CN105514176A - 一种太赫兹GaN耿氏二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹GaN耿氏二极管及其制作方法，所述太赫兹GaN耿氏二极管包括由下往上依次设置的阴极、n型GaN衬底、n+GaN阴极欧姆接触层、InAlN三维结构电子发射层、n-GaN渡越层、n+GaN阳极欧姆接触层、阳极，还包括设置在n型GaN衬底上并包裹在n+GaN阴极欧姆接触层、InAlN三维结构电子发射层、n-GaN渡越层、n+GaN阳极欧姆接触层、阳极外部的SiN钝化层，SiN钝化层的上部设置有露出阳极的开孔。本发明提供的太赫兹GaN耿氏二极管采用了三维结构的InAlN电子发射层结构，在同等尺寸下显著提升了GaN耿式二极管输出功率密度。
Description
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种太赫兹GaN耿氏二极管及其制作方法。
背景技术
相比较传统半导体材料(Si和GaAs)，GaN在频率和输出功率方面拥有优异的性能，GaN基的耿氏二极管已经展现了其在太赫兹领域(100GHz～10THz)的广阔应用前景。相关理论研究已经预示了亚微米渡越层的GaN耿氏二极管至少可以产生200GHz的振荡频率，并且射频功率密度至少比其他传统Ⅲ-Ⅴ化合物耿氏二极管高2倍。
传统的n+/n/n+的耿氏器件结构中，电子必须经过较长一段距离才能获得足够的能量，这就限制了器件的工作频率。近年来国际上提出一个n+/n-/n/n+结构的二极管结构用以代替原先的n+/n/n+二极管结构，这种结构缩短了电子的加速距离，提高了器件的工作频率。其中靠近阴极发射区的n-电子发射层可以是一个同质的电子发射层或者是一个异质的电子发射层，这些结构可以更好地改善发射区的空间电荷扰动从而促进电子畴的形成以及壮大。
目前n-电子发射层研究主要集中在InAlN/GaN以及AlGaN/GaN异质结构上，其中用In组分为17％的InAlN三元化合物来代替传统的AlGaN，获得的InAlN/GaN异质结构晶格匹配，这样可以避免引入失配位错，从而提高晶体质量。并且InAlN/GaN异质结构的自发极化要比传统的AlGaN/GaN异质结构强很多，这样可以在界面处引入更高的二维电子气(2DEG)密度，因此InAlN/GaN异质结构可以改善器件性能。然而现有技术中的InAlN电子发射层结构都未能很好地解决输出功率密度低，转化效率低，器件功耗大这些问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可避免出现上述技术缺陷的太赫兹GaN耿氏二极管及其制作方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种太赫兹GaN耿氏二极管，包括由下往上依次设置的阴极4、n型GaN衬底7、n+GaN阴极欧姆接触层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9、n+GaN阳极欧姆接触层2、阳极3，还包括设置在n型GaN衬底7上并包裹在所述n+GaN阴极欧姆接触层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9、n+GaN阳极欧姆接触层2、阳极3外部的SiN钝化层5，所述SiN钝化层5的上部设置有露出所述阳极3的开孔6。
进一步地，所述n+GaN阴极欧姆接触层1的上端形成有圆形的凸台10，所述凸台10的高度为100～200nm，直径为30～40μm。
进一步地，所述n+GaN阴极欧姆接触层1的厚度为1～2μm，掺杂浓度为1～5×1018cm-3。
进一步地，所述InAlN三维结构电子发射层8采用In组份比为17％的InAlN材料制成，厚度为200～400nm。
进一步地，所述n-GaN渡越层9的厚度为0.5～1μm，掺杂浓度为0.5～1.5×1017cm-3。
进一步地，所述n+GaN阳极欧姆接触层2的厚度为200～500nm，掺杂浓度为1～5×1018cm-3。
一种太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，包括以下步骤：
步骤1)在n型GaN衬底7上采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，先外延生长出n+GaN阴极欧姆接触层1；
步骤2)在n+GaN阴极欧姆接触层1上光刻形成直径为30μm～40μm的圆形掩膜图形，在掩膜图形上进行反应离子刻蚀，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源进行刻蚀，从而在n+GaN阴极欧姆接触层1上形成圆形的凸台10；
