子量子阱层7的厚度为0.8～1.2nm，In组分为3％～7％；第二InGaN子量子阱层10的厚度为0.8～1.2nm，In组分为3％～7％；环形电极13和圆形电极14采用Ti/Al/Ni/Au多层金属，环形电极作为器件的集电极，位于n+GaN集电极欧姆接触层的上方，圆形电极作为器件的发射极，位于n+GaN发射极欧姆接触层的上方，钝化层15位于环形电极和圆形电极上方，厚度为200～400nm。
参照图3，本发明基于一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管的制作方法，给出如下三种实施例：
实施例1：制作厚度为0.8nm、In组分为3％的第一InGaN子量子阱层和厚度为0.8nm、In组分为3％的第二InGaN子量子阱层的共振隧穿二极管。
步骤1，选用SiC衬底基片。
选用直径为2英寸4H-SiC绝缘型SiC衬底基片，并将其背面减薄至150μm厚度。
步骤2，在SiC衬底上外延GaN层。
采用三乙基镓与高纯氮气分别作为镓源与氮源，在温度为450℃，压力为40托的条件下，使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在SiC衬底基片外延生长厚度为2μm的GaN层。
步骤3，在GaN外延层上生长n+GaN集电极欧姆接触层。
以三乙基镓和高纯氮气分别作为镓源和氮源，用硅烷气体作为n型掺杂源，在温度为1000℃，压力为40托的条件下采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在GaN层上生长厚度为80nm，掺杂浓度为1×1019cm-3的n+GaN集电极欧姆接触层。
步骤4，在n+GaN集电极欧姆接触层上生长第一GaN隔离层。
以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在n+GaN集电极欧姆接触层上生长厚度为2nm的第一GaN隔离层。
生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃。
步骤5，在第一GaN隔离层上生长第一InAlN势垒层。
以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一GaN隔离层上生长厚度为0.8nm，In组分为16％的第一InAlN势垒层。
生长的工艺条件是：氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃。
步骤6，在第一InAlN势垒层上生长第一GaN主量子阱层。
以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一InAlN势垒层上生长厚度为0.8nm的第一GaN主量子阱层。
生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃。
步骤7，在第一GaN主量子阱层上生长第一InGaN子量子阱层。
以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一GaN主量子阱层上生长厚度为0.8nm，In组分为3％的第一InGaN子量子阱层。
生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，镓炉和铟炉的温度分别为850和585℃。
步骤8，在第一InGaN子量子阱层上生长第二GaN主量子阱层。
以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一InGaN子量子阱层上生长厚度为0.8nm的第二GaN主量子阱层。
生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃。
步骤9，在第二GaN主量子阱层上生长第二InAlN势垒层。
以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二GaN主量子阱层上生长厚度为0.8nm，In组分为16％的第二InAlN势垒层。
生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃。
步骤10，在第二InAlN势垒层上生长第二InGaN子量子阱层。
以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二InAlN势垒层上生长厚度为0.8nm，In组分为3％的第二InGaN子量子阱层。
生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铟炉和镓炉的温度分别为585和850℃。
步骤11，在第二InGaN子量子阱层上生长第二GaN隔离层。
以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二InGaN子量子阱层上生长厚度为2nm的第二GaN隔离层。
生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃。
步骤12，在第二GaN隔离层上生长n+GaN发射极欧姆接触层。
以三乙基镓和高纯氮气分别作为镓源和氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，在温度为1000℃，压力为40托的条件下采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在第二GaN隔离层上生长厚度为80nm，掺杂浓度为1×1019cm-3的n+GaN发射极欧姆接触层。
步骤13，形成大圆形台面。
在n+GaN发射极欧姆接触层上光刻形成直径为40μm的大圆形掩膜图形，再用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀的深度至GaN外延层的上表面，形成大圆形台面。
步骤14，形成小圆形台面。
在形成的大圆柱台面上光刻形成直径为10μm的同轴小圆形掩膜图形，在GaN外延层上光刻形成内径为40μm的同轴环形掩膜图形，再用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至n+GaN集电极欧姆接触层，形成小圆形台面。
步骤15，形成环形电极和圆形电极。
