CN106057915A - 铟镓氮发射极欧姆接触层的rtd二极管及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管及制作方法。本发明的二极管包括：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，GaN主量子阱层，第二InAlN势垒层，InGaN隔离层，n+InGaN发射极欧姆接触层，圆形电极，位于n+GaN集电极欧姆接触层上方且不与第一GaN隔离层接触的环形电极，位于n+GaN集电极欧姆接触层上方的AlN钝化层。本发明的二极管的发射极欧姆接触层采用InGaN材料，增大峰值电流，提高输出功率；二极管的制作方法中，生长InGaN后没有高温工艺，没有In析出，减小器件漏电。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子器件技术领域中的一种铟镓氮InGaN发射极欧姆接触层的共振隧穿二极管RTD(Resonant Tunneling Diode)及制作方法。本发明可以作为高频、大功率器件，应用在微波和高速数字电路领域。
背景技术
宽带隙半导体GaN材料的共振隧穿二极管RTD是一种靠量子共振隧穿效应工作的新型纳米器件，具有双稳态、自锁特性和明显的负阻特性。共振隧穿二极管RTD本征电容很小，所以它具有很高的速度和工作频率。相较其他纳米器件，它的发展更快更成熟，已经进入应用阶段。随着器件设计和工艺的不断发展，共振隧穿二极管RTD构成的振荡器频率已达太赫兹范围，成为太赫兹器件源的重要选择。
近年来，以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料，因其较大的禁带宽度、高热导率、高电子饱和速率等特性，受到人们广泛关注。而基于GaN材料制成的共振隧穿二极管则继承了GaN材料的优点，具有高工作频率、大功率、耐高温等特性。
天津大学在其申请的专利文件“发射区In组分渐变集电区高In过渡层的RTD”(公开号CN 104733545 A，申请号201510084845.8，申请日2015.02.17)中公开了一种发射区In组分渐变集电区高In过渡层的共振隧穿二极管RTD。该方法是以AlAs/InGaAs/AlAs结构的共振隧穿二极管为基础，发射区In组分渐变，集电区的In组分很高。该方法存在的不足之处是，由于AlAs/InGaAs界面处的二维电子气浓度不高，迁移率也不高，工作频率和输出功率都无法满足太赫兹器件的输出要求。
西安电子科技大学在其专利申请文件“具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管及其制作方法”(公开号CN 104465913 A，申请号201410696211.3，申请日2014.11.26)中公开了一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管及其制作方法。该方法是以InAlN/GaN/InAlN结构的共振隧穿二极管为基础，在第一GaN主量子阱层和第二GaN主量子阱层之间插入第一InGaN子量子阱层，在第二InAlN势垒层和第二GaN隔离层之间插入第二InGaN子量子阱层。该方法存在的不足之处是，由于第二GaN隔离层和第二InGaN子量子阱层之间存在负极化电荷，会发生电子的耗尽，从而减小峰值电流，降低输出功率；在InGaN上生长GaN需要高温工艺，可能发生In析出，漏电大。
发明内容
本发明的目的在于针对铟镓氮InGaN发射极欧姆接触层的共振隧穿二极管RTD，采用GaN材料的共振隧穿二极管RTD的峰值电流小、输出功率低的缺点，提出一种InGaN发射极欧姆接触层的共振隧穿二极管RTD，增大峰值电流，提高器件功率。
为了实现上述目的，本发明的具体思路是：发射极欧姆接触层使用InGaN材料，则不存在GaN/InGaN界面，负极化电荷也不存在，增大峰值电流，提高输出功率。且InGaN发射极欧姆接触层位于半导体材料的顶层，生长InGaN材料后没有高温工艺过程，不存在In析出，减小了漏电。
本发明的铟镓氮InGaN发射极欧姆接触层的共振隧穿二极管RTD，包括：位于衬底上方的GaN外延层，位于GaN外延层上方位置的n十GaN集电极欧姆接触层，位于n十GaN集电极欧姆接触层上方中央位置的第一GaN隔离层，第一InAlN势垒层、GaN主量子阱层、第二InAlN势垒层、InGaN隔离层、圆形电极依次从下至上竖直分布在第一GaN隔离层上方，位于n十GaN集电极欧姆接触层上方且不与第一GaN隔离层接触的环形电极，位于n十GaN集电极欧姆接触层上方的钝化层。n十InGaN发射极欧姆接触层位于InGaN隔离层和圆形电极之间，发射极欧姆接触层的材料是InGaN。
本发明的RTD二极管制作方法，包括如下步骤：
(1)在GaN自支撑衬底上外延GaN层：
采用分子束外延MBE方法，在衬底(1)上生长GaN外延层(2)；
(2)生长n十GaN集电极欧姆接触层：
采用分子束外延MBE方法，在GaN外延层(2)上生长n十GaN集电极欧姆接触层(3)；n十GaN集电极欧姆接触层(3)的厚度为80～120nm，掺杂浓度为1x1019～1x1020cm-3；
(3)生长第一GaN隔离层：
采用分子束外延MBE方法，在n十GaN集电极欧姆接触层(3)上生长第一GaN隔离层(4)；第一GaN隔离层(4)的厚度为2～6nm；
(4)生长InAIN/GaN/InAlN双势垒结构：
(4a)采用分子束外延MBE方法，在第一GaN隔离层(4)上生长第一InAIN势垒层(5)；第一InAIN势垒层(5)的厚度为0.8～1.2nm，In的组分为16％～18％；
