加階梯型隔離層和子阱層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)了加階梯型隔離層和子量子阱層的共振隧穿二極管（Resonant Tunneling Diode,RTD）的材料結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的RTD可產(chǎn)生毫安?安培級(jí)輸出電流；將其應(yīng)用于太赫茲波振蕩源設(shè)計(jì)，可產(chǎn)生mW級(jí)輸出功率的太赫茲波信號(hào)。本發(fā)明中的RTD結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖，自上而下描述為：重?fù)诫s的AlxGa1?xN發(fā)射區(qū)、Al組分階梯型減少的AlmGa1?mN層、InyGa1?yN子量子阱層、AlzGa1?zN勢(shì)壘、GaN勢(shì)阱、AlzGa1?zN勢(shì)壘、GaN隔離區(qū)、重?fù)诫s的GaN集電區(qū)。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是AlmGa1?mN階梯層及InyGa1?yN子量子阱層作為隔離區(qū)。理論分析和仿真在室溫下（300K）進(jìn)行，仿真參數(shù)是x=0.4，m由0.4按5個(gè)階梯減少，y=0.02，z=0.2，仿真結(jié)果是峰值電流Ip=2.48A（82.7 mA/um2），谷值電流Iv=0.734A（24.5mA/um2），PVCR=3.38，這是目前RTD研究報(bào)道中最大的輸出電流。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
加階梯型隔離層和子阱層的共振隧穿二極管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]太赫茲波的應(yīng)用前景非常廣闊，可用于安全監(jiān)測(cè)、無(wú)損探測(cè)、新型雷達(dá)系、超高速無(wú)線通信技術(shù)等等，因此受到科研和應(yīng)用領(lǐng)域的高度的重視，但是目前卻沒(méi)有一種穩(wěn)定的可靠的太赫茲波振蕩源。所以為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定可靠的太赫茲波振蕩源是非常關(guān)鍵的。共振隧穿二極管(Resonant Tunneling D1de , RTD)作為太赫茲波信號(hào)發(fā)射源電學(xué)器件之一，一直以來(lái)都是研究焦點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]共振隧穿二極管是最有可能作為太赫茲波振蕩源的電子電路解決方案，因?yàn)镚aN材料相對(duì)于傳統(tǒng)共振隧穿二極管材料具有高載流子迀移率、良好的溫度穩(wěn)定性和寬禁帶寬度等特性，于是GaN基的共振隧穿二極管有很大研究和應(yīng)用潛力。GaN基RTD由于GaN材料良好的物理特性，受到越來(lái)越多的關(guān)注，是太赫茲波源領(lǐng)域當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，并有望設(shè)計(jì)出室溫下高功率的太赫茲波振蕩源。目前所研究的GaN基RTD結(jié)構(gòu)的理論分析和實(shí)際器件測(cè)試表明其性能不夠好且穩(wěn)定性差，在多次掃描之后負(fù)阻特性會(huì)出現(xiàn)明顯退化。
[0003]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】

[0004]本發(fā)明針對(duì)普通RTD結(jié)構(gòu)提出使用Al組分階梯型減少的AlmGanN層和InyGa1-yN子量子阱層作為發(fā)射區(qū)到雙勢(shì)皇單勢(shì)阱之間的發(fā)射極隔離區(qū)。
[0005]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m=X按五個(gè)階梯減少到O的AlmGanN層和InyGa1-yN子量子阱層構(gòu)成的發(fā)射極隔離區(qū)、AlzGanN勢(shì)皇、GaN勢(shì)阱、AI zGa1-zN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)，即x=0.4，m從0.4按5個(gè)階梯減少，7=0.02，2=0.2。這樣設(shè)計(jì)的隔離區(qū)結(jié)構(gòu)都可以提高RTD的輸出特性一一階梯型AlmGanN隔離層通過(guò)產(chǎn)生的二維電子氣提高載流子迀移率，增加了發(fā)射區(qū)載流子注入效率;InyGapyN子量子阱層改變了能帶結(jié)構(gòu)，使得隧穿機(jī)制由3D-2D模式轉(zhuǎn)換成2D-2D模式，因此增加了隧穿電子的數(shù)量、加快了隧穿速率以及降低峰值、谷值電壓。理論分析和仿真表明，該新型結(jié)構(gòu)的GaN基RTD獲得了良好的微分負(fù)阻特性，而且輸出電流達(dá)到了毫安-安培級(jí)、輸出功率達(dá)到了毫瓦級(jí)。
