具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管及其制作方法

摘要

本发明公开了一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，主要改善现有器件隧穿电流小、I-V特性可重复性差的问题。其包括主体和辅体两部分，主体部分自下而上为：SiC衬底层、GaN外延层、n+GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一InAlN势垒层、第一GaN主量子阱层、第二GaN主量子阱层、第二InAlN势垒层、第二GaN隔离层和n+GaN发射极欧姆接触层；辅体部分有环形电极、圆形电极和钝化层。环形电极在n+GaN集电极欧姆接触层上方，圆形电极在n+GaN发射极欧姆接触层上方，钝化层在环形和圆形电极上方。本发明能有效提高器件功率、降低功耗并改善可重复性，适用于太赫兹频段工作。

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件技术领域，涉及宽带隙半导体GaN材料的共振隧穿二极管及制 作方法，可用于高频、大功率器件制作。

背景技术

近年来，以氮化镓GaN、碳化硅SiC为代表的第三代宽禁带半导体材料，是继以半导 体Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料之后，在近十年迅 速发展起来的新型半导体材料。由于具有大禁带宽度、高导带断续、高热导率、高临界场 强、高载流子饱和速率、高异质结界面二维电子气浓度等优良特性，GaN基半导体材料和 器件受到了人们广泛的关注。

太赫兹技术作为一门新兴的科学技术，由于其具有很多独特的特性以及优势，吸引了 许多科研工作者去研究。太赫兹的频率范围为0.1THz到10THz，介于微波与红外之间，因 此要想获得太赫兹的频率，必须选择合适的器件作为太赫兹波的产生源。共振隧穿二极管 由于其器件特性成为实现太赫兹器件源的重要选择。基于GaN基半导体材料制作而成的共 振隧穿二极管，继承了GaN基化合物半导体材料异质结的优点，它具有高载流子浓度、高 载流子迁移率、高工作频率、大功率及耐高温等特性，因此成为众多研究者研究的热点。

1991年，Wie等人提出在AlAs/GaAs/AlAs共振隧穿二极管的发射极增加一层InGaAs 薄层能有效的提高隧穿电流密度，参见Designing resonant tunneling structures for  increased peak current density,Appl.Phys.Lett,58,1077,1991.但是随着人们 对太赫兹器件源研究的不断突破，GaAs共振隧穿二极管的输出功率已经不能满足太赫兹器 件源的输出需求。GaN负阻器件同传统的化合物半导体GaAs负阻器件相比具有更高的工作 频率和输出功率，且GaN的负阻振荡器基频频率可达750GHz，远远大于GaAs的140GHz， 而更为重要的是，在THz工作频率，GaN基器件的输出功率比GaAs高一到两个数量级，可 以达到几百毫瓦甚至几瓦的功率。再者，AlAs/GaAs界面处的二维电子气的来源是通过调 制掺杂形成的，而GaN基异质结界面处的二维电子气是由材料的极化效应所引起的。选取 合适的二维电子气能有效提高共振隧穿二极管的I-V特性和电流峰谷比。2011年，Razeghi 等人报道对AlGaN/GaN/AlGaN共振隧穿二极管的研制，参见Room temperature negative  differential resistance characteristics of polar III-nitride resonant tunneling  diodes,Appl.Phys.Lett,97,092104,2010.该方案采用AlGaN/GaN/AlGaN量子阱作为 共振隧穿二极管的有源区，利用AlGaN/GaN界面的高导带断续来增加器件的电流峰谷比。 但是由于AlGaN/GaN异质结界面处的高晶格失配、高界面粗糙度和强压电极化，使得界面 处的陷阱中心的激活能和缺陷密度过大，在多次扫描下器件的I-V特性严重衰减。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有基于GaN材料共振隧穿二极管的不足，提出一种具有 双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管及其制作方法，以提高器件的透射系数，降低功耗， 改善GaN共振隧穿二极管I-V特性的可重复性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一、本发明基于一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，包括主体部分和辅体 部分，主体部分自下而上包括：SiC衬底层、GaN外延层、n⁺GaN集电极欧姆接触层、第一 GaN隔离层、第一InAlN势垒层、第一GaN主量子阱层、第二GaN主量子阱层、第二InAlN 势垒层、第二GaN隔离层和n⁺GaN发射极欧姆接触层；辅体部分包括环形电极、圆形电极 和钝化层，其特征在于：

所述第一GaN主量子阱层与第二GaN主量子阱层之间设有第一InGaN子量子阱层；该 第一InGaN子量子阱层，采用In组分为3％～7％的InGaN材料，厚度为0.8～1.2nm；

所述第二InAlN势垒层与第二GaN隔离层之间设有第二InGaN子量子阱层；该第二 InGaN子量子阱层，采用In组分为3％～7％的InGaN材料，厚度为0.8～1.2nm；

