CN108183136B - 一种新型电压域振荡二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型电压域振荡二极管。本发明包括初始上表面为镓面GaN基底、n+‑qInGaN集电区层、i‑InGaN第一隔离层、i‑InGaN第一势垒层、i‑InGaN量子阱层、i‑GaN第二势垒层、i‑InGaN第二隔离层、n+‑InGaN发射区层、AlN钝化层、集电区金属电极引脚和发射区金属电极引脚。本发明采用GaN基双势垒单量子阱超晶格结构的势垒层极化电场削弱外加电场作用，有效抑制低偏置电压区域带内共振隧穿；利用紧邻集电极势垒的集电区耗尽层作为集电极势垒的辅助势垒，伏安特性在较高偏压区表现为多协调制电流振荡各能级对应电子波函数的共振隧穿与叠加，形成很多个微分负阻区与正电阻区相间排列。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体量子器件技术领域,具体是一种新型电压域振荡二极管。
背景技术
双势垒单量子阱异质结二极管,由于外加偏压和极化效应的影响，当这种二极管在较高偏置电压下(对于GaN基器件偏置电压约大于2.5V),其量子阱中形成非匀强电场时，在光电子学领域，器件的光吸收系数和介电常数在带边以上(即能量域的高能区)表现为调幅调相振荡，即产生频域的调制光谱，这种振荡称为光学Franz-Keldysh振荡(OFKO)。由于在光电子学领域，在低维半导体量子点、量子阱结构和器件(如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极晶体管(HBT)和共振隧穿晶体管(RTD&RTT)等)的光电特性中，Franz-Keldysh振荡FKO特性仅仅表现为附属伴随特性，故此，常常用来表征这些类型半导体结构和器件的特性，以及在外延生长制备这些类型结构和器件过程中用来进行样品生长的实时监测和原位测量。同时，在纯电子学领域，在对应条件下则是其伏安特性在电压域中的较高电压区呈现连续调幅调相电流振荡特性，即产生高电压域调制功率谱，这种电流振荡称为电学Franz-Keldysh振荡(EFKO)。EFKO特性为主要电学特性的量子阱异质结二极管的研究、设计、制作与应用等在电子学领域几乎一直被忽视。
迄今为止，国内外还没有关于提出以EFKO特性为主要电学特性的半导体电子器件的报道。也就是说，关于以EFKO特性为主要电学特性的半导体电子器件的研究与开发尚属半导体电子器件技术领域中的空白。目前，在国内外已有研究中，与这种以EFKO特性为主要电学特性的半导体电子器件结构相似，伏安特性有关联的GaN基主要器件为共振隧穿二极管(RTD)。常规GaN基RTD一般采用初始晶面为c面的外延双势垒结构，目前已有文献报道，其伏安特性大多主要表现为在约0-3V或者约0-5V偏置电压范围内的单峰谷电流振荡特性，且负阻区偏置压宽较小(一般在0.25V以下，经过优化设计的器件可以达到0.49-0.6V左右。)；经过优化设计的GaAs/AlGaAs RTD在集电极势垒厚度为2nm，偏置电压1V以下时，有些情况可能出现多峰多谷，不过，电流振荡规律性有些混乱，且峰谷电流比PVCR<2.5,难以满足传统多值逻辑(MVL)电路设计应用，也许有可能可以用于低压低功耗纯量子逻辑(PQL)电路设计。
本发明提出了一种具有FKO特性的二极管——Franz-Keldysh振荡二极管(FKOD)；迄今为止，在常规GaAs/AlGaAs、GaN/AlGaN基二极管器件中至今尚无FKOD器件。在纯电子学领域，在对应条件下则是其伏安特性在电压域中的较高电压区呈现连续调幅调相电流振荡特性，即产生高电压域调制功率谱，如附图1的器件伏安特性仿真测试结果曲线图所示。这种FKOD器件独特的电压域连续振荡伏安特性将使其在电子技术领域拥有广泛应用，例如，在模拟电子技术领域可以用于电压-电流变换、动态交流阻抗匹配、电压型传感器、无线电压空调谐器等；在数字电子技术领域可以用于实现纯量子逻辑计算、类人脑思维逻辑运算等；而在数模混合电子技术领域可以用于超高速纯量子逻辑模数转换等。
