CN111739947A - 一种横向结构impatt二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种横向结构IMPATT二极管及其制备方法，IMPATT二极管包括：衬底层，外延层，漂移层，n‑AlGaN势垒层，n+‑GaN势垒层，左欧姆接触层，右欧姆接触层，左欧姆接触电极，右欧姆接触电极，钝化层，肖特基接触电极，横向结构IMPATT二极管通电时电流方向为沿外延层的横向，漂移层为外延层顶部形成的二维电子气薄层，渡越过程限制在漂移层而非发生在体材料中，本发明提出的IMPATT利用横向结构，在同等材料下，提高了传统垂直结构IMPATT的振荡频率、横向电路兼容性，以及频率的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种横向结构IMPATT二极管及其制备方法。
背景技术
雪崩二极管是(IMPATT)一种利用半导体中的碰撞电离产生电荷包，电荷包渡越从而在一定频率下能产生负阻的半导体器件。由于雪崩会产生雪崩延迟，载流子通过有限时间在器件内部漂移会产生渡越时间延迟，这两种延迟叠加导致雪崩电流的建立滞后于端电压，从而产生负阻。当这两种延迟加起来落在1/4周期到3/4周期范围内时(90°到270°相位差)，此时二极管的动态电阻是负值。作为微波固态源中效率最高，功率最大的一种，IMPATT二极管从诞生之日起就受到了高功率固态源应用的广泛关注，被广泛应用于军民两用领域，例如通信、雷达等系统当中。
相对于Si、GaAs等材料，基于GaN材料的垂直结构的IMPATT器件中，工作频率对直流偏置电流密度的性能反应良好，能承受更大的直流偏置电流密度，并且在大电流下具有更强大的负阻产生能力，并且峰值负阻远高于GaAs基器件。然而，GaN材料的禁带宽度太大，为3.4eV，目前工艺上可用的金属功函数典型值一般在4到5eV左右，很难形成较低的金属-P型GaN势垒高度差。其次，P型掺杂GaN中的自由空穴浓度太低，即使掺杂水平很高，也很难获得很高的自由空穴浓度。综上所述，在传统垂直结构的GaN基IMPATT中，P型GaN因为工艺制造技术的不成熟，很难形成高质量的P型欧姆接触，限制了碰撞离化产生电荷包的浓度，进而严重制约了传统垂直结构IMPATT的工作性能。
如图1所示，传统的垂直结构IMPATT二极管电流流动的方向平行于外延层生长方向，其工作过程为：雪崩区发生雪崩击穿，产生电子空穴对，进而在漂移区发生渡越过程。除了上述雪崩过程影响工作性能之外，漂移过程也至关重要。在传统的垂直结构的IMPATT中，漂移过程发生在体材料中，由于器件尺寸的增加，电子的漂移距离增加，最佳工作频率开始减小。IMPATT这种渡越时间效应器件中，器件的工作频率是严重依赖于器件尺寸的。尺寸越大，漂移时间越长，工作频率也就越低。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种横向结构IMPATT二极管及其制备方法，具有更高的振荡频率，与横向电路兼容性好，可以灵活调整频率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种横向结构IMPATT二极管，包括衬底层、外延层、漂移层、n-AlGaN势垒层、n+-GaN势垒层、右欧姆接触层、左欧姆接触层、左欧姆接触电极、右欧姆接触电极、钝化层和肖特基接触电极；
所述外延层位于所述衬底层上层，漂移层为通电时在外延层顶部形成的二维电子气薄层，n-AlGaN势垒层位于漂移层上层；n+-GaN势垒层位于衬底层上层且位于外延层左侧，右欧姆接触层和左欧姆接触层位于衬底层上层，同时右欧姆接触层和左欧姆接触层分别位于外延层右侧和n+-GaN势垒层左侧，左欧姆接触电极位于所述左欧姆接触层上层；右欧姆接触电极位于所述右欧姆接触层上层；钝化层位于左欧姆接触层、n+-GaN势垒层和欧姆接触电极上层，且位于n-AlGaN势垒层两侧；肖特基接触电极位于AlGaN势垒层上层；
横向结构IMPATT二极管通电时电流方向为沿外延层的横向，漂移层为外延层顶部形成的二维电子气薄层，渡越过程限制在漂移层中而非发生在体材料中。
进一步，所述左欧姆接触层材料为p+-GaN，厚度为100nm～150nm，掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3。
进一步，所述n+-GaN势垒层材料为n+-GaN，厚度为100nm～150nm，掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3。