所述第一InAlN势垒层和第二InAlN势垒层，均采用In组分为16％～18％的InAlN材料， 厚度为0.8～1.2nm。

二、本发明器件的制作方法，包括如下步骤：

(1)在SiC基片上采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，外延生长厚度为2～3μm 的GaN层；

(2)在GaN层上利用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，生长厚度为80～120nm， 掺杂浓度为1×10¹⁹～9×10¹⁹cm^‐3的n⁺GaN集电极欧姆接触层；

(3)在n⁺GaN集电极欧姆接触层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF‐MBE方法， 生长厚度为2～3nm的第一GaN隔离层；

(4)在第一GaN隔离层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF‐MBE方法，生长厚度 为0.8～1.2nm、In组分为16％～18％的第一InAlN势垒层；

(5)在第一InAlN势垒层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF‐MBE方法，生长厚度 为0.8～1.2nm的第一GaN主量子阱层；

(6)在第一GaN主量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF‐MBE方法，生长 厚度为0.8～1.2nm、In组分为3％～7％的第一InGaN子量子阱层；

(7)在第一InGaN子量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF‐MBE方法，生 长厚度为0.8～1.2nm的第二GaN主量子阱层；

(8)在第二GaN主量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF‐MBE方法，生长 厚度为0.8～1.2nm、In组分为16％～18％的第二InAlN势垒层；

(9)在第二InAlN势垒层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF‐MBE方法，生长厚度 为0.8～1.2nm、In组分为3％～7％的第二InGaN子量子阱层；

(10)在第二InGaN子量子阱层上使用射频等离子体辅助分子束外延RF‐MBE方法，生 长厚度为2～3nm的第二GaN隔离层；

(11)在第二GaN隔离层上利用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，生长厚度为 80～120nm、掺杂浓度为1×10¹⁹～9×10¹⁹cm^‐3的n⁺GaN发射极欧姆接触层；

(12)在n⁺GaN发射极欧姆接触层上采用刻蚀技术，形成直径为D的大圆形台面，刻 蚀深度至GaN外延层上表面，30μm<D<60μm；

(13)在上述大圆形台面上继续采用刻蚀技术，形成直径为d的小圆形有源台面，刻 蚀深度至n⁺GaN集电极欧姆接触层，10μm<d<20μm；

(14)分别在n⁺GaN集电极欧姆接触层和n⁺GaN发射极欧姆接触层上淀积Ti/Al/Ni/Au 多层金属，形成环形电极和圆形电极，该环形电极与小圆形有源台面不相接触；

(15)采用PECVD方法在n⁺GaN集电极欧姆接触层上方和环形电极上方淀积厚度为 200～400nm的SiN钝化层，并在环形台面进行刻蚀，露出集电极环形电极。

本发明与传统的双势垒单势阱共振隧穿二极管相比，有以下优点：

1.峰值电流大、功耗低

本发明由于在第二InAlN势垒层与第二GaN隔离层之间设有第二InGaN子量子阱层， 使电子在该量子阱的能量分布降低，在两个量子阱对准时隧穿进入GaN主量子阱的电子数 量增加，同时透射系数增加，因此峰值电流增大；此外该结构使两个量子阱中分立能级对准 时所需的电压相比传统的低，因此阈值电压降低，从而降低了器件的功耗。

2.隧穿电流增大

本发明由于在第一GaN主量子阱层与第二GaN主量子阱层之间设有第一InGaN子量子 阱层，该层能降低GaN主量子阱区的分立能级的位置，使得共振时对齐的分立能级距离导 带低更近，增大了隧穿电流。

3.可重复性好

本发明合理选取了InAlN势垒材料的In组分，根据近年来对于三元氮化物InAlN的研 究取得的进展，当In组份为17％～18％时，InAlN的晶格常数与GaN的晶格常数相当，因 此采用InAlN作势垒材料，能与GaN主量子阱形成良好的近晶格匹配的界面，从而降低陷 阱中心的位错密度和激活能，增加了器件I-V特性的可重复性。

附图说明

图1是本发明基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管的剖面结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明制作基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管的工艺流程图。

具体实施方式

参照图1和图2，本发明是基于一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管，包括主 体和辅体两部分，该主体部分自下而上包括：SiC衬底层1、GaN外延层2、n⁺GaN集电极 欧姆接触层3、第一GaN隔离层4、第一InAlN势垒层5、第一GaN主量子阱层6、第一InGaN 子量子阱层7、第二GaN主量子阱层8、第二InAlN势垒层9、第二InGaN子量子阱层10、 第二GaN隔离层11和n⁺GaN发射极欧姆接触层12；辅体部分包括环形电极13、圆形电极 14和钝化层15。其中：

