CN109638085A - GaAs基共振隧穿二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于半导体技术领域，提供了一种GaAs基共振隧穿二极管及其制备方法，GaAs基共振隧穿二极管包括：GaAs衬底；所述GaAs衬底上表面设有组分渐变的InAlAs缓冲层；所述缓冲层上表面设有重掺杂In0.53Ga0.47As集电极外延层；所述集电极外延层的集电极区的上表面设有集电极，除集电极区以外区域的上表面设有非掺杂In0.53Ga0.47As第一隔离层；所述第一隔离层的上表面设有量子肼层；所述量子肼层的上表面设有非掺杂In0.53Ga0.47As第二隔离层；所述第二隔离层的上表面设有重掺杂In0.53Ga0.47As发射极外延层；所述发射极外延层上表面设有发射极，所述发射极通过空气桥与焊盘连接。本发明能够生长高质量的InGaAs外延层，从而提高共振隧穿二极管的性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种GaAs基共振隧穿二极管及其制备方法。
背景技术
目前共振隧穿二极管主要采用InP基InGaAs材料，但是InP材料价格很高，而且InP材料很脆，对制作工艺要求非常高，因此InP基的共振隧穿二极管的机械强度并不高，应用时的震动等外界因素很容易造成芯片的破裂。GaAs材料相对成熟、便宜，机械强度优于InP材料，但是由于GaAs与InGaAs的晶格不匹配，所以难以制备高性能的共振隧穿二极管。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种GaAs基共振隧穿二极管及其制备方法，以解决现有技术中GaAs与InGaAs的晶格不匹配，所以难以制备高性能的共振隧穿二极管的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种GaAs基共振隧穿二极管，包括：
GaAs衬底；
所述GaAs衬底上表面设有组分渐变的InAlAs缓冲层；
所述缓冲层上表面设有重掺杂In0.53Ga0.47As集电极外延层；
所述集电极外延层的集电极区的上表面设有集电极，除集电极区以外区域的上表面设有非掺杂In0.53Ga0.47As第一隔离层；
所述第一隔离层的上表面设有量子肼层；
所述量子肼层的上表面设有非掺杂In0.53Ga0.47As第二隔离层；
所述第二隔离层的上表面设有重掺杂In0.53Ga0.47As发射极外延层；
所述发射极外延层上表面设有发射极，所述发射极通过空气桥与焊盘连接。
在第一种实现方式中，所述InAlAs缓冲层中In组分从0渐变到0.53。
在第二种实现方式中，所述量子肼层从下至上依次为：AlAs层、InGaAs层和AlAs层，其中所述InGaAs层中In组分的范围为0.5至1。
在第三种实现方式中，所述集电极外延层为N型掺杂，掺杂浓度的范围为1017/cm3至1019/cm3。
在第四种实现方式中，所述发射极外延层为N型掺杂，掺杂浓度的范围为1017/cm3至1019/cm3。
在第五种实现方式中，所述GaAs衬底的厚度小于20微米。
在第六种实现方式中，所述集电极和所述发射极的材质为镍、金、锗、钛、铂中的一种或多种。
本发明实施例的第二方面提供了一种GaAs基共振隧穿二极管的制备方法，包括：
在GaAs衬底上依次外延组分渐变的InAlAs缓冲层、重掺杂In0.53Ga0.47As集电极外延层、非掺杂In0.53Ga0.47As第一隔离层、量子肼层、非掺杂In0.53Ga0.47As第二隔离层和重掺杂In0.53Ga0.47As发射极外延层；
依次去除所述发射极外延层与集电极区对应的区域、所述第二隔离层与所述集电极区对应的区域、所述量子肼层与所述集电极区对应的区域和所述第一隔离层与所述集电极区对应的区域，露出集电极外延层；
分别在所述发射极外延层上表面制备发射极，在所述集电极外延层的上表面制备集电极；
制备连接所述发射极和焊盘的空气桥。
在第一种实现方式中，还包括：
将所述GaAs衬底减薄至20微米以下。
在第二种实现方式中，还包括：
进行退火处理。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过在GaAs衬底上外延一层组分渐变的InAlAs缓冲层，再外延InGaAs外延层，能够降低InGaAs外延层与GaAs衬底之间的晶格失配，生长高质量的InGaAs外延层，从而提高共振隧穿二极管的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的GaAs基共振隧穿二极管的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的量子肼层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的GaAs基共振隧穿二极管的制备方法的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