步骤3)在n+GaN阴极欧姆接触层1上利用脉冲金属有机物化学气相淀积PMOCVD方法，生长出InAlN三维结构电子发射层8；
步骤4)在InAlN三维结构电子发射层8上利用MOCVD方法，依次外延生长出n-GaN渡越层9和n+GaN阳极欧姆接触层2；
步骤5)采用刻蚀技术对所述n+GaN阴极欧姆接触层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9和n+GaN阳极欧姆接触层2进行刻蚀，从而在所述n型GaN衬底7的上表面形成环形平面；
步骤6)在n+GaN阳极欧姆接触层2的上表面上淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属，采用金属剥离技术，在所述上表面上形成阳极3；
步骤7)在n型GaN衬底7的底面淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属，形成阴极4；
步骤8)进行快速热退火处理，使n+GaN阴极欧姆接触层1与n型GaN衬底7之间、n+GaN阳极欧姆接触层2与阳极3之间形成欧姆接触；
步骤9)采用PECVD在器件正面淀积SiN钝化层5，并在SiN钝化层5的上部开设出开孔6，露出阳极3。
进一步地，所述n+GaN阴极欧姆接触层1的掺杂浓度为1～5×1018cm-3、厚度为1～2μm；所述凸台10的高度为100～200nm；所述InAlN三维结构电子发射层8的厚度为200～400nm、In组份比为17％；所述n-GaN渡越层9的掺杂浓度为0.5～1.5×1017cm-3、厚度为0.5～1μm；所述n+GaN阳极欧姆接触层2的掺杂浓度为1～5×1018cm-3、厚度为200～500nm。
进一步地，所述环形平面的内圆直径为80μm，外圆直径为100μm；所述SiN钝化层5的厚度为200～400nm。
本发明提供的太赫兹GaN耿氏二极管，采用了三维结构的InAlN电子发射层结构，相对于传统二维结构增大了GaN阴极欧姆接触层和电子发射层有效接触面积，在同等尺寸下显著提升GaN耿式二极管输出功率密度，而且在同等性能下显著提高功率转换效率以及降低器件功耗；采用了In组份为17％的InAlN材料作为电子发射层，该材料与GaN晶格匹配，可以消除了三维结构的晶格失配现象，避免失配位错的产生；采用了纵向电极结构，和传统的GaAs耿式二极管封装工艺完全兼容，非常适合太赫兹组件在射频谐振腔内进行安装以及调试，可以很好地满足实际应用的需要。
附图说明
图1为本发明提供的太赫兹GaN耿氏二极管的剖面结构示意图；
图2为太赫兹GaN耿氏二极管的InAlN三维结构电子发射层和n+GaN阴极欧姆接触层相结合的结构示意图；
图3为本发明提供的太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法工艺流程示意图；
图中，1-n+GaN阴极欧姆接触层，2-n+GaN阳极欧姆接触层，3-阳极，4-阴极，5-SiN钝化层，6-开孔，7-n型GaN衬底，8-InAlN三维结构电子发射层，9-n-GaN渡越层，10-凸台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种太赫兹GaN耿氏二极管，包括由下往上依次设置的阴极4、n型GaN衬底7、n+GaN阴极欧姆接触层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9、n+GaN阳极欧姆接触层2、阳极3，还包括设置在n型GaN衬底7上并包裹在所述n+GaN阴极欧姆接触层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9、n+GaN阳极欧姆接触层2、阳极3外部的SiN钝化层5，所述SiN钝化层5的上部设置有露出所述阳极3的开孔6。
n型GaN衬底7作为生长GaN耿氏器件结构层的物理支撑层，不仅与上层的GaN多层结构完美匹配，从而显著提升结晶质量，而且也起到散热的作用，从而避免引入自热效应。
所述n+GaN阴极欧姆接触层1的上端采用刻蚀技术形成有圆形的凸台10，所述凸台10的高度为100～200nm，直径为30～40μm。
所述n+GaN阴极欧姆接触层1的厚度为1～2μm，掺杂浓度为1～5×1018cm-3。
所述InAlN三维结构电子发射层8采用In组份比为17％的InAlN材料制成，厚度为200～400nm。
所述n-GaN渡越层9的厚度为0.4～1μm，掺杂浓度为0.5～1.5×1017cm-3，该掺杂浓度和厚度决定了器件振荡频率。