衬底1采用n型SiC或绝缘型SiC基片；GaN外延层2厚度为2～3μm；n⁺GaN集电极欧 姆接触层3和发射极欧姆接触层12的厚度均为80～120nm，掺杂浓度为1×10¹⁹～ 9×10¹⁹cm^‐3；第一GaN隔离层4和第二隔离层11的厚度均为2～3nm；第一InAlN势垒层5 和第二InAlN势垒层9厚度均为0.8～1.2nm，且In组分为16％～18％；第一GaN主量子阱 层6和第二GaN主量子阱层8的厚度均为0.8～1.2nm；第一InGaN子量子阱层7的厚度为 0.8～1.2nm，In组分为3％～7％；第二InGaN子量子阱层10的厚度为0.8～1.2nm，In组分 为3％～7％；环形电极13和圆形电极14采用Ti/Al/Ni/Au多层金属，环形电极作为器件的集 电极，位于n⁺GaN集电极欧姆接触层的上方，圆形电极作为器件的发射极，位于n⁺GaN发 射极欧姆接触层的上方，钝化层15位于环形电极和圆形电极上方，厚度为200～400nm。

参照图3，本发明基于一种具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管的制作方法，给出 如下三种实施例：

实施例1：制作厚度为0.8nm、In组分为3％的第一InGaN子量子阱层和厚度为0.8nm、 In组分为3％的第二InGaN子量子阱层的共振隧穿二极管。

步骤1，选用SiC衬底基片。

选用直径为2英寸4H-SiC绝缘型SiC衬底基片，并将其背面减薄至150μm厚度。

步骤2，在SiC衬底上外延GaN层。

采用三乙基镓与高纯氮气分别作为镓源与氮源，在温度为450℃，压力为40托的条件 下，使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在SiC衬底基片外延生长厚度为2μm的 GaN层。

步骤3，在GaN外延层上生长n⁺GaN集电极欧姆接触层。

以三乙基镓和高纯氮气分别作为镓源和氮源，用硅烷气体作为n型掺杂源，在温度为 1000℃，压力为40托的条件下采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在GaN层上 生长厚度为80nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的n⁺GaN集电极欧姆接触层。

步骤4，在n⁺GaN集电极欧姆接触层上生长第一GaN隔离层。

以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离 子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在n⁺GaN集电极欧姆接触层上生长厚度为2nm的第一 GaN隔离层。

生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率 为5W，镓炉的温度为850℃。

步骤5，在第一GaN隔离层上生长第一InAlN势垒层。

以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产 生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一GaN隔离层上生长厚度为 0.8nm，In组分为16％的第一InAlN势垒层。

生长的工艺条件是：氮气流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率 均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃。

步骤6，在第一InAlN势垒层上生长第一GaN主量子阱层。

以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离 子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一InAlN势垒层上生长厚度为0.8nm的第一GaN 主量子阱层。

生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率 为5W，镓炉的温度为850℃。

步骤7，在第一GaN主量子阱层上生长第一InGaN子量子阱层。

以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产 生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一GaN主量子阱层上生长厚度 为0.8nm，In组分为3％的第一InGaN子量子阱层。

生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功 率均为5W，镓炉和铟炉的温度分别为850和585℃。

步骤8，在第一InGaN子量子阱层上生长第二GaN主量子阱层。

以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离 子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一InGaN子量子阱层上生长厚度为0.8nm的第二 GaN主量子阱层。

生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率 为5W，镓炉的温度为850℃。

步骤9，在第二GaN主量子阱层上生长第二InAlN势垒层。

以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产 生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二GaN主量子阱层上生长厚度 为0.8nm，In组分为16％的第二InAlN势垒层。

生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功 率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃。

步骤10，在第二InAlN势垒层上生长第二InGaN子量子阱层。

以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产 生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二InAlN势垒层上生长厚度为 0.8nm，In组分为3％的第二InGaN子量子阱层。

生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功 率均为5W，铟炉和镓炉的温度分别为585和850℃。

步骤11，在第二InGaN子量子阱层上生长第二GaN隔离层。

以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离 子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二InGaN子量子阱层上生长厚度为2nm的第二 GaN隔离层。

生长的工艺条件是：氮气的流量为1.6mL/min，等离子体输入功率为400W，反射功率 为5W，镓炉的温度为850℃。

步骤12，在第二GaN隔离层上生长n⁺GaN发射极欧姆接触层。

以三乙基镓和高纯氮气分别作为镓源和氮源，硅烷气体作为n型掺杂源，在温度为 1000℃，压力为40托的条件下采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在第二GaN 隔离层上生长厚度为80nm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的n⁺GaN发射极欧姆接触层。