发明内容
本发明的目的在提供一种新型电压域振荡二极管。
本发明包括基底、集电区层、第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层、发射区层、钝化层、集电区金属电极引脚和发射区金属电极引脚。所述的基底上表面外延集电区层，集电区层上表面中部外延第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层与发射区层；第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层和发射区层构成共振隧穿二极管的中央量子结构区域。中央量子结构区域上表面为发射区金属电极引脚，中央量子结构区域外侧沉积有钝化层，钝化层外侧为集电区金属电极引脚。基底为初始上表面为镓面的厚度102-103μm的绝缘本征GaN层，集电区层为为10-2-100μm厚的n+-qInGaN层，第一隔离层为为0-101nm厚的i-InGaN层，第一势垒层为为1-6CAlGaN厚的i-AlGaN层，量子阱层为1-7CInGaN厚的为i-InGaN层，第二势垒层为为1-5CGaN厚的i-GaN层，第二隔离层为100-101nm厚的i-InGaN层，发射区层为10-2-100μm厚的n+-InGaN层，钝化层为101μm厚的AlN层，CM为材料M的晶格常数，单位nm。
以绝缘本征GaN基底作为器件载体，起到决定器件层外延生长方向、支撑器件层、器件层中器件之间的隔离及辅助工作中的器件散热的作用；在绝缘本征GaN基底上表面外延集电区层；
集电区层起收集与传输渡越第一隔离层的电子流作用，在热学方面则作为第一隔离层与绝缘GaN基底及集电区金属电极引脚之间的热传导媒质；
第一隔离层在器件结构上连接集电区层与第一势垒层，主要为穿过第一势垒层的电子提供通向集电区层的疏运路径、作为集电区层与第一势垒层之间的热传输路径及隔离集电区层中量子能级对第一势垒层两侧量子能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层中对应的共振量子能级等作用；
势垒层在结构上隔离第一隔离层与量子阱层，作为第一隔离层与量子阱层之间的纳米级厚度有限高势垒，即第一隔离层与量子阱层之间电子量子共振隧穿的路径；
量子阱层介于第一势垒层与第二势垒层之间，作为纳米级厚度有限深电子势阱提供沿能量纵向量子化的束缚量子态电子能级；
第二势垒层在结构上隔离量子阱层与第二隔离层，作为量子阱层与第二隔离层之间的纳米级厚度有限高势垒，即量子阱层与第二隔离层之间电子量子共振隧穿的路径；
第二隔离层在器件结构上连接势垒层与发射区层，主要疏运来自发射区层的电子，作为第二势垒层与发射区层之间的热传输路径，隔离发射区层中电子的量子能级对第二势垒层两侧束缚量子态能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层对应的共振量子能级等；
发射区层与发射区金属电极引脚之间形成欧姆接触，连接第二隔离层与发射区金属电极引脚，作为第二隔离层与发射区金属电极引脚之间电子流的低阻通路和热传输路径；
集电区金属电极引脚与集电区之间形成欧姆接触,连接器件集电区与外部电路；钝化层将器件的表面需要保护部分与外界环境之间隔离开来,并钝化表面悬挂键。
所述的钝化层、集电区金属电极引脚和发射区金属电极引脚俯视结构为三个同心圆或者同心正多边形。
所述的集电区层掺杂的InGaN浓度为1e18-1e19cm-3。
所述的中央量子结构区域采用GaN沉底通过分子束外延或者金属有机化学汽相淀积外延依次生长InGaN/AlGaN/InGaN/GaN/InGaN、反向依次刻蚀外延层、外延生长绝缘介质层、刻蚀金属电极接触孔、淀积金属电极层及金属电极层反刻的工艺制备。
