[发明专利]具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，涉及宽带隙半导体GaN材料的共振隧穿二极管及制作方法，可用于高频、大功率器件制作。

背景技术

近年来，以氮化镓GaN、碳化硅SiC为代表的第三代宽禁带半导体材料，是继以半导体Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料之后，在近十年迅速发展起来的新型半导体材料。由于具有大禁带宽度、高导带断续、高热导率、高临界场强、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等优良特性，GaN基半导体材料和器件受到了人们广泛的关注。

太赫兹技术作为一门新兴的科学技术，由于其具有很多独特的特性以及优势，吸引了许多科研工作者去研究。太赫兹的频率范围为0.1THz到10THz，介于微波与红外之间，因此要想获得太赫兹的频率，必须选择合适的器件作为太赫兹波的产生源。共振隧穿二极管由于其器件特性成为实现太赫兹器件源的重要选择。基于GaN基半导体材料制作而成的共振隧穿二极管，继承了GaN基化合物半导体材料异质结的优点，它具有高载流子浓度、高载流子迁移率、高工作频率、大功率及耐高温等特性，因此成为众多研究者研究的热点。

1991年，Wie等人提出在AlAs/GaAs/AlAs共振隧穿二极管的发射极增加一层InGaAs薄层能有效的提高隧穿电流密度，参见Designing resonant tunneling structures for increased peak current density,Appl.Phys.Lett,58,1077,1991.但是随着人们对太赫兹器件源研究的不断突破，GaAs共振隧穿二极管的输出功率已经不能满足太赫兹器件源的输出需求。GaN负阻器件同传统的化合物半导体GaAs负阻器件相比具有更高的工作频率和输出功率，且GaN的负阻振荡器基频频率可达750GHz，远远大于GaAs的140GHz，而更为重要的是，在THz工作频率，GaN基器件的输出功率比GaAs高一到两个数量级，可以达到几百毫瓦甚至几瓦的功率。再者，AlAs/GaAs界面处的二维电子气的来源是通过调制掺杂形成的，而GaN基异质结界面处的二维电子气是由材料的极化效应所引起的。选取合适的二维电子气能有效提高共振隧穿二极管的I-V特性和电流峰谷比。2011年，Razeghi等人报道对AlGaN/GaN/AlGaN共振隧穿二极管的研制，参见Room temperature negative differential resistance characteristics of polar III-nitride resonant tunneling diodes,Appl.Phys.Lett,97,092104,2010.该方案采用AlGaN/GaN/AlGaN量子阱作为共振隧穿二极管的有源区，利用AlGaN/GaN界面的高导带断续来增加器件的电流峰谷比。但是由于AlGaN/GaN异质结界面处的高晶格失配、高界面粗糙度和强压电极化，使得界面处的陷阱中心的激活能和缺陷密度过大，在多次扫描下器件的I-V特性严重衰减。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有基于GaN材料共振隧穿二极管的不足，提出一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管及其制作方法，以提高器件的透射系数，降低功耗，改善GaN共振隧穿二极管I-V特性的可重复性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一、本发明基于一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，包括主体部分和辅体部分，主体部分自下而上包括：SiC衬底层、GaN外延层、n⁺GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一InAlN势垒层、第一GaN主量子阱层、第二GaN主量子阱层、第二InAlN势垒层、第二GaN隔离层和n⁺GaN发射极欧姆接触层；辅体部分包括环形电极、圆形电极和钝化层，其特征在于：

所述第一GaN主量子阱层与第二GaN主量子阱层之间设有第一InGaN子量子阱层；该第一InGaN子量子阱层，采用In组分为3％～7％的InGaN材料，厚度为0.8～1.2nm；

所述第二InAlN势垒层与第二GaN隔离层之间设有第二InGaN子量子阱层；该第二InGaN子量子阱层，采用In组分为3％～7％的InGaN材料，厚度为0.8～1.2nm；

所述第一InAlN势垒层和第二InAlN势垒层，均采用In组分为16％～18％的InAlN材料，厚度为0.8～1.2nm。

二、本发明器件的制作方法，包括如下步骤：