CN109786531B - 一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构及其制备方法 - Google Patents
一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构及其制备方法，属于半导体电子器件技术领域。其从下至上依次由衬底、Alx0Ga1‑x0N模板层、n‑Alx1Ga1‑x1N极化诱导掺杂层、Alx2Ga1‑x2N插入层、p‑Alx3Ga1‑x3N极化诱导掺杂层和p‑Alx4Ga1‑x4N重掺杂层构成。所述n‑Alx1Ga1‑x1N极化诱导掺杂层、Alx2Ga1‑x2N插入层和p‑Alx3Ga1‑x3N极化诱导掺杂层共同构成极化诱导隧穿结。本发明提出的隧穿结结构全部由AlGaN材料构成，使用极化诱导掺杂的方法改善高Al组分AlGaN掺杂难的问题，并使用高Al组分的Alx2Ga1‑x2N作为插入层，进一步提高器件的隧穿几率，获得性能良好的隧穿结器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体电子器件技术领域，具体涉及一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构及其制备方法。
背景技术
隧穿结二极管又称为江崎二极管，是由p和n两侧皆为简并(重掺杂)且过渡区陡峭的p-n结构成，其工作原理是通过隧穿效应实现二极管反向导通。传统的隧穿结通常采用砷化物、锑化物等材料制备，随着近年来GaN基LED的发展，AlGaN基隧穿结二极管开始进入到了人们的视野。AlGaN基隧穿结二极管可应用于紫外LED中实现p-n倒置结构，提高载流子注入效率。另外，带有隧穿结的紫外LED结构可以避免p型电极的制备，有效地解决了p型AlGaN材料欧姆接触难以实现的问题。由于AlGaN基隧穿结二极管具有较宽的禁带宽度，通过合理的结构设计，可以实现对紫外LED有源区发光较高的透过率，有利于提高紫外LED的光提取效率。虽然AlGaN基隧穿结二极管具有着重要的应用，但AlGaN材料较高的施主和受主激活能使其很难实现较高浓度的掺杂，AlGaN基隧穿结很难实现较好的电学特性，大大限制了AlGaN基隧穿结二极管的应用。
发明内容
本发明的目的就是为解决在AlGaN基隧穿结二极管中高Al组分AlGaN掺杂难、电学特性较差的问题。利用AlGaN基材料本身固有的极化特性增加隧穿结n型侧的电子浓度和p型侧的空穴浓度，提高器件的隧穿几率。采用MOCVD设备在衬底上制备一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，达到优化隧穿结电学特性的目的。
本发明的技术方案是：
本发明所设计的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构(见附图1和附图说明)，其特征在于：其从下至上依次由衬底1、Alx0Ga1-x0N模板层2(为非组份渐变层)、n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3(为组份渐变层)、Alx2Ga1-x2N插入层4(为非组份渐变层)、p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5(为组份渐变层)和p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6(为非组份渐变层)构成。
所述n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3、Alx2Ga1-x2N插入层4和p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5共同构成极化诱导隧穿结。采用Al组分线性增加的n-Alx1Ga1-x1N作为n型极化诱导掺杂层，提高电子的浓度；采用Al组分线性减小的p-Alx3Ga1-x3N作为p型极化诱导掺杂层，提高空穴的浓度；在n-Alx1Ga1-x1N层和p-Alx3Ga1-x3N层之间插入一层高Al组分的Alx2Ga1-x2N插入层4层用于在界面处分别实现高浓度的二维电子气和空穴气。本发明提出的隧穿结结构全部由AlGaN材料构成，使用极化诱导掺杂的方法改善高Al组分AlGaN掺杂难的问题，并使用高Al组分的Alx2Ga1-x2N作为插入层，进一步提高器件的隧穿几率，获得性能良好的隧穿结器件。
如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：衬底1可以是蓝宝石、SiC、Si、GaN或者AlN，为n型导电衬底或非故意掺杂的高阻型衬底。
如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：Alx0Ga1- x0N模板层2的外延方向为AlGaN材料的[0001]方向，从而保证在其上外延的其他结构也保持[0001]方向；其中，Alx0Ga1-x0N模板层2根据衬底的导电类型及器件结构的要求，可以是Si掺杂的n型导电衬底或者是非故意掺杂的高阻型衬底，0≤x0≤1。(当x0＝0时，模板层2为GaN，当x0＝1时，模板层2为AlN，这两种情况的材料都适合作模板层，为非组份渐变层)。
如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3(为组份渐变层)由掺Si的AlGaN材料构成，n-Alx1Ga1-x1N组份x1沿外延生长方向线性增加，0≤x1<1。
如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：Alx2Ga1- x2N插入层4(为非组份渐变层)由组份较高的Alx2Ga1-x2N材料构成，0≤x1<x2≤1。
如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5(为组份渐变层)由掺Mg的AlGaN材料构成，p-Alx3Ga1-x3N组份x3沿外延生长方向线性减小，0≤x3<x2。
如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6(为非组份渐变层)由掺Mg的AlGaN材料构成，0≤x4<1。
