CN107706245A - 一种氮化物平面结构共振隧穿二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物平面结构共振隧穿二极管及其制备方法。本发明的共振隧穿二极管包括：衬底、发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层、集电极掺杂层、发射极电极、集电极电极以及钝化层；本发明采用自对准工艺，并且在光刻胶掩膜制备过程中进行过度曝光与过度显影，显著降低了结面积，减少了器件内漏电通道数目，提高了器件稳定性；发射极电极和集电极电极形成平面结构，避免了刻蚀损伤对电极接触的不利影响；全过程仅需两次光刻，有效降低了工艺难度，加快了研发进程。
Description
技术领域
本发明涉及共振隧穿二极管技术，具体涉及一种氮化物平面结构共振隧穿二极管及其制备方法。
背景技术
太赫兹技术作为一门新兴的科学技术，在安全检测、物质识别、保密通讯、宇宙探测、高精度雷达、组织活检、瞬态光谱研究等方面具有重要的应用前景。共振隧穿二极管作为一种两端器件，能够利用共振隧穿现象产生负微分电阻从而用于制备太赫兹辐射源，得到了广泛的关注。目前比较成熟的RTD技术主要是基于GaAs材料，由于材料固有的性能限制，目前功率只达到微瓦量级。而基于GaN的共振隧穿二极管，具有III族氮化物半导体材料所特有的高电子速率、高击穿场强、大禁带宽度可调范围、耐辐射等优点，有望实现室温下太赫兹的高功率发射。然而，目前氮化物基共振隧穿二极管面临衬底质量差、缺陷密度高、漏电严重、极化场强等难题，器件稳定性差，峰谷电流比低，大大限制了实际应用。因此，优化氮化物共振隧穿二极管结构设计，改善外延生长质量，降低工艺过程的不利影响，对于研制稳定高效氮化物共振隧穿二极管具有重要的意义。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种采用自对准工艺制备的氮化物平面结构共振隧穿二极管，利用大台面截面积大、漏电通道多、电阻小的特点将其作为发射极电极，有效避免了刻蚀对电极接触的不利影响，同时，采用自对准工艺在简化工艺步骤的基础上进一步减小了结面积，有利于降低单个器件内部位错数目，提高器件的稳定性。
本发明的一个目的在于提出一种氮化物平面结构共振隧穿二极管。
本发明的氮化物平面结构共振隧穿二极管包括：衬底、发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层、集电极掺杂层、发射极电极、集电极电极以及钝化层；其中，在衬底上依次外延生长发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层和集电极掺杂层，从而形成外延晶片；形成掩膜版，掩膜板的图形包括同心的圆形和部分环形；通过掩膜板刻蚀外延晶片至发射极掺杂层的上半部分，从而在外延晶片上分别形成圆柱形台面和部分环形台面；在圆柱形台面和部分环形台面的侧面和上表面沉积钝化层；去除掩膜板，掩膜版上的钝化层自动剥离，分别暴露出圆柱形台面和部分环形台面的集电极掺杂层表面，暴露出的集电极掺杂层的表面分别为圆形或部分环形，从而形成自对准剥离开窗；在暴露出来的圆形的集电极掺杂层的表面形成集电极电极，以及在暴露出来的部分环形的集电极掺杂层的表面形成发射极电极，发射极电极和集电极电极形成平面结构。
双势垒结构包括发射极势垒、势阱层和集电极势垒；其中，势阱层的禁带宽度低于发射极势垒和集电极势垒的禁带宽度；发射极势垒和集电极势垒的厚度以及禁带宽度为对称或非对称。发射极势垒和集电极势垒为非掺杂的AlN或AlGaN合金，势阱层为非掺杂的GaN、In组分在0.01～0.2之间的InGaN或Al组分在0.01～0.3之间的AlGaN，各层厚度在0.5～6nm之间，为共振隧穿二极管的有源区。其中，发射极势垒或集电极势垒的厚度不应超过垒层材料的临界弛豫厚度，以避免新位错的产生。
发射极掺杂层和集电极掺杂层为硅或锗掺杂的GaN，掺杂浓度不低于5×1018cm-3，厚度在100～300nm之间。发射极非掺隔离层和集电极非掺隔离层为本征GaN，或者In组分在0.01～0.2之间的InGaN或Al组分在0.01～0.3之间的AlGaN合金，厚度不超过20nm。