(4b)采用分子束外延MBE方法，在第一InAIN势垒层(5)上生长GaN主量子阱层(6)；GaN主量子阱层(6)的厚度为0.8～1.2nm；
(4c)采用分子束外延MBE方法，在GaN主量子阱层(6)上生长第二InAIN势垒层(7)；第二InAIN势垒层(7)的厚度为0.8～1.2nm，In的组分为16％～18％；
(5)生长InGaN隔离层：
采用分子束外延MBE方法，在第二InAIN势垒层(7)上生长InGaN隔离层(8)，InGaN隔离层(8)的厚度为2～6nm，In的组分为3％～7％；
(6)生长n十InGaN发射极欧姆接触层：
采用分子束外延MBE方法，在InGaN隔离层(8)上生长n十InGaN发射极欧姆接触层(9)，n十InGaN发射极欧姆接触层(9)的厚度为80～120nm，In的组分为3％～7％，掺杂浓度为1x1019～1x1020cm-3；
(7)形成小圆形台面：
在n十InGaN发射极欧姆接触层(9)上光刻形成直径为5～10μm的小圆形掩膜图形，采用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至n十GaN集电极欧姆接触层(3)，形成小圆形台面；
(8)淀积AlN钝化层：
采用等离子体增强原子层电极PEALD方法在器件正面淀积厚度为200～400nm的AlN钝化层(12)，并采用反应离子刻蚀RIE方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔；
(9)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，经过金属剥离形成环形电极(10)和圆形电极(11)；对整个器件进行快速热退火处理，退火条件为700℃，30秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
第一，由于本发明中铟镓氮InGaN发射极欧姆接触层的共振隧穿二极管RTD的发射极欧姆接触层采用InGaN材料，不存在GaN/InGaN界面的负极化电荷，克服了现有技术中峰值电流小，输出功率小的缺点，因而使得本发明具有更高的峰值电流，更大的输出功率的优点。
第二，由于本发明的共振隧穿二极管RTD的制作方法中，InGaN发射极欧姆接触层位于半导体材料的顶层，因此生长InGaN材料后没有高温工艺过程，克服了现有技术中会发生In析出的缺点，因而使得本发明具有更小漏电的优点。
附图说明
图1是本发明二极管的剖面结构图；
图2是本发明二极管的俯视图；
图3是本发明制作方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参照图1和图2，本发明是一种铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管，包括：位于衬底1上方的GaN外延层2，位于GaN外延层2上方位置的n十GaN集电极欧姆接触层3，位于n十GaN集电极欧姆接触层3上方中央位置的第一GaN隔离层4，第一InAlN势垒层5、GaN主量子阱层6、第二InAlN势垒层7、InGaN隔离层8、圆形电极11依次从下至上竖直分布在第一GaN隔离层4上方，位于n十GaN集电极欧姆接触层3上方且不与第一GaN隔离层4接触的环形电极10，位于n十GaN集电极欧姆接触层3上方的钝化层12；其特征在于：n十InGaN发射极欧姆接触层9位于InGaN隔离层8和圆形电极11之间，发射极欧姆接触层的材料是InGaN。
参照图3，本发明中铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管制作方法的具体步骤如下。
步骤1：在GaN自支撑衬底上外延GaN层。
采用分子束外延MBE方法，在衬底1上生长GaN外延层2。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将衬底1放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤2：生长n十GaN集电极欧姆接触层。
采用分子束外延MBE方法，在GaN外延层2上生长n十GaN集电极欧姆接触层3；n十GaN集电极欧姆接触层3的厚度为80～120nm，掺杂浓度为1x1019～1x1020cm-3。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓和硅分别作为氮源、镓源和硅源。
将以GaN外延层2为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度分别为850℃。
氮源、镓源和硅源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤3：生长第一GaN隔离层。
采用分子束外延MBE方法，在n十GaN集电极欧姆接触层3上生长第一GaN隔离层4；第一GaN隔离层4的厚度为2～6nm。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将以n十GaN集电极欧姆接触层3为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤4：生长InAIN/GaN/InAlN双势垒结构。
采用分子束外延MBE方法，在第一GaN隔离层4上生长第一InAIN势垒层5；第一InAIN势垒层5的厚度为0.8～1.2nm，In的组分为16％～18％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源。
将以第一GaN隔离层4为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃。
氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W。
由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
采用分子束外延MBE方法，在第一InAIN势垒层5上生长GaN主量子阱层6；GaN主量子阱层6的厚度为0.8～1.2nm。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将以第一InAIN势垒层5为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
采用分子束外延MBE方法，在GaN主量子阱层6上生长第二InAIN势垒层7；第二InAIN势垒层7的厚度为0.8～1.2nm，In的组分为16％～18％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源。
将以GaN主量子阱层6为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃。
氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W。
由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
步骤5：生长InGaN隔离层。
采用分子束外延MBE方法，在第二InAIN势垒层7上生长InGaN隔离层8，InGaN隔离层8的厚度为2～6nm，In的组分为3％～7％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源。
将以第二InAIN势垒层7为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃。
氮源、镓源和铟源从喷射炉中喷出，在0.030～0.075范围内控制铟源、镓源的流量比，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。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
步骤6：生长n十InGaN发射极欧姆接触层。
采用分子束外延MBE方法，在InGaN隔离层8上生长n十InGaN发射极欧姆接触层9，n十InGaN发射极欧姆接触层9的厚度为80～120nm，In的组分为3％～7％，掺杂浓度为1x1019～1x1020cm-3。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓、铟和硅分别作为氮源、镓源、铟源和硅源。
将以InGaN隔离层8为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃。
氮源、镓源、铟源和硅源从喷射炉中喷出，在0.030～0.075范围内控制铟源、镓源的流量比，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。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
步骤7：形成小圆形台面。
在n十InGaN发射极欧姆接触层9上光刻形成直径为5～10μm的小圆形掩膜图形，采用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至n十GaN集电极欧姆接触层3，形成小圆形台面。
步骤8：淀积AlN钝化层。
采用等离子体增强原子层电极PEALD方法在器件正面淀积厚度为200～400nm的AlN钝化层12，并采用反应离子刻蚀RIE方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔。
等离子体增强原子层电极PEALD方法的具体步骤如下。
准备源，以三甲基铝为铝源，NH3等离子体为氮源。
将刻蚀完小圆台面的衬底温度升至350℃，反应室压力为1托。
采用脉冲分时输运方式，将源通入反应室，在12.1s的循环时间内，前0.1s通入三甲基铝，载气为N2，之后8s通入NH3等离子体，载气为Ar，最后4s通入N2来清洁反应室。
三甲基铝和NH3等离子体在刻蚀完小圆台面的衬底上反应生成AlN层。
步骤9：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，经过金属剥离形成环形电极10和圆形电极11；对整个器件进行快速热退火处理，退火条件为700℃，30秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触。
下面通过改变GaN外延层的厚度、n十GaN集电极欧姆接触层的厚度和掺杂浓度、GaN隔离层的厚度、InAIN势垒层的厚度、GaN主量子阱层的厚度、InGaN隔离层厚度和组分、n十InGaN发射极欧姆接触层的厚度和掺杂浓度、小圆台面的半径、AlN钝化层厚度获得不同性能的二极管的三种实施例，对本发明的制作方法做进一步的描述。
实施例1：制作厚度为80nm，In组分为3％，掺杂浓度为1x1019的n十InGaN发射极欧姆接触层。
步骤1：在GaN自支撑衬底上外延GaN层。
采用分子束外延MBE方法，在衬底1上生长GaN外延层2。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将衬底1放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤2：生长n十GaN集电极欧姆接触层。