所述n+GaN阳极欧姆接触层2的厚度为200～500nm，掺杂浓度为1～5×1018cm-3。n+GaN阳极欧姆接触层2的上面是由Ti/Al/Ni/Au多层金属构成的圆形电极，即二极管的阳极3。在n型GaN衬底7的底面上是由Ti/Al/Ni/Au多层金属构成的衬底电极，即二极管的阴极4。
如图2所示，n+GaN阴极欧姆接触层1上端的凸台10嵌入在InAlN三维结构电子发射层8中，有效接触面积包括二极管的横截面和凸台10的侧壁面积，而传统的二维结构GaN耿式二极管有效接触面积只有二极管的横截面，因此InAlN三维结构电子发射层8可以显著增大GaN耿式二极管的输出功率密度，而且能在同等性能下显著提升功率转换效率以及降低器件功耗。
如图3所示，一种太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，包括以下步骤：
步骤一，选用直径为2英寸n型GaN衬底7基片，衬底底面厚度减薄至150μm；
步骤二，采用MOCVD工艺，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n型GaN衬底7上外延生长一层掺杂浓度为2.0×1018cm-3、厚度为1μm的n+GaN阴极欧姆接触层1，生长条件为：温度为1000℃、压力为40托；
步骤三，在上述的n+GaN阴极欧姆接触层1上光刻形成直径为30～40μm的圆形掩膜图形；再采用反应离子RIE刻蚀方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀n+GaN阴极欧姆接触层1，刻蚀深度100～200nm，形成圆形的凸台10；
步骤四，在凸台10所在的n+GaN阴极欧姆接触层1上采用PMOCVD工艺外延生长一层厚度为200～400nm、In组份为17％的InAlN三维结构电子发射层，其生长条件是：温度为650℃，压力为200托，载气为氮气(N2)，以三甲基铝(TMAl)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)以及氨气(NH3)作为源气，其中氨气采用脉冲方式通入，以使III族原子(In和Al)在与N原子结合前有充分的时间在表面移动，通过改变三甲基铝和三甲基铟通入顺序使得的III族反应气流被分别注入到生长腔中，以避免Al原子和In原子对N原子的竞争，从而增强表面原子的迁移以及提高生长效率，改善材料的结晶质量；
步骤五，在InAlN三维结构电子发射层8上继续采用MOCVD工艺外延生长一层掺杂浓度为1×1017cm-3、厚度0.4μm的n-GaN渡越层9，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，其生长条件是：温度为1000℃，压力为40托；改变硅烷气体流量，继续生长掺杂浓度为2.0×1018cm-3、厚度为400nm的n+GaN阳极欧姆接触层2；
步骤六，在上述的GaN多层外延层(GaN多层外延层包括n+GaN阴极欧姆接触层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9和n+GaN阳极欧姆接触层2)上光刻形成直径为80～100μm的圆形掩膜图形；再采用反应离子RIE刻蚀方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀GaN多层外延层，刻蚀深度达到n型GaN衬底7的表面，在n型GaN衬底7的表面形成环形的隔离平面，环形的隔离平面的内圆直径为80μm，外圆直径为100μm；
步骤七，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，采用金属剥离技术，形成圆形的二极管阳极3；
步骤八，在整个n型GaN衬底7的底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/200nm，形成二极管阴极4；
步骤九，在950℃的温度下，通入氩气，对整个器件进行50秒钟的快速热退火处理，使n+GaN阴极欧姆接触层1与n型GaN衬底7之间、n+GaN阳极欧姆接触层2与阳极3之间形成欧姆接触；
步骤十，采用PECVD工艺在器件正面淀积厚度为200nm的SiN钝化层5，钝化后在SiN钝化层5的上表面采用RIE刻蚀方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔6，露出二极管阳极3，完成器件的制作。