进一步，所述右欧姆接触层材料为n++-GaN，厚度为左欧姆接触层和n+-GaN势垒层厚度之和，掺杂浓度为5×1018cm-3～1×1019cm-3。
进一步，所述外延层材料为i-GaN，厚度为200nm～300nm，漂移层在外延层内部，为二维电子气薄层。
进一步，所述n-AlGaN势垒层材料为n-AlGaN，厚度为200nm～300nm，Al的摩尔百分比为20％～60％，掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1017cm-3。
进一步，所述欧姆接触电极和右欧姆接触电极材料为Ti、Al、Ni和Au金属层，总厚度为100nm～150nm。
进一步，所述钝化层的相对介电常数范围为10～200，厚度等于所述左欧姆接触电极或右欧姆接触电极的厚度。
进一步，所述肖特基接触电极材料为Ni和Au金属层，总厚度为100nm～150nm。
一种横向结构IMPATT二极管的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取蓝宝石材料作为初始材料，形成衬底层；
S2、在所述衬底层上层形成外延层；
S3、在所述外延层上层形成n-AlGaN势垒层；
S4、刻蚀所述n-AlGaN势垒层和i-GaN外延层；
S5、在衬底层上生长左欧姆接触层和右欧姆接触层；
S6、刻蚀与所述左欧姆接触层接触的i-GaN外延层；
S7、在衬底层上位于左欧姆接触层和i-GaN外延层之间生长n+-GaN势垒层；
S8、在所述左欧姆接触层和右欧姆接触层上层形成左欧姆接触电极和右欧姆接触电极，在所述左欧姆接触层和右欧姆接触层上层形成钝化层；
S9、在所述n-AlGaN势垒层上层形成肖特基接触电极，通电后所述i-GaN外延层内顶部形成漂移层。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明的横向结构IMPATT二极管，横向结构使得完全不同于传统垂直结构的IMPATT，器件未达到雪崩击穿条件时，由于外延层不掺杂故漂移层载流子浓度极低；当IMPATT二极管外加偏压而发生雪崩时，AlGaN/GaN异质结由于很强的压电极化和自发极化效应，在异质结界面处形成了高浓度的二维电子气(>1019cm-3)，即为漂移层。AlGaN及GaN层一般都不掺杂，所以二维电子气漂移层中电子远离电离施主，电离杂质散射大大降低，电子更容易被外电场加热获得足够的能量跃迁到较高的能谷中，而电离杂质散射的降低同时增强了电子的低场迁移率，从而提高了速场关系中的峰谷值之比，使得IMPATT器件的负微分迁移率效应更加显著。
另外横向结构的IMPATT二极管的AlGaN/GaN异质界面，由于电势的不连续以及材料禁带宽度的不一致，存在较大的能带断续，即使在较高的偏压下，二维电子气仍可以较好的束缚在量子阱中，该IMPATT二极管采用的AlGaN势垒可以大大增加二维电子气的限域性，电子能够在二维电子气沟道层中比较均匀地分布，大大促进了电荷包渡越过程。沟道中高浓度的二维电子气不仅仅大大提高器件的功率，同时也允许器件尺寸大大降低，有助于突破摩尔定律的瓶颈。
2.本发明的横向结构IMPATT二极管，与垂直结构IMPATT结构相比具有更高的输出功率性能以及工作频率性能；垂直结构由于没有成熟的工艺技术，很难获得垂直结构IMPATT二极管P区的高掺杂浓度，使得垂直结构的IMPATT二极管的串联电阻较为显著，P型GaN欧姆接触电阻只能控制在10-4～10-5Ω·cm2数量级之间，从而导致垂直结构IMPATT二极管的性能受到限制。
本发明横向结构的AlGaN/GaN异质结IMPATT二极管，在器件结构层面进行创新从而解决了GaN材料P型掺杂的局限性，横向结构的IMPATT二极管外延层自下往上生长，电流的方向垂直于外延层生长方向，漂移层工作时利用二维电子气，渡越过程被限制在一薄层中而非发生在体材料中，进而优化电荷包渡越过程，沟道层中高浓度的二维电子气大大提高器件的功率，不采用高掺杂的P型接触，皆可实现极高的工作频率，随着横向结构IMPATT二极管n-AlGaN势垒层尺寸的减小，横向结构IMPATT二极管n-AlGaN势垒层下的电场也随着增加，促进了电子能谷转移，同时电子几乎以弹道输运的形成运动，有很高的漂移速度，从而这一机制下大大提高了IMPATT二极管振荡的频率。更加有利于本横向结构IMPATT二极管工作在毫米波甚至太赫兹波段。
