一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管及其工艺实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管及其工艺实现方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹是介于可见光与微波之间的波段，是迄今人类尚未完全探测的一个空白领域，其物理性质独特，在通信、探测领域具有非常重要的应用前景，具有非常重要的科学研宄意义，例如，它曾被日本政府认为是“改变未来的十大科学技术之首”。世界科技强国，纷纷投入人力、物力在这一领域探索科技“宝藏”。
[0003]作为太赫兹技术的第一个元素，太赫兹发射源，自然引起世界各国的重视。现阶段，太赫兹发射源主要有两类，一类是光学元件，人们试图将其振荡频率做低，延伸至太赫兹领域。另一类是电学器件，人们试图将其振荡频率做高，拓展到太赫兹领域。电学器件具有结构紧凑、体积小的特点，这在某些场合具有非常巨大的优势，因此电学的太赫兹源一直是人们研宄的重点。在众多的电子学太赫兹源当中，耿氏二极管是研宄的重要方向之一。特别是GaN基的耿氏二极管，更是由于其阈值电场高、击穿电压大、功率密度高、振荡频率高等特点，倍受青睐。
[0004]耿氏二极管也叫转移电荷器件(TED)，是利用耿氏振荡效应工作的。最早是在GaAs中发现的，Gunn发现，在GaAs体材料的两端施以超过某一阈值的电场时，将会产生高频振荡，发射出高频电磁波。振荡产生的频率与器件参数相关，但是最高极限受制于材料的物理性质。早期的耿氏二极管也都是GaAs基的，但是在频率性能方面，GaAs耿氏二极管的振荡频率可以达到200GHz，距离太赫兹频段尚有一段距离。而GaN耿氏二极管的最高频率可以达到4THz。因此，GaN太赫兹振荡源成为研宄的重点方向。
[0005]早期的GaN太赫兹二极管的结构为简单的三明治结构，两个厚度约为100 nm的η型重掺杂(掺杂浓度~lel9cm_3)的GaN层中间夹着一个几微米厚度的轻掺杂的GaN层(掺杂浓度~lel7Cnr3量级)。两边的重掺杂区域分别充当发射区和集电区，中间的轻掺杂区域充当有源区。这种器件结构简单，但是，在有源区存在“死区”，即其中的一段长度是电子的加速区，电子经过这段距离加速才能达到“谷间散射”的速率阈值，从而开始产生耿氏振荡。为了避免“死区”，后来的研宄者引入了 “notch掺杂层”，即在发射区和有源区之间插入一层几十纳米厚度的低掺杂浓度层(掺杂浓度~lel6Cm_3量级)。另一种方法是加入重掺杂的AlGaN “热电子发射层”，它同样位于发射极和有源区之间。仿真的结果表明，使用“热电子”发射层之后，电子发射的位置更靠近有源区的边缘。为进一步提高器件性能，研宄者使用了渐变Al组分的热电子发射层，甚至是多层渐变Al组分的热电子发射层(比如Al组分为0.01，0.08和0.15)。如此设计可以减小GaN和AlGaN的界面晶格失配，提高器件性能。
[0006]尽管采用不同的措施，这些传统器件的仍存在如下弊端:(1)传统杂质掺杂方式的激活率低，而且载流子迀移率低。由于GaN是宽禁带半导体材料，所以杂质在GaN中的激活能很高，造成掺杂杂质的激活效率很低。而且，由于杂质中心的散射作用，载流子的迀移率低。(2)杂质掺杂使晶体的质量降低很多，影响器件性能。由于GaN材料体系的掺杂必须在材料生长的同时进行，对晶体的质量会有不可避免的影响，从而影响器件性能。(3)利用AlGaN热电子发射层的器件，AlGaN和GaN之间存在很大的晶格失配，产生大量的界面缺陷，影响器件性能。
【发明内容】
[0007]本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管及其工艺实现方法。
[0008]一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管，包括阴极电极、渐变AlxGahN极化掺杂层、有源区、阳极区和阳极电极；
所述的阳极区上外延生长有源区，有源区外延生长渐变AlxGahN极化掺杂层；阳极区的外侧设有阳极，渐变AlxGahN极化掺杂层的外侧设有阴极。
[0009]一种基于极化掺杂效应的太赫兹二极管的工艺实现方法，该方法具体包括以下步骤:
步骤一:采用MOCVD或MBE方法在蓝宝石衬底上外延AlGaN/GaN HEMT结构层；
步骤二:在AlGaN/GaN HEMT器件的正面形成阴极；
步骤三:将AlGaN/GaN HEMT器件键合到热沉上，将衬底部分朝上；
步骤四:施以外力克服单晶h-BN移除层的范德瓦耳斯力将蓝宝石衬底剥离掉；
步骤五:再将单晶h_BN移除层和LT-AlN缓冲层减薄去掉；
步骤六:在n+-GaN层的外侧形成阳极；
所述的AlGaN/GaN HEMT结构层的结构包括LT-AlN缓冲层，接着在长LT-AlN缓冲层上外延生长出单晶h-BN移除层；之后在单晶h-BN移除层上外延生长AlN buffer层，再在AlN buffer层外延生长出n+_GaN层，接着在n+_GaN层外延生长出n_GaN层，最后在n_GaN层外延生长出渐变AlxGkxN极化掺杂层；其中n-GaN层朝阴极的方向上，Al的组分x从O渐变到0.5。
[0010]所述的单晶h-BN移除层厚度为I?1nm ;所述的LT-A1N缓冲层厚度为10nm ；所述的n+-GaN层厚度为I?3.5 μπι ;所述的AlN buffer层厚度为Inm ;所述的渐变组分AlGaN层厚度为10?50nm ;所述的η-GaN层厚度为100?3000nm。
[0011]所述的渐变AlxGahN极化掺杂层为多层。
[0012]作为优选，所述的渐变AlxGahN极化掺杂层，其中有源区朝阴极的方向上，Al的组分X从O渐变到0.3。
[0013]在器件结构中，N面渐变AlxGahN层的Al组分是从O渐变到0.3的，为极化掺杂层。由于N面渐变AlxGahN层的独特的物理性质，其内部局部的极化电荷的面浓度不均与，基于电中性原理，将会诱导出高浓度的电子，一般称为三维电子气(3DEG)。相当于对渐变AlxGa^N层进行了掺杂。
[0014]有益效果:由于此种掺杂方式不存在杂质电离中心，所以，电子的迀移率很高。另夕卜，电子迀移率随环境温度的变化很小，因此，提高了器件的性能。更关键的，由于在宽禁带半导体中进行杂质掺杂，存在激活率过低的缺