CN205081125U - 一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，该装置包括阴极电极、渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层、有源区、阳极区和阳极电极；所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。本实用新型中的高电子浓度材料，易于形成电子隧穿，获得良好的欧姆接触，提高器件性能。

Description

一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管

技术领域

本实用新型属于微电子技术领域，具体涉及一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管。

背景技术

太赫兹是介于可见光与微波之间的波段，是迄今人类尚未完全探测的一个空白领域，其物理性质独特，在通信、探测领域具有非常重要的应用前景，具有非常重要的科学研究意义，例如，它曾被日本政府认为是“改变未来的十大科学技术之首”。世界科技强国，纷纷投入人力、物力在这一领域探索科技“宝藏”。

作为太赫兹技术的第一个元素，太赫兹发射源，自然引起世界各国的重视。现阶段，太赫兹发射源主要有两类，一类是光学元件，人们试图将其振荡频率做低，延伸至太赫兹领域。另一类是电学器件，人们试图将其振荡频率做高，拓展到太赫兹领域。电学器件具有结构紧凑、体积小的特点，这在某些场合具有非常巨大的优势，因此电学的太赫兹源一直是人们研究的重点。在众多的电子学太赫兹源当中，耿氏二极管是研究的重要方向之一。特别是GaN基的耿氏二极管，更是由于其阈值电场高、击穿电压大、功率密度高、振荡频率高等特点，倍受青睐。

耿氏二极管也叫转移电荷器件（TED）,是利用耿氏振荡效应工作的。最早是在GaAs中发现的，Gunn发现，在GaAs体材料的两端施以超过某一阈值的电场时，将会产生高频振荡，发射出高频电磁波。振荡产生的频率与器件参数相关，但是最高极限受制于材料的物理性质。早期的耿氏二极管也都是GaAs基的，但是在频率性能方面，GaAs耿氏二极管的振荡频率可以达到200GHz，距离太赫兹频段尚有一段距离。而GaN耿氏二极管的最高频率可以达到4THz。因此，GaN太赫兹振荡源成为研究的重点方向。

早期的GaN太赫兹二极管的结构为简单的三明治结构，两个厚度约为100nm的n型重掺杂（掺杂浓度~1e19cm^-3）的GaN层中间夹着一个几微米厚度的轻掺杂的GaN层（掺杂浓度~1e17cm^-3量级）。两边的重掺杂区域分别充当发射区和集电区，中间的轻掺杂区域充当有源区。这种器件结构简单，但是，在有源区存在“死区”，即其中的一段长度是电子的加速区，电子经过这段距离加速才能达到“谷间散射”的速率阈值，从而开始产生耿氏振荡。为了避免“死区”，后来的研究者引入了“notch掺杂层”,即在发射区和有源区之间插入一层几十纳米厚度的低掺杂浓度层（掺杂浓度~1e16cm^-3量级）。另一种方法是加入重掺杂的AlGaN“热电子发射层”，它同样位于发射极和有源区之间。仿真的结果表明，使用“热电子”发射层之后，电子发射的位置更靠近有源区的边缘。为进一步提高器件性能，研究者使用了渐变Al组分的热电子发射层，甚至是多层渐变Al组分的热电子发射层(比如Al组分为0.01,0.08和0.15)。如此设计可以减小GaN和AlGaN的界面晶格失配，提高器件性能。

尽管采用不同的措施，这些传统器件的仍存在如下弊端：（1）传统杂质掺杂方式的激活率低，而且载流子迁移率低。由于GaN是宽禁带半导体材料，所以杂质在GaN中的激活能很高，造成掺杂杂质的激活效率很低。而且，由于杂质中心的散射作用，载流子的迁移率低。（2）杂质掺杂使晶体的质量降低很多，影响器件性能。由于GaN材料体系的掺杂必须在材料生长的同时进行，对晶体的质量会有不可避免的影响，从而影响器件性能。（3）利用AlGaN热电子发射层的器件，AlGaN和GaN之间存在很大的晶格失配，产生大量的界面缺陷，影响器件性能。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管。