采用分子束外延MBE方法，在GaN外延层2上生长n十GaN集电极欧姆接触层3；n十GaN集电极欧姆接触层3的厚度为80nm，掺杂浓度为1x1019cm-3。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓和硅分别作为氮源、镓源和硅源。
将以GaN外延层2为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度分别为850℃。
氮源、镓源和硅源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤3：生长第一GaN隔离层。
采用分子束外延MBE方法，在n十GaN集电极欧姆接触层3上生长第一GaN隔离层4，第一GaN隔离层4的厚度为2nm。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将以n十GaN集电极欧姆接触层3为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤4：生长InAIN/GaN/InAlN双势垒结构。
采用分子束外延MBE方法，在第一GaN隔离层4上生长第一InAIN势垒层5；第一InAIN势垒层5的厚度为0.8nm，In的组分为16％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源。
将以第一GaN隔离层4为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃。
氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W。
由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
采用分子束外延MBE方法，在第一InAIN势垒层5上生长GaN主量子阱层6；GaN主量子阱层6的厚度为0.8nm。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将以第一InAIN势垒层5为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
采用分子束外延MBE方法，在GaN主量子阱层6上生长第二InAIN势垒层7；第二InAIN势垒层7的厚度为0.8nm，In的组分为16％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源。
将以GaN主量子阱层6为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃。
氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W。
由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
步骤5：生长InGaN隔离层。
采用分子束外延MBE方法，在第二InAIN势垒层7上生长InGaN隔离层8，InGaN隔离层8的厚度为2nm，In的组分为3％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源。
将以第二InAIN势垒层7为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃。
氮源、镓源和铟源从喷射炉中喷出，控制铟源、镓源的流量比为0.030，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。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
步骤6：生长n十InGaN发射极欧姆接触层。
采用分子束外延MBE方法，在InGaN隔离层8上生长n十InGaN发射极欧姆接触层9，n十InGaN发射极欧姆接触层9的厚度为80nm，In的组分是3％，掺杂浓度为1x1019cm-3。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓、铟和硅分别作为氮源、镓源、铟源和硅源。
将以InGaN隔离层8为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃。
氮源、镓源、铟源和硅源从喷射炉中喷出，控制铟源、镓源的流量比为0.030，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。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
步骤7：形成小圆形台面。
在n十InGaN发射极欧姆接触层9上光刻形成直径为5μm的小圆形掩膜图形，采用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至n十GaN集电极欧姆接触层3，形成小圆形台面。
步骤8：淀积AlN钝化层。
采用等离子体增强原子层电极PEALD方法在器件正面淀积厚度为200nm的AlN钝化层12，并采用反应离子刻蚀RIE方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔。
等离子体增强原子层电极PEALD方法的具体步骤如下。
准备源，以三甲基铝为铝源，NH3等离子体为氮源。
将刻蚀完小圆台面的衬底温度升至350℃，反应室压力为1托。
采用脉冲分时输运方式，将源通入反应室，在12.1s的循环时间内，前0.1s通入三甲基铝，载气为N2，之后8s通入NH3等离子体，载气为Ar，最后4s通入N2来清洁反应室。