如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：Alx0Ga1- x0N模板层2的厚度为100nm～4000nm,n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3的厚度为50～100nm，Alx2Ga1-x2N插入层4的厚度为5～20nm，p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5的厚度为50～100nm，p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6的厚度为5～10nm。
一种如上所述的基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结的制备方法，其特征在于：
1)在衬底1上采用MOCVD方法依次外延生长Alx0Ga1-x0N模板层2、n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3、Alx2Ga1-x2N插入层4、p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5、p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6，从而制备得到极化诱导隧穿结结构；
2)Alx0Ga1-x0N模板层2的生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，如需n型掺杂，掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1017～1021/cm3；n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3的生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1017～1021/cm3；Alx2Ga1-x2N插入层4生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气；p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5的生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为二茂镁，掺杂浓度为1017～1021/cm3；p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6的生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为二茂镁，掺杂浓度为1017～1021/cm3。
本发明的效果和益处：采用Al组分线性增加的n型AlGaN作为n型极化诱导掺杂层，提高电子的浓度；采用Al组分线性减小的p型AlGaN作为p型极化诱导掺杂层，提高空穴的浓度；在n型AlGaN层和p型AlGaN层之间插入一层高Al组分的AlGaN层用于在界面处分别实现高浓度的二维电子气和空穴气。本发明提出的隧穿结结构全部由AlGaN材料构成，使用极化诱导掺杂的方法改善高Al组分AlGaN掺杂难的问题，并使用高Al组分的AlGaN作为插入层，进一步提高器件的隧穿几率，获得性能良好的隧穿结器件。
附图说明
图1：本发明所述AlGaN基极化诱导隧穿结结构示意图；
图2：实施例1中所述的AlGaN基极化诱导隧穿结结构中n型AlGaN极化诱导掺杂层变温霍尔测试图；
图3：实施例1中所述的AlGaN基极化诱导隧穿结结构中p型AlGaN极化诱导掺杂层变温霍尔测试图；
图4：实施例1中所述的AlGaN基极化诱导隧穿结结构与传统隧穿结结构IV曲线对比图；
图中标识，1衬底，2为Alx0Ga1-x0N模板层，3为n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层，4为Alx2Ga1-x2N插入层，5为p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层，6为p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：
SiC衬底上AlGaN基极化诱导隧穿结
1.采用MOCVD方法，在导电n型SiC衬底上外延制备AlGaN基极化诱导隧穿结结构，如图1所示。具体结构如下：在n-SiC(掺杂浓度为2×1018/cm3，衬底可以是购买得到)衬底1上依次制备n-Al0.3Ga0.7N、模板层2(厚度100nm)、n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3(厚度为50nm，掺杂浓度为5×1018/cm3，在300s内TMAl源流量从7.13μmol/min线性增加到25.67μmol/min，如表1，TMGa源流量从37.78μmol/min线性减少到18.89μmol/min，使x1数值随厚度线性变化，从0.3变化到0.6)、Al0.8Ga0.2N插入层4(厚度10nm，x2＝0.8)、p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5(厚度为50nm，掺杂浓度为1×1020/cm3，x3数值随厚度线性变化，从0.6变化到0.3)、p-Al0.3Ga0.7N重掺杂层6(厚度5nm，掺杂浓度1×1021/cm3)。生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，利用硅烷和二茂镁分别进行n型和p型掺杂，生长温度为1100℃，反应压强为100mbar。器件各层具体生长参数见表1。图2和图3分别为n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3和p-Alx2Ga1-x2N极化诱导掺杂层5的变温霍尔测试结果与常规结构的变温霍尔测试结果的对比图，证明了极化诱导掺杂层提高了载流子浓度。
