CN109616552B - GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法 - Google Patents

GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种GaN/SiC异质结侧向光控IMPATT二极管及其制备方法。首先，确定n型GaN和p型SiC的晶体结构、材料参数，根据目标IMPATT二极管的工作频率计算出n区、p区长度；其次，选择当前晶型(p)SiC晶片为衬底，按照n、p区长度在衬底上分别形成n+、n、p+阱，且在对应阱中生长当前晶型(n+)GaN、(n)GaN、(p+)SiC；然后，氧化Ga2O3、SiO2保护层，覆盖遮光层，分别蚀刻出第一、第二空隙，生成正、负电极；最后，蚀刻出第三空隙，引入光照调控目标IMPATT二极管的性能，得到目标IMPATT二极管。实施本发明，能实现可见光、紫光调控目标IMPATT二极管。

Description

GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子晶体管技术领域，尤其涉及一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT(碰撞雪崩渡越时间，Impact Avalanche and Transist-Time)二极管及其制备方法。
背景技术
直接带隙氮化镓(GaN)、间接带隙碳化硅(SiC)为代表的第三代宽禁带半导体材料，以其宽禁带、高击穿临界场强、高饱和速度和高热导率等特性成为高频、高温、高压、大功率和抗辐射电子器件的理想材料。GaN的Baliga品质因数BFOM(Baliga figure ofmerit)、电子迁移率等参数高于SiC的相应值[R.S.Pengelly，et al，IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques，2012，60(6)：1764-1783.]，适用于高频大功率器件；而SiC的过剩噪声因子k远小于GaN的值，因而SiC器件的噪声更低。GaN/SiC异质结构兼具两种材料的优势，有助于改善异质结双极晶体管(HBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结场效应管(HFET)、紫外探测器等的性能，因而受到科技工作者的广泛关注，已在异质结制备方法及结构表征、异质结物理性质、异质结器件及应用等方面开展了大量工作。
例如，B.Moran使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在(n+)SiC上生长了Si掺杂Al组份逐步减小的AlGaN薄膜[B.Moran，et al，Journal of Crystal Growth，2000，221(1)：301-304.]，形成梯度(n)AlGaN/(n+)SiC异质结，当Si掺杂浓度低时，异质结I-V特征表现为二极管整流行为；当Si掺杂浓度高时，适度Al组份的梯度(n)AlGaN/(n+)SiC异质结I-V特征显示欧姆接触行为，即(n)AlGaN、(n+)SiC的导带可以线性对准。又如，J.T.Torvik等比较了MOCVD方法研制的(n)GaN/(p)4H-SiC/(n)4H-SiC、(n)GaN/(p)6H-SiC/(n)6H-SiC两种HBT的电学特征[J.T.Torvik，et al，Solid-State Electronics，2000，44(7)：1229-1233.]，在此两种HBT器件中，前、后二者室温下的直流电流增益分别达到15、106，GaN发射区与SiC基区的导带带阶(ΔEc)小，能够提高发射区的注入效率，而两者的价带带阶(ΔEv)大，阻止空穴从基区注入到发射区，可以达到很高的电流增益；间接带隙SiC基区的少子寿命比较长，基区掺杂浓度可以达到1019cm-3，能够降低基区电阻，抑制厄利效应，提高器件基区的传输因子，方便与金属电极形成欧姆接触；高击穿临界场强、高热导率的SiC集电区可以作为耐压的热沉，提高工作电流密度，(p)6H-SiC、p/n型6H-SiC同质结的光致发光(PL)、电致发光(EL)谱显示，(p)6H-SiC的导带底1.8eV左右有深能级缺陷，引起低的导通电压。L.E.Rodak等采用等离子体辅助的分子束外延(MBE)方法制备了AlGaN/(AlN)/SiC异质结二极管紫外光探测器[L..E.Rodak，et al，2012Lester Eastman Conference on HighPerformance Devices(LEC)，Singapore，7-9Aug.2012：1-6.]，通过在AlGaN、SiC之间引入AlN界面电荷控制层，反向偏置电压升高时，SiC侧吸收的低能光子产生的电子能够越过此时的势垒，长波的光响应增强。
最近研制的AlGaN/SiC异质结轴向IMPATT二极管展示了优良的应用前景[S.Banerjee，Journal of Semiconductors，2015，36(6)：064002-1-8.]，拥有比Si同质结器件更加优异的大信号性能，但是还没有GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的报道。以不同晶型的SiC晶片为衬底的平面GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管具有单片集成和串联组合的固有优越性，容易实现光照器件进入雪崩产生区，使得光生载流子与雪崩产生的载流子混合在一起，改变了载流子的输运，控制器件的输出功率、频率、注入闭锁。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法，具有单片集成和串联组合的固有优越性，能易实现光照器件进入雪崩产生区，使光生载流子与雪崩产生的载流子相混合，实现光对器件性能的控制。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种(n)GaN/(p)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤a1、获知GaN、SiC的当前晶型及其对应的材料参数，并将当前晶型的GaN、SiC的材料参数与目标IMPATT二极管的工作频率相结合，计算出目标IMPATT二极管的n区及p区的长度；