三甲基铝和NH3等离子体在刻蚀完小圆台面的衬底上反应生成AlN层。
步骤9：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，经过金属剥离形成环形电极10和圆形电极11；对整个器件进行快速热退火处理，退火条件为700℃，30秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触。
实施例2：制作厚度为100nm，In组分为5％，掺杂浓度为5x1019的n十InGaN发射极欧姆接触层。
步骤A：在GaN自支撑衬底上外延GaN层。
采用分子束外延MBE方法，在衬底1上生长GaN外延层2。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将衬底1放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤B：生长n十GaN集电极欧姆接触层。
采用分子束外延MBE方法，在GaN外延层2上生长n十GaN集电极欧姆接触层3；n十GaN集电极欧姆接触层3的厚度为100nm，掺杂浓度为5x1019cm-3。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓和硅分别作为氮源、镓源和硅源。
将以GaN外延层2为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度分别为850℃。
氮源、镓源和硅源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤C：生长第一GaN隔离层。
采用分子束外延MBE方法，在n十GaN集电极欧姆接触层3上生长第一GaN隔离层4，第一GaN隔离层4的厚度为4nm。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将以n十GaN集电极欧姆接触层3为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤D：生长InAIN/GaN/InAlN双势垒结构。
采用分子束外延MBE方法，在第一GaN隔离层4上生长第一InAIN势垒层5；第一InAIN势垒层5的厚度为1nm，In的组分为17％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源。
将以第一GaN隔离层4为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃。
氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W。
由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
采用分子束外延MBE方法，在第一InAIN势垒层5上生长GaN主量子阱层6；GaN主量子阱层6的厚度为1nm。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将以第一InAIN势垒层5为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
采用分子束外延MBE方法，在GaN主量子阱层6上生长第二InAIN势垒层7；第二InAIN势垒层7的厚度为1nm，In的组分为17％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源。
将以GaN主量子阱层6为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃。
氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W。
由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
步骤E：生长InGaN隔离层。
采用分子束外延MBE方法，在第二InAIN势垒层7上生长InGaN隔离层8，InGaN隔离层8的厚度为4nm，In的组分是5％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源。
将以第二InAIN势垒层7为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃。
氮源、镓源和铟源从喷射炉中喷出，控制铟源、镓源的流量比为0.053，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。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
步骤F：生长n十InGaN发射极欧姆接触层。
采用分子束外延MBE方法，在InGaN隔离层8上生长n十InGaN发射极欧姆接触层9，n十InGaN发射极欧姆接触层9的厚度为100nm，In的组分是5％，掺杂浓度为5x1019cm-3。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓、铟和硅分别作为氮源、镓源、铟源和硅源。
将以InGaN隔离层8为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃。
氮源、镓源、铟源和硅源从喷射炉中喷出，控制铟源、镓源的流量比为0.053，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。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