[0006]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。仿真中的結(jié)構(gòu)參數(shù)是:GaN基RTD結(jié)構(gòu)的主量子阱區(qū)由Al0.2Ga0.8N/GaN/Al0.2Ga0.8N雙勢(shì)皇單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)組成，采用低鋁組分的Al0.2GaQ.8N生長(zhǎng)晶格匹配于GaN勢(shì)阱，從而提高異質(zhì)結(jié)質(zhì)量，減少異質(zhì)結(jié)界面缺陷陷阱數(shù)量及降低極化電場(chǎng)，以抑制負(fù)微分電阻特性的退化現(xiàn)象;將該量子講結(jié)構(gòu)夾在10nm的η型Al0.4Ga0.6N發(fā)射區(qū)和10nm的η型GaN集電區(qū)之間，集電區(qū)和發(fā)射區(qū)米用摻雜濃度為I X 119Cnf3的重?fù)诫s，其他區(qū)域都不摻雜，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)與各自電極均是歐姆接觸;在發(fā)射區(qū)和主量子阱之間設(shè)計(jì)了一層5nm的Al組分m參數(shù)階梯型減少的AlmGa^N層及2nm的InQ.Q2Ga0.98N子量子講層構(gòu)成的隔離區(qū)；在主量子講和集電區(qū)之間有一層5nm的GaN隔離區(qū)。圖2呈現(xiàn)了該RTD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3所示，峰值電流Ip=2.48AC82.7 mA/um2)，谷值電流Iv=0.734AC24.5mA/um2) ,PVCR=3.38，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】
[0007]圖1是加階梯型隔離層和子阱層的共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2是加階梯型隔離層和子阱層的共振隧穿二極管的靜態(tài)導(dǎo)帶剖面圖。
[0009]圖3是加階梯型隔離層和子阱層的共振隧穿二極管的1-V特性圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.加階梯型隔離層和子量子講層的共振隧穿二極管(ResonantTunneling D1de ,RTD)的主要結(jié)構(gòu)由發(fā)射極到集電極依次包括了 =AlxGanN發(fā)射區(qū)、由Al組分階梯型減少的AlmGanN層及InyGm-yN子量子阱層構(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)夾在由Al組分階梯型減少的AlmGanN層及InyGa1-yN子量子阱構(gòu)成的發(fā)射極的隔離區(qū)和GaN集電極隔離區(qū)之間，所得結(jié)構(gòu)又夾在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)之間，從而形成器件整體結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)2，建立新型GaN基共振隧穿二極管理論分析模型結(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AlxGaixN發(fā)射區(qū)、Al的組分m參數(shù)階梯型減少的AlmGanN層、InyGapyN子量子阱、AlzGapzN勢(shì)皇、GaN勢(shì)阱、AlzGapzN勢(shì)皇、GaN隔離區(qū)、重?fù)诫sGaN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基共振隧穿二極管有源區(qū)結(jié)構(gòu)和權(quán)利要求書(shū)3的理論分析模型，其關(guān)鍵特征在于:在AlxGanN發(fā)射區(qū)和主量子阱之間有一層由Al組分m參數(shù)階梯型減少的AlmGanN層及InyGa1-yN子量子阱結(jié)構(gòu)作為發(fā)射極隔離區(qū)，在AlmGanN隔離層中Al組分從靠近發(fā)射區(qū)一端的m=X開(kāi)始，按Inm—個(gè)階梯，平均地階梯型減少到子量子阱左側(cè)的0，依據(jù)目前加工工藝技術(shù)，理論分析模型中分為了5層階梯;AlmGanN隔離層緊連InyGa1-yN構(gòu)成的子量子阱層。5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)4的由Al組分階梯型減少的AlmGanN層及InyGa1-yN子量子阱構(gòu)成的發(fā)射極的隔離區(qū)，其特征是:這樣的新型隔離區(qū)結(jié)構(gòu)一一在階梯型AlmGa^N層，通過(guò)產(chǎn)生二維電子氣提高載流子迀移率，增加了發(fā)射區(qū)載流子注入效率;子量子阱層改變了能帶結(jié)構(gòu)，使得隧穿機(jī)制由3D-2D模式轉(zhuǎn)換成2D-2D模式，以此增加隧穿電子的數(shù)量、加快隧穿速率及降低峰值、谷值電壓，仿真結(jié)果表明這樣新型結(jié)構(gòu)的共振隧穿二極管獲得了目前該器件研究報(bào)道中最大的電流。6.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)5的理論分析和仿真結(jié)果，其特征在于將該器件應(yīng)用于太赫茲振蕩信號(hào)源設(shè)計(jì)中，可產(chǎn)生毫瓦量級(jí)輸出功率的太赫茲信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H01L29/207GK105870163SQ201610131135
【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)