本发明具有InGaN/GaN/InGaN/AlGaN/InGaN双势垒单量子阱异质结结构。采用GaN基双势垒单量子阱超晶格结构的势垒层极化电场削弱外加电场作用，从而有效抑制低偏置电压区域(约≤2.5V)发射极到集电极之间的带内共振隧穿；采用相对于该器件势垒层较宽的势阱层，则在较高偏置电压区域(约>2.5V)，使得势阱中束缚量子态随外加偏压的升高经历一系列简并与劈裂之后形成导带中多个子带，相邻子带之间的能量间距大于或者远大于子带中相邻能级之间的能量间距；另一方面利用紧邻集电极势垒的集电区耗尽层作为集电极势垒的辅助势垒，该耗尽层辅助势垒的导带底在外加偏压和极化电场的共同影响下沿发射极指向集电极的方向呈向下线性倾斜，并且随外加偏压的升高而逐渐降低，从而可以有助于线性调制位于该辅助势垒导带底顶端附近的束缚量子态子带中从而使得这种FKOD的伏安特性在较高偏压区表现为多协调制电流振荡各能级对应电子波函数的共振隧穿与叠加(即临近频率电子波多波干涉)，形成很多个微分负阻(NDR)区与正电阻区相间排列，远离该辅助势垒导带底顶端附近的束缚量子态子带中各能级对应电子波函数的直接共振隧穿则受到抑制，间接共振隧穿则需要通过电子跃迁到位于该辅助势垒导带底顶端附近的束缚量子态子带中的能级来实现。
附图说明
图1为本发明的整体结构剖视图；
图2本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例的整体结构剖视图；
图4(a)为本发明实施例中第二势垒层厚度变化对负微分电阻特性的影响图；
图4(b)为本发明实施例中量子阱层厚度变化对负微分电阻特性的影响图；
图4(c)为本发明实施例中第一势垒层厚度变化对负微分电阻特性的影响图；
图5为本发明实施例中不同偏压下电子波滤波特性的TCAD仿真测试结果图；
图6为本发明实施例中导带底及导带中束缚态能级随偏压变化的仿真测试结果图；
图7为本发明实施例中器件层中电场分布仿真测试结果曲线族。
具体实施方式
如图1所示，一种新型电压域振荡二极管，包括基底1、集电区层2、第一隔离层3、第一势垒层4、量子阱层5、第二势垒层6、第二隔离层7、发射区层8、钝化层9及集电区金属电极引脚10和发射区金属电极引脚11。基底1上表面外延集电区层2，集电区层2上表面中部外延第一隔离层3、第一势垒层4、量子阱层5、第二势垒层6、第二隔离层7与发射区层8；第一隔离层3、第一势垒层4、量子阱层5、第二势垒层6、第二隔离层7和发射区层8构成共振隧穿二极管的中央量子结构区域。中央量子结构区域上表面为发射区金属电极引脚11，中央量子结构区域外侧沉积有钝化层9，钝化层9外侧为集电区金属电极引脚10。
基底1为初始上表面为镓面的厚度102-103μm的绝缘本征GaN层，集电区层2为10-2-100μm厚的n+-qInGaN层，第一隔离层3为0-101nm厚的i-InGaN层，第一势垒层4为1-6CAlGaN厚的i-AlGaN层，量子阱层5为1-7CInGaN厚的为i-InGaN层，第二势垒层6为1-5CGaN厚的i-GaN层，第二隔离层7为100-101nm厚的i-InGaN层，发射区层8为10-2-100μm厚的n+-InGaN层，钝化层9为101μm厚的AlN层，CM为材料M的晶格常数，单位nm。
如图2所示，一种新型电压域振荡二极管俯视结构中钝化层、集电区金属电极引脚和发射区金属电极引脚为三个同心圆或者同心正多边形。
以绝缘本征GaN基底1作为器件载体，主要起到决定器件层外延生长方向、支撑器件层、器件层中器件之间的隔离及辅助工作中的器件散热等作用；在绝缘本征GaN基底1上表面外延掺杂InGaN浓度为1e18-1e19cm-3的集电区层2；
集电区层2起收集与传输渡越第一隔离层3的电子流作用，在热学方面则作为第一隔离层3与绝缘GaN基底1及集电区金属电极引脚10之间的热传导媒质等；
第一隔离层3在器件结构上连接集电区层2与第一势垒层4，主要为穿过第一势垒层4的电子提供通向集电区层2的疏运路径、作为集电区层2与第一势垒层4之间的热传输路径及隔离集电区层2中量子能级对第一势垒层4两侧量子能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层5中对应的共振量子能级等作用；
