基于Metal/Insulator/AlGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子与固体电子学技术领域，特别是涉及一种基于Metal/Insulator/AlGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件及制备方法。
【背景技术】
[0002]转移电子器件(TED)为基于电子在固体中能谷间转移而制成的器件。只有在导带中存在多个能谷、电子在各能谷中的行为特性各异，以及在一定外部条件下发生显著的电子转移的固体材料才能制作这类器件，砷化镓(GaAs)和磷化铟(INP)就属这种材料。
[0003]GaAs的导带底在波矢(0，O, O)处，在这个极值附近(极值称能谷)，电子的有效质量约为0.066m。，mQ为自由电子的静止质量。GaAs的导带在(1，O, O)波矢方向上还有六个次级小值，即六个子能谷，它们比中心能谷约高0.36电子伏，电子在子能谷的有效质量约为0.4!^，它比中心能谷的值大得多。电子迀移率大致上与它的有效质量成反比，因此电子在中心能谷的迀移率远大于子能谷。在室温和低场下，电子基本上集中在中心能谷。随着外加电场的增加，电子从外电场得到的能量也增加，有一部分电子会转移到子能谷。当外加电场约为3000伏/厘米时(称阈值电场，用Eth表示)，转移的电子数显著增加，电子总的平均迀移率及电子平均速度明显下降，出现负的微分迀移率和负的微分电导特性。
[0004]当加在GaAs晶体上的电压增加时，晶体中某处(一般在阴极附近)先达到阈值电场，该处电子的平均速度则下降，于是产生电子的积累。初始的积累区外电子速度没有下降，这使得在积累区的电子运动方向一侧，由于电子较快移动而产生电子的耗尽。电子积累区与耗尽区形成偶极区，它产生的电场与外加电场的方向一致，因而形成高场区，这一高场区进一步促使电子的转移，更多电子转移又使高场区的电场进一步增加，这一过程一直进行到晶体内电场的积分等于外加偏压高场区达到稳定为止，而称此高场区为高场畴。随着电子的运动，高场畴逆着电场方向朝阳极渡越。晶体内高场畴的产生使畴外电场下降，因而使通过晶体的电流I下降。当高场畴渡越到阳极并消失时，电流恢复到原来值，很快阴极又出现新的高场畴。高场畴的这种周而复始的产生、渡越、消失的过程，在外电路中产生电流的振荡波形。
[0005]转移电子器件是一个重要的微波器件。它已被广泛用作局部震荡器和功率放大器，且所涵盖微波频率从IGHz到150GHz。虽然转移电子器件的功率输出和效率一般都比MPATT器件还低。然而，TED却有较低的噪声、较低的工作电压和相对较容易的电路设计。TED已逐渐成为探测系统、远程控制和微波测试仪器上所使用的重要固态微波源。然而，常规的转移电子器件(TED)主要是用η型GaAs和η型InP制作，电流峰谷比一般较低。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于Metal/Insulator/AlGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件及制备方法。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于Metal/Insulator/AlGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法，包括步骤:
[0008]I)提供一包括依次层叠的衬底、GaN层及AlGaN层的基片；
[0009]2)于基片的AlGaN层上形成掩膜层，并刻蚀去除非器件区域的掩膜层、AlGaN、及GaN层形成AlGaN/GaN异质结平台；
[0010]3)于所述AlGaN/GaN异质结平台外围形成退火后与二维电子气接触的欧姆接触电极；
[0011]4)于所述AlGaN/GaN异质结平台表面形成绝缘层；
[0012]5)于所述绝缘层表面形成栅金属层；
[0013]6)于器件表面形成表面钝化层；
[0014]7)去除栅金属层及欧姆接触电极表面的钝化层，露出栅金属层及欧姆接触电极。
[0015]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法的一种优选方案，所述基片中的GaN层及AlGaN层之间形成有AlGaN/GaN异质结结构，异质结界面处存在二维电子气，所述AlGaN层的厚度为15?30nm。。
[0016]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法的一种优选方案，步骤I)还包括对所述基片进行清洗的步骤。
[0017]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，所述AlGaN/GaN异质结平台为圆台。
[0018]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，采用电子束蒸发工艺及lift-off工艺制作所述欧姆接触电极。
[0019]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法的一种优选方案，所述欧姆接触电极包括依次层叠的Ti层、Al层、Ti层及Au层，所述Ti层的厚度为15?25nm，所述Al层的厚度为75?125nm，所述Ti层的厚度为40?60nm，所述Au层的厚度为75?125nm，所述退火为于800?900°C下，N2气氛中退火15 ?45s。
[0020]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，采用等离子增强原子层沉积高k介质层作为绝缘层，所述高k介质层的厚度为10?20nm。