2.在n-SiC衬底1的下表面采用热蒸镀方法制备Ni电极层(厚度80nm)，并在750℃氮气气氛下退火5分钟。之后在p-Al0.3Ga0.7N重掺杂层6的上表面采用热蒸镀方法制备Ni/Au电极层(总厚度60nm，第一层Ni层厚度为30nm，第二层Au层厚度为30nm)，并在500℃氧气气氛下退火5分钟。
3.图4所示为带有极化诱导层隧穿结器件与无极化诱导层的隧穿结器件的IV特性对比，其中Ni/Au电极接正极，Ni电极接负极。对比可以发现带有极化诱导层的器件具有更小的串联电阻以及更小的反向开启电压。
表1：极化诱导隧穿结各层生长参数
附注：TMGa代表三甲基镓；TMAl代表三甲基铝；Cp2Mg代表二茂镁；SiH4代表硅烷；NH3代表高纯氨气。
表2：器件电极制备工艺参数
Claims (7)
1.一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：从下至上，依次由衬底(1)、Alx0Ga1-x0N模板层(2)、n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)、Alx2Ga1-x2N插入层(4)、p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)和p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)构成；
Alx0Ga1-x0N模板层(2)的外延方向为AlGaN材料的[0001]方向，从而保证在其上外延的其他结构也保持[0001]方向；
Alx0Ga1-x0N模板层(2)是Si掺杂的n型导电衬底或者是非故意掺杂的高阻型衬底，0≤x0≤1；
n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)由掺Si的AlGaN材料构成，n-Alx1Ga1-x1N组份x1沿外延生长方向线性增加，0≤x1<1；
Alx2Ga1-x2N插入层(4)由组份较高的Alx2Ga1-x2N材料构成，0≤x1<x2≤1；
p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)由掺Mg的AlGaN材料构成，p-Alx3Ga1-x3N组份x3沿外延生长方向线性减小，0≤x3<x2；
p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)由掺Mg的AlGaN材料构成，0≤x4<1。
2.如权利要求1所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：衬底(1)是n型导电的SiC、Si或者GaN衬底。
3.如权利要求1所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：衬底(1)是非故意掺杂的高阻型SiC、Si或者GaN衬底。
4.如权利要求1所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：衬底(1)是高阻型蓝宝石衬底。
5.如权利要求1所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构，其特征在于：Alx0Ga1-x0N模板层(2)的厚度为100nm～4000nm，n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)的厚度为50～100nm，Alx2Ga1-x2N插入层(4)的厚度为5～20nm，p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)的厚度为50～100nm，p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)的厚度为5～10nm。
6.权利要求1所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构的制备方法，其特征在于：在衬底(1)上采用MOCVD方法依次外延生长Alx0Ga1-x0N模板层(2)、n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)、Alx2Ga1-x2N插入层(4)、p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)、p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)，从而制备得到极化诱导隧穿结结构。
7.如权利要求6所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结的制备方法，其特征在于：Alx0Ga1-x0N模板层(2)的生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，如需n型掺杂，掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1017～1021/cm3；n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)的生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1017～1021/cm3；Alx2Ga1-x2N插入层(4)生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气；p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)的生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为二茂镁，掺杂浓度为1017～1021/cm3；p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)的生长温度为1000～1200℃，生长压强为100～400mbar，生长源为三甲基铝、三甲基镓和高纯氨气，掺杂源为二茂镁，掺杂浓度为1017～1021/cm3。
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