一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲是介于可見光與微波之間的波段，是迄今人類尚未完全探測的一個空白領(lǐng)域，其物理性質(zhì)獨特，在通信、探測領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景，具有非常重要的科學(xué)研究意義，例如，它曾被日本政府認(rèn)為是“改變未來的十大科學(xué)技術(shù)之首”。世界科技強國，紛紛投入人力、物力在這一領(lǐng)域探索科技“寶藏”。
[0003]作為太赫茲技術(shù)的第一個元素，太赫茲發(fā)射源，自然引起世界各國的重視?，F(xiàn)階段，太赫茲發(fā)射源主要有兩類，一類是光學(xué)元件，人們試圖將其振蕩頻率做低，延伸至太赫茲領(lǐng)域。另一類是電學(xué)器件，人們試圖將其振蕩頻率做高，拓展到太赫茲領(lǐng)域。電學(xué)器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點，這在某些場合具有非常巨大的優(yōu)勢，因此電學(xué)的太赫茲源一直是人們研究的重點。在眾多的電子學(xué)太赫茲源當(dāng)中，耿氏二極管是研究的重要方向之一。特別是GaN基的耿氏二極管，更是由于其閾值電場高、擊穿電壓大、功率密度高、振蕩頻率高等特點，倍受青睞。
[0004]耿氏二極管也叫轉(zhuǎn)移電荷器件(TED)，是利用耿氏振蕩效應(yīng)工作的。最早是在GaAs中發(fā)現(xiàn)的，Gunn發(fā)現(xiàn)，在GaAs體材料的兩端施以超過某一閾值的電場時，將會產(chǎn)生高頻振蕩，發(fā)射出高頻電磁波。振蕩產(chǎn)生的頻率與器件參數(shù)相關(guān)，但是最高極限受制于材料的物理性質(zhì)。早期的耿氏二極管也都是GaAs基的，但是在頻率性能方面，GaAs耿氏二極管的振蕩頻率可以達(dá)到200GHz，距離太赫茲頻段尚有一段距離。而GaN耿氏二極管的最高頻率可以達(dá)到4THz。因此，GaN太赫茲振蕩源成為研究的重點方向。
[0005]早期的GaN太赫茲二極管的結(jié)構(gòu)為簡單的三明治結(jié)構(gòu)，兩個厚度約為100 nm的η型重?fù)诫s(摻雜濃度~lel9cm 3)的GaN層中間夾著一個幾微米厚度的輕摻雜的GaN層(摻雜濃度~lel7cm3量級)。兩邊的重?fù)诫s區(qū)域分別充當(dāng)發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，中間的輕摻雜區(qū)域充當(dāng)有源區(qū)。這種器件結(jié)構(gòu)簡單，但是，在有源區(qū)存在“死區(qū)”，即其中的一段長度是電子的加速區(qū)，電子經(jīng)過這段距離加速才能達(dá)到“谷間散射”的速率閾值，從而開始產(chǎn)生耿氏振蕩。為了避免“死區(qū)”，后來的研究者引入了 “notch摻雜層”，即在發(fā)射區(qū)和有源區(qū)之間插入一層幾十納米厚度的低摻雜濃度層(摻雜濃度~lel6cm 3量級)。另一種方法是加入重?fù)诫s的AlGaN “熱電子發(fā)射層”，它同樣位于發(fā)射極和有源區(qū)之間。仿真的結(jié)果表明，使用“熱電子”發(fā)射層之后，電子發(fā)射的位置更靠近有源區(qū)的邊緣。為進(jìn)一步提高器件性能，研究者使用了漸變A1組分的熱電子發(fā)射層，甚至是多層漸變A1組分的熱電子發(fā)射層(比如A1組分為0.01，0.08和0.15)。如此設(shè)計可以減小GaN和AlGaN的界面晶格失配，提高器件性能。
[0006]盡管采用不同的措施，這些傳統(tǒng)器件的仍存在如下弊端:(1)傳統(tǒng)雜質(zhì)摻雜方式的激活率低，而且載流子迀移率低。由于GaN是寬禁帶半導(dǎo)體材料，所以雜質(zhì)在GaN中的激活能很高，造成摻雜雜質(zhì)的激活效率很低。而且，由于雜質(zhì)中心的散射作用，載流子的迀移率低。(2)雜質(zhì)摻雜使晶體的質(zhì)量降低很多，影響器件性能。由于GaN材料體系的摻雜必須在材料生長的同時進(jìn)行，對晶體的質(zhì)量會有不可避免的影響，從而影響器件性能。(3)利用AlGaN熱電子發(fā)射層的器件，AlGaN和GaN之間存在很大的晶格失配，產(chǎn)生大量的界面缺陷，影響器件性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管。
[0008]—種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管，包括陰極電極、漸變AlxGalxN極化摻雜層、有源區(qū)、陽極區(qū)和陽極電極；
[0009]所述的陽極區(qū)上外延生長有源區(qū)，有源區(qū)外延生長漸變AlxGai XN極化摻雜層；陽極區(qū)的外側(cè)設(shè)有陽極，漸變AlxGai少極化摻雜層的外側(cè)設(shè)有陰極。
[0010]所述的漸變AlxGai XN極化摻雜層為多層。
[0011]作為優(yōu)選，所述的漸變AlxGai XN極化摻雜層，其中有源區(qū)朝陰極的方向上，A1的組分X從0漸變到0.5。
[0012]在器件結(jié)構(gòu)中，N面漸變AlxGai XN層的A1組分是從0漸變到0.5的，為極化摻雜層。由于N面漸變AlxGai XN層的獨特的物理性質(zhì)，其內(nèi)部局部的極化電荷的面濃度不均與，基于電中性原理，將會誘導(dǎo)出高濃度的電子，一般稱為三維電子氣(3DEG)。相當(dāng)于對漸變AlxGa1-層進(jìn)行了摻雜。
[0013]有益效果:由于此種摻雜方式不存在雜質(zhì)電離中心，所以，電子的迀移率很高。另夕卜，電子迀移率隨環(huán)境溫度的變化很小，因此，提高了器件的性能。更關(guān)鍵的，由于在寬禁帶半導(dǎo)體中進(jìn)行雜質(zhì)摻雜，存在激活率過低的缺點。難以獲得較高的摻雜濃度，而極化摻雜可以極大提高摻雜濃度。