势垒层4在结构上隔离第一隔离层3与量子阱层5，作为第一隔离层3与量子阱层5之间的纳米级厚度有限高势垒，即第一隔离层3与量子阱层5之间电子量子共振隧穿的路径；
量子阱层5介于第一势垒层4与第二势垒层6之间，作为纳米级厚度有限深电子势阱提供沿能量纵向量子化的束缚量子态电子能级；
第二势垒层6在结构上隔离量子阱层5与第二隔离层7，作为量子阱层5与第二隔离层7之间的纳米级厚度有限高势垒，即量子阱层5与第二隔离层7之间电子量子共振隧穿的路径；
第二隔离层7在器件结构上连接势垒层6与发射区层8，主要疏运来自发射区层8的电子，作为第二势垒层6与发射区层8之间的热传输路径，隔离发射区层8中电子的量子能级对第二势垒层6两侧束缚量子态能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层5对应的共振量子能级等；
发射区层8与发射区金属电极引脚11之间形成欧姆接触，连接第二隔离层7与发射区金属电极引脚11，作为第二隔离层7与发射区金属电极引脚11之间电子流的低阻通路和热传输路径等；
集电区金属电极引脚与集电区之间形成欧姆接触,连接器件集电区与外部电路。钝化层将器件的表面需要保护部分与外界环境之间隔离开来,并钝化表面悬挂键。
如图3所示，采用TCAD虚拟制造对本发明所述的振荡二极管进行仿真测试。仿真测试所采用参数如下：
集电区层2为60nm、第一隔离层3为22.95nm、第二隔离层7为4.43nm、发射区层8为28nm。第一势垒层4、量子阱层5、第二势垒层6每层的厚度见图4(a)、图4(b)、图4(c)。
可知，InGaN/GaN/InGaN/AlGaN/InGaN FKOD的电压域电流振荡的负微分电阻(NDR)特性具有在较高偏置电压范围(约大于2.5V)连续调幅振荡的特点，且振荡平衡电流呈现类似普通硅二极管争相电流特性，即从整体来看，在较高偏置电压下，振荡平衡电流随偏置电压指数增大的连续调幅振荡。
如图5所示，为不同偏压下电子波滤波特性的测试结果；可知，在给定偏置电压下，InGaN/GaN/InGaN/AlGaN/InGaN FKOD的电流为其量子阱中不同本征能量电子波被势垒以不同程度衰减后的叠加，故此，这种InGaN/GaN/InGaN/AlGaN/InGaN FKOD具有电子波滤波功能，能够用作偏压调制电子波滤波器。
结合图4(a)、图4(b)、图4(c)、图6和图7分析可知，仅当存在同时贯穿双势垒导带底之下及单量子阱导带底之上的共振本征束缚态能级，且这些能级分裂而成的具有多个子能级的子带(该子代中的相邻子能级间距相等)穿越集电极本征势垒与辅助势垒(即由集电极隔离层耗尽和集电极区载流子耗尽形成的耗尽层构成)交界处附近，同时，量子阱中电场分布由线性分布转变为非线性分布，则集电极势垒厚度低于几个晶格常数厚度条件下器件将会具有明显的EFKO特性。
本实施例具有GaN-AlGaN非对称双势垒，利用GaN基纳米薄膜的自发极化效应和压电极化效应在势垒层中形成反向内建电场有效地抑制其在电压域的低偏置电压区域的共振隧穿特性，一方面采用相对于该器件势垒层较宽的势阱层，使得势阱中束缚量子态随外加偏压的升高经历一系列简并与劈裂之后形成导带中多个子带，相邻子带之间的能量间距大于或者远大于子带中相邻能级之间的能量间距；另一方面利用紧邻集电极势垒的集电区耗尽层作为集电极势垒的辅助势垒，该耗尽层辅助势垒的导带底在外加偏压和极化电场的共同影响下沿发射极指向集电极的方向呈向下线性倾斜，并且随外加偏压的升高而逐渐降低，从而可以有助于线性调制位于该辅助势垒导带底顶端附近的束缚量子态子带中各能级对应电子波函数的直接共振隧穿与叠加(即临近频率电子波多波干涉)，从而使得这种FKOD的伏安特性在较高偏压区(对于GaN基FKOD一般偏置电压约高于2.5V)表现为多协调制电流振荡，具有很多个微分负阻(NDR)区，且振荡平衡电流随偏置电压升高而近似指数增加；远离该辅助势垒导带底顶端附近的束缚量子态子带中各能级对应电子波函数的直接共振隧穿则受到抑制，间接共振隧穿则需通过跃迁到位于该辅助势垒导带底顶端附近底顶端附近的束缚量子态子带中各能级上电子波函数的直接共振隧的束缚量子态子带中的能级上来实现，所以也归结为位于该辅助势垒导带穿。