部分环形的张角在180°～270°之间。
钝化层为低温蒸镀的二氧化硅或氮化硅。
本发明的另一个目的在于提供一种氮化物平面结构共振隧穿二极管的制备方法。
本发明的氮化物平面结构共振隧穿二极管的制备方法，包括以下步骤：
1)按照对共振隧穿二极管的峰谷电流比和峰值电流密度的需求进行理论计算，对共振隧穿二极管的结构进行模拟和优化；
2)对衬底进行预处理，使表面洁净直接用于外延生长；
3)利用外延生长设备在衬底上依次外延生长发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层和集电极掺杂层，从而形成外延晶片；
4)利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量进行表征反馈，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合要求的外延晶片，进入步骤5)；
5)制备掩膜板，掩膜板的图形包括同心的圆形和部分环形；
6)通过掩膜板刻蚀外延晶片至发射极掺杂层的上半部分，从而在外延晶片上分别形成圆柱形台面和部分环形台面；
7)在圆柱形台面和部分环形台面的侧面和上表面低温沉积钝化层；
8)去除掩膜板，掩膜版上的钝化层自动剥离，分别暴露出圆柱形台面和部分环形台面的集电极掺杂层的表面，暴露出的集电极掺杂层的表面分别为圆形或部分环形，从而形成自对准剥离开窗；
9)在暴露出来的集电极掺杂层的表面蒸镀电极材料，从而在圆形的集电极掺杂层的表面形成集电极电极，以及在部分环形的集电极掺杂层的表面形成发射极电极，发射极电极和集电极电极形成平面结构。
其中，在步骤1)中，按照峰值电流和峰谷电流比的需求，根据双势垒结构的厚度和禁带宽度可调范围，对共振隧穿二极管的结构进行模拟和优化，发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层、集电极掺杂层的厚度和组分。
在步骤2)中，对衬底进行预处理，包括以下步骤：
a)通过化学腐蚀和清洗，除去衬底表面的氧化层和有机物；
b)预生长一层模板物质；
c)在外延设备腔体中对衬底进行高温烘烤，除去表面杂质原子。
在步骤3)中，采用外延设备在衬底上进行外延生长，具体包括以下步骤：
a)生长n型发射极掺杂层，厚度不小于100nm，掺杂浓度不低于5×1018cm-3；
b)生长发射极非掺隔离层，厚度不超过20nm；
c)调控生长条件，生长双势垒结构，发射极势垒、势阱层和集电极势垒的厚度分别不超过6nm，整个双势垒结构生长过程无停顿；
d)生长集电极非掺隔离层和集电极掺杂层，集电极非掺隔离层的厚度不超过20nm，集电极掺杂层的厚度不低于100nm，掺杂后载流子浓度不低于5×1018cm-3。
在步骤4)中，利用高精度透射电子显微镜表征双势垒结构的均匀性和界面锐利程度，经优化，TEM图一般表现为界面清晰无明显互扩散现象，表明界面状况良好；利用原子力显微镜AFM观察表面形貌，经优化，AFM形貌一般可以观测到的表面单层原子台阶，表明外延生长模式为层状台阶流模式。
在步骤5)中，部分环形的张角在180°～270°之间。采用厚度不小于3μm的负光刻胶做掩膜板，并进行过度曝光与过度显影来减小掩膜板的图形的面积，适当结膜以提高掩膜板的硬度。其中，部分环形的宽度不小于10μm，圆形的直径不超过4μm，部分环形与圆形之间的间隔不小于2μm。
在步骤6)中，利用ICP或RIE进行样片刻蚀，刻蚀深度至发射极掺杂层的上半部分，刻蚀后保留残胶用于钝化层剥离。
在步骤7)中，以刻蚀后剩余的光刻胶为掩膜，利用磁控溅射或真空镀膜机低温蒸镀SiO2或Si3N4形成钝化层，厚度不低于200nm，蒸镀温度不超过120℃。
在步骤8)中，利用去膜剂水浴加热浸泡并辅以低功率超声进行钝化层的剥离，除去掩膜板，从而在圆柱形台面和部分环形台面的上表面没有钝化层，分别暴露出圆形的和部分环形的集电极掺杂层的表面，从而形成自对准剥离开窗。
在步骤9)中，部分环形台面面积大且电阻小，仅作为导电通道，共振隧穿二极管的核心区域为面积较小的圆柱形台面。
