基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构及其制备方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910088592.X (22)申请日 2019.01.30 (71)申请人 吉林大学 地址 130012 吉林省长春市前进大街2699 号 (72)发明人 张源涛陈靓韩煦邓高强 董鑫张宝林 (74)专利代理机构 长春吉大专利代理有限责任 公司 22201 代理人 刘世纯王恩远 (51)Int.Cl. H01L 33/14(2010.01) H01L 33/32(2010.01) H01L 33/00(2010.01) H01L 29/885(2006.01) H01L 2。

2、1/329(2006.01) (54)发明名称 一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结 构及其制备方法 (57)摘要 一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结 构及其制备方法， 属于半导体电子器件技术领 域。 其从下至上依次由衬底、 Alx0Ga1-x0N模板层、 n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层、 Alx2Ga1-x2N插入 层、 p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层和p-Alx4Ga1-x4N 重掺杂层构成。 所述n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂 层、 Alx2Ga1-x2N插入层和p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺 杂层共同构成极化诱导隧穿结。 本发明提出的隧 。

3、穿结结构全部由AlGaN材料构成， 使用极化诱导 掺杂的方法改善高Al组分AlGaN掺杂难的问题， 并使用高Al组分的Alx2Ga1-x2N作为插入层， 进一 步提高器件的隧穿几率， 获得性能良好的隧穿结 器件。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 109786531 A 2019.05.21 CN 109786531 A 1.一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： 从下至上， 依次由衬底 (1)、 Alx0Ga1-x0N模板层(2)、 n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)、 Alx2Ga1-x2N插入层(4)、 p- Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂。

4、层(5)和p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)构成； Alx0Ga1-x0N模板层(2)的外延方向为AlGaN材料的0001方向， 从而保证在其上外延的 其他结构也保持0001方向； Alx0Ga1-x0N模板层(2)是Si掺杂的n型导电衬底或者是非故意掺杂的高阻型衬底， 0 x0 1； n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)由掺Si的AlGaN材料构成， n-Alx1Ga1-x1N组份x1沿外延 生长方向线性增加， 0 x11； Alx2Ga1-x2N插入层(4)由组份较高的Alx2Ga1-x2N材料构成， 0 x1x21； p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)由掺Mg。

5、的AlGaN材料构成， p-Alx3Ga1-x3N组份x3沿外延 生长方向线性减小， 0 x3x2； p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)由掺Mg的AlGaN材料构成， 0 x41。 2.如权利要求1所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： 衬 底1是蓝宝石、 SiC、 Si、 GaN或者AlN， 为n型导电衬底或非故意掺杂的高阻型衬底。 3.如权利要求1所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： Alx0Ga1-x0N模板层(2)的厚度为100nm4000nm， n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)的厚度为 50100nm， A。

6、lx2Ga1-x2N插入层(4)的厚度为520nm， p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)的厚 度为50100nm， p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)的厚度为510nm。 4.权利要求1所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构的制备方法， 其特征 在于： 是在衬底(1)上采用MOCVD方法依次外延生长Alx0Ga1-x0N模板层(2)、 n-Alx1Ga1-x1N极化 诱导掺杂层(3)、 Alx2Ga1-x2N插入层(4)、 p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)、 p-Alx4Ga1-x4N重掺 杂层(6)， 从而制备得到极化诱导隧穿结结构。 5.如权利要。

7、求4所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结的制备方法， 其特征在 于： Alx0Ga1-x0N模板层(2)的生长温度为10001200， 生长压强为100400mbar， 生长源为 三甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气， 如需n型掺杂， 掺杂源为硅烷， 掺杂浓度为10171021/cm3； n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层(3)的生长温度为10001200， 生长压强为100400mbar， 生长源为三甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气， 掺杂源为硅烷， 掺杂浓度为10171021/cm3； Alx2Ga1-x2N插入层(4)生长温度为10001200， 生长压强为100400mbar， 。