[0014]在器件結(jié)構(gòu)方面，漸變組分AlxGai XN層和GaN在界面處不存在任何晶格失配，減小了界面缺陷密度和合金無序散射。同時，漸變組分AlxGai XN，同時充當(dāng)熱電子發(fā)射層，用以解決“死區(qū)”問題。漸變組分AlyGalyN層，作為發(fā)射極。由于其可以獲得的非常高的電子濃度，超過常規(guī)GaN可以摻雜的濃度很多，所以可以提高電子的發(fā)射數(shù)量。同時，高電子濃度材料，易于形成電子隧穿，獲得良好的歐姆接觸，提高器件性能。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為采用M0CVD或MBE方法在藍(lán)寶石襯底上外延AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)層示意圖；
[0017]圖3為在AlGaN/GaN HEMT器件的正面形成陰極的示意圖；
[0018]圖4為將AlGaN/GaN HEMT器件鍵合到熱沉上，并將襯底部分朝上的示意圖；
[0019]圖5為施以外力克服單晶h-BN移除層的范德瓦耳斯力將藍(lán)寶石襯底剝離掉的示意圖；
[0020]圖6為將單晶h-BN移除層減薄去掉后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖7為LT-A1N緩沖層減薄去掉的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖8在n+_GaN層的外側(cè)形成陽極的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示，一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管，包括陰極電極①、漸變AlxGai XN極化摻雜層②、有源區(qū)③、陽極區(qū)④和陽極電極⑤；
[0024]所述的陽極區(qū)上外延生長有源區(qū)，有源區(qū)外延生長漸變AlxGai XN極化摻雜層；陽極區(qū)的外側(cè)設(shè)有陽極，漸變AlxGai少極化摻雜層的外側(cè)設(shè)有陰極。
[0025]如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8所示，一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管的工藝實現(xiàn)方法，該方法具體包括以下步驟:
[0026]步驟一:采用M0CVD或MBE方法在藍(lán)寶石襯底上外延AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)層；
[0027]步驟二:在AlGaN/GaN HEMT器件的正面形成陰極；
[0028]步驟三:將AlGaN/GaN HEMT器件鍵合到熱沉上，將襯底部分朝上；
[0029]步驟四:施以外力克服單晶h-BN移除層的范德瓦耳斯力將藍(lán)寶石襯底剝離掉；
[0030]步驟五:再將單晶h_BN移除層和LT-A1N緩沖層減薄去掉；
[0031]步驟六:在n+-GaN層的外側(cè)形成陽極；
[0032]所述的AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)包括LT-A1N緩沖層，接著在長LT-A1N緩沖層上外延生長出單晶h-BN移除層；之后在單晶h-BN移除層上外延生長AIN buffer層，再在AIN buffer層外延生長出n+_GaN層，接著在n+_GaN層外延生長出η-GaN層，最后在η-GaN層外延生長出漸變AlxGai XN極化摻雜層；其中η-GaN層朝陰極的方向上，A1的組分X從0漸變到0.5。
[0033]所述的單晶h-BN移除層厚度為3nm ;所述的LT-A1N緩沖層厚度為lOOnm ;所述的n+-GaN層厚度為1.9 μ m ;所述的AIN buffer層厚度為lnm ;所述的漸變組分AlGaN層厚度為20nm ;所述的η-GaN層厚度為200nmo
【主權(quán)項】
1.一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管，其特征在于:包括陰極電極、漸變A1 xGai XN極化摻雜層、有源區(qū)、陽極區(qū)和陽極電極； 所述的陽極區(qū)上外延生長有源區(qū)，有源區(qū)外延生長漸變AlxGai XN極化摻雜層；陽極區(qū)的外側(cè)設(shè)有陽極，漸變AlxGai XN極化摻雜層的外側(cè)設(shè)有陰極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管，其特征在于:所述的漸變AlxGai XN極化摻雜層為多層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管，其特征在于:所述的漸變AlxGai XN極化摻雜層，其有源區(qū)層朝陰極的方向上，A1的組分X從0漸變到0.5。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于極化摻雜效應(yīng)的太赫茲二極管，該裝置包括陰極電極、漸變AlxGa1-xN極化摻雜層、有源區(qū)、陽極區(qū)和陽極電極；所述的陽極區(qū)上外延生長有源區(qū)，有源區(qū)外延生長漸變AlxGa1-xN極化摻雜層；陽極區(qū)的外側(cè)設(shè)有陽極，漸變AlxGa1-xN極化摻雜層的外側(cè)設(shè)有陰極。本實用新型中的高電子濃度材料，易于形成電子隧穿，獲得良好的歐姆接觸，提高器件性能。
【IPC分類】H01L29/207, H01L29/861, H01L29/201, H01L29/66
【公開號】CN205081125
【申請?zhí)枴緾N201520488512
【發(fā)明人】董志華, 程知群, 劉國華, 周濤, 柯華杰
【申請人】杭州電子科技大學(xué)
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年7月3日