进一步，还包括测试共振隧穿二极管的电学特性，包括峰谷电流比、峰值电流、峰值电压、反向开启电压和变温特性。
本发明的优点：
(1)采用自对准工艺，并且在光刻胶掩膜制备过程中进行过度曝光与过度显影，显著降低了结面积，减少了器件内漏电通道数目，提高了器件稳定性；
(2)发射极电极和集电极电极形成平面结构，避免了刻蚀损伤对电极接触的不利影响；
(3)全过程仅需两次光刻，有效降低了工艺难度，加快了研发进程。
附图说明
图1为本发明的氮化物平面结构共振隧穿二极管的一个实施例沿径向的剖面图；
图2为本发明的氮化物平面结构共振隧穿二极管的外延晶片的剖面图；
图3为本发明的氮化物平面结构共振隧穿二极管的一个实施例的外延晶片的能带图；
图4为本发明的氮化物平面结构共振隧穿二极管的制备方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的氮化物平面结构共振隧穿二极管包括：衬底1、发射极掺杂层2、发射极非掺隔离层4、双势垒结构、集电极非掺隔离层8、集电极掺杂层9、发射极电极10、集电极电极11以及钝化层3；其中，在衬底1上依次外延生长发射极掺杂层2、发射极非掺隔离层4、双势垒结构、集电极非掺隔离层8和集电极掺杂层9，从而形成外延晶片；掩膜板的图形包括同心的圆形和部分环形；通过掩膜板刻蚀外延晶片至发射极掺杂层2的上半部分，从而在外延晶片上分别形成圆柱形台面和部分环形台面；在圆柱形台面和部分环形台面的侧面和上表面形成钝化层；去除掩膜板，分别暴露出圆形的和部分环形的集电极掺杂层9的表面，从而形成自对准剥离开窗；在暴露出来的圆形的集电极掺杂层9的表面形成集电极电极11，以及在暴露出来的部分环形的集电极掺杂层9的表面形成发射极电极10，发射极电极10和集电极电极11形成平面结构。
在本实施例中，发射极掺杂层2和集电极掺杂层9均为n型掺杂。衬底1采用MOCVD在蓝宝石上生长的GaN模板；发射极掺杂层2为400nm的掺硅GaN，载流子浓度为1×1019cm-3；发射极非掺隔离层4为非掺GaN，厚度2nm；双势垒结构的发射极势垒5和集电极势垒7分别为厚度1.5nm的非掺AlN，势阱层6为非掺GaN，厚度3nm；集电极非掺隔离层8与发射极隔离层4相同，为2nm非掺GaN；集电极掺杂层9亦是电极接触层，采用硅进行掺杂，掺杂后载流子浓度1×1019cm-3，厚度300nm；最上方依次蒸镀Ti(20nm)/Al(100nm)/Ti(50nm)/Au(70nm)形成欧姆接触，其中环形台面上的电极接触为发射极电极10，圆柱形台面上方的电极接触为集电极电极11；钝化层3为90℃下蒸镀的SiO2，厚度为200nm。
本实施例的氮化物平面结构共振隧穿二极管的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
1)按照对共振隧穿二极管的峰谷电流比和峰值电流密度的需求进行理论计算，根据双势垒结构的厚度和禁带宽度可调范围，对共振隧穿二极管的结构进行模拟和优化，发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层、集电极掺杂层的厚度和组分。
2)对衬底进行预处理，使表面洁净直接用于外延生长：
a)将衬底1置于30％的HF溶液中浸泡10分钟去除表面氧化层，用去离子水反复冲洗后吹干，再经过丙酮超声3分钟去除表面有机物，用酒精超声洗净表面残余丙酮，用去离子水洗净表面残余酒精，用洁净的氮气吹干；
b)将衬底1传入MBE准备室中，300℃烘烤1小时后传入MBE生长室，进行100nm厚GaN再生长；
c)在外延设备腔体中对衬底进行高温烘烤，除去表面杂质原子。
3)利用外延生长设备在衬底上依次外延生长发射极掺杂层2、发射极非掺隔离层4、双势垒结构、集电极非掺隔离层8和集电极掺杂层9，如图2所示，从而形成外延晶片：
a)生长n型发射极掺杂层，厚度为400nm、载流子浓度为1×1019cm-3；
b)关闭硅掺杂源，生长本征GaN的发射极非掺隔离层，厚度为2nm；
c)调控生长条件，生长双势垒结构，发射极势垒5、势阱层6和集电极势垒7的厚度分别为1.5nm、3nm、1.5nm，整个双势垒结构生长过程无停顿；