3.本发明横向结构IMPATT二极管，阴阳极间距由光刻控制，并且决定了器件的振荡频率。在传统垂直IMPATT二极管中，一旦晶片已经生长好，阴阳极的间距就是固定的，因此该垂直IMPATT二极管的振荡频率固定不变。而本发明横向结构IMPATT在生长好之后左欧姆接触电极和右欧姆接触电极之间的间距是可调的，有很高的灵活性，因此IMPATT工作频段的调整也很灵活，当IMPATT二极管阴阳极两端的间距缩小到亚微米长度，可实现从亚毫米频段到低太赫兹频段灵活调整。从而制造出灵活可控的基于横向结构的IMPATT射频芯片。
4.本发明横向结构IMPATT二极管，采用的横向结构适合将其作为微波振荡源进行大规模生产及应用。对于传统的垂直IMPATT二极管，每一个独立的垂直结构IMPATT如若进行大规模制造则需要封装在腔室中。但是横向结构的IMPATT二极管与垂直结构相比优势在于可与大容量的器件组合以此来提高功率输出性能，以及可与横向电路有着优良的兼容性，比如基于共面波导(CPW)组件，可以在一个独立的晶圆上采用光刻技术制造出来合格的芯片。作为微波振荡源的横向结构IMPATT二极管可与单片微波集成电路(MMIC)之间无缝连接，构成毫米波甚至太赫兹频段的射频输出系统，显著提高生产率和重复率。
附图说明
图1为传统垂直结构的IMPATT器件结构示意图
图2为本发明实施例中横向结构IMPATT二极管设计中二极管的管芯剖面图
图3为本发明实施例中横向结构IMPATT二极管设计中二极管的管芯俯视图
图4为本发明横向结构IMPATT二极管的制备方法流程示意图
图5为本发明横向结构IMPATT二极管的制备方法工艺流程图
图中：1是衬底层；2是外延层；3是漂移层；4是n-AlGaN势垒层；5是n+-GaN势垒层；6是右欧姆接触层；7是左欧姆接触层；8是左欧姆接触电极；9是右欧姆接触电极；10是钝化层；11是肖特基接触电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
参照图2，本发明的横向结构IMPATT二极管包括衬底层1，外延层2，漂移层3，n-AlGaN势垒层4，n+-GaN势垒层5，右欧姆接触层6，左欧姆接触层7，左欧姆接触电极8，右欧姆接触电极9，钝化层10，肖特基接触电极11。
所述外延层2位于所述衬底层1上层；漂移层3为通电时在外延层2顶部形成的二维电子气薄层；n-AlGaN势垒层4，位于漂移层3上层；n+-GaN势垒层5位于衬底层1上层且位于外延层2左侧；右欧姆接触层6和左欧姆接触层7位于衬底层1上层，右欧姆接触层6和左欧姆接触层7分别位于外延层2右侧和n+-GaN势垒层5左侧；左欧姆接触电极8位于所述左欧姆接触层7上层；右欧姆接触电极9位于所述右欧姆接触层6上层；钝化层10位于左欧姆接触层7、n+-GaN势垒层5和欧姆接触电极8上层，且位于n-AlGaN势垒层4两侧；肖特基接触电极11位于AlGaN势垒层4上层。
所述左欧姆接触层7材料为p+-GaN，厚度为100nm～150nm，掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3。
所述n+-GaN势垒层5材料为n+-GaN，厚度为100nm～150nm，掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3。
所述右欧姆接触层6材料为n++-GaN，厚度为左欧姆接触层7和n+-GaN势垒层5之和，掺杂浓度为5×1018cm-3～1×1019cm-3。
所述外延层2材料为i-GaN，厚度为200nm～300nm，漂移层3在其内部，为二维电子气薄层。
所述n-AlGaN势垒层4材料为n-AlGaN，厚度为200nm～300nm，Al的摩尔组份为20％～60％，掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1017cm-3。
所述欧姆接触电极8和右欧姆接触电极9材料为Ti/Al/Ni/Au多层金属，总厚度相同，都为100nm～150nm
所述钝化层10的相对介电常数范围为10～200。
所述钝化层10的厚度等于所述左欧姆接触电极8或右欧姆接触电极9的厚度。
所述肖特基接触电极11材料为Ni/Au双层金属，总厚度为100nm～150nm。
如图3所示，为本发明实施例提供的横向结构IMPATT二极管，同心圆自内向外分别为左欧姆接触电极8、钝化层10、肖特基接触电极11、钝化层10、右欧姆接触电极9。
