CN104966741A - 一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管及其工艺实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管及其工艺实现方法，装置部分包括阴极电极、渐变AlxGa1-xN极化掺杂层、有源区、阳极区和阳极电极；所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变AlxGa1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变AlxGa1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。本发明中的高电子浓度材料，易于形成电子隧穿，获得良好的欧姆接触，提高器件性能。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管及其工艺实现方法。
背景技术
太赫兹是介于可见光与微波之间的波段，是迄今人类尚未完全探测的一个空白领域，其物理性质独特，在通信、探测领域具有非常重要的应用前景，具有非常重要的科学研究意义，例如，它曾被日本政府认为是“改变未来的十大科学技术之首”。世界科技强国，纷纷投入人力、物力在这一领域探索科技“宝藏”。
作为太赫兹技术的第一个元素，太赫兹发射源，自然引起世界各国的重视。现阶段，太赫兹发射源主要有两类，一类是光学元件，人们试图将其振荡频率做低，延伸至太赫兹领域。另一类是电学器件，人们试图将其振荡频率做高，拓展到太赫兹领域。电学器件具有结构紧凑、体积小的特点，这在某些场合具有非常巨大的优势，因此电学的太赫兹源一直是人们研究的重点。在众多的电子学太赫兹源当中，耿氏二极管是研究的重要方向之一。特别是GaN基的耿氏二极管，更是由于其阈值电场高、击穿电压大、功率密度高、振荡频率高等特点，倍受青睐。
耿氏二极管也叫转移电荷器件（TED）,是利用耿氏振荡效应工作的。最早是在GaAs中发现的，Gunn发现，在GaAs体材料的两端施以超过某一阈值的电场时，将会产生高频振荡，发射出高频电磁波。振荡产生的频率与器件参数相关，但是最高极限受制于材料的物理性质。早期的耿氏二极管也都是GaAs基的，但是在频率性能方面，GaAs耿氏二极管的振荡频率可以达到200GHz，距离太赫兹频段尚有一段距离。而GaN 耿氏二极管的最高频率可以达到4THz。因此，GaN太赫兹振荡源成为研究的重点方向。
早期的GaN太赫兹二极管的结构为简单的三明治结构，两个厚度约为100 nm的n型重掺杂（掺杂浓度~1e19cm-3）的GaN层中间夹着一个几微米厚度的轻掺杂的GaN层（掺杂浓度~1e17cm-3量级）。两边的重掺杂区域分别充当发射区和集电区，中间的轻掺杂区域充当有源区。这种器件结构简单，但是，在有源区存在“死区”，即其中的一段长度是电子的加速区，电子经过这段距离加速才能达到“谷间散射”的速率阈值，从而开始产生耿氏振荡。为了避免“死区”，后来的研究者引入了“notch掺杂层”，即在发射区和有源区之间插入一层几十纳米厚度的低掺杂浓度层（掺杂浓度~1e16cm-3量级 ）。另一种方法是加入重掺杂的AlGaN“热电子发射层”，它同样位于发射极和有源区之间。仿真的结果表明，使用“热电子”发射层之后，电子发射的位置更靠近有源区的边缘。为进一步提高器件性能，研究者使用了渐变Al组分的热电子发射层，甚至是多层渐变Al组分的热电子发射层(比如Al组分为0.01,0.08和0.15)。如此设计可以减小GaN和AlGaN的界面晶格失配，提高器件性能。
尽管采用不同的措施，这些传统器件的仍存在如下弊端：（1）传统杂质掺杂方式的激活率低，而且载流子迁移率低。由于GaN是宽禁带半导体材料，所以杂质在GaN中的激活能很高，造成掺杂杂质的激活效率很低。而且，由于杂质中心的散射作用，载流子的迁移率低。（2）杂质掺杂使晶体的质量降低很多，影响器件性能。由于GaN材料体系的掺杂必须在材料生长的同时进行，对晶体的质量会有不可避免的影响，从而影响器件性能。（3）利用AlGaN热电子发射层的器件，AlGaN和GaN之间存在很大的晶格失配，产生大量的界面缺陷，影响器件性能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管及其工艺实现方法。
一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，包括阴极电极、渐变AlxGa1-xN极化掺杂层、有源区、阳极区和阳极电极；
所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变AlxGa1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变AlxGa1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。
一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管的工艺实现方法,该方法具体包括以下步骤：
步骤一：采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延AlGaN/GaN HEMT结构层；
步骤二：在AlGaN/GaN HEMT器件的正面形成阴极；
步骤三：将AlGaN/GaN HEMT器件键合到热沉上，将衬底部分朝上；
步骤四：施以外力克服单晶h-BN移除层的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；
步骤五：再将单晶h-BN移除层和LT-AlN缓冲层减薄去掉；
步骤六：在n+-GaN层的外侧形成阳极；
所述的AlGaN/GaN HEMT结构层的结构包括LT-AlN缓冲层,接着在长LT-AlN缓冲层上外延生长出单晶h-BN移除层；之后在单晶h-BN移除层上外延生长AlN buffer层，再在AlN buffer层外延生长出n+-GaN层，接着在n+-GaN层外延生长出n-GaN层，最后在n-GaN层外延生长出渐变AlxGa1-xN极化掺杂层；其中n-GaN层朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.5。
所述的单晶h-BN移除层厚度为1～10nm；所述的LT-AlN缓冲层厚度为100nm；所述的n+-GaN层厚度为1～3.5μm；所述的AlN buffer层厚度为1nm；所述的渐变组分AlGaN层厚度为10～50nm；所述的n-GaN层厚度为100～3000nm。
所述的渐变AlxGa1-xN极化掺杂层为多层。
作为优选，所述的渐变AlxGa1-xN极化掺杂层，其中有源区朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.3。
在器件结构中，N面渐变AlxGa1-xN层的Al组分是从0渐变到0.3的，为极化掺杂层。由于N面渐变AlxGa1-xN层的独特的物理性质，其内部局部的极化电荷的面浓度不均与，基于电中性原理，将会诱导出高浓度的电子，一般称为三维电子气（3DEG）。相当于对渐变AlxGa1-xN层进行了掺杂。