[0021]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法的一种优选方案，采用电子束蒸发工艺及lift-off工艺制备所述栅金属层。
[0022]本发明还提供一种基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件，包括:
[0023]衬底；
[0024]AlGaN/GaN异质结平台，位于所述衬底之上；
[0025]欧姆接触电极，位于所述AlGaN/GaN异质结平台外围，与AlGaN/GaN界面的二维电子气接触；
[0026]绝缘层，位于所述AlGaN/GaN异质结平台之上；
[0027]栅金属层，位于所述绝缘层之上；
[0028]钝化层，覆盖于器件表面，并于所述欧姆接触电极及栅金属层对应位置具有开孔。
[0029]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的一种优选方案，所述基片中的GaN层及AlGaN层之间形成有AlGaN/GaN异质结结构，异质结界面处存在二维电子气，所述AlGaN层的厚度为15?30nm。
[0030]作为本发明的基于Ni/Al203/AlGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的一种优选方案，所述AlGaN/GaN异质结平台为圆台，所述AlGaN/GaN异质结平台的半径为150?250 μ m，高度为 300 ?400nm。
[0031]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的一种优选方案，所述欧姆接触电极包括依次层叠的Ti层、Al层、Ti层及Au层，所述Ti层的厚度为15?25nm，所述Al层的厚度为75?125nm，所述Ti层的厚度为40?60nm，所述Au层的厚度为75?125nm。
[0032]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的一种优选方案，所述绝缘层为Al2O3层，厚度为10?20nm。
[0033]作为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的一种优选方案，所述栅金属层的形状为圆台形，半径为40?80 μ m，结合于所述绝缘层的中部区域。
[0034]如上所述，本发明提供一种基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件及制备方法，所述负微分电阻器件包括:衬底；AlGaN/GaN异质结平台，位于所述衬底之上；欧姆接触电极，位于所述AlGaN/GaN异质结平台外围，退火后与AlGaN/GaN界面的2DEG接触；绝缘层，位于所述AlGaN/GaN异质结平台之上；栅金属层，位于所述绝缘层之上；钝化层，覆盖于器件表面，并于所述欧姆接触电极及栅金属层对应位置具有开孔。本发明的结构中，肖特基发射电流被抑制，隧穿电流占总电流的主导，结合电子在GaN材料中的转移特性，使得ι-v曲线呈现出负微分电阻效应。在低温下，这种效应进一步放大，电流峰谷比在-50°C时能达到3，相比传统的TED较高。
【附图说明】
[0035]图1显不为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法步骤流程示意图。
[0036]图2?图3显不分别为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的剖视及俯视结构示意图。
[0037]图4显不为本发明的基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件及制备方法的1-V特性曲线与普通AlGaN/GaN肖特基二极管的1-V特性曲线对比图。
[0038]元件标号说明
[0039]101衬底
[0040]102GaN 层
[0041]103AlGaN 层
[0042]104绝缘层
[0043]105欧姆接触电极
[0044]106栅金属层
[0045]107钝化层
[0046]Sll?S17步骤I)?步骤7)
【具体实施方式】
[0047]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0048]请参阅图1?图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0049]如图1?图4所不，本实施例提供一种基于Metal/lnsulator/AIGaN/GaN叠层MIS结构的负微分电阻器件的制备方法，包括步骤:
[0050]如图1?图3所示，首先进行步骤I) Sll，提供一包括依次层叠的衬底101、GaN层102及AlGaN层103的基片。
[0051]作为示例所述基片中的GaN层102及AlGaN层103之间形成AlGaN/GaN异质结结构，异质结界面处存在二维电子气2DEG，所述AlGaN层的厚度为15?30nm。在本实施例中，所述AlGaN层103的厚度为22nm。
[0052]另外，本步骤中，还包括对所述基片进行清洗的步骤。
[0053]如图1?图3所示，然后进行步骤2) S12，于基片的AlGaN层102上形成掩膜层，并刻蚀去除非器件区域的掩膜层、AlGaN层103及GaN层102形成AlGaN/GaN异质结平台，所述AlGaN/GaN异质结平台的半径为150?250 μ m，高度为300?400nm。
[0054]作为示例，所述掩膜层为S12层。
[0055]作为示例，刻蚀的方法为ICP刻蚀，刻蚀所形成的AlGaN/GaN异质结平台为圆台