一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，包括阴极电极、渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层、有源区、阳极区和阳极电极；

所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。

所述的渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层为多层。

作为优选，所述的渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层，其中有源区朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.5。

在器件结构中，N面渐变Al_xGa_1-xN层的Al组分是从0渐变到0.5的，为极化掺杂层。由于N面渐变Al_xGa_1-xN层的独特的物理性质，其内部局部的极化电荷的面浓度不均与，基于电中性原理，将会诱导出高浓度的电子，一般称为三维电子气（3DEG）。相当于对渐变Al_xGa_1-xN层进行了掺杂。

有益效果：由于此种掺杂方式不存在杂质电离中心，所以，电子的迁移率很高。另外，电子迁移率随环境温度的变化很小，因此，提高了器件的性能。更关键的，由于在宽禁带半导体中进行杂质掺杂，存在激活率过低的缺点。难以获得较高的掺杂浓度，而极化掺杂可以极大提高掺杂浓度。

在器件结构方面，渐变组分Al_XGa_1-XN层和GaN在界面处不存在任何晶格失配，减小了界面缺陷密度和合金无序散射。同时，渐变组分Al_XGa_1-XN，同时充当热电子发射层，用以解决“死区”问题。渐变组分Al_yGa_1-yN层，作为发射极。由于其可以获得的非常高的电子浓度，超过常规GaN可以掺杂的浓度很多，所以可以提高电子的发射数量。同时，高电子浓度材料，易于形成电子隧穿，获得良好的欧姆接触，提高器件性能。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延AlGaN/GaNHEMT结构层示意图；

图3为在AlGaN/GaNHEMT器件的正面形成阴极的示意图；

图4为将AlGaN/GaNHEMT器件键合到热沉上，并将衬底部分朝上的示意图；

图5为施以外力克服单晶h-BN移除层的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉的示意图；

图6为将单晶h-BN移除层减薄去掉后的结构示意图；

图7为LT-AlN缓冲层减薄去掉的结构示意图；

图8在n⁺-GaN层的外侧形成阳极的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，包括阴极电极①、渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层②、有源区③、阳极区④和阳极电极⑤；

所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。

如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管的工艺实现方法,该方法具体包括以下步骤：

步骤一：采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延AlGaN/GaNHEMT结构层；

步骤二：在AlGaN/GaNHEMT器件的正面形成阴极；

步骤三：将AlGaN/GaNHEMT器件键合到热沉上，将衬底部分朝上；

步骤四：施以外力克服单晶h-BN移除层的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；

步骤五：再将单晶h-BN移除层和LT-AlN缓冲层减薄去掉；

步骤六：在n⁺-GaN层的外侧形成阳极；

所述的AlGaN/GaNHEMT结构层的结构包括LT-AlN缓冲层,接着在长LT-AlN缓冲层上外延生长出单晶h-BN移除层；之后在单晶h-BN移除层上外延生长AlNbuffer层，再在AlNbuffer层外延生长出n⁺-GaN层，接着在n⁺-GaN层外延生长出n-GaN层，最后在n-GaN层外延生长出渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层；其中n-GaN层朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.5。

所述的单晶h-BN移除层厚度为3nm；所述的LT-AlN缓冲层厚度为100nm；所述的n⁺-GaN层厚度为1.9μm；所述的AlNbuffer层厚度为1nm；所述的渐变组分AlGaN层厚度为20nm；所述的n-GaN层厚度为200nm。

Claims (3)

1.一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，其特征在于：包括阴极电极、渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层、有源区、阳极区和阳极电极；

所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层的外侧设有阴极。

2.根据权利要求1所述的一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，其特征在于：所述的渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层为多层。

3.根据权利要求1所述的一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，其特征在于：所述的渐变Al_xGa_1-xN极化掺杂层，其有源区层朝阴极的方向上，Al的组分x从0渐变到0.5。