步骤a2、选择一定厚度当前晶型的p型掺杂SiC晶片作为衬底，并在所选衬底上确定GaN/SiC异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述GaN/SiC异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与n区长度相等的n阱；
步骤a3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n阱中生长当前晶型的n型掺杂GaN，形成n/p型的GaN/SiC异质结；
步骤a4、在所选衬底上，选定所述n阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区，得到长度、宽度及深度与n阱的对应值相等的n+阱，以及蚀刻所述第三蚀刻区，得到得到长度为p区长度而宽度及深度与n+阱对应值相等的p+阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；
步骤a5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n+阱中生长当前晶型的n+型掺杂GaN，以及在所述p+阱中生长当前晶型的p+型掺杂SiC，形成n+-n-p-p+型的GaN/SiC异质结；
步骤a6、在所述n+-n-p-p+型的GaN/SiC异质结的表面，利用直接氧化技术，在GaN表面形成一定厚度的Ga2O3保护层，在SiC表面形成一定厚度的SiO2保护层；并在所述n+-n-p-p+型的GaN/SiC异质结的四周涂覆遮光层；
步骤a7、在所述n+阱、p+阱的上方以及n+阱、p+阱之间靠近所述GaN/SiC异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及Ga2O3、SiO2保护层，得到位于所述n+阱上方的第一空隙、位于所述p+阱上方的第二空隙，以及位于所述GaN/SiC异质结两侧区域上方的第三空隙；
步骤a8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属、合金，分别在所述第一空隙、所述第二空隙中形成正、负电极，即得到目标IMPATT二极管。
所述SiC的晶型包括3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，所述GaN的晶型仅为纤锌矿(Wz)结构GaN；其中，
当所确定SiC的晶型为3C-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型的(n)GaN/(p)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为4H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型的(n)GaN/(p)4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为6H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型的(n)GaN/(p)6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管。
与(n)GaN形成欧姆接触的所述导电金属包括Al、Ti、Ag；与(n)GaN形成欧姆接触的所述导电合金包括TiAl、TiAlNiAu；与(p)SiC形成欧姆接触的所述导电金属包括Ni、Pd；与(p)SiC形成欧姆接触的所述导电合金包括AlTi、AuAlTi。
所述遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制备而成。
本发明实施例二提供了一种(p)GaN/(n)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤b1、获知GaN、SiC的当前晶型及其对应的材料参数，并将当前晶型的GaN、SiC的材料参数与目标IMPATT二极管的工作频率相结合，计算出目标IMPATT二极管的n区及p区的长度；
步骤b2、选择一定厚度当前晶型的n型SiC晶片作为衬底，并在所选衬底上确定GaN/SiC异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述GaN/SiC异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与p区长度相等的p阱；
步骤b3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p阱中生长当前晶型的p型掺杂GaN，形成p/n型的GaN/SiC异质结；
步骤b4、在所选衬底上，选定所述p阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区，得到长度、宽度及深度与p阱的对应值相等的p+阱，以及蚀刻所述第三蚀刻区，得到得到长度为n区长度而宽度及深度与p+阱对应值相等的n+阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；
步骤b5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p+阱中生长当前晶型p+型掺杂GaN，以及在所述n+阱中生长当前晶型的n+型掺杂SiC，形成p+-p-n-n+型的GaN/SiC异质结；
步骤b6、在所述p+-p-n-n+型的GaN/SiC异质结的表面，利用直接氧化技术，在GaN表面形成一定厚度的Ga2O3保护层，在SiC表面形成一定厚度的SiO2保护层；并在所述n+-n-p-p+型的GaN/SiC异质结的四周涂覆遮光层；
步骤b7、在所述p+阱、n+阱的上方以及p+阱、n+阱之间靠近所述GaN/SiC异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及Ga2O3、SiO2保护层，得到位于所述p+阱上方的第一空隙、位于所述n+阱上方的第二空隙，以及位于所述GaN/SiC异质结两侧区域上方的第三空隙；
步骤b8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属、合金，分别在所述第一空隙和所述第二空隙中形成负、正电极，即得到目标IMPATT二极管。