步骤G：形成小圆形台面。
在n十InGaN发射极欧姆接触层9上光刻形成直径为7μm的小圆形掩膜图形，采用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至n十GaN集电极欧姆接触层3，形成小圆形台面。
步骤H：淀积AlN钝化层。
采用等离子体增强原子层电极PEALD方法在器件正面淀积厚度为300nm的AlN钝化层12，并采用反应离子刻蚀RIE方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔。
等离子体增强原子层电极PEALD方法的具体步骤如下。
准备源，以三甲基铝为铝源，NH3等离子体为氮源。
将刻蚀完小圆台面的衬底温度升至350℃，反应室压力为1托。
采用脉冲分时输运方式，将源通入反应室，在12.1s的循环时间内，前0.1s通入三甲基铝，载气为N2，之后8s通入NH3等离子体，载气为Ar，最后4s通入N2来清洁反应室。
三甲基铝和NH3等离子体在刻蚀完小圆台面的衬底上反应生成AlN层。
步骤I：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，经过金属剥离形成环形电极10和圆形电极11；对整个器件进行快速热退火处理，退火条件为700℃，30秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触。
实施例3：制作厚度为120nm，In组分为7％，掺杂浓度为1x1020的n十InGaN发射极欧姆接触层。
步骤一：在GaN自支撑衬底上外延GaN层。
采用分子束外延MBE方法，在衬底1上生长GaN外延层2。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将衬底1放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤二：生长n十GaN集电极欧姆接触层。
采用分子束外延MBE方法，在GaN外延层2上生长n十GaN集电极欧姆接触层3；n十GaN集电极欧姆接触层3的厚度为120nm，掺杂浓度为1x1020cm-3。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓和硅分别作为氮源、镓源和硅源。
将以GaN外延层2为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度分别为850℃。
氮源、镓源和硅源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤三：生长第一GaN隔离层。
采用分子束外延MBE方法，在n十GaN集电极欧姆接触层3上生长第一GaN隔离层4，第一GaN隔离层4的厚度为6nm。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将以n十GaN集电极欧姆接触层3为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
步骤四：生长InAIN/GaN/InAlN双势垒结构。
采用分子束外延MBE方法，在第一GaN隔离层4上生长第一InAIN势垒层5；第一InAIN势垒层5的厚度为1.2nm，In的组分为18％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源。
将以第一GaN隔离层4为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃。
氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W。
由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
采用分子束外延MBE方法，在第一InAIN势垒层5上生长GaN主量子阱层6；GaN主量子阱层6的厚度为1.2nm。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源。
将以第一InAIN势垒层5为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温镓炉至温度为850℃。
氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
采用分子束外延MBE方法，在GaN主量子阱层6上生长第二InAIN势垒层7；第二InAIN势垒层7的厚度为1.2nm，In的组分为18％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源。
将以GaN主量子阱层6为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃。
氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W。
由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
步骤五：生长InGaN隔离层。
采用分子束外延MBE方法，在第二InAIN势垒层7上生长生长InGaN隔离层8，InGaN隔离层8的厚度为6nm，In的组分是7％。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源。
将以第二InAIN势垒层7为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃。