在整个器件表面采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度分别为30nm/120nm/50nm/160nm，经过金属剥离形成形成环形电极13和圆形电极14。
步骤16，形成GaN欧姆接触。
对整个器件进行快速热退火处理，退火条件为950℃,50秒钟，氩气气氛，形成GaN欧姆接触。
步骤17，露出环形电极和圆形电极。
采用PECVD工艺在器件正面淀积厚度为200nm的SiN钝化层，钝化后采用RIE刻蚀方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔，露出环形电极13和圆形电极14，完成器件的制作。
经上述工艺步骤，最终形成的基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管管芯剖面参照图1所示。
实施例2：制作厚度为1nm、In组分为5％的第一InGaN子量子阱层和厚度为1nm、In组分为5％的第二InGaN子量子阱层的共振隧穿二极管。
步骤一，选用直径为2英寸6H-SiC绝缘型SiC衬底基片，背面减薄至150μm衬底厚度。
步骤二，采用三乙基镓与高纯氮气分别作为镓源与氮源，使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在温度为450℃，外压力为40托的工艺条件下，外延生长厚度为2μm的GaN层。
步骤三，采用高纯氮气和三乙基镓分别作为氮源和镓源，硅烷气体作为n型掺杂源，使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在温度为1000℃，压力为40托的工艺条件下，在GaN层上生长厚度为100nm，掺杂浓度为5×1019cm-3的n+GaN集电极欧姆接触层。
步骤四，采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃的工艺条件下，在n+GaN集电极欧姆接触层上生长厚度为2nm的第一GaN隔离层。
步骤五，采用高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃的工艺条件下，在第一GaN隔离层上生长厚度为1nm，In组分为17％的第一InAlN势垒层。
步骤六，采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃的工艺条件下，在第一InAlN势垒层上生长厚度为1nm的第一GaN主量子阱层。
步骤七，采用高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，镓炉和铟炉的温度分别为850和585℃的工艺条件下，在第一GaN主量子阱层上生长厚度为1nm，In组分为5％的第一InGaN子量子阱层。
步骤八，采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃的工艺条件下，在第一InGaN子量子阱层上生长厚度为1nm的第二GaN主量子阱层。
步骤九，采用高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃的工艺条件下，在第二GaN主量子阱层上生长厚度为1nm，In组分为17％的第二InAlN势垒层。
步骤十，采用高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铟炉和镓炉的温度分别为585和850℃的工艺条件下，在第二InAlN势垒层上生长厚度为1nm，In组分为5％的第二InGaN子量子阱层。
步骤十一，采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃的工艺条件下，在第二InGaN子量子阱层上生长厚度为2nm的第二GaN隔离层。
步骤十二，采用三乙基镓和高纯氮气分别作为镓源和氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在温度为1000℃，压力为40托的工艺条件下，在第二GaN隔离层上生长厚度为100nm，掺杂浓度为5×1019cm-3的n+GaN发射极欧姆接触层。
步骤十三，在n+GaN发射极欧姆接触层上光刻形成直径为40μm的大圆形掩膜图形，采用BCl3/Cl2刻蚀气体源，使用反应离子刻蚀RIE方法，刻蚀的深度至GaN外延层的上表面，形成大圆形台面。
步骤十四，在形成的大圆柱台面上光刻形成直径为20μm的同轴小圆形掩膜图形，在GaN外延层上光刻形成内径为50μm的同轴环形掩膜图形，采用BCl3/Cl2刻蚀气体源，使用反应离子刻蚀RIE方法，刻蚀深度至n+GaN集电极欧姆接触层，形成小圆形台面。
步骤十五，在整个器件表面采用真空电子束蒸发设备依次蒸发厚度分别为30nm/120nm/50nm/160nm的Ti/Al/Ni/Au多层金属，使用金属剥离的工艺方法，形成环形电极13和圆形电极14。
步骤十六，在氩气气氛，950℃,50秒的工艺条件下，对整个器件进行快速热退火处理，形成GaN欧姆接触。
步骤十七，采用PECVD工艺在器件正面淀积厚度为300nm的SiN钝化层。
步骤十八，采用CF4气体，使用RIE刻蚀方法，在钝化层SiN上进行开孔，露出环形电极13和圆形电极14，完成器件的制作。
经上述工艺步骤，最终形成的基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管管芯剖面参照图1所示。
实施例3：制作厚度为1.2nm、In组分为7％的第一InGaN子量子阱层和厚度为1.2nm、In组分为7％的第二InGaN子量子阱层的共振隧穿二极管。
步骤A，选用直径为2英寸6H-SiC导通型n型SiC衬底基片，掺杂浓度为2.0×1018cm-3，背面减薄至150μm衬底厚度。
步骤B，外延生长GaN层，n+GaN集电极欧姆接触层和GaN隔离层：
(B1)采用三乙基镓与高纯氮气作为镓源与氮源，使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，以温度为450℃，压力为40托的工艺条件，在衬底基片上外延生长厚度为3μm的GaN层；
(B2)采用与(B 1)相同的氮源和镓源，以硅烷气体为n型掺杂源，采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，以温度为1000℃，压力为40托的工艺条件，在GaN层上生长厚度为120nm，掺杂浓度为9×1019cm-3的n+GaN集电极欧姆接触层。