所述SiC的晶型包括3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，所述GaN的晶型仅为纤锌矿(Wz)结构GaN；其中，
当所确定SiC的晶型为3C-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的(p)GaN/(n)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为4H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的(p)GaN/(n)4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为6H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的(p)GaN/(n)6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管。
与(p)GaN形成欧姆接触的所述导电金属包括Au、Ni、Pd、Pt；与(p)GaN形成欧姆接触的所述导电合金包括NiAu、PtNiAu合金；与(n)SiC形成欧姆接触的所述导电金属包括Ni、Ti、W、Mo；与(n)SiC形成欧姆接触的所述导电合金包括TiAl、TiW合金。
所述遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制备而成。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明以不同晶型的SiC单晶片为衬底的平面GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管，具有单片集成和串联组合的固有优越性，容易实现光照器件进入雪崩产生区，使得光生载流子与雪崩产生的载流子混合在一起，改变了载流子的输运，控制器件的输出功率、频率、注入闭锁。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其它的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例一中提供的一种(n)GaN/(p)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法的流程图；
图2为本发明实施例一中提供的一种光照n区的(n)GaN/(p)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法的应用场景图；
图3为本发明实施例一中提供的一种光照p区的(n)GaN/(p)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法的应用场景图；
图4为本发明实施例二中提供的一种(p)GaN/(n)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法的流程图；
图5为本发明实施例二中提供的一种光照p区的(p)GaN/(n)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法的应用场景图；
图6为本发明实施例二中提供的一种光照n区的(p)GaN/(n)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法的应用场景图；
图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为发明实施例一中提供的(n)GaN/(p)3C-SiC、(n)GaN/(p)4H-SiC、(n)GaN/(p)6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的电场分布图；
图8(a)为本发明实施例一中提供的一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法制备所得n+-n-p-p+型(p)GaN/(n)4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管光照(n)4H-SiC前、后的导纳-频率关系；
图8(b)为本发明实施例一中提供的一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法制备所得n+-n-p-p+型(p)GaN/(n)6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管光照(n)6H-SiC前、后的导纳-频率关系；
图8(c)为本发明实施例一中提供的一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法制备所得n+-n-p-p+型(p)GaN/(n)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管光照(n)3C-SiC前、后的导纳-频率关系；
图8(d)为本发明实施例一中提供的一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法制备所得n+-n-p-p+型(p)GaN/(n)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管光照(p)GaN前、后的导纳-频率关系；
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明实施例一中，提供的一种n/p型GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤a1、获知GaN、SiC的当前晶型及其对应的材料参数，并将当前晶型的GaN、SiC的材料参数与目标IMPATT二极管的工作频率相结合，计算出目标IMPATT二极管的n区及p区的长度；
步骤a2、选择一定厚度当前晶型的p型掺杂SiC晶片作为衬底，并在所选衬底上确定GaN/SiC异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述GaN/SiC异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与n区长度相等的n阱；
步骤a3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n阱中生长当前晶型的n型掺杂GaN，形成n/p型的GaN/SiC异质结；
步骤a4、在所选衬底上，选定所述n阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区，得到长度、宽度及深度与n阱的对应值相等的n+阱，以及蚀刻所述第三蚀刻区，得到得到长度为p区长度而宽度及深度与n+阱对应值相等的p+阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；
步骤a5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n+阱中生长当前晶型的n+型掺杂GaN，以及在所述p+阱中生长当前晶型的p+型掺杂SiC，形成n+-n-p-p+型的GaN/SiC异质结；
步骤a6、在所述n+-n-p-p+型的GaN/SiC异质结的表面，利用直接氧化技术，在GaN表面形成一定厚度的Ga2O3保护层，在SiC表面形成一定厚度的SiO2保护层；并在所述n+-n-p-p+型的GaN/SiC异质结的四周涂覆遮光层；
步骤a7、在所述n+阱、p+阱的上方以及n+阱、p+阱之间靠近所述GaN/SiC异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及Ga2O3、SiO2保护层，得到位于所述n+阱上方的第一空隙、位于所述p+阱上方的第二空隙，以及位于所述GaN/SiC异质结两侧区域上方的第三空隙；
步骤a8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属、合金，分别在所述第一空隙、所述第二空隙中形成正、负电极，即得到目标IMPATT二极管。
应当说明的是，衬底的SiC晶片的晶型和掺杂浓度、p+阱中生长该晶型SiC的浓度，以及n阱和n+阱中生长的GaN的浓度，都可以根据目标IMPATT二极管的设计要求可调。同时，在步骤a7中，对遮光层及Ga2O3或SiO2层进行蚀刻形成的第三空隙，可以位于n/p结上方靠近结的n区一侧(如图2所示)，即对n阱上方的Ga2O3及遮光层材料进行蚀刻，也可以位于n/p结上方靠近结的p区一侧(如图3所示)，即对p阱上方的SiO2及遮光层材料进行蚀刻。
所述SiC的晶型包括3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，所述GaN的晶型仅为纤锌矿结构GaN；其中，
当所确定SiC的晶型为3C-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型(n)GaN/(p)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为4H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型(n)GaN/(p)4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为6H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型(n)GaN/(p)6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管。
与(n)GaN形成欧姆接触的所述导电金属包括Al、Ti、Ag；与(n)GaN形成欧姆接触的所述导电合金包括TiAl、TiAlNiAu；与(p)SiC形成欧姆接触的所述导电金属包括Ni、Pd；与(p)SiC形成欧姆接触的所述导电合金包括AlTi、AuAlTi。
所述遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制备而成。
以(n)GaN/(p)3C-SiC异质结的侧向型光控IMPATT二极管作为目标IMPATT二极管为例，对本发明实施例一中的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法的应用场景作进一步说明：
第一步、根据设计频率、材料参数计算得到(n)GaN/(p)3C-SiC异质结n+-n-p-p+型双漂移区侧向光控IMPATT二极管n区、p区的长度；在计算过程中选择Wz-GaN及其理化参数，并且考虑了不同晶型SiC材料对异质结器件性能的影响，器件的设计频率fd＝0.85THz，面积A＝10-7cm2，直流电流密度为3.2×105A/cm2，空间步长为0.5nm，时间步长为4×10-16s。同时，采用3C-SiC、GaN材料的参数，包括电子、空穴饱和漂移速度υsn、υsp，电子、空穴迁移率μn、μp，电子、空穴电离率αn、αp[α＝Aexp(-B/E)，A、B为电离系数]，电子、空穴扩散系数Dn、Dp，介电常数ε，等等；
第二步、在选定足够厚的p型3C-SiC衬底上，确定(n)GaN/(p)3C-SiC异质结的位置，在确定结位置的(n)GaN一侧，确定第一蚀刻区，按照设计的n区长度，利用化学方法刻蚀第一蚀刻区，得到n区长度相当的n阱，且n阱的深度与n区长度相等。
第三步、利用金属有机物化学气相沉积MOCVD技术，在n阱中生长(n)GaN，形成(n)GaN/(p)3C-SiC异质结；
第四步、按照设计的n区、p区的长度，在异质结中垂线的结的两侧分别确定第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区，得到长度、宽度及深度与n阱的对应值相等的n+阱，蚀刻所述第三蚀刻区，得到得到长度为p区长度而宽度及深度与n+阱对应值相等的p+阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；
第五步、利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术，在n+阱中生长(n+)GaN，在p+阱中生长(p+)3C-SiC，形成n+-n-p-p+型(n)GaN/(p)3C-SiC异质结；
第六步、在已经形成的n+-n-p-p+型(n)GaN/(p)3C-SiC异质结表面，氧化出适当厚的Ga2N3、SiO2层，并对四周全部涂覆一层不透光、不导电、耐腐蚀的树脂形成遮光层；
第七步、在遮光层上方确定三个待蚀刻的区域，利用掩膜刻蚀技术，对准(n+)GaN的区域进行蚀刻，依次刻蚀掉遮光层及GaN层得到第一空隙，选出对准(p+)3C-SiC的区域进行蚀刻，依次刻蚀掉遮光层及SiO2层得到第二空隙，以及选出位于n/p结上方靠近结的n区一侧(如图2所示)，即对n阱上方的遮光层及Ga2O3材料进行蚀刻，也可以选出位于n/p结上方靠近结的p区一侧(如图3所示)，即对p阱上方的遮光层及SiO2材料进行蚀刻，得到第三空隙；其中，p/n结附近刻蚀掉的窗口，作为光线的引入口，以便光照对IMPATT二极管的性能进行调控；