氮源、镓源和铟源从喷射炉中喷出，控制铟源、镓源的流量比为0.075，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。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
步骤六：生长n十InGaN发射极欧姆接触层。
采用分子束外延MBE方法，在InGaN隔离层8上生长n十InGaN发射极欧姆接触层9，n十InGaN发射极欧姆接触层9的厚度为120nm，In的组分是7％，掺杂浓度为1x1020cm-3。
分子束外延MBE方法的具体步骤如下。
准备源，以高纯的氮、镓、铟和硅分别作为氮源、镓源、铟源和硅源。
将以InGaN隔离层8为表面一层的衬底放入超高真空腔体。
升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃。
氮源、镓源、铟源和硅源从喷射炉中喷出，控制铟源、镓源的流量比为0.075，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。
不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
步骤七：形成小圆形台面。
在n十InGaN发射极欧姆接触层9上光刻形成直径为10μm的小圆形掩膜图形，采用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至n十GaN集电极欧姆接触层3，形成小圆形台面。
步骤八：淀积AlN钝化层。
采用等离子体增强原子层电极PEALD方法在器件正面淀积厚度为400nm的AlN钝化层12，并采用反应离子刻蚀RIE方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔。
等离子体增强原子层电极PEALD方法的具体步骤如下。
准备源，以三甲基铝为铝源，NH3等离子体为氮源。
将刻蚀完小圆台面的衬底温度升至350℃，反应室压力为1托。
采用脉冲分时输运方式，将源通入反应室，在12.1s的循环时间内，前0.1s通入三甲基铝，载气为N2，之后8s通入NH3等离子体，载气为Ar，最后4s通入N2来清洁反应室。
三甲基铝和NH3等离子体在刻蚀完小圆台面的衬底上反应生成AlN层。
步骤九：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，经过金属剥离形成环形电极10和圆形电极11；对整个器件进行快速热退火处理，退火条件为700℃，30秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触。
Claims (8)
1.一种铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管，包括：位于衬底(1)上方的GaN外延层(2)，位于GaN外延层(2)上方位置的n十GaN集电极欧姆接触层(3)，位于n十GaN集电极欧姆接触层(3)上方中央位置的第一GaN隔离层(4)，第一InAlN势垒层(5)、GaN主量子阱层(6)、第二InAlN势垒层(7)、InGaN隔离层(8)、圆形电极(11)依次从下至上竖直分布在第一GaN隔离层(4)上方，位于n十GaN集电极欧姆接触层(3)上方且不与第一GaN隔离层(4)接触的环形电极(10)，位于n十GaN集电极欧姆接触层(3)上方的钝化层(12)；其特征在于：所述的n十InGaN发射极欧姆接触层(9)位于InGaN隔离层(8)和圆形电极(11)之间，发射极欧姆接触层的材料是InGaN。
2.一种铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管制作方法，包括如下步骤：
(1)在GaN自支撑衬底上外延GaN层：
采用分子束外延MBE方法，在衬底(1)上生长GaN外延层(2)；
(2)生长n十GaN集电极欧姆接触层：
采用分子束外延MBE方法，在GaN外延层(2)上生长n十GaN集电极欧姆接触层(3)；n十GaN集电极欧姆接触层(3)的厚度为80～120nm，掺杂浓度为1x1019～1x1020cm-3；
(3)生长第一GaN隔离层：
采用分子束外延MBE方法，在n十GaN集电极欧姆接触层(3)上生长第一GaN隔离层(4)；第一GaN隔离层(4)的厚度为2～6nm；
(4)生长InAIN/GaN/InAlN双势垒结构：
(4a)采用分子束外延MBE方法，在第一GaN隔离层(4)上生长第一InAIN势垒层(5)；第一InAIN势垒层(5)的厚度为0.8～1.2nm，In的组分为16％～18％；
(4b)采用分子束外延MBE方法，在第一InAIN势垒层(5)上生长GaN主量子阱层(6)；GaN主量子阱层(6)的厚度为0.8～1.2nm；
(4c)采用分子束外延MBE方法，在GaN主量子阱层(6)上生长第二InAIN势垒层(7)；第二InAIN势垒层(7)的厚度为0.8～1.2nm，In的组分为16％～18％；
(5)生长InGaN隔离层：
采用分子束外延MBE方法，在第二InAIN势垒层(7)上生长InGaN隔离层(8)，InGaN隔离层(8)的厚度为2～6nm，In的组分为3％～7％；
(6)生长n十InGaN发射极欧姆接触层：
采用分子束外延MBE方法，在InGaN隔离层(8)上生长n十InGaN发射极欧姆接触层(9)，n十InGaN发射极欧姆接触层(9)的厚度为80～120nm，In的组分为3％～7％，掺杂浓度为1x1019～1x1020cm-3；
(7)形成小圆形台面：