8、生长源为三甲 基铝、 三甲基镓和高纯氨气； p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层(5)的生长温度为10001200， 生长压强为100400mbar， 生长源为三甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气， 掺杂源为二茂镁， 掺 杂浓度为10171021/cm3； p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层(6)的生长温度为10001200， 生长压强 为100400mbar， 生长源为三甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气， 掺杂源为二茂镁， 掺杂浓度为 10171021/cm3。 权利要求书 1/1 页 2 CN 109786531 A 2 一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构及其制备方法 技术领域 000。

9、1 本发明属于半导体电子器件技术领域， 具体涉及一种基于极化诱导原理的AlGaN 基隧穿结结构及其制备方法。 背景技术 0002 隧穿结二极管又称为江崎二极管， 是由p和n两侧皆为简并(重掺杂)且过渡区陡峭 的p-n结构成， 其工作原理是通过隧穿效应实现二极管反向导通。 传统的隧穿结通常采用砷 化物、 锑化物等材料制备， 随着近年来GaN基LED的发展， AlGaN基隧穿结二极管开始进入到 了人们的视野。 AlGaN基隧穿结二极管可应用于紫外LED中实现p-n倒置结构， 提高载流子注 入效率。 另外， 带有隧穿结的紫外LED结构可以避免p型电极的制备， 有效地解决了p型AlGaN 材料欧姆接触。

10、难以实现的问题。 由于AlGaN基隧穿结二极管具有较宽的禁带宽度， 通过合理 的结构设计， 可以实现对紫外LED有源区发光较高的透过率， 有利于提高紫外LED的光提取 效率。 虽然AlGaN基隧穿结二极管具有着重要的应用， 但AlGaN材料较高的施主和受主激活 能使其很难实现较高浓度的掺杂， AlGaN基隧穿结很难实现较好的电学特性， 大大限制了 AlGaN基隧穿结二极管的应用。 发明内容 0003 本发明的目的就是为解决在AlGaN基隧穿结二极管中高Al组分AlGaN掺杂难、 电学 特性较差的问题。 利用AlGaN基材料本身固有的极化特性增加隧穿结n型侧的电子浓度和p 型侧的空穴浓度， 提高。

11、器件的隧穿几率。 采用MOCVD设备在衬底上制备一种基于极化诱导原 理的AlGaN基隧穿结结构， 达到优化隧穿结电学特性的目的。 0004 本发明的技术方案是： 0005 本发明所设计的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构(见附图1和附图说 明)， 其特征在于： 其从下至上依次由衬底1、 Alx0Ga1-x0N模板层2(为非组份渐变层)、 n- Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3(为组份渐变层)、 Alx2Ga1-x2N插入层4(为非组份渐变层)、 p- Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5(为组份渐变层)和p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6(为非组份渐变层) 构成。 0006。

12、 所述n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3、 Alx2Ga1-x2N插入层4和p-Alx3Ga1-x3N极化诱导 掺杂层5共同构成极化诱导隧穿结。 采用Al组分线性增加的n-Alx1Ga1-x1N作为n型极化诱导 掺杂层， 提高电子的浓度； 采用Al组分线性减小的p-Alx3Ga1-x3N作为p型极化诱导掺杂层， 提 高空穴的浓度； 在n-Alx1Ga1-x1N层和p-Alx3Ga1-x3N层之间插入一层高Al组分的Alx2Ga1-x2N插 入层4层用于在界面处分别实现高浓度的二维电子气和空穴气。 本发明提出的隧穿结结构 全部由AlGaN材料构成， 使用极化诱导掺杂的方法改善高Al组分A。

13、lGaN掺杂难的问题， 并使 用高Al组分的Alx2Ga1-x2N作为插入层， 进一步提高器件的隧穿几率， 获得性能良好的隧穿结 器件。 0007 如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： 衬底1可 说明书 1/4 页 3 CN 109786531 A 3 以是蓝宝石、 SiC、 Si、 GaN或者AlN， 为n型导电衬底或非故意掺杂的高阻型衬底。 0008 如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： Alx0Ga1- x0N模板层2的外延方向为AlGaN材料的0001方向， 从而保证在其上外延的其他结构也保持 0001方向； 其中， 。