第八步、利用电子束蒸发技术，分别对准(n+)GaN、(p+)3C-SiC电极的刻蚀坑，各自沉积金属Al、AuAlTi，以便连接外电源的正极+、负极-；即完成n+-n-p-p+型(n)GaN/(p)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制造。
上述(n)GaN/(p)3C-SiC异质结的侧向型光控IMPATT二极管，可以利用经典漂移扩散模型来描述其内部载流子的分布情况。
当目标IMPATT二极管尺寸接近于材料的德布罗意波长，应该同时考虑宏观特性与微观的量子特性。其中，德布罗意波长采用公式(1)表示，经典极限长度采用公式(2)表示。
Figure BDA0001873967010000141
Figure BDA0001873967010000142
式(1)和(2)中，h为普朗克常数，
Figure BDA0001873967010000145
为约化普朗克常数，m*p(n)为空穴、电子的有效质量。kB为玻尔兹曼常数，T为器件温度。
目标IMPATT二极管的工作频率与它的漂移区长度成反比，随着目标IMPATT二极管工作频率的上升，它的漂移区的长度快速下降。
在太赫兹频率范围，GaN、SiC材料IMPATT二极管的尺寸小于约150nm，量子效应应当被考虑进去。使用量子校正漂移-扩散模型才能更准确模拟IMPATT器件的性能。
量子校正漂移-扩散模型中泊松方程、电荷连续性方程、电流密度方程变现形式如下：
Figure BDA0001873967010000143
Figure BDA0001873967010000144
Figure BDA0001873967010000151
Figure BDA0001873967010000152
Figure BDA0001873967010000153
式(5)-(7)中，GAn、GAp为电子、空穴雪崩产生率，GTn、GTp为电子、空穴隧穿产生率，μn、μp为电子、空穴迁移率，Qn、Qp为电子、空穴波姆势，波姆势的表达式为：
Figure BDA0001873967010000154
Figure BDA0001873967010000155
式(8)和(9)中，系数sp、sn为材料系数，
Figure BDA0001873967010000156
rp(n)为具有统计意义的无量纲量。该参数一般通过实验或者微观计算获得。对于绝大多数半导体，rp(n)在温度较高的情况下趋近于3。在IMPATT二极管工作时器件温度可以达到500K，满足高温条件，下面的计算中rp、rn取3。
求解泊松方程、电荷连续性方程、电流密度方程，则可得到目标IMPATT二极管的载流子、电场、电流的时间、空间分布，以及IMPATT二极管的导纳——频率关系。
如图4所示，为本发明实施例二中，提供的另一种p/n型GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管及其制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤b1、获知p型GaN、n型SiC的当前晶型及其对应的材料参数，并将当前p型GaN、n型SiC的当前晶型及其对应的材料参数与目标IMPATT二极管的工作频率相结合，计算出目标IMPATT二极管的n区及p区的长度；
步骤b2、选择一定厚度当前晶型的n型SiC晶片作为衬底，并在所选衬底上确定GaN/SiC异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述GaN/SiC异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与p区长度相等的p阱；
步骤b3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p阱中生长当前晶型的p型掺杂GaN，形成p/n型的GaN/SiC异质结；
步骤b4、在所选衬底上，选定所述p阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区，得到长度、宽度及深度与p阱的对应值相等的p+阱，以及蚀刻所述第三蚀刻区，得到得到长度为n区长度而宽度及深度与p+阱对应值相等的n+阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；
步骤b5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p+阱中生长当前晶型p+型掺杂GaN，以及在所述n+阱中生长当前晶型的n+型掺杂SiC，形成p+-p-n-n+型的GaN/SiC异质结；
步骤b6、在所述p+-p-n-n+型(n)GaN/(p)SiC异质结的表面，利用直接氧化技术，在GaN表面形成一定厚度的Ga2O3保护层，在SiC表面形成一定厚度的SiO2保护层；并在所述n+-n-p-p+型(n)GaN/(p)SiC异质结的四周涂覆遮光层；
步骤b7、在所述p+阱、n+阱的上方以及p+阱、n+阱之间靠近所述GaN/SiC异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及Ga2O3、SiO2保护层，得到位于所述p+阱上方的第一空隙、位于所述n+阱上方的第二空隙，以及位于所述GaN/SiC异质结两侧区域上方的第三空隙；
步骤b8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属、合金分别在所述第一空隙和所述第二空隙中形成负、正电极，即得到目标IMPATT二极管。
应当说明的是，衬底的SiC晶片的晶型和掺杂浓度、n+阱中生长该晶型SiC的浓度，以及p阱和p+阱中生长的GaN的浓度，都可以根据目标IMPATT二极管的设计要求可调。同时，在步骤b7中，对遮光层及Ga2O3或SiO2层进行蚀刻形成的第三空隙，可以位于p/n结上方靠近结的p区一侧(如图5所示)，即对p阱上方的Ga2O3及遮光层材料进行蚀刻，也可以位于p/n结上方靠近结的n区一侧(如图6所示)，即对n阱上方的SiO2及遮光层材料进行蚀刻。