Claims (4)
1.一种新型电压域振荡二极管，包括基底、集电区层、第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层、发射区层、钝化层、集电区金属电极引脚和发射区金属电极引脚；其特征在于：所述的基底上表面外延集电区层，集电区层上表面中部外延第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层与发射区层；第一隔离层、第一势垒层、量子阱层、第二势垒层、第二隔离层和发射区层构成共振隧穿二极管的中央量子结构区域；中央量子结构区域上表面为发射区金属电极引脚，中央量子结构区域外侧沉积有钝化层，钝化层外侧为集电区金属电极引脚；基底为初始上表面为镓面的厚度102-103μm的绝缘本征GaN层，集电区层为10-2-100μm厚的n+-InGaN层，第一隔离层为0-101nm厚的i-InGaN层，第一势垒层为1-6CAlGaN厚的i-AlGaN层，量子阱层为1-7CInGaN厚的为i-InGaN层，第二势垒层为1-5CGaN厚的i-GaN层，第二隔离层为100-101nm厚的i-InGaN层，发射区层为10-2-100μm厚的n+-InGaN层，钝化层为101μm厚的AlN层，CM为材料M的晶格常数，单位nm；
以绝缘本征GaN基底作为器件载体，起到决定器件层外延生长方向、支撑器件层、器件层中器件之间的隔离及辅助工作中的器件散热的作用；在绝缘本征GaN基底上表面外延集电区层；
集电区层起收集与传输渡越第一隔离层的电子流作用，在热学方面则作为第一隔离层与绝缘GaN基底及集电区金属电极引脚之间的热传导媒质；
第一隔离层在器件结构上连接集电区层与第一势垒层，主要为穿过第一势垒层的电子提供通向集电区层的疏运路径、作为集电区层与第一势垒层之间的热传输路径及隔离集电区层中量子能级对第一势垒层两侧量子能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层中对应的共振量子能级的作用；
势垒层在结构上隔离第一隔离层与量子阱层，作为第一隔离层与量子阱层之间的纳米级厚度有限高势垒，即第一隔离层与量子阱层之间电子量子共振隧穿的路径；
量子阱层介于第一势垒层与第二势垒层之间，作为纳米级厚度有限深电子势阱提供沿能量纵向量子化的束缚量子态电子能级；
第二势垒层在结构上隔离量子阱层与第二隔离层，作为量子阱层与第二隔离层之间的纳米级厚度有限高势垒，即量子阱层与第二隔离层之间电子量子共振隧穿的路径；
第二隔离层在器件结构上连接势垒层与发射区层，主要疏运来自发射区层的电子，作为第二势垒层与发射区层之间的热传输路径，隔离发射区层中电子的量子能级对第二势垒层两侧束缚量子态能级关系的影响、在外加偏压下形成与量子阱层对应的共振量子能级；
发射区层与发射区金属电极引脚之间形成欧姆接触，连接第二隔离层与发射区金属电极引脚，作为第二隔离层与发射区金属电极引脚之间电子流的低阻通路和热传输路径；
集电区金属电极引脚与集电区之间形成欧姆接触,连接器件集电区与外部电路；钝化层将器件的表面需要保护部分与外界环境之间隔离开来,并钝化表面悬挂键。
2.如权利要求1所述的一种新型电压域振荡二极管，其特征在于：所述的钝化层、集电区金属电极引脚和发射区金属电极引脚俯视结构为三个同心圆或者同心正多边形。
3.如权利要求1所述的一种新型电压域振荡二极管，其特征在于：所述的集电区层掺杂的InGaN浓度为1e18-1e19cm-3。
4.如权利要求1所述的一种新型电压域振荡二极管，其特征在于：所述的中央量子结构区域采用GaN基底通过分子束外延或者金属有机化学汽相淀积外延依次生长InGaN/AlGaN/InGaN/GaN/InGaN、反向依次刻蚀外延层、外延生长绝缘介质层、刻蚀金属电极接触孔、淀积金属电极层及金属电极层反刻的工艺制备。
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