14、Alx0Ga1-x0N模板层2根据衬底的导电类型及器件结构的要求， 可以是Si掺 杂的n型导电衬底或者是非故意掺杂的高阻型衬底， 0 x01。 (当x00时， 模板层2为GaN， 当x01时， 模板层2为AlN， 这两种情况的材料都适合作模板层， 为非组份渐变层)。 0009 如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： n- Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3(为组份渐变层)由掺Si的AlGaN材料构成， n-Alx1Ga1-x1N组份x1 沿外延生长方向线性增加， 0 x11。 0010 如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： 。

15、Alx2Ga1- x2N插入层4(为非组份渐变层)由组份较高的Alx2Ga1-x2N材料构成， 0 x1x21。 0011 如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： p- Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5(为组份渐变层)由掺Mg的AlGaN材料构成， p-Alx3Ga1-x3N组份x3 沿外延生长方向线性减小， 0 x3x2。 0012 如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结结构， 其特征在于： p- Alx4Ga1-x4N重掺杂层6(为非组份渐变层)由掺Mg的AlGaN材料构成， 0 x41。 0013 如上所述的一种基于极化诱导原理的AlGa。

16、N基隧穿结结构， 其特征在于： Alx0Ga1- x0N模板层2的厚度为100nm4000nm,n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3的厚度为50100nm， Alx2Ga1-x2N插入层4的厚度为520nm， p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5的厚度为50100nm， p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6的厚度为510nm。 0014 一种如上所述的基于极化诱导原理的AlGaN基隧穿结的制备方法， 其特征在于： 0015 1)在衬底1上采用MOCVD方法依次外延生长Alx0Ga1-x0N模板层2、 n-Alx1Ga1-x1N极化 诱导掺杂层3、 Alx2Ga1-x2N插入层4、 。

17、p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5、 p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6， 从而制备得到极化诱导隧穿结结构； 0016 2)Alx0Ga1-x0N模板层2的生长温度为10001200， 生长压强为100400mbar， 生 长源为三甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气， 如需n型掺杂， 掺杂源为硅烷， 掺杂浓度为1017 1021/cm3； n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3的生长温度为10001200， 生长压强为100 400mbar， 生长源为三甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气， 掺杂源为硅烷， 掺杂浓度为10171021/ cm3； Alx2Ga1-x2N插入层4生长温度为100。

18、01200， 生长压强为100400mbar， 生长源为三 甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气； p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层5的生长温度为10001200， 生长压强为100400mbar， 生长源为三甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气， 掺杂源为二茂镁， 掺 杂浓度为10171021/cm3； p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层6的生长温度为10001200， 生长压强为 100400mbar， 生长源为三甲基铝、 三甲基镓和高纯氨气， 掺杂源为二茂镁， 掺杂浓度为1017 1021/cm3。 0017 本发明的效果和益处： 采用Al组分线性增加的n型AlGaN作为n型极化诱导掺杂层， 提。

19、高电子的浓度； 采用Al组分线性减小的p型AlGaN作为p型极化诱导掺杂层， 提高空穴的浓 度； 在n型AlGaN层和p型AlGaN层之间插入一层高Al组分的AlGaN层用于在界面处分别实现 高浓度的二维电子气和空穴气。 本发明提出的隧穿结结构全部由AlGaN材料构成， 使用极化 诱导掺杂的方法改善高Al组分AlGaN掺杂难的问题， 并使用高Al组分的AlGaN作为插入层， 说明书 2/4 页 4 CN 109786531 A 4 进一步提高器件的隧穿几率， 获得性能良好的隧穿结器件。 附图说明 0018 图1： 本发明所述AlGaN基极化诱导隧穿结结构示意图； 0019 图2： 实施例1中所。