请参考图1，图1是本发明一实施例提供的一种GaAs基共振隧穿二极管的结构示意图，包括：GaAs衬底101，GaAs衬底101上表面设有组分渐变的InAlAs缓冲层102，缓冲层102上表面设有重掺杂In0.53Ga0.47As集电极外延层103，集电极外延层103的集电极区的上表面设有集电极109，除集电极区以外区域的上表面设有非掺杂In0.53Ga0.47As第一隔离层104，第一隔离层104的上表面设有量子肼层105，量子肼层105的上表面设有非掺杂In0.53Ga0.47As第二隔离层106，第二隔离层106的上表面设有重掺杂In0.53Ga0.47As发射极外延层107，发射极外延层107上表面设有发射极108，发射极108通过空气桥与焊盘连接，焊盘可以设置在GaAs衬底101的上表面，也可以设置在其他位置，本发明实施例不做具体限定。
在本发明实施例中，缓冲层102中In组分和Al组分是渐变的，In组分和Al组分之和为1。一种实现方式中，In组分自下至上递增，相应的，Al组分自下至上递减，例如，自下至上，In组分由0增加到0.53，Al组分由1减小到0.47，即，缓冲层102的材料由AlAs渐变为In0.53Al0.47As。另一种实现方式中，In组分自下至上递减，相应的，Al组分自下至上递增，例如，自下至上，In组分由0.53减小到0，Al组分由0.47增加到1，即，缓冲层102的材料由In0.53Al0.47As渐变为AlAs。渐变形式可以是线性形式渐变、抛物线形式渐变或折线形式渐变，也可以是其他渐变形式，本发明实施不做具体限定。
在本发明实施例中，InGaAs外延层中In组分为0.53，Ga组分为0.47。
在本发明实施例中，缓冲层102的作用是使GaAs与InGaAs的晶格相匹配，提高晶体质量。集电极外延层103的作用是在这一层上制备金属电极做集电极第一隔离层104的作用是隔离势垒层和集电极量子肼层105的作用是形成共振隧穿效应。第二隔离层106的作用是隔离势垒层和发射极发射极外延层107的作用是在这一层上制备发射极金属电极
在本发明实施例中，缓冲层102的厚度范围为2um，缓冲层102太厚，会导致生长时间太长，太薄，会导致晶体质量差。
本发明实施例通过在GaAs衬底101上外延一层组分渐变的InAlAs缓冲层102，再外延InGaAs外延层，能够降低InGaAs外延层与GaAs衬底101之间的晶格失配，生长高质量的InGaAs外延层，从而提高共振隧穿二极管的性能。
作为本发明的一个实施例，缓冲层102中，In组分从0渐变到0.53，相应的，Al组分由1渐变到0.47，以达到与下一层的InGaAs的晶格相匹配。
作为本发明的一个实施例，请参考图2，量子肼层105从下至上依次为：AlAs层1051、InGaAs层1052和AlAs层1053。其中，InGaAs层1052中In组分的范围为0.5至1。通过AlAs层1051、InGaAs层1052和AlAs层1053形成双势垒单势阱层。
作为本发明的一个实施例，集电极外延层103和发射极外延层107均为N型掺杂，掺杂的元素为Ⅳ族元素，掺杂浓度的范围为1017/cm3至1019/cm3。
作为本发明的一个实施例，GaAs衬底101的厚度小于20微米。通过将GaAs衬底101减薄至20微米以下，能够实现高性能的太赫兹频段的GaAs基共振隧穿二极管，并且，GaAs衬底101机械强度高，不会导致器件碎裂。
作为本发明的一个实施例，集电极109和发射极108的材质为镍、金、锗、钛、铂中的一种或多种。
图3是本发明的一个实施例提供一种GaAs基共振隧穿二极管的制备方法，用于制备上述实施例中的GaAs基共振隧穿二极管，该方法包括以下步骤：
步骤1：在GaAs衬底101上依次外延组分渐变的InAlAs缓冲层102、重掺杂In0.53Ga0.47As集电极外延层103、非掺杂In0.53Ga0.47As第一隔离层104、量子肼层105、非掺杂In0.53Ga0.47As第二隔离层106和重掺杂In0.53Ga0.47As发射极外延层107。
外延方法包括但不限于金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，MOCVD)、等离子体增强化学的气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，PEDVD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)等。
步骤2：依次去除发射极外延层107与集电极区对应的区域、第二隔离层106与集电极区对应的区域、量子肼层105与集电极区对应的区域和第一隔离层104与集电极区对应的区域，露出集电极外延层103。