步骤C，n+GaN集电极欧姆接触层生长第一GaN隔离层。
以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在n+GaN集电极欧姆接触层上生长厚度为3nm的第一GaN隔离层。其生长条件为：
氮气的流量为1.6mL/min；
等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；
镓炉的温度为850℃。
步骤D，在第一GaN隔离层上生长第一InAlN势垒层。
以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一GaN隔离层上生长厚度为1.2nm，In组分为18％的第一InAlN势垒层，其生长条件为：
氮气的流量为1.6mL/min；
等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W；
铝炉的温度为900℃，铟炉的温度为585℃。
步骤E，在第一InAlN势垒层上生长第一GaN主量子阱层。
以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一InAlN势垒层上生长厚度为1.2nm的第一GaN主量子阱层，其生长条件为：
氮气的流量为1.6mL/min；
等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；
镓炉的温度为850℃。
步骤F，在第一GaN主量子阱层上生长第一InGaN子量子阱层。
以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一GaN主量子阱层上生长厚度为1.2nm，In组分为7％的第一InGaN子量子阱层，生长过程中氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，镓炉和铟炉的温度分别为850和585℃。
步骤G，在第一InGaN子量子阱层上生长第二GaN主量子阱层。
以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一InGaN子量子阱层上生长厚度为1.2nm的第二GaN主量子阱层，其生长条件为：
氮气的流量为1.6mL/min；
等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；
镓炉的温度为850℃。
步骤H，在第二GaN主量子阱层上生长第二InAlN势垒层。
以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二GaN主量子阱层上生长厚度为1.2nm，In组分为18％的第二InAlN势垒层，生长过程中氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃。
步骤I，在InAlN势垒层上生长第二InGaN子量子阱层。
以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产生使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在InAlN势垒层上生长厚度为1.2nm，In组分为7％的第二InGaN子量子阱层，其生长条件为：
氮气的流量为1.6mL/min；
等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W；
铟炉的温度为585℃，镓炉的温度为850℃。
步骤J，在第二InGaN子量子阱层上生长第二GaN隔离层。
以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二InGaN子量子阱层上生长厚度为3nm的第二GaN隔离层，其生长条件为：
氮气的流量为1.6mL/min；
等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；
镓炉的温度为850℃。
步骤K，在第二GaN隔离层上生长n+GaN发射极欧姆接触层。
采用三乙基镓与高纯氨气作为镓源与氮源，以硅烷气体为n型掺杂源，在温度为1000℃，压力为40托下同样采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在第二GaN隔离层上生长厚度为120nm，掺杂浓度为9×1019cm-3的n+GaN发射极欧姆接触层。
步骤L，刻蚀大小圆台面：
(L1)在n+GaN发射极欧姆接触层上光刻形成直径为60μm的大圆形掩膜图形，再用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至GaN外延层上表面，形成大圆形台面。
(L2)在形成的大圆柱台面上光刻形成直径为20μm的同轴小圆形掩膜图形，在GaN外延层上光刻形成内径为60μm的同轴环形掩膜图形，再用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至n+GaN集电极欧姆接触层，形成小圆形台面。
步骤M，在整个器件表面采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度分别为30nm/120nm/50nm/160nm，通过金属剥离形成环形电极13和圆形电极14。
步骤N，在950℃，氩气气氛下对整个器件快速退火退火50秒，形成GaN欧姆接触。
步骤O，采用PECVD工艺在器件正面淀积厚度为400nm的SiN钝化层，钝化后采用RIE刻蚀方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔，露出环形电极13和圆形电极14，完成器件的制作。
经上述工艺步骤，最终形成的基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管管芯剖面参照图1所示。
Claims (9)
1.一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：SiC衬底层(1)、GaN外延层(2)、n+GaN集电极欧姆接触层(3)、第一GaN隔离层(4)、第一InAlN势垒层(5)、第一GaN主量子阱层(6)、第二GaN主量子阱层(8)、第二InAlN势垒层(9)、第二GaN隔离层(11)和n+GaN发射极欧姆接触层(12)；辅体部分包括环形电极(13)、圆形电极(14)和钝化层(15)，其特征在于：