本发明的横向结构IMPATT二极管，外延层自下往上生长，电流的方向垂直于外延层生长方向，所述漂移层3工作时利用二维电子气，渡越过程被限制在一薄层中而非发生在体材料中，进而优化电荷包渡越过程，沟道层中高浓度的二维电子气不仅仅大大提高器件的功率，同时也允许器件尺寸大大降低，从而允许器件工作在更高的振荡频率，更加有利于器件工作在高频段。
如图4所示，本发明还提供了一种横向结构IMPATT二极管的制备方法，步骤包括：
S1、选取蓝宝石材料作为初始材料，形成衬底层1；
S2、在所述衬底层1上层形成i-GaN外延层2；
S3、在所述i-GaN外延层2上层形成n-AlGaN势垒层4；
S4、刻蚀所述n-AlGaN势垒层4和i-GaN外延层2，
S5、在衬底层1上生长左欧姆接触层7和右欧姆接触层6；
S6、刻蚀与所述左欧姆接触层7接触的i-GaN外延层2；
S7、在衬底层1上位于左欧姆接触层7和i-GaN外延层2之间生长n+-GaN势垒层5；
S8、在所述左欧姆接触层7和右欧姆接触层6上层形成左欧姆接触电极8和右欧姆接触电极9，在所述左欧姆接触层7和右欧姆接触层6上层形成钝化层10；
S9、在所述n-AlGaN势垒层4上层形成肖特基接触电极11，通电后所述i-GaN外延层内顶部形成漂移层3。
如图5所示，横向结构IMPATT二极管具体制备工艺流程如下：
这里首先衬底选用蓝宝石材料，衬底清洗：在摩尔比H2So4：H2Po4＝3：1的溶液中刻蚀20min，去离子水冲洗，采用N2吹干；
然后，衬底预热：800℃在氨流中5-15min完成氨化；
在然后沉积AlN缓冲层：衬底温度800℃，铝源温度1070℃，氮源氨气的流量为16SCCM；
再生长n-GaN：采用三乙基镓与高纯氮气分别作为镓源与氮源，衬底温度降到700℃，镓源970℃，氨气流量35SCCM(5×1016cm-3)，压力为40Torr的条件下，采用金属有机化学气相沉积MOCVD方法，在衬底层1上层外延3μm厚的GaN，形成i-GaN外延层2。
保持MOCVD反应室的温度为1050℃，将反应室气压升高至100Torr，同时向反应室中通入三甲基镓、氮气和三甲基铝，在外延层上层外延生长厚度为50nm，掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1017cm-3，Al摩尔组份为20％～60％的n-AlGaN，形成n-AlGaN势垒层4。
再在n-GaN层上光刻形成直径为10μm和直径为15μm的圆形掩膜图形，再利用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2气体刻蚀源对i-GaN外延层2、n-AlGaN势垒层4进行刻蚀，刻蚀深度至衬底层1上表面。
沟槽刻蚀后，需要通过离子注入的方式对器件进行选择性掺杂，生长两侧的n++-GaN右欧姆接触层6和p+-GaN左欧姆接触层7，掺杂浓度分别为5×1018cm-3～1×1019cm-3和5×1017cm-3～1×1018cm-3。为了形成沟槽侧壁的n++-GaN右欧姆接触层6，需要额外进行倾斜离子注入。
再在i-GaN外延层2上光刻形成直径为5μm～8μm的小圆形掩膜图形，继续采用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl3/Cl2气体刻蚀源刻蚀i-GaN外延层2，刻蚀深度至衬底层1上表面。
沟槽刻蚀后，需要通过离子注入的方式对器件进行掺杂，生长n-GaN势垒层5，掺杂浓度分别为5×1017cm-3～1×1018cm-3。
再在外延层2与欧姆接触层3形成的台阶状环形台面上，采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ti/Al/Pt/Au多层金属，厚度分别为：15nm、50nm、30nm、30nm，再经过金属剥离形成环形的左欧姆接触电极8和右欧姆接触电极9。
对整个器件进行快速热退火，退火条件为750℃，退火时间3min，退火气体为氮气，形成欧姆接触。
再利用射频磁控溅射设备，溅射厚度为570nm，宽度为15nm的Si3N4，形成钝化层10。工艺条件为：射频功率为100W，靶间距为20cm，当反应腔气压为0.4Pa时，通入氩和氧气，氮气流量比例为20％。
再在AlGaN势垒层4台阶状环形台面上，采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ni/Au双层金属，厚度分别为：50nm、100nm，再经过金属剥离形成环形的肖特基势垒电极11。