有益效果：由于此种掺杂方式不存在杂质电离中心，所以，电子的迁移率很高。另外，电子迁移率随环境温度的变化很小，因此，提高了器件的性能。更关键的，由于在宽禁带半导体中进行杂质掺杂，存在激活率过低的缺点。难以获得较高的掺杂浓度，而极化掺杂可以极大提高掺杂浓度。
在器件结构方面，渐变组分AlXGa1-XN层和GaN在界面处不存在任何晶格失配，减小了界面缺陷密度和合金无序散射。同时，渐变组分AlXGa1-XN，同时充当热电子发射层，用以解决“死区”问题。渐变组分AlyGa1-yN层，作为发射极。由于其可以获得的非常高的电子浓度，超过常规GaN可以掺杂的浓度很多，所以可以提高电子的发射数量。同时，高电子浓度材料，易于形成电子隧穿，获得良好的欧姆接触，提高器件性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延AlGaN/GaN HEMT结构层示意图；
图3为在AlGaN/GaN HEMT器件的正面形成阴极的示意图；
图4为将AlGaN/GaN HEMT器件键合到热沉上，并将衬底部分朝上的示意图；
图5为施以外力克服单晶h-BN移除层的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉的示意图；
图6为将单晶h-BN移除层减薄去掉后的结构示意图；
图7为LT-AlN缓冲层减薄去掉的结构示意图；
图8在n+-GaN层的外侧形成阳极的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，包括阴极电极①、渐变AlxGa1-xN极化掺杂层②、有源区③、阳极区④和阳极电极⑤；
所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变AlxGa1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变AlxGa1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。
如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管的工艺实现方法,该方法具体包括以下步骤：
步骤一：采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延AlGaN/GaN HEMT结构层；
步骤二：在AlGaN/GaN HEMT器件的正面形成阴极；
步骤三：将AlGaN/GaN HEMT器件键合到热沉上，将衬底部分朝上；
步骤四：施以外力克服单晶h-BN移除层的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；
步骤五：再将单晶h-BN移除层和LT-AlN缓冲层减薄去掉；
步骤六：在n+-GaN层的外侧形成阳极；
所述的AlGaN/GaN HEMT结构层的结构包括LT-AlN缓冲层,接着在长LT-AlN缓冲层上外延生长出单晶h-BN移除层；之后在单晶h-BN移除层上外延生长AlN buffer层，再在AlN buffer层外延生长出n+-GaN层，接着在n+-GaN层外延生长出n-GaN层，最后在n-GaN层外延生长出渐变AlxGa1-xN极化掺杂层；其中n-GaN层朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.3。
所述的单晶h-BN移除层厚度为3nm；所述的LT-AlN缓冲层厚度为100nm；所述的n+-GaN层厚度为1.9μm；所述的AlN buffer层厚度为1nm；所述的渐变组分AlGaN层厚度为20nm；所述的n-GaN层厚度为200nm。
Claims (5)
1.一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，其特征在于：包括阴极电极、渐变AlxGa1-xN极化掺杂层、有源区、阳极区和阳极电极；
所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变AlxGa1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变AlxGa1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。
2.根据权利要求1所述的一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管的工艺实现方法,其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延AlGaN/GaN HEMT结构层；
步骤二：在AlGaN/GaN HEMT器件的正面形成阴极；
步骤三：将AlGaN/GaN HEMT器件键合到热沉上，将衬底部分朝上；
步骤四：施以外力克服单晶h-BN移除层的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；
步骤五：再将单晶h-BN移除层和LT-AlN缓冲层减薄去掉；
步骤六：在n+-GaN层的外侧形成阳极；
所述的AlGaN/GaN HEMT结构层的结构包括LT-AlN缓冲层,接着在长LT-AlN缓冲层上外延生长出单晶h-BN移除层；之后在单晶h-BN移除层上外延生长AlN buffer层，再在AlN buffer层外延生长出n+-GaN层，接着在n+-GaN层外延生长出n-GaN层，最后在n-GaN层外延生长出渐变AlxGa1-xN极化掺杂层；其中n-GaN层朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.5。
3.根据权利要求2所述的一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管的工艺实现方法,其特征在于：所述的单晶h-BN移除层厚度为1～10nm；所述的LT-AlN缓冲层厚度为100nm；所述的n+-GaN层厚度为1～3.5μm；所述的AlN buffer层厚度为1nm；所述的渐变组分AlGaN层厚度为10～50nm；所述的n-GaN层厚度为100～3000nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，其特征在于：所述的渐变AlxGa1-xN极化掺杂层为多层。
5.根据权利要求1所述的一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，其特征在于：所述的渐变AlxGa1-xN极化掺杂层，其中有源区朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151007 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |