具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，主要改善現(xiàn)有器件隧穿電流小、I-V特性可重復(fù)性差的問題。其包括主體和輔體兩部分，主體部分自下而上為：SiC襯底層、GaN外延層、n+GaN集電極歐姆接觸層、第一GaN隔離層、第一InAlN勢壘層、第一GaN主量子阱層、第二GaN主量子阱層、第二InAlN勢壘層、第二GaN隔離層和n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層；輔體部分有環(huán)形電極、圓形電極和鈍化層。環(huán)形電極在n+GaN集電極歐姆接觸層上方，圓形電極在n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層上方，鈍化層在環(huán)形和圓形電極上方。本發(fā)明能有效提高器件功率、降低功耗并改善可重復(fù)性，適用于太赫茲頻段工作。
【專利說明】具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及寬帶隙半導(dǎo)體GaN材料的共振隧穿二極管及制作方法，可用于高頻、大功率器件制作。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，以氮化鎵GaN、碳化硅SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，是繼以半導(dǎo)體Si為代表的第一代半導(dǎo)體材料和以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體材料之后，在近十年迅速發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料。由于具有大禁帶寬度、高導(dǎo)帶斷續(xù)、高熱導(dǎo)率、高臨界場強(qiáng)、高載流子飽和速率、高異質(zhì)結(jié)界面二維電子氣濃度等優(yōu)良特性，GaN基半導(dǎo)體材料和器件受到了人們廣泛的關(guān)注。
[0003]太赫茲技術(shù)作為一門新興的科學(xué)技術(shù)，由于其具有很多獨(dú)特的特性以及優(yōu)勢，吸引了許多科研工作者去研究。太赫茲的頻率范圍為0.1THz到1THz，介于微波與紅外之間，因此要想獲得太赫茲的頻率，必須選擇合適的器件作為太赫茲波的產(chǎn)生源。共振隧穿二極管由于其器件特性成為實(shí)現(xiàn)太赫茲器件源的重要選擇?；贕aN基半導(dǎo)體材料制作而成的共振隧穿二極管，繼承了 GaN基化合物半導(dǎo)體材料異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，它具有高載流子濃度、高載流子遷移率、高工作頻率、大功率及耐高溫等特性，因此成為眾多研究者研究的熱點(diǎn)。
[0004]1991年，Wie等人提出在AlAs/GaAs/AlAs共振隧穿二極管的發(fā)射極增加一層InGaAs薄層能有效的提高隧穿電流密度，參見Designing resonant tunnelingstructures for increased peak current density, Appl.Phys.Lett, 58, 1077, 1991.但是隨著人們對(duì)太赫茲器件源研究的不斷突破，GaAs共振隧穿二極管的輸出功率已經(jīng)不能滿足太赫茲器件源的輸出需求。GaN負(fù)阻器件同傳統(tǒng)的化合物半導(dǎo)體GaAs負(fù)阻器件相比具有更高的工作頻率和輸出功率，且GaN的負(fù)阻振蕩器基頻頻率可達(dá)750GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GaAs的140GHz，而更為重要的是，在THz工作頻率，GaN基器件的輸出功率比GaAs高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以達(dá)到幾百毫瓦甚至幾瓦的功率。再者，AlAs/GaAs界面處的二維電子氣的來源是通過調(diào)制摻雜形成的，而GaN基異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣是由材料的極化效應(yīng)所引起的。選取合適的二維電子氣能有效提高共振隧穿二極管的1-V特性和電流峰谷比。2011年,Razeghi等人報(bào)道對(duì)AlGaN/GaN/AlGaN共振隧穿二極管的研制,參見Room temperaturenegative differential resistance characteristics of polar Ill—nitride resonanttunneling d1des, Appl.Phys.Lett, 97, 092104, 2010.該方案米用 AlGaN/GaN/AlGaN 量子阱作為共振隧穿二極管的有源區(qū)，利用AlGaN/GaN界面的高導(dǎo)帶斷續(xù)來增加器件的電流峰谷比。但是由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面處的高晶格失配、高界面粗糙度和強(qiáng)壓電極化，使得界面處的陷阱中心的激活能和缺陷密度過大，在多次掃描下器件的1-V特性嚴(yán)重衰減。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有基于GaN材料共振隧穿二極管的不足，提出一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管及其制作方法，以提高器件的透射系數(shù)，降低功耗，改善GaN共振隧穿二極管1-V特性的可重復(fù)性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—、本發(fā)明基于一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，包括主體部分和輔體部分，主體部分自下而上包括:SiC襯底層、GaN外延層、n+GaN集電極歐姆接觸層、第一GaN隔離層、第一 InAlN勢壘層、第一 GaN主量子阱層、第二 GaN主量子阱層、第二 InAlN勢壘層、第二 GaN隔離層和n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層；輔體部分包括環(huán)形電極、圓形電極和鈍化層，其特征在于:
[0008]所述第一 GaN主量子阱層與第二 GaN主量子阱層之間設(shè)有第一 InGaN子量子阱層；該第一 InGaN子量子阱層，采用In組分為3%?7%的InGaN材料，厚度為0.8?1.2nm ；
[0009]所述第二 InAlN勢壘層與第二 GaN隔離層之間設(shè)有第二 InGaN子量子阱層；該第二 InGaN子量子阱層，采用In組分為3%?7%的InGaN材料，厚度為0.8?1.2nm ;
[0010]所述第一 InAlN勢壘層和第二 InAlN勢壘層，均采用In組分為16%?18%的InAlN材料，厚度為0.8?1.2nm。
[0011]二、本發(fā)明器件的制作方法，包括如下步驟:
[0012](I)在SiC基片上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，外延生長厚度為2?3 μ m 的 GaN 層；
[0013](2)在GaN層上利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，生長厚度為80?120nm，摻雜濃度為I X 119?9 X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層；
[0014](3)在n+GaN集電極歐姆接觸層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF - MBE方法，生長厚度為2?3nm的第一 GaN隔離層；
[0015](4)在第一 GaN隔離層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為16%?18%的第一 InAlN勢壘層；
[0016](5)在第一 InAlN勢壘層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm的第一 GaN主量子阱層；
[0017](6)在第一 GaN主量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為3%?7%的第一 InGaN子量子阱層；
[0018](7)在第一 InGaN子量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm的第二 GaN主量子阱層；
[0019](8)在第二 GaN主量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為16%?18%的第二 InAlN勢壘層；
[0020](9)在第二 InAlN勢壘層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF -MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為3%?7%的第二 InGaN子量子阱層；
[0021](10)在第二 InGaN子量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF - MBE方法，生長厚度為2?3nm的第二 GaN隔離層；
[0022](11)在第二 GaN隔離層上利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，生長厚度為80?120nm、摻雜濃度為I X 119?9 X 119CnT3的n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層；
[0023](12)在n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層上采用刻蝕技術(shù)，形成直徑為D的大圓形臺(tái)面，刻蝕深度至GaN外延層上表面，30 μ m<D<60 μ m ；
[0024](13)在上述大圓形臺(tái)面上繼續(xù)采用刻蝕技術(shù)，形成直徑為d的小圓形有源臺(tái)面，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，10 μ m〈d〈20 μ m ；
[0025](14)分別在n+GaN集電極歐姆接觸層和n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層上淀積Ti/Al/Ni/Au多層金屬，形成環(huán)形電極和圓形電極，該環(huán)形電極與小圓形有源臺(tái)面不相接觸；
[0026](15)采用PECVD方法在n+GaN集電極歐姆接觸層上方和環(huán)形電極上方淀積厚度為200?400nm的SiN鈍化層，并在環(huán)形臺(tái)面進(jìn)行刻蝕，露出集電極環(huán)形電極。
[0027]本發(fā)明與傳統(tǒng)的雙勢壘單勢阱共振隧穿二極管相比，有以下優(yōu)點(diǎn):
[0028]1.峰值電流大、功耗低
[0029]本發(fā)明由于在第二 InAlN勢壘層與第二 GaN隔離層之間設(shè)有第二 InGaN子量子阱層，使電子在該量子阱的能量分布降低，在兩個(gè)量子阱對(duì)準(zhǔn)時(shí)隧穿進(jìn)入GaN主量子阱的電子數(shù)量增加，同時(shí)透射系數(shù)增加，因此峰值電流增大；此外該結(jié)構(gòu)使兩個(gè)量子阱中分立能級(jí)對(duì)準(zhǔn)時(shí)所需的電壓相比傳統(tǒng)的低，因此閾值電壓降低，從而降低了器件的功耗。
[0030]2.隧穿電流增大
[0031 ] 本發(fā)明由于在第一 GaN主量子阱層與第二 GaN主量子阱層之間設(shè)有第一 InGaN子量子阱層，該層能降低GaN主量子阱區(qū)的分立能級(jí)的位置，使得共振時(shí)對(duì)齊的分立能級(jí)距離導(dǎo)帶低更近，增大了隧穿電流。
[0032]3.可重復(fù)性好
[0033]本發(fā)明合理選取了 InAlN勢壘材料的In組分，根據(jù)近年來對(duì)于三元氮化物InAlN的研究取得的進(jìn)展，當(dāng)In組份為17%?18%時(shí)，InAlN的晶格常數(shù)與GaN的晶格常數(shù)相當(dāng)，因此采用InAlN作勢壘材料，能與GaN主量子阱形成良好的近晶格匹配的界面，從而降低陷阱中心的位錯(cuò)密度和激活能，增加了器件1-V特性的可重復(fù)性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是本發(fā)明基于具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管的剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖2是圖1的俯視圖；
[0036]圖3是本發(fā)明制作基于具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管的工藝流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037]參照圖1和圖2，本發(fā)明是基于一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，包括主體和輔體兩部分，該主體部分自下而上包括=SiC襯底層l、GaN外延層2、n+GaN集電極歐姆接觸層3、第一 GaN隔離層4、第一 InAlN勢壘層5、第一 GaN主量子阱層6、第一 InGaN子量子阱層7、第二 GaN主量子阱層8、第二 InAlN勢壘層9、第二 InGaN子量子阱層10、第二 GaN隔離層11和n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層12 ;輔體部分包括環(huán)形電極13、圓形電極14和鈍化層15。其中:
[0038]襯底I采用η型SiC或絕緣型SiC基片；GaN外延層2厚度為2?3 μ m ；n+GaN集電極歐姆接觸層3和發(fā)射極歐姆接觸層12的厚度均為80?120nm，摻雜濃度為IX 119?9 X 119CnT3 ;第一 GaN隔離層4和第二隔離層11的厚度均為2?3nm ;第一 InAlN勢壘層5和第二 InAlN勢壘層9厚度均為0.8?1.2nm，且In組分為16%?18%;第一 GaN主量子阱層6和第二 GaN主量子阱層8的厚度均為0.8?1.2nm ;第一 InGaN子量子阱層7的厚度為0.8?1.2nm, In組分為3%?7% ;第二 InGaN子量子阱層10的厚度為0.8?1.2nm，In組分為3 0Z0?7% ;環(huán)形電極13和圓形電極14采用Ti/Al/Ni/Au多層金屬，環(huán)形電極作為器件的集電極，位于n+GaN集電極歐姆接觸層的上方，圓形電極作為器件的發(fā)射極，位于n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層的上方，鈍化層15位于環(huán)形電極和圓形電極上方，厚度為200?400nmo
[0039]參照圖3，本發(fā)明基于一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管的制作方法，給出如下三種實(shí)施例:
[0040]實(shí)施例1:制作厚度為0.8nm、In組分為3%的第一 InGaN子量子阱層和厚度為
0.8nm、In組分為3%的第二 InGaN子量子阱層的共振隧穿二極管。
[0041 ] 步驟I，選用SiC襯底基片。
[0042]選用直徑為2英寸4H_SiC絕緣型SiC襯底基片，并將其背面減薄至150 μ m厚度。
[0043]步驟2，在SiC襯底上外延GaN層。
[0044]采用三乙基鎵與高純氮?dú)夥謩e作為鎵源與氮源，在溫度為450°C，壓力為40托的條件下，使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，在SiC襯底基片外延生長厚度為2 μ m的GaN層。
[0045]步驟3,在GaN外延層上生長n+GaN集電極歐姆接觸層。
[0046]以三乙基鎵和高純氮?dú)夥謩e作為鎵源和氮源，用硅烷氣體作為η型摻雜源，在溫度為1000°C，壓力為40托的條件下采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，在GaN層上生長厚度為80nm，摻雜濃度為I X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層。
[0047]步驟4，在n+GaN集電極歐姆接觸層上生長第一 GaN隔離層。
[0048]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在n+GaN集電極歐姆接觸層上生長厚度為2nm的弟一 GaN隔尚層。
[0049]生長的工藝條件是:氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min,等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C。
[0050]步驟5，在第一 GaN隔離層上生長第一 InAlN勢壘層。
[0051]以高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 GaN隔離層上生長厚度為
0.8nm, In組分為16 %的第一 InAlN勢魚層。
[0052]生長的工藝條件是:氮?dú)饬髁繛?.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C。
[0053]步驟6，在第一 InAlN勢壘層上生長第一 GaN主量子阱層。
[0054]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 InAlN勢壘層上生長厚度為0.8nm的第一GaN主量子阱層。
[0055]生長的工藝條件是:氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min,等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C。
[0056]步驟7，在第一 GaN主量子阱層上生長第一 InGaN子量子阱層。
[0057]以高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 GaN主量子阱層上生長厚度為0.8nm, In組分為3%的第一 InGaN子量子阱層。
[0058]生長的工藝條件是:氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鎵爐和銦爐的溫度分別為850和585°C。
[0059]步驟8，在第一 InGaN子量子阱層上生長第二 GaN主量子阱層。
[0060]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 InGaN子量子阱層上生長厚度為0.8nm的第二 GaN主量子阱層。
[0061]生長的工藝條件是:氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C。
[0062]步驟9，在第二 GaN主量子阱層上生長第二 InAlN勢壘層。
[0063]以高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 GaN主量子阱層上生長厚度為0.8nm, In組分為16%的第二 InAlN勢壘層。
[0064]生長的工藝條件是:氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C。
[0065]步驟10，在第二 InAlN勢壘層上生長第二 InGaN子量子阱層。
[0066]以高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 InAlN勢壘層上生長厚度為0.8nm, In組分為3%的第二 InGaN子量子阱層。
[0067]生長的工藝條件是:氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，銦爐和鎵爐的溫度分別為585和850°C。
[0068]步驟11，在第二 InGaN子量子阱層上生長第二 GaN隔離層。
[0069]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 InGaN子量子阱層上生長厚度為2nm的第二 GaN隔離層。
[0070]生長的工藝條件是:氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min,等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C。
[0071]步驟12，在第二 GaN隔離層上生長n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層。
[0072]以三乙基鎵和高純氮?dú)夥謩e作為鎵源和氮源，硅烷氣體作為η型摻雜源，在溫度為1000°C，壓力為40托的條件下采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，在第二 GaN隔離層上生長厚度為80nm，摻雜濃度為I X 119CnT3的n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層。
[0073]步驟13,形成大圓形臺(tái)面。
[0074]在n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層上光刻形成直徑為40 μ m的大圓形掩膜圖形，再用反應(yīng)離子刻蝕RIE方法，使用BCl3An2刻蝕氣體源，刻蝕的深度至GaN外延層的上表面，形成大圓形臺(tái)面。
[0075]步驟14,形成小圓形臺(tái)面。
[0076]在形成的大圓柱臺(tái)面上光刻形成直徑為ΙΟμπι的同軸小圓形掩膜圖形,在GaN外延層上光刻形成內(nèi)徑為40 μ m的同軸環(huán)形掩膜圖形，再用反應(yīng)離子刻蝕RIE方法，使用BC13/C12刻蝕氣體源，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，形成小圓形臺(tái)面。
[0077]步驟15，形成環(huán)形電極和圓形電極。
[0078]在整個(gè)器件表面采用真空電子束蒸發(fā)設(shè)備依次蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au多層金屬，厚度分別為30nm/120nm/50nm/160nm,經(jīng)過金屬剝離形成形成環(huán)形電極13和圓形電極14。
[0079]步驟16,形成GaN歐姆接觸。
[0080]對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行快速熱退火處理，退火條件為950°C，50秒鐘，氬氣氣氛，形成GaN歐姆接觸。
[0081]步驟17，露出環(huán)形電極和圓形電極。
[0082]采用PECVD工藝在器件正面淀積厚度為200nm的SiN鈍化層，鈍化后采用RIE刻蝕方法，利用CF4氣體刻蝕形成開孔，露出環(huán)形電極13和圓形電極14，完成器件的制作。
[0083]經(jīng)上述工藝步驟，最終形成的基于具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管管芯剖面參照圖1所示。
[0084]實(shí)施例2:制作厚度為lnm、In組分為5%的第一 InGaN子量子阱層和厚度為lnm、In組分為5%的第二 InGaN子量子阱層的共振隧穿二極管。
[0085]步驟一，選用直徑為2英寸6H_SiC絕緣型SiC襯底基片，背面減薄至150 μ m襯底厚度。
[0086]步驟二，采用三乙基鎵與高純氮?dú)夥謩e作為鎵源與氮源，使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，在溫度為450°C，外壓力為40托的工藝條件下，外延生長厚度為2 μ m的
GaN 層。
[0087]步驟三，采用高純氮?dú)夂腿一壏謩e作為氮源和鎵源，硅烷氣體作為η型摻雜源，使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，在溫度為100(TC，壓力為40托的工藝條件下，在GaN層上生長厚度為lOOnm，摻雜濃度為5 X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層。
[0088]步驟四，采用高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C的工藝條件下，在n+GaN集電極歐姆接觸層上生長厚度為2nm的第一 GaN隔離層。
[0089]步驟五，采用高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C的工藝條件下，在第一 GaN隔離層上生長厚度為lnm，In組分為17%的第一 InAlN
勢壘層。
[0090]步驟六，采用高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C的工藝條件下，在第一 InAlN勢壘層上生長厚度為Inm的第一 GaN主量子阱層。
[0091]步驟七，采用高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鎵爐和銦爐的溫度分別為850和585°C的工藝條件下，在第一 GaN主量子阱層上生長厚度為lnm，In組分為5%的第一InGaN子量子阱層。
[0092]步驟八，采用高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C的工藝條件下，在第一 InGaN子量子阱層上生長厚度為Inm的第二 GaN主量子阱層。
[0093]步驟九，采用高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C的工藝條件下，在第二 GaN主量子阱層上生長厚度為lnm，In組分為17%的第二InAlN勢壘層。
[0094]步驟十，采用高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮?dú)獾牧髁繛?br> 1.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，銦爐和鎵爐的溫度分別為585和850°C的工藝條件下，在第二 InAlN勢壘層上生長厚度為lnm，In組分為5%的第二 InGaN子量子阱層。
[0095]步驟十一，采用高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W，鎵爐的溫度為850°C的工藝條件下，在第二 InGaN子量子阱層上生長厚度為2nm的第二 GaN隔離層。
[0096]步驟十二，采用三乙基鎵和高純氮?dú)夥謩e作為鎵源和氮源，硅烷氣體作為η型摻雜源，使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，在溫度為1000°C，壓力為40托的工藝條件下，在第二 GaN隔離層上生長厚度為lOOnm，摻雜濃度為5 X 119CnT3的n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層。
[0097]步驟十三，在n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層上光刻形成直徑為40 μ m的大圓形掩膜圖形，采用BC13/C12刻蝕氣體源，使用反應(yīng)離子刻蝕RIE方法，刻蝕的深度至GaN外延層的上表面，形成大圓形臺(tái)面。
[0098]步驟十四，在形成的大圓柱臺(tái)面上光刻形成直徑為20μπι的同軸小圓形掩膜圖形，在GaN外延層上光刻形成內(nèi)徑為50 μ m的同軸環(huán)形掩膜圖形，采用BC13/C12刻蝕氣體源，使用反應(yīng)離子刻蝕RIE方法，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，形成小圓形臺(tái)面。
[0099]步驟十五，在整個(gè)器件表面采用真空電子束蒸發(fā)設(shè)備依次蒸發(fā)厚度分別為30nm/120nm/50nm/ 160nm的Ti/Al/Ni/Au多層金屬，使用金屬剝離的工藝方法,形成環(huán)形電極13和圓形電極14。
[0100]步驟十六，在氬氣氣氛，950°C，50秒的工藝條件下，對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行快速熱退火處理，形成GaN歐姆接觸。
[0101]步驟十七，采用PECVD工藝在器件正面淀積厚度為300nm的SiN鈍化層。
[0102]步驟十八，采用CF4氣體，使用RIE刻蝕方法，在鈍化層SiN上進(jìn)行開孔，露出環(huán)形電極13和圓形電極14，完成器件的制作。
[0103]經(jīng)上述工藝步驟，最終形成的基于具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管管芯剖面參照圖1所示。
[0104]實(shí)施例3:制作厚度為1.2nm、In組分為7%的第一 InGaN子量子阱層和厚度為
1.2nm、In組分為7%的第二 InGaN子量子阱層的共振隧穿二極管。
[0105]步驟A，選用直徑為2英寸6H_SiC導(dǎo)通型η型SiC襯底基片，摻雜濃度為
2.0X 1018cnT3，背面減薄至150 μ m襯底厚度。
[0106]步驟B，外延生長GaN層，n+GaN集電極歐姆接觸層和GaN隔離層:
[0107](BI)采用三乙基鎵與高純氮?dú)庾鳛殒壴磁c氮源，使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，以溫度為450°C，壓力為40托的工藝條件，在襯底基片上外延生長厚度為3 μ m的GaN層；
[0108](B2)采用與(BI)相同的氮源和鎵源，以硅烷氣體為η型摻雜源，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，以溫度為1000°C，壓力為40托的工藝條件，在GaN層上生長厚度為120nm，摻雜濃度為9 X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層。
[0109]步驟C，n+GaN集電極歐姆接觸層生長第一 GaN隔離層。
[0110]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在n+GaN集電極歐姆接觸層上生長厚度為3nm的第一 GaN隔離層。其生長條件為:
[0111]氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min ；
[0112]等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W ；
[0113]鎵爐的溫度為850°C。
[0114]步驟D，在第一 GaN隔離層上生長第一 InAlN勢壘層。
[0115]以高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 GaN隔離層上生長厚度為
1.2nm, In組分為18%的第一 InAlN勢壘層，其生長條件為:
[0116]氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min ；
[0117]等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W ；
[0118]鋁爐的溫度為900°C，銦爐的溫度為585°C。
[0119]步驟E，在第一 InAlN勢壘層上生長第一 GaN主量子阱層。
[0120]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 InAlN勢壘層上生長厚度為1.2nm的第一GaN主量子阱層，其生長條件為:
[0121]氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min ；
[0122]等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W ；
[0123]鎵爐的溫度為850°C。
[0124]步驟F，在第一 GaN主量子阱層上生長第一 InGaN子量子阱層。
[0125]以高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 GaN主量子阱層上生長厚度為1.2nm，In組分為7%的第一 InGaN子量子阱層，生長過程中氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min,等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鎵爐和銦爐的溫度分別為850和585°C。
[0126]步驟G，在第一 InGaN子量子阱層上生長第二 GaN主量子阱層。
[0127]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第一 InGaN子量子阱層上生長厚度為1.2nm的第二 GaN主量子阱層，其生長條件為:
[0128]氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min ；
[0129]等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W ；
[0130]鎵爐的溫度為850°C。
[0131 ] 步驟H，在第二 GaN主量子阱層上生長第二 InAlN勢壘層。
[0132]以高純的氮、鋁和銦分別作為氮源、鋁源和銦源，其中鋁源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 GaN主量子阱層上生長厚度為1.2nm, In組分為18%的第二 InAlN勢壘層，生長過程中氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min，等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W，鋁爐和銦爐的溫度分別為900和585°C。
[0133]步驟I，在InAlN勢壘層上生長第二 InGaN子量子阱層。
[0134]以高純的氮、鎵和銦分別作為氮源、鎵源和銦源，其中鎵源和銦源均由射頻等離子爐產(chǎn)生使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在InAlN勢壘層上生長厚度為
1.2nm, In組分為7%的第二 InGaN子量子阱層，其生長條件為:
[0135]氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min ；
[0136]等離子體輸入功率均為400W，反射功率均為5W ；
[0137]銦爐的溫度為585°C，鎵爐的溫度為850°C。
[0138]步驟J，在第二 InGaN子量子阱層上生長第二 GaN隔離層。
[0139]以高純的氮和鎵分別作為氮源和鎵源，其中鎵源由射頻等離子體爐產(chǎn)生，使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，在第二 InGaN子量子阱層上生長厚度為3nm的第二 GaN隔離層，其生長條件為:
[0140]氮?dú)獾牧髁繛?.6mL/min ；
[0141]等離子體輸入功率為400W，反射功率為5W ；
[0142]鎵爐的溫度為850°C。
[0143]步驟K，在第二 GaN隔離層上生長n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層。
[0144]采用三乙基鎵與高純氨氣作為鎵源與氮源，以硅烷氣體為η型摻雜源，在溫度為1000°C，壓力為40托下同樣采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，在第二 GaN隔離層上生長厚度為120nm，摻雜濃度為9 X 119CnT3的n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層。
[0145]步驟L，刻蝕大小圓臺(tái)面:
[0146](LI)在n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層上光刻形成直徑為60 μ m的大圓形掩膜圖形，再用反應(yīng)離子刻蝕RIE方法，使用BCl3An2刻蝕氣體源，刻蝕深度至GaN外延層上表面，形成大圓形臺(tái)面。
[0147](L2)在形成的大圓柱臺(tái)面上光刻形成直徑為20 μ m的同軸小圓形掩膜圖形，在GaN外延層上光刻形成內(nèi)徑為60 μ m的同軸環(huán)形掩膜圖形，再用反應(yīng)離子刻蝕RIE方法，使用BC13/C12刻蝕氣體源，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，形成小圓形臺(tái)面。
[0148]步驟M，在整個(gè)器件表面采用真空電子束蒸發(fā)設(shè)備依次蒸發(fā)Ti/Al/Ni/Au多層金屬，厚度分別為30nm/120nm/50nm/160nm,通過金屬剝離形成環(huán)形電極13和圓形電極14。
[0149]步驟N，，在950°C，氬氣氣氛下對(duì)整個(gè)器件快速退火退火50秒，形成GaN歐姆接觸。
[0150]步驟0，采用PECVD工藝在器件正面淀積厚度為400nm的SiN鈍化層，鈍化后采用RIE刻蝕方法，利用CF4氣體刻蝕形成開孔，露出環(huán)形電極13和圓形電極14，完成器件的制作。
[0151]經(jīng)上述工藝步驟，最終形成的基于具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管管芯剖面參照圖1所示。
【權(quán)利要求】
1.一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，包括主體部分和輔體部分，主體部分自下而上包括:SiC襯底層(I)、GaN外延層(2)、n+GaN集電極歐姆接觸層(3)、第一 GaN隔離層(4)、第一 InAlN勢壘層(5)、第一 GaN主量子阱層(6)、第二 GaN主量子阱層(8)、第二 InAlN勢壘層(9)、第二 GaN隔離層(11)和n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層(12);輔體部分包括環(huán)形電極(13)、圓形電極(14)和鈍化層(15)，其特征在于: 所述第一 GaN主量子阱層(6)與第二 GaN主量子阱層(8)之間設(shè)有第一 InGaN子量子阱層(7);該第一 InGaN子量子阱層(7)，采用In組分為3 %?7 %的InGaN材料，厚度為0.8 ?1.2nm ； 所述第二 InAlN勢壘層(9)與第二 GaN隔離層(11)之間設(shè)有第二 InGaN子量子阱層(10);該第二 InGaN子量子阱層(10)，采用In組分為3%?7%的InGaN材料，厚度為0.8?1.2nm ； 所述第一 InAlN勢壘層(5)和第二 InAlN勢壘層(9)，均采用In組分為16 %?18 %的InAlN材料，厚度為0.8?1.2nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，其特征在于GaN外延層⑵厚度為2?3μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，其特征在于n+GaN集電極歐姆接觸層(3)和發(fā)射極歐姆接觸層(12)的厚度為80?120nm，摻雜濃度為IXlO19 ?9X1019cm_3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，其特征在于第一InAlN勢壘層(5)和第二 InAlN勢壘層(9)厚度為0.8?1.2nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，其特征在于第一GaN主量子阱層(6)和第二 GaN主量子阱層(8)厚度為0.8?1.2nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，其特征在于第一InGaN子量子阱層(J)厚度為0.8?1.2nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，其特征在于第二InGaN子量子阱層(10)厚度為0.8?1.2nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管，其特征在于襯底采用η型SiC或絕緣型SiC基片。
9.一種具有雙InGaN子量子阱的共振隧穿二極管制作方法，按如下步驟進(jìn)行: (1)在SiC基片上采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，外延生長厚度為2?3μ m的GaN層； (2)在GaN層上利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，生長厚度為80?120nm，摻雜濃度為I X 119?9 X 119CnT3的n+GaN集電極歐姆接觸層； (3)在n+GaN集電極歐姆接觸層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為2?3nm的第一 GaN隔離層； (4)在第一GaN隔離層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為.0.8?L2nm、In組分為16%?18%的第一 InAlN勢壘層； (5)在第一InAlN勢壘層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm的第一 GaN主量子講層； (6)在第一GaN主量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為3%?7%的第一 InGaN子量子阱層； (7)在第一InGaN子量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm的第二 GaN主量子阱層； (8)在第二GaN主量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為16%?18%的第二 InAlN勢壘層； (9)在第二InAlN勢壘層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為0.8?1.2nm、In組分為3%?7%的第二 InGaN子量子阱層； (10)在第二InGaN子量子阱層上使用射頻等離子體輔助分子束外延RF-MBE方法，生長厚度為2?3nm的第二 GaN隔離層； (11)在第二GaN隔離層上利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD方法，生長厚度為80?120nm、摻雜濃度為I X 119?9 X 119CnT3的n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層； (12)在n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層上采用刻蝕技術(shù)，形成直徑為D的大圓形臺(tái)面，刻蝕深度至GaN外延層上表面,30 μ m<D<60 μ m ； (13)在上述大圓形臺(tái)面上繼續(xù)采用刻蝕技術(shù)，形成直徑為d的小圓形有源臺(tái)面，刻蝕深度至n+GaN集電極歐姆接觸層，10 μ m〈d〈20 μ m ； (14)分別在n+GaN集電極歐姆接觸層和n+GaN發(fā)射極歐姆接觸層上淀積Ti/Al/Ni/Au多層金屬，形成環(huán)形電極和圓形電極，該環(huán)形電極與小圓形有源臺(tái)面不相接觸； (15)采用PECVD方法在n+GaN集電極歐姆接觸層上方和環(huán)形電極上方淀積厚度為200?400nm的SiN鈍化層，并在環(huán)形臺(tái)面進(jìn)行刻蝕，露出集電極環(huán)形電極。
【文檔編號(hào)】H01L33/32GK104465913SQ201410696211
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】楊林安, 陳浩然, 李月, 田言, 陳安, 郝躍 申請人:西安電子科技大學(xué)