参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种横向结构IMPATT二极管，其特征在于：包括衬底层(1)、外延层(2)、漂移层(3)、n-AlGaN势垒层(4)、n+-GaN势垒层(5)、右欧姆接触层(6)、左欧姆接触层(7)、左欧姆接触电极(8)、右欧姆接触电极(9)、钝化层(10)和肖特基接触电极(11)；
所述外延层(2)位于所述衬底层(1)上层，漂移层(3)为通电时在外延层(2)顶部形成的二维电子气薄层，n-AlGaN势垒层(4)位于漂移层(3)上层；n+-GaN势垒层(5)位于衬底层(1)上层且位于外延层(2)左侧，右欧姆接触层(6)和左欧姆接触层(7)位于衬底层(1)上层，同时右欧姆接触层(6)和左欧姆接触层(7)分别位于外延层(2)右侧和n+-GaN势垒层(5)左侧，左欧姆接触电极(8)位于所述左欧姆接触层(7)上层；右欧姆接触电极(9)位于所述右欧姆接触层(6)上层；钝化层(10)位于左欧姆接触层(7)、n+-GaN势垒层(5)和欧姆接触电极(8)上层，且位于n-AlGaN势垒层(4)两侧；肖特基接触电极(11)位于AlGaN势垒层(4)上层；
横向结构IMPATT二极管通电时电流方向为沿外延层(2)的横向，漂移层(3)为外延层(2)顶部形成的二维电子气薄层，渡越过程限制在漂移层(3)中而非发生在体材料中。
2.根据权利要求1所述的横向结构IMPATT二极管，其特征在于：所述左欧姆接触层(7)材料为p+-GaN，厚度为100nm～150nm，掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的横向结构IMPATT二极管，其特征在于：所述n+-GaN势垒层(5)材料为n+-GaN，厚度为100nm～150nm，掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的横向结构IMPATT二极管，其特征在于：所述右欧姆接触层(6)材料为n++-GaN，厚度为左欧姆接触层(7)和n+-GaN势垒层(5)厚度之和，掺杂浓度为5×1018cm-3～1×1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的横向结构IMPATT二极管，其特征在于：所述外延层(2)材料为i-GaN，厚度为200nm～300nm，漂移层(3)在外延层(2)内部，为二维电子气薄层。
6.根据权利要求1所述的横向结构IMPATT二极管，其特征在于：所述n-AlGaN势垒层(4)材料为n-AlGaN，厚度为200nm～300nm，Al的摩尔百分比为20％～60％，掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1017cm-3。
7.根据权利要求1所述的横向结构IMPATT二极管，其特征在于：所述欧姆接触电极(8)和右欧姆接触电极(9)材料为Ti、Al、Ni和Au金属层，总厚度为100nm～150nm。
8.根据权利要求1所述的横向结构IMPATT二极管，其特征在于：所述钝化层(10)的相对介电常数范围为10～200，厚度等于所述左欧姆接触电极(8)或右欧姆接触电极(9)的厚度。
9.根据权利要求1所述的横向结构IMPATT二极管，其特征在于：所述肖特基接触电极(11)材料为Ni和Au金属层，总厚度为100nm～150nm。
10.一种权利要求1-9任一项所述横向结构IMPATT二极管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、选取蓝宝石材料作为初始材料，形成衬底层(1)；
S2、在所述衬底层(1)上层形成外延层(2)；
S3、在所述外延层(2)上层形成n-AlGaN势垒层(4)；
S4、刻蚀所述n-AlGaN势垒层(4)和i-GaN外延层(2)；
S5、在衬底层(1)上生长左欧姆接触层(7)和右欧姆接触层(6)；
S6、刻蚀与所述左欧姆接触层(7)接触的i-GaN外延层(2)；
S7、在衬底层(1)上位于左欧姆接触层(7)和i-GaN外延层(2)之间生长n+-GaN势垒层(5)；
S8、在所述左欧姆接触层(7)和右欧姆接触层(6)上层形成左欧姆接触电极(8)和右欧姆接触电极(9)，在所述左欧姆接触层(7)和右欧姆接触层(6)上层形成钝化层(10)；
S9、在所述n-AlGaN势垒层(4)上层形成肖特基接触电极(11)，通电后所述i-GaN外延层内顶部形成漂移层(3)。
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