d)生长集电极非掺隔离层8的厚度为2nm；
e)调控生长条件，生长集电极掺杂层，集电极掺杂层9的厚度为300nm，掺杂后载流子浓度为1×1019cm-3。
4)利用高精度透射电子显微镜表征双势垒结构的均匀性和界面锐利程度，经优化，TEM图一般表现为界面清晰无明显互扩散现象，表明界面状况良好；利用原子力显微镜AFM观察表面形貌，经优化，AFM形貌一般可以观测到的表面单层原子台阶，表明外延生长模式为层状台阶流模式，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合要求的外延晶片，进入步骤5)。
5)对外延晶片进行清洗、烘干、成底膜后旋涂3.5μm厚度的负光刻胶，并进行过度曝光与过度显影，110℃结膜1min得到刻蚀用掩膜图形，掩膜图形包括同心的圆形和部分环形。
6)采用感应耦合离子刻蚀ICP刻蚀出圆柱形台面及部分环形台面，圆柱形台面的直径为4μm，部分环形台面内径12μm外径40μm，张角为180°，刻蚀深度400nm。
7)在真空镀膜机中90℃下蒸镀200nmSiO2，在圆柱形台面和部分环形台面的侧面和上表面形成钝化层3。
8)置于80℃水浴加热的去膜剂中浸泡20min，后迅速用丙酮冲洗表面30s，最后用丙酮和酒精清洗样品，去除掩膜板，掩膜版上钝化层自动剥离，分别暴露出圆柱形台面和部分环形台面的集电极掺杂层的表面，从而形成自对准剥离开窗。
9)在暴露出来的集电极掺杂层的表面蒸镀Ti(20nm)/Al(100nm)/Ti(50nm)/Au(70nm)，从而在圆形的集电极掺杂层的表面形成集电极电极11，以及在部分环形的集电极掺杂层的表面形成发射极电极10，发射极电极和集电极电极形成平面结构。
10)利用探针分别扎在发射极电极10和集电极电极11对制备的共振隧穿二极管进行测试，观察微分负阻现象，并进行变温、重复测试等观察负阻现象的稳定性，获取共振隧穿二极管的峰值电流、电流峰谷比等关键参数。
图3给出了本实施例中氮化物平面结构共振隧穿二极管的外延晶片的能带图。可以看到，量子阱中共形成E1、E2和E3三个子带，并在发射极非掺隔离层形成限制能级E0。经测试，本发明的共振隧穿二极管大幅提升了器件稳定性，室温、低温下观察到E0与E1、E2对齐产生的微分负阻清晰可重复，漏电得到了有效抑制。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (12)
1.一种氮化物平面结构共振隧穿二极管，其特征在于，所述共振隧穿二极管包括：衬底、发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层、集电极掺杂层、发射极电极、集电极电极以及钝化层；其中，在衬底上依次外延生长发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层和集电极掺杂层，从而形成外延晶片；形成掩膜版，所述掩膜板的图形包括同心的圆形和部分环形；通过掩膜板刻蚀外延晶片至发射极掺杂层的上半部分，从而在外延晶片上分别形成圆柱形台面和部分环形台面；在圆柱形台面和部分环形台面的侧面和上表面沉积钝化层；去除掩膜板，掩膜版上的钝化层自动剥离，分别暴露出圆柱形台面和部分环形台面的集电极掺杂层表面，暴露出的集电极掺杂层的表面分别为圆形或部分环形，从而形成自对准剥离开窗；在暴露出来的圆形的集电极掺杂层的表面形成集电极电极，以及在暴露出来的部分环形的集电极掺杂层的表面形成发射极电极，所述发射极电极和集电极电极形成平面结构。
2.如权利要求1所述的共振隧穿二极管，其特征在于，所述发射极掺杂层和集电极掺杂层为硅或锗掺杂的GaN，掺杂浓度不低于5×1018cm-3，厚度在100～300nm之间。
3.如权利要求1所述的共振隧穿二极管，其特征在于，所述发射极非掺隔离层和集电极非掺隔离层为本征GaN，或者In组分在0.01～0.2之间的InGaN或Al组分在0.01～0.3之间的AlGaN合金，厚度不超过20nm。
4.如权利要求1所述的共振隧穿二极管，其特征在于，所述部分环形的张角在180°～270°之间。