20、述的AlGaN基极化诱导隧穿结结构中n型AlGaN极化诱导掺杂层 变温霍尔测试图； 0020 图3： 实施例1中所述的AlGaN基极化诱导隧穿结结构中p型AlGaN极化诱导掺杂层 变温霍尔测试图； 0021 图4： 实施例1中所述的AlGaN基极化诱导隧穿结结构与传统隧穿结结构IV曲线对 比图； 0022 图中标识， 1衬底， 2为Alx0Ga1-x0N模板层， 3为n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层， 4为 Alx2Ga1-x2N插入层， 5为p-Alx3Ga1-x3N极化诱导掺杂层， 6为p-Alx4Ga1-x4N重掺杂层。 具体实施方式 0023 以下结合技术方案和附图详细叙述本发。

21、明的具体实施例。 0024 实施例1： 0025 SiC衬底上AlGaN基极化诱导隧穿结 0026 1.采用MOCVD方法， 在导电n型SiC衬底上外延制备AlGaN基极化诱导隧穿结结构， 如图1所示。 具体结构如下： 在n-SiC(掺杂浓度为21018/cm3， 衬底可以是购买得到)衬底1 上依次制备n-Al0.3Ga0.7N、 模板层2(厚度100nm)、 n-Alx1Ga1-x1N极化诱导掺杂层3(厚度为 50nm， 掺杂浓度为51018/cm3， 在300s内TMAl源流量从7.13 mol/min线性增加到25.67 mol/min， 如表1， TMGa源流量从37.78 mol/m。

22、in线性减少到18.89 mol/min， 使x1数值随厚度 线性变化， 从0.3变化到0.6)、 Al0.8Ga0.2N插入层4(厚度10nm， x20.8)、 p-Alx3Ga1-x3N极化诱 导掺杂层5(厚度为50nm， 掺杂浓度为11020/cm3， x3数值随厚度线性变化， 从0.6变化到 0.3)、 p-Al0.3Ga0.7N重掺杂层6(厚度5nm， 掺杂浓度11021/cm3)。 生长源为三甲基铝、 三甲基 镓和高纯氨气， 利用硅烷和二茂镁分别进行n型和p型掺杂， 生长温度为1100， 反应压强为 100mbar。 器件各层具体生长参数见表1。 图2和图3分别为n-Alx1Ga1。

23、-x1N极化诱导掺杂层3和 p-Alx2Ga1-x2N极化诱导掺杂层5的变温霍尔测试结果与常规结构的变温霍尔测试结果的对 比图， 证明了极化诱导掺杂层提高了载流子浓度。 0027 2.在n-SiC衬底1的下表面采用热蒸镀方法制备Ni电极层(厚度80nm)， 并在750 氮气气氛下退火5分钟。 之后在p-Al0.3Ga0.7N重掺杂层6的上表面采用热蒸镀方法制备Ni/Au 电极层(总厚度60nm， 第一层Ni层厚度为30nm， 第二层Au层厚度为30nm)， 并在500氧气气 氛下退火5分钟。 0028 3.图4所示为带有极化诱导层隧穿结器件与无极化诱导层的隧穿结器件的IV特性 对比， 其中Ni。

24、/Au电极接正极， Ni电极接负极。 对比可以发现带有极化诱导层的器件具有更 小的串联电阻以及更小的反向开启电压。 0029 表1： 极化诱导隧穿结各层生长参数 说明书 3/4 页 5 CN 109786531 A 5 0030 0031 附注： TMGa代表三甲基镓； TMAl代表三甲基铝； Cp2Mg代表二茂镁； SiH4代表硅烷； NH3代表高纯氨气。 0032 表2： 器件电极制备工艺参数 0033 说明书 4/4 页 6 CN 109786531 A 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 109786531 A 7 图3 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 109786531 A 8 。