所述第一GaN主量子阱层(6)与第二GaN主量子阱层(8)之间设有第一InGaN子量子阱层(7)；该第一InGaN子量子阱层(7)，采用In组分为3％～7％的InGaN材料，厚度为0.8～1.2nm；
所述第二InAlN势垒层(9)与第二GaN隔离层(11)之间设有第二InGaN子量子阱层(10)；该第二InGaN子量子阱层(10)，采用In组分为3％～7％的InGaN材料，厚度为0.8～1.2nm；
所述第一InAlN势垒层(5)和第二InAlN势垒层(9)，均采用In组分为16％～18％的InAlN材料，厚度为0.8～1.2nm。
2.根据权利要求1所述的具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，其特征在于GaN外延层(2)厚度为2～3μm。
3.根据权利要求1所述的具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，其特征在于n+GaN集电极欧姆接触层(3)和发射极欧姆接触层(12)的厚度为80～120nm，掺杂浓度为1×1019～9×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，其特征在于第一InAlN势垒层(5)和第二InAlN势垒层(9)厚度为0.8～1.2nm。
5.根据权利要求1所述的具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，其特征在于第一GaN主量子阱层(6)和第二GaN主量子阱层(8)厚度为0.8～1.2nm。
6.根据权利要求1所述的具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，其特征在于第一InGaN子量子阱层(7)厚度为0.8～1.2nm。
7.根据权利要求1所述的具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，其特征在于第二InGaN子量子阱层(10)厚度为0.8～1.2nm。
8.根据权利要求1所述的具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，其特征在于衬底采用n型SiC或绝缘型SiC基片。
9.一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管制作方法，按如下步骤进行：
(1)在SiC基片上采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，外延生长厚度为2～3μm的GaN层；
(2)在GaN层上利用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，生长厚度为80～120nm，掺杂浓度为1×1019～9×1019cm-3的n+GaN集电极欧姆接触层；
(3)在n+GaN集电极欧姆接触层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为2～3nm的第一GaN隔离层；
(4)在第一GaN隔离层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm、In组分为16％～18％的第一InAlN势垒层；
(5)在第一InAlN势垒层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm的第一GaN主量子阱层；
(6)在第一GaN主量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm、In组分为3％～7％的第一InGaN子量子阱层；
(7)在第一InGaN子量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm的第二GaN主量子阱层；
(8)在第二GaN主量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm、In组分为16％～18％的第二InAlN势垒层；
(9)在第二InAlN势垒层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为0.8～1.2nm、In组分为3％～7％的第二InGaN子量子阱层；
(10)在第二InGaN子量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，生长厚度为2～3nm的第二GaN隔离层；
(11)在第二GaN隔离层上利用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，生长厚度为80～120nm、掺杂浓度为1×1019～9×1019cm-3的n+GaN发射极欧姆接触层；
(12)在n+GaN发射极欧姆接触层上采用刻蚀技术，形成直径为D的大圆形台面，刻蚀深度至GaN外延层上表面，30μm<D<60μm；
(13)在上述大圆形台面上继续采用刻蚀技术，形成直径为d的小圆形有源台面，刻蚀深度至n+GaN集电极欧姆接触层，10μm<d<20μm；
(14)分别在n+GaN集电极欧姆接触层和n+GaN发射极欧姆接触层上淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属，形成环形电极和圆形电极，该环形电极与小圆形有源台面不相接触；
(15)采用PECVD方法在n+GaN集电极欧姆接触层上方和环形电极上方淀积厚度为200～400nm的SiN钝化层，并在环形台面进行刻蚀，露出集电极环形电极。
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- 2014-11-26 CN CN201410696211.3A patent/CN104465913B/zh active Active
Patent Citations (4)
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