具体制备工艺为：在发射极外延层107中除与集电极区对应区域以外区域的上表面生长掩膜层，然后，通过酸性腐蚀液进行腐蚀。
步骤3：分别在所述发射极外延层107上表面制备发射极108，在所述集电极外延层103的上表面制备集电极109。
具体制备工艺为：在发射极外延层107上表面和露出的集电极外延层103上表面涂覆光刻胶，并通过曝光、显影、定影光刻出发射极图形和集电极图形，然后蒸发金属层，其中，金属层的材质为镍、金、锗、钛、铂中的一种或多种，最后剥离光刻胶，制备出发射极108和集电极109。
步骤4：制备连接所述发射极和焊盘的空气桥。
在本发明实施例中，采用电镀方法制备空气桥，将发射极108引导焊盘上。
本发明实施例通过在GaAs衬底101上外延一层组分渐变的InAlAs缓冲层102，再外延InGaAs外延层，能够降低InGaAs外延层与GaAs衬底101之间的晶格失配，生长高质量的InGaAs外延层，从而提高共振隧穿二极管的性能。
作为本发明的一个实施例，该方法还包括：将GaAs衬底101减薄至20微米以下。通过机械研磨和抛光的方法将、GaAs衬底101减薄。
作为本发明的一个实施例，该方法还包括：进行退火处理。通过退火处理实现发射极108与发射极外延层107之间和集电极108与集电极外延层103之间的欧姆接触。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaAs基共振隧穿二极管，其特征在于，包括：
GaAs衬底；
所述GaAs衬底上表面设有组分渐变的InAlAs缓冲层；
所述缓冲层上表面设有重掺杂In0.53Ga0.47As集电极外延层；
所述集电极外延层的集电极区的上表面设有集电极，除集电极区以外区域的上表面设有非掺杂In0.53Ga0.47As第一隔离层；
所述第一隔离层的上表面设有量子肼层；
所述量子肼层的上表面设有非掺杂In0.53Ga0.47As第二隔离层；
所述第二隔离层的上表面设有重掺杂In0.53Ga0.47As发射极外延层；
所述发射极外延层上表面设有发射极，所述发射极通过空气桥与焊盘连接。
2.如权利要求1所述的GaAs基共振隧穿二极管，其特征在于，所述InAlAs缓冲层中In组分从0渐变到0.53。
3.如权利要求1所述的GaAs基共振隧穿二极管，其特征在于，所述量子肼层从下至上依次为：AlAs层、InGaAs层和AlAs层，其中所述InGaAs层中In组分的范围为0.5至1。
4.如权利要求1所述的GaAs基共振隧穿二极管，其特征在于，所述集电极外延层为N型掺杂，掺杂浓度的范围为1017/cm3至1019/cm3。
5.如权利要求1所述的GaAs基共振隧穿二极管，其特征在于，所述发射极外延层为N型掺杂，掺杂浓度的范围为1017/cm3至1019/cm3。
6.如权利要求1所述的GaAs基共振隧穿二极管，其特征在于，所述GaAs衬底的厚度小于20微米。
7.如权利要求1至6任一项所述的GaAs基共振隧穿二极管，其特征在于，所述集电极和所述发射极的材质为镍、金、锗、钛、铂中的一种或多种。
8.一种基于权利要求1至7任一项所述的GaAs基共振隧穿二极管的制备方法，其特征在于，包括：
在GaAs衬底上依次外延组分渐变的InAlAs缓冲层、重掺杂In0.53Ga0.47As集电极外延层、非掺杂In0.53Ga0.47As第一隔离层、量子肼层、非掺杂In0.53Ga0.47As第二隔离层和重掺杂In0.53Ga0.47As发射极外延层；
依次去除所述发射极外延层与集电极区对应的区域、所述第二隔离层与所述集电极区对应的区域、所述量子肼层与所述集电极区对应的区域和所述第一隔离层与所述集电极区对应的区域，露出集电极外延层；
分别在所述发射极外延层上表面制备发射极，在所述集电极外延层的上表面制备集电极；
制备连接所述发射极和焊盘的空气桥。
9.如权利要求8所述的GaAs基共振隧穿二极管的制备方法，其特征在于，还包括：
将所述GaAs衬底减薄至20微米以下。
10.如权利要求8或9所述的GaAs基共振隧穿二极管的制备方法，其特征在于，还包括：
进行退火处理。
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| CN108550620A (zh) * | 2018-04-10 | 2018-09-18 | 雄安华讯方舟科技有限公司 | 高峰谷电流比的共振隧穿二极管晶圆结构及其制备方法 |
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2018
- 2018-12-05 CN CN201811477123.9A patent/CN109638085A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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