在本发明实施例二中，SiC的晶型包括3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，GaN晶型包括纤锌矿(Wz)结构；其中，
当所确定SiC的晶型为3C-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的(p)GaN/(n)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为4H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的(p)GaN/(n)4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为6H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的(p)GaN/(n)6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管。
与(p)GaN形成欧姆接触的所述导电金属包括Au、Ni、Pd、Pt；与(p)GaN形成欧姆接触的所述导电合金包括NiAu、PtNiAu合金；与(n)SiC形成欧姆接触的所述导电金属包括Ni、Ti、W、Mo；与(n)SiC形成欧姆接触的所述导电合金包括TiAl、TiW合金。
所述遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制备而成。
所述(n)GaN/(p)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的光控原理具体为，根据器件内的空穴、电子电流密度Jp(x)、Jn(x)，定义P(x)＝[Jp(x)-Jn(x)]/[Jp(x)+Jn(x)]，在n+/n、p/p+结x＝0、x＝w处的边界条件分别为：P(x＝0)＝(2/Mp-1)，P(x＝w)＝(1-2/Mn)；
空穴、电子电流的倍增因子Mp、Mn分别为：
Figure BDA0001873967010000181
Figure BDA0001873967010000182
其中，式(10)和(11)等号右边分母的第1、2、3项分别为热电流、光生载流子的漂移电流、光生载流子的扩散电流。无光照时，没有光生载流子，因此第2、3项均为0。
n区原来的少子为空穴。光照n区GaN产生的电子-空穴对电子电流的倍增因子Mn基本无影响，而引起空穴电流的倍增因子M″p大大减小，改变了p区的电导。另外在n+/n、p/p+结x＝0、x＝w处的边界条件分别变为：P(x＝＝0)＝2/M″n-1，P(x＝w)＝1。
p区原来的少子为电子。光照p区SiC产生的电子-空穴对空穴电流的倍增因子Mp基本无影响，而导致电子电流的倍增因子M″n大大减小，改变了p区的电导。另外，在n+/n、p/p+结x＝0、x＝w处的边界条件分别变为：P(x＝0)＝-1，P(x＝w)＝1-2/M″n。
因为(n)GaN、(p)SiC材料的电子电离率、空穴电离率不同，所以光分别照射(n)GaN、(p)SiC对n+-n-p-p+-SiC双漂移区异质结侧向型光控IMPATT二极管性能的影响效果不同。
另外，SiC有不同晶型，光照不同晶型SiC时对器件性能的影响也不同。GaN、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC的带隙Eg分别为3.39eV、2.20eV、3.25eV、3.03eV，根据材料吸收光的波长λ限制的要求λ≤1.24/Eg，GaN、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC的吸收光波长λ限分别为0.37μm、0.52μm、0.38μm、0.41μm。所以，采用近紫外——可见光照射(n)GaN/(p)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的p、n区进而调控其性能是可行的。
相应于本发明实施例一中提供的一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法应用制备得到的(n)GaN/(p)3C-SiC异质结的侧向型光控IMPATT二极管，本发明实施例二中提供的一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管制备方法应用制备得到的(p)GaN/(n)3C-SiC异质结的侧向型光控IMPATT二极管具有相似性，以及二者的光控原理完全相同，因此在此不再赘述。
本发明仿真了(n)GaN/(p)SiC、(p)GaN/(n)SiC两种异质结侧向型光控IMPATT二极管的直、交流性能。在计算过程中考虑了材料对目标二极管性能的影响，工作频率设计为fd＝0.85THz，面积A＝10-7cm2，直流电流密度为3.2×105A/cm2，空间步长为0.5nm，时间步长为4×10-16s，电子静止质量m0＝9.1×10-31kg。采用Wz-GaN及不同晶型SiC的理化参数包括电子、空穴饱和漂移速度υsn、υsp，电子、空穴迁移率μn、μp，电子、空穴电离率αn、αp[α＝Aexp(-B/E)，A、B为电离系数]，电子、空穴扩散系数Dn、Dp，介电常数ε，等等。
所述(n)GaN/(p)3C-SiC、(n)GaN/(p)4H-SiC、(n)GaN/(p)6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管，无光照工作时的内部电场分布如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示。从图7(a)、(b)、(c)可见，稳态场强峰值(Ep)位于n/p结处，这是因为该结界面两侧n区与p区的空间电荷符号相反而激发的电场方向相同，因此电场在n/p结界面处发生从上升到下降的转折。(n)GaN/(p)4H-SiC、(n)GaN/(p)6H-SiC异质结的EP十分相近，而(n)GaN/(p)3C-SiC异质结的EP明显较小。这是由于3C-SiC的禁带宽度值明显小于4H-SiC、6H-SiC、GaN的对应值，这使得(n)GaN/(p)3C-SiC异质结比(n)GaN/(p)4H-SiC、(n)GaN/(p)6H-SiC异质结更容易电离，所以前者的EP明显较小。图7(a)、(b)、(c)中每张图上共有5条线，分别代表一个周期内t＝0、1T/4、2T/4、3T/4、T时刻的电场分布，其中t＝0、2T/4、T时刻的电场分布几乎重合。