在n十InGaN发射极欧姆接触层(9)上光刻形成直径为5～10μm的小圆形掩膜图形，采用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2刻蚀气体源，刻蚀深度至n十GaN集电极欧姆接触层(3)，形成小圆形台面；
(8)淀积AlN钝化层：
采用等离子体增强原子层电极PEALD方法在器件正面淀积厚度为200～400nm的AlN钝化层(12)，并采用反应离子刻蚀RIE方法，利用CF4气体刻蚀形成开孔；
(9)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，经过金属剥离形成环形电极(10)和圆形电极(11)；对整个器件进行快速热退火处理，退火条件为700℃，30秒钟，氮气气氛，形成GaN欧姆接触。
3.根据权利要求2所述的铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管制作方法，其特征在于，步骤(1)、步骤(3)、步骤(4b)中所述分子束外延MBE方法的具体步骤如下：
第1步，准备源，以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源；
第2步，将以衬底(1)或者n十GaN集电极欧姆接触层(3)或者第一InAIN势垒层(5)为表面一层的衬底放入超高真空腔体；
第3步，升温镓炉至温度为850℃；
第4步，氮源、镓源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；
第5步，不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
4.根据权利要求2所述的铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管制作方法，其特征在于，步骤(2)中所述分子束外延MBE方法的具体步骤如下：
第1步，准备源，以高纯的氮、镓和硅分别作为氮源、镓源和硅源；
第2步，将以GaN外延层(2)为表面一层的衬底放入超高真空腔体；
第3步，升温镓炉至温度分别为850℃；
第4步，氮源、镓源和硅源从喷射炉中喷出，控制氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；
第5步，不同源喷射出的分子流在衬底上生长出GaN层。
5.根据权利要求2所述的铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管制作方法，其特征在于，步骤(4a)、步骤(4c)中所述分子束外延MBE方法的具体步骤如下：
第1步，准备源，以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源；
第2步，将以第一GaN隔离层(4)或者GaN主量子阱层(6)为表面一层的衬底放入超高真空腔体；
第3步，升温铝炉和铟炉至温度分别为900℃和585℃；
第4步，氮源、铝源和铟源从喷射炉中喷出，控制氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W；
第5步，由不同源喷射出的分子在衬底上生长出InAlN层。
6.根据权利要求2所述的铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管制作方法，其特征在于，步骤(5)中所述分子束外延MBE方法的具体步骤如下：
第1步，准备源，以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源；
第2步，将以第二InAIN势垒层(7)为表面一层的衬底放入超高真空腔体；
第3步，升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃；
第4步，氮源、镓源和铟源从喷射炉中喷出，在0.030～0.075范围内控制铟源、镓源的流量比，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；
第5步，不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
7.根据权利要求2所述的铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管制作方法，其特征在于，步骤(6)中所述的分子束外延MBE方法的具体步骤如下：
第1步，准备源，以高纯的氮、镓、铟和硅分别作为氮源、镓源、铟源和硅源；
第2步，将以InGaN隔离层(8)为表面一层的衬底放入超高真空腔体；
第3步，升温铟炉和镓炉至温度分别为585℃和850℃；
第4步，氮源、镓源、铟源和硅源从喷射炉中喷出，在0.030～0.075范围内控制铟源、镓源的流量比，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；
第5步，不同源喷射出的分子流在衬底上生长出InGaN层。
8.根据权利要求2所述的铟镓氮发射极欧姆接触层的RTD二极管制作方法，其特征在于，步骤(8)中所述的等离子体增强原子层电极PEALD方法的具体步骤如下：
第1步，准备源，以三甲基铝为铝源，NH3等离子体为氮源；
第2步，将刻蚀完小圆台面的衬底温度升至350℃，反应室压力为1托；
第3步，采用脉冲分时输运方式，将源通入反应室，在12.1s的循环时间内，前0.1s通入三甲基铝，载气为N2，之后8s通入NH3等离子体，载气为Ar，最后4s通入N2来清洁反应室；
第4步，三甲基铝和NH3等离子体在刻蚀完小圆台面的衬底上反应生成AlN层。
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