5.如权利要求1所述的共振隧穿二极管，其特征在于，所述钝化层为低温蒸镀的二氧化硅或氮化硅。
6.如权利要求1所述的共振隧穿二极管，其特征在于，所述双势垒结构包括发射极势垒、势阱层和集电极势垒；其中，势阱层的禁带宽度低于发射极势垒和集电极势垒的禁带宽度；发射极势垒和集电极势垒的厚度以及禁带宽度为对称或非对称；发射极势垒和集电极势垒为非掺杂的AlN或AlGaN合金，势阱层为非掺杂的GaN、In组分在0.01～0.2之间的InGaN或Al组分在0.01～0.3之间的AlGaN，各层厚度在0.5～6nm之间。
7.一种氮化物平面结构共振隧穿二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)按照对共振隧穿二极管的峰谷电流比和峰值电流密度的需求进行理论计算，对共振隧穿二极管的结构进行模拟和优化；
2)对衬底进行预处理，使表面洁净直接用于外延生长；
3)利用外延生长设备在衬底上依次外延生长发射极掺杂层、发射极非掺隔离层、双势垒结构、集电极非掺隔离层和集电极掺杂层，从而形成外延晶片；
4)利用材料表征设备对外延晶片的晶体质量进行表征反馈，如果外延晶片的性能不满足需要，则优化生长条件，返回步骤1)重新制备，直到获得符合要求的外延晶片，进入步骤5)；
5)制备掩膜板，掩膜板的图形包括同心的圆形和部分环形；
6)通过掩膜板刻蚀外延晶片至发射极掺杂层的上半部分，从而在外延晶片上分别形成圆柱形台面和部分环形台面；
7)在圆柱形台面和部分环形台面的侧面和上表面低温沉积钝化层；
8)去除掩膜板，掩膜版上的钝化层自动剥离，分别暴露出圆柱形台面和部分环形台面的集电极掺杂层的表面，暴露出的集电极掺杂层的表面分别为圆形或部分环形，从而形成自对准剥离开窗；
9)在暴露出来的集电极掺杂层的表面蒸镀电极材料，从而在圆形的集电极掺杂层的表面形成集电极电极，以及在部分环形的集电极掺杂层的表面形成发射极电极，发射极电极和集电极电极形成平面结构。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，采用外延设备在衬底上进行外延生长，具体包括以下步骤：
a)生长n型发射极掺杂层，厚度不小于100nm，掺杂浓度不低于5×1018cm-3；
b)生长发射极非掺隔离层，厚度不超过20nm；
c)调控生长条件，生长双势垒结构，发射极势垒、势阱层和集电极势垒的厚度分别不超过6nm，整个双势垒结构生长过程无停顿；
d)生长集电极非掺隔离层和集电极掺杂层，集电极非掺隔离层的厚度不超过20nm，集电极掺杂层的厚度不低于100nm，掺杂后载流子浓度不低于5×1018cm-3。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，部分环形的张角在180°～270°之间；采用厚度不小于3μm的负光刻胶做掩膜板，并进行过度曝光与过度显影来减小掩膜板的图形的面积，适当结膜以提高掩膜板的硬度；其中，部分环形的宽度不小于10μm，圆形的直径不超过4μm，部分环形与圆形之间的间隔不小于2μm。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤7)中，以刻蚀后剩余的光刻胶为掩膜，利用磁控溅射或真空镀膜机低温蒸镀SiO2或Si3N4形成钝化层，厚度不低于200nm，蒸镀温度不超过120℃。
11.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤8)中，利用去膜剂水浴加热浸泡并辅以低功率超声进行钝化层的剥离，除去掩膜板，从而在圆柱形台面和部分环形台面的上表面没有钝化层，分别暴露出圆形的和部分环形的集电极掺杂层的表面，从而形成自对准剥离开窗。
12.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤9)中，部分环形台面的面积大、电阻小，仅作为导电通道，共振隧穿二极管的核心区域为面积较小的圆柱形台面。
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