如图8所示，分别为光照前、后(n)GaN/(p)SiC不同异质结侧向型光控IMPATT二极管的导纳-频率关系。
综合考虑载流子电离率、击穿电压、峰值负电导等因素，包含3C-SiC材料的目标IMPATT二极管的输出功率、转换效率较高。
当本发明的目标IMPATT二极管工作在太赫兹频段时，它的电纳主要来自于异质结的冷电容，该冷电容与介电常数成正比、与尺寸成反比，较小异质结的冷电容更大，导致(p)GaN/(n)4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的电纳较大。因此，(p)GaN/(n)4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的品质因子Q值大于(n)GaN/(p)4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的Q值。
结果显示，(n)GaN/(p)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的输出功率、转换效率大于(p)GaN/(n)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的相应值。对(n)GaN/(p)SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管，其中(n)GaN/(p)6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的输出功率、Q值最大，效率最小(n)GaN/(p)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的输出功率、Q值最小，效率最大。在设计目标IMPATT二极管时，要根据性能需求选择不同晶型的SiC材料及二极管结构参数。
对比图8(c)与图8(d)可见，针对(n)GaN/(p)3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管，光照(n)GaN区域引起负电导下降的效果比光照(p)3C-SiC区域的效果更加显著，这与(n)GaN为直接带隙材料、光吸收更强有关。
实施本发明的有益效果
本发明以不同晶型的SiC晶片为衬底的平面GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管，具有单片集成和串联组合的固有优越性，容易实现光照器件进入雪崩产生区，使得光生载流子与雪崩产生的载流子混合在一起，改变了载流子的输运，控制器件的输出功率、频率、注入闭锁。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种n/p型GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a1、获知n型GaN、p型SiC的当前晶型及其对应的材料参数，并将当前晶型的GaN、SiC的材料参数与目标IMPATT二极管的工作频率相结合，计算出目标IMPATT二极管的n区及p区的长度；
步骤a2、选择具有厚度当前晶型的p型掺杂SiC晶片作为衬底，并在所选衬底上确定GaN/SiC异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述GaN/SiC异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与n区长度相等的n阱；
步骤a3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n阱中生长当前晶型的n型掺杂GaN，形成n/p型GaN/SiC异质结；
步骤a4、在所选衬底上，选定所述n阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区，得到长度、宽度及深度与n阱的对应值相等的n+阱，蚀刻所述第三蚀刻区，得到得到长度为p区长度而宽度及深度与n+阱对应值相等的p+阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；
步骤a5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述n+阱中生长当前晶型的n+型掺杂GaN，以及在所述p+阱中生长当前晶型的p+型掺杂SiC，形成n+-n-p-p+型GaN/SiC异质结；
步骤a6、在所述n+-n-p-p+型GaN/SiC异质结的表面，利用直接氧化技术，在GaN表面形成具有厚度的Ga2O3保护层，在SiC表面形成具有厚度的SiO2保护层；并在所述n+-n-p-p+型GaN/SiC异质结的四周涂覆遮光层；
步骤a7、在所述n+阱、p+阱的上方以及n+阱、p+阱之间靠近所述GaN/SiC异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及Ga2O3、SiO2保护层，得到位于所述n+阱上方的第一空隙、位于所述p+阱上方的第二空隙，以及位于所述GaN/SiC异质结两侧区域上方的第三空隙；
步骤a8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属或合金，分别在所述第一空隙和所述第二空隙中形成正电极和负电极，即得到目标IMPATT二极管。
2.如权利要求1所述的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法，其特征在于，所述SiC的晶型包括3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，所述GaN的晶型仅为纤锌矿结构GaN；其中，
当所确定SiC的晶型为3C-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型的n型GaN/p型3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为4H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型的n型GaN/p型4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为6H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为n+-n-p-p+型的n型GaN/p型6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管。
