加階梯式異質(zhì)結(jié)隔離區(qū)的共振隧穿二極管的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種產(chǎn)生微分負(fù)阻的共振隧穿二極管（RTD）器件新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生毫安?安培級(jí)輸出電流，應(yīng)用于太赫茲波信號(hào)源設(shè)計(jì)可產(chǎn)生毫瓦級(jí)輸出功率的太赫茲波信號(hào)。本發(fā)明中的RTD的結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖。結(jié)構(gòu)中采用AlzGa1?zN/GaN/AlzGa1?zN雙勢(shì)壘單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的量子阱區(qū)；發(fā)射區(qū)為重?fù)诫s的AlxGa1?xN；集電區(qū)是重?fù)诫s的GaN；集電極隔離區(qū)為GaN；而發(fā)射極隔離區(qū)是AlyGa1?yN階梯型隔離區(qū)：AlyGa1?yN的Al組分y由x按階梯減小到0。理論分析和仿真在室溫下（300K）進(jìn)行，仿真參數(shù)是x=0.4，y從0.4按五級(jí)階梯減小，z=0.2，仿真結(jié)果峰值電流Ip=1.59A（53mA/um2），谷值電流Iv=0.655A（21.8 mA/um2），PVCR=2.43，我們獲得的輸出電流比目前共振隧穿二極管研究報(bào)道中最大輸出電流更大。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
加階梯式異質(zhì)結(jié)隔離區(qū)的共振隧穿二極管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種GaN基共振隧穿二極管(ResonantTunneling D1de, RTD)，可應(yīng)用于產(chǎn)生大功率太赫茲波信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲頻段波由于在超高速無(wú)線通信技術(shù)和光譜成像技術(shù)中有廣泛應(yīng)用前景而受到科學(xué)界的重視。為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，微小而連續(xù)的太赫茲波源是關(guān)鍵技術(shù)所在。作為太赫茲波發(fā)射源電學(xué)器件之一，共振隧穿二極管(RTD)—直以來(lái)都是研究焦點(diǎn)。GaAs基RTD在太赫茲應(yīng)用研究領(lǐng)域出現(xiàn)了瓶頸，例如:更高頻率限制、輸出功率和工作溫度。
[0003]GaN基RTD因?yàn)镚aN材料具有高電子迀移率、溫度穩(wěn)定性好和禁帶寬度寬的特性，有望設(shè)計(jì)出室溫下高功率太赫茲波源，受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前研究的GaN基共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)的理論分析和實(shí)際器件測(cè)試表現(xiàn)不盡如人意，尤其是負(fù)阻特性在多次掃描之后會(huì)出現(xiàn)衰減。
[0004]普通GaN基雙勢(shì)皇單勢(shì)阱RTD的結(jié)構(gòu)從上到下通常為:重?fù)诫s的發(fā)射區(qū)、發(fā)射極隔離區(qū)、雙勢(shì)皇單勢(shì)阱的量子阱區(qū)、集電極隔離區(qū)、重?fù)诫s的集電區(qū)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明采用了Al組分y參數(shù)階梯型減少的AlyGa^N形成連續(xù)的異質(zhì)結(jié)作為發(fā)射極隔離區(qū)，AlGaN和GaN異質(zhì)結(jié)界面存在極化效應(yīng)，因而形成極化電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下出現(xiàn)極化電荷，形成二維電子氣，提高了載流子迀移率。
[0006]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的RTD結(jié)構(gòu)自上而下描述為:重?fù)诫s的AlxGa^N發(fā)射區(qū)、Al組分從y=X按五個(gè)階梯減少到y(tǒng)=0的AlyGapyN發(fā)射極隔離區(qū)、AlzGarzN勢(shì)皇、GaN勢(shì)阱、AlzGarzN勢(shì)皇、GaN集電極隔離區(qū)、重?fù)诫s的GaN集電區(qū)，結(jié)構(gòu)圖如圖1，圖中參數(shù)為仿真時(shí)采用的參數(shù)，SPx=
0.4，y從0.4開(kāi)始按5個(gè)階梯減少，AlzGanN勢(shì)皇采用低Al組分Z=0.2。這樣的結(jié)構(gòu)增加了發(fā)射區(qū)載流子注入效率，并提高發(fā)射區(qū)載流子迀移率；同時(shí)減少了集電區(qū)耗盡電場(chǎng)，從而降低了共振隧穿二極管中載流子輸運(yùn)時(shí)間。理論分析和仿真結(jié)果都表明該器件獲得了負(fù)微分電阻，且在該區(qū)域內(nèi)有毫安-安培級(jí)的輸出電流，可提高輸出功率到毫瓦級(jí)。
[0007]在階梯結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)中，由于目前器件生長(zhǎng)工藝的限制，AlyGanN的Al組分階梯型減少也會(huì)是連續(xù)線性減少，則本發(fā)明中的器件材料結(jié)構(gòu)包括連續(xù)變化的情況，結(jié)構(gòu)如圖2。
[0008]本發(fā)明的關(guān)鍵是:在現(xiàn)有Ga N基R T D結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)AI組分階梯型減少的AlyGanN形成的連續(xù)階梯式異質(zhì)結(jié)作為發(fā)射區(qū)到雙勢(shì)皇單勢(shì)阱區(qū)之間的發(fā)射極隔離區(qū)。
[0009]針對(duì)所發(fā)明的GaN基RTD結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，仿真過(guò)程中對(duì)所設(shè)計(jì)器件采用的截面積是6 X 5um2，為了和實(shí)際寄生串聯(lián)電阻一致，電極端接觸電阻率設(shè)為4.36 X 10—3 Ω cm2。10nm的η型AlQ.4GaQ.6N發(fā)射區(qū)和10nm的η型GaN集電區(qū)采用重?fù)诫s，摻雜濃度為I X 1019cm—3，目的是和電極形成歐姆接觸，其他區(qū)域都不摻雜;發(fā)射區(qū)和雙勢(shì)皇單勢(shì)阱區(qū)之間是5nm的階梯式異質(zhì)結(jié)的AlyGanN發(fā)射極隔離區(qū)，其中Al的組分y從靠近發(fā)射區(qū)一端的0.4階梯型減少到勢(shì)皇附近的O;量子阱區(qū)由1.5nm Al0.2Ga0.sNa.5nm GaN、1.5nm Al0.2GaQ.8N雙勢(shì)皇單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)組成，采用低鋁組分的AlQ.2GaQ.8N，晶格匹配于GaN勢(shì)阱，從而提高異質(zhì)結(jié)質(zhì)量，降低極化電場(chǎng)，抑制負(fù)微分電阻特性的退化現(xiàn)象;集電極隔離區(qū)是5nm的GaN。圖3呈現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)的靜態(tài)導(dǎo)帶剖面圖。仿真設(shè)定在室溫下進(jìn)行，1-V特性仿真結(jié)果如圖4所示，峰值電流Ip=1.59A(53mA/ um2)，谷值電流Ιν=0.655Α(21.8 mA/ um2)，PVCR=2.43，這是目前該器件研究工作報(bào)道中所得的最大輸出電流。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是帶階梯式異質(zhì)結(jié)隔離區(qū)的GaN基RTD結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011 ]圖2是考慮目前器件生長(zhǎng)工藝限制的GaN基RTD結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3是帶階梯式異質(zhì)結(jié)隔離區(qū)的GaN基RTD靜態(tài)導(dǎo)帶剖面圖。
[0013]圖4是帶階梯式異質(zhì)結(jié)隔離區(qū)的GaN基RTD的1-V特性圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.本發(fā)明中的加階梯式異質(zhì)結(jié)隔離區(qū)的共振隧穿二極管(ResonantTunnelingD1de, RTD)的主要結(jié)構(gòu)由發(fā)射極到集電極依次包括了:發(fā)射區(qū)、階梯式異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的發(fā)射極隔離區(qū)、雙勢(shì)皇單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)、集電極隔離區(qū)和集電區(qū)。2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I，RTD器件結(jié)構(gòu)組成是:雙勢(shì)皇單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)夾在階梯式異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的發(fā)射極隔離區(qū)和GaN集電極隔離區(qū)之間，所得結(jié)構(gòu)不摻雜;該結(jié)構(gòu)又夾在重?fù)诫s的發(fā)射區(qū)和集電區(qū)之間，從而形成整體的RTD器件。3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)2建立新型GaN基RTD理論分析模型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)自上而下描述為:器件的發(fā)射極電極、重?fù)诫s的AlxGa^xN發(fā)射區(qū)、Al的組分y參數(shù)階梯型減少的AlyGa^yN形成階梯式異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的發(fā)射極隔離區(qū)、AlzGahN勢(shì)皇、GaN勢(shì)阱、AlzGapzN勢(shì)皇、GaN集電極隔離區(qū)、重?fù)诫s的GaN集電區(qū)、器件的集電極電極。4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)2的GaN基RTD有源區(qū)結(jié)構(gòu)和權(quán)利要求書(shū)3的理論分析模型，其特征在于:在發(fā)射區(qū)和雙勢(shì)皇單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)之間有一層Al組分階梯型減少的AlyGa^N形成階梯式異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的發(fā)射極隔離區(qū)，在這個(gè)隔離區(qū)中Al的組分從靠近發(fā)射區(qū)一端的y=x階梯型減少到雙勢(shì)皇單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的勢(shì)皇附近為y=0，根據(jù)目前加工工藝技術(shù)，理論分析和仿真模型階梯異質(zhì)結(jié)分為了 5層階梯。5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)4，本發(fā)明中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)一一Al組分階梯型減少的AlyGanN層構(gòu)成的階梯式異質(zhì)結(jié)發(fā)射極隔離區(qū)一一由于目前器件生長(zhǎng)工藝的限制，該區(qū)域Al的組分y可以由從靠近發(fā)射區(qū)一端的y=x線性減少到雙勢(shì)皇單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)的勢(shì)皇端O。6.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)4的階梯式異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的隔離區(qū)，其特征在于形成了二維電子氣，提高了載流子迀移率、降低集電極耗盡區(qū)電場(chǎng)，提高了輸出電流，仿真結(jié)果中獲得的輸出電流大于目前該器件研究報(bào)道中的最大電流。7.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)6的理論分析和仿真結(jié)果，將該器件應(yīng)用于太赫茲信號(hào)源設(shè)計(jì)中，可產(chǎn)生毫瓦級(jí)輸出功率的太赫茲信號(hào)，可應(yīng)用于太赫茲微系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】H01L29/88GK105870171SQ201610131515
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月9日
【發(fā)明人】高博, 劉洋
【申請(qǐng)人】四川大學(xué)