本发明提供的太赫兹GaN耿氏二极管，采用了三维结构的InAlN电子发射层结构，相对于传统二维结构增大了GaN阴极欧姆接触层和电子发射层有效接触面积，在同等尺寸下显著提升GaN耿式二极管输出功率密度，而且在同等性能下显著提高功率转换效率以及降低器件功耗；采用了In组份为17％的InAlN材料作为电子发射层，该材料与GaN晶格匹配，可以消除了三维结构的晶格失配现象，避免失配位错的产生；采用了纵向电极结构，和传统的GaAs耿式二极管封装工艺完全兼容，非常适合太赫兹组件在射频谐振腔内进行安装以及调试，可以很好地满足实际应用的需要。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种太赫兹GaN耿氏二极管，其特征在于，包括由下往上依次设置的阴极4、n型GaN衬底7、n+GaN阴极欧姆接触层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9、n+GaN阳极欧姆接触层2、阳极3，还包括设置在n型GaN衬底7上并包裹在所述n+GaN阴极欧姆接触层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9、n+GaN阳极欧姆接触层2、阳极3外部的SiN钝化层5，所述SiN钝化层5的上部设置有露出所述阳极3的开孔6。
2.根据权利要求1所述的太赫兹二极管，其特征在于，所述n+GaN阴欧姆接层10的上端形成有圆形的凸台10，所述凸台1的高度为100～200nm，直径为30～40μm。
3.根据权利要求1所述的太赫耿氏二极管，其特征在于，所述n+GaN阴极欧层1的厚度为1～2μm，掺杂浓度为1～5×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的太赫兹管，其特征在于，所述InAlN三维结构发射层8采用In组份比为17％的InAlN材料制成，厚度为200～400nm。
5.根据权利要求1所述的太赫兹GaN耿氏二极管，其特征在于，所述n-GaN渡层9的厚度为0.5～1μm，掺杂浓度为0.5～1.5×1017cm-3。
6.根据权利要求1所述的太赫兹GaN耿氏二极管，其特征在于，所述n+GaN阳欧姆接层2的厚度为200～500nm，掺杂浓度为1～5×1018cm-3。
7.一种太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)在n型GaN衬底7上采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，先外延生长出n+GaN阴极欧姆接触层1。
步骤2)在n+GaN阴极欧姆接触层1上光刻形成直径为30μm～40μm的圆形掩膜图形，在掩膜图形上进行反应离子刻蚀，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源进行刻蚀，从而在n+GaN阴极欧姆接触层1上形成圆形的凸台10。
步骤3)在n+GaN阴极欧姆接触层1上利用脉冲金属有机物化学气相淀积PMOCVD方法，生长出InAlN三维结构电子发射层8。
步骤4)在InAlN三维结构电子发射层8上利用MOCVD方法，依次外延生长出n-GaN渡越层9和n+GaN阳极欧姆接触层2。
步骤5)采用刻蚀技术对所述n+GaN层1、InAlN三维结构电子发射层8、n-GaN渡越层9和n+GaN阳极欧姆接触层2进行刻蚀，从而在所述n型GaN衬底7的上表面形成环形平面。
步骤6)在n+GaN阳极欧姆接触层2的上表面上淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属，采用金属剥离技术，在所述上表面上形成阳极3。
步骤7)在n型GaN衬底7的底面淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属，形成阴极4。
步骤8)进行快速热退火处理，使n+GaN阴极欧姆接触层1与n型GaN衬底7之间、n+GaN阳极欧姆接触层2与阳极3之间形成欧姆接触。
步骤9)采用PECVD在器件正面淀积SiN钝化层5，并在SiN钝化层5的上部开设出开孔6，露出阳极3。
8.根据权利要求7所述的太赫兹管的制作方法，其特征在于，所述n+GaN阴极欧姆接触层1的掺杂浓度为1～5×1018cm-3、厚度为1～2μm；所述凸台10的高度为100～200nm；所述InAlN三维发射层8的厚度为200～400nm、In组份比为17％；所述n-GaN渡越层9的掺杂浓度为0.5～1.5×1017cm-3、厚度为0.5～1μm；所述n+GaN阳极欧姆接触层2的掺杂浓度为1～5×1018cm-3、厚度为200～500nm。
9.根据权利要求8所述的太赫兹GaN耿氏二极管的制作方法，其特征在于，所述环形平面的内圆直径为80μm，外圆直径为100μm；所述SiN钝层5的厚度为200～400nm。
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