3.如权利要求1所述的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法，其特征在于，与n型GaN形成欧姆接触的所述导电金属包括Al、Ti、Ag；与n型GaN形成欧姆接触的所述导电合金包括TiAl、TiAlNiAu；与p型SiC形成欧姆接触的所述导电金属包括Ni、Pd；与p型SiC形成欧姆接触的所述导电合金包括AlTi、AuAlTi。
4.如权利要求1所述的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的 制备方法，其特征在于，所述遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制备而成。
5.一种p/n型GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤b1、获知p型GaN、n型SiC的当前晶型及其对应的材料参数，并将当前晶型的GaN、SiC的材料参数与目标IMPATT二极管的工作频率相结合，计算出目标IMPATT二极管的n区及p区的长度；
步骤b2、选择具有厚度当前晶型的n型SiC晶片作为衬底，并在所选衬底上确定GaN/SiC异质结的位置，且进一步在所选衬底上确定所述GaN/SiC异质结位置一侧的某一区域作为第一蚀刻区，蚀刻所述第一蚀刻区得到长度、宽度及深度均与p区长度相等的p阱；
步骤b3、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p阱中生长当前晶型的p型掺杂GaN，形成p/n型的GaN/SiC异质结；
步骤b4、在所选衬底上，选定所述p阱两侧的某两个区域分别作为第二蚀刻区和第三蚀刻区，蚀刻所述第二蚀刻区，得到长度、宽度及深度与p阱的对应值相等的p+阱，以及蚀刻所述第三蚀刻区，得到得到长度为n区长度而宽度及深度与p+阱对应值相等的n+阱；其中，所述第二蚀刻区与所述第一蚀刻区相连；
步骤b5、利用金属有机物化学气相沉积技术，在所述p+阱中生长当前晶型p+型掺杂GaN，以及在所述n+阱中生长当前晶型的n+型掺杂SiC，形成p+-p-n-n+型的GaN/SiC异质结；
步骤b6、在所述p+-p-n-n+型的GaN/SiC异质结的表面，利用直接氧化技术，在GaN表面形成具有厚度的Ga2O3保护层，在SiC表面形成具有厚度的SiO2保护层；并在所述n+-n-p-p+型的GaN/SiC异质结的四周涂覆遮光层；
步骤b7、在所述p+阱、n+阱的上方以及p+阱、n+阱之间靠近所述GaN/SiC异质结两侧的上方，曝光显影出三个蚀刻区，分别蚀刻掉所述三个蚀刻区范围的遮光层以及Ga2O3、SiO2保护层，得到位于所述p+阱上方的第一空隙、位于所述n+阱上方的第二空隙，以及位于所述GaN/SiC异质结两侧区域上方的第三空隙；
步骤b8、利用电子束蒸发技术，采用导电金属或合金，分别在所述第一空隙和第二空隙中形成负电极和正电极，即得到目标IMPATT二极管。
6.如权利要求5所述的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法，其特征在于，所述SiC的晶型包括3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC，所述GaN的晶型仅为纤锌矿结构GaN；其中，
当所确定SiC的晶型为3C-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的p型GaN/n型3C-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为4H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的p型GaN/n型4H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管；
当所确定SiC的晶型为6H-SiC时，得到的目标IMPATT二极管为p+-p-n-n+型的p型GaN/n型6H-SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管。
7.如权利要求5所述的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法，其特征在于，与p型GaN形成欧姆接触的所述导电金属包括Au、Ni、Pd、Pt；与p型GaN形成欧姆接触的所述导电合金包括NiAu、PtNiAu合金；与n型SiC形成欧姆接触的所述导电金属包括Ni、Ti、W、Mo；与n型SiC形成欧姆接触的所述导电合金包括TiAl、TiW合金。
8.如权利要求5所述的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法，其特征在于，所述遮光层采用不透光、不导电、耐腐蚀的树脂制备而成。
9.一种GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管，其特征在于，其采用如权利要求1-4中任一项所述的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法制备而成；或采用如权利要求5-8中任一项所述的GaN/SiC异质结侧向型光控IMPATT二极管的制备方法制备而成。
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Assignee: Yueqing Institute of industry, Wenzhou University

Assignor: Wenzhou University

Contract record no.: X2020330000105

Denomination of invention: GaN / SiC heterostructure lateral type optically controlled IMPATT diode and its preparation method

Granted publication date: 20200414

License type: Common License

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