步骤13，形成大圆形台面。

在n⁺GaN发射极欧姆接触层上光刻形成直径为40μm的大圆形掩膜图形，再用反应离 子刻蚀RIE方法，使用BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，刻蚀的深度至GaN外延层的上表面，形成大 圆形台面。

步骤14，形成小圆形台面。

在形成的大圆柱台面上光刻形成直径为10μm的同轴小圆形掩膜图形，在GaN外延层 上光刻形成内径为40μm的同轴环形掩膜图形，再用反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，刻蚀深度至n⁺GaN集电极欧姆接触层，形成小圆形台面。

步骤15，形成环形电极和圆形电极。

在整个器件表面采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚度分别为 30nm/120nm/50nm/160nm，经过金属剥离形成形成环形电极13和圆形电极14。

步骤16，形成GaN欧姆接触。

对整个器件进行快速热退火处理，退火条件为950℃,50秒钟，氩气气氛，形成GaN欧 姆接触。

步骤17，露出环形电极和圆形电极。

采用PECVD工艺在器件正面淀积厚度为200nm的SiN钝化层，钝化后采用RIE刻蚀 方法，利用CF₄气体刻蚀形成开孔，露出环形电极13和圆形电极14，完成器件的制作。

经上述工艺步骤，最终形成的基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管管芯剖面 参照图1所示。

实施例2：制作厚度为1nm、In组分为5％的第一InGaN子量子阱层和厚度为1nm、In 组分为5％的第二InGaN子量子阱层的共振隧穿二极管。

步骤一，选用直径为2英寸6H-SiC绝缘型SiC衬底基片，背面减薄至150μm衬底厚度。

步骤二，采用三乙基镓与高纯氮气分别作为镓源与氮源，使用金属有机物化学气相淀 积MOCVD方法，在温度为450℃，外压力为40托的工艺条件下，外延生长厚度为2μm的 GaN层。

步骤三，采用高纯氮气和三乙基镓分别作为氮源和镓源，硅烷气体作为n型掺杂源， 使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在温度为1000℃，压力为40托的工艺条件下， 在GaN层上生长厚度为100nm，掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3的n⁺GaN集电极欧姆接触层。

步骤四，采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生， 使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体 输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃的工艺条件下，在n⁺GaN集电极 欧姆接触层上生长厚度为2nm的第一GaN隔离层。

步骤五，采用高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射 频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6 mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900 和585℃的工艺条件下，在第一GaN隔离层上生长厚度为1nm，In组分为17％的第一InAlN 势垒层。

步骤六，采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生， 使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体 输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃的工艺条件下，在第一InAlN势 垒层上生长厚度为1nm的第一GaN主量子阱层。

步骤七，采用高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射 频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6 mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，镓炉和铟炉的温度分别为850 和585℃的工艺条件下，在第一GaN主量子阱层上生长厚度为1nm，In组分为5％的第一 InGaN子量子阱层。

步骤八，采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生， 使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体 输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃的工艺条件下，在第一InGaN子 量子阱层上生长厚度为1nm的第二GaN主量子阱层。

步骤九，采用高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射 频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6 mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900 和585℃的工艺条件下，在第二GaN主量子阱层上生长厚度为1nm，In组分为17％的第二 InAlN势垒层。

步骤十，采用高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射 频等离子炉产生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6 mL/min，等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铟炉和镓炉的温度分别为585 和850℃的工艺条件下，在第二InAlN势垒层上生长厚度为1nm，In组分为5％的第二InGaN 子量子阱层。

步骤十一，采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生， 使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在氮气的流量为1.6mL/min，等离子体 输入功率为400W，反射功率为5W，镓炉的温度为850℃的工艺条件下，在第二InGaN子 量子阱层上生长厚度为2nm的第二GaN隔离层。

步骤十二，采用三乙基镓和高纯氮气分别作为镓源和氮源，硅烷气体作为n型掺杂源， 使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在温度为1000℃，压力为40托的工艺条件下， 在第二GaN隔离层上生长厚度为100nm，掺杂浓度为5×10¹⁹cm^-3的n⁺GaN发射极欧姆接触 层。

步骤十三，在n⁺GaN发射极欧姆接触层上光刻形成直径为40μm的大圆形掩膜图形， 采用BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，使用反应离子刻蚀RIE方法，刻蚀的深度至GaN外延层的上表 面，形成大圆形台面。

步骤十四，在形成的大圆柱台面上光刻形成直径为20μm的同轴小圆形掩膜图形，在 GaN外延层上光刻形成内径为50μm的同轴环形掩膜图形，采用BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，使用 反应离子刻蚀RIE方法，刻蚀深度至n⁺GaN集电极欧姆接触层，形成小圆形台面。

步骤十五，在整个器件表面采用真空电子束蒸发设备依次蒸发厚度分别为 30nm/120nm/50nm/160nm的Ti/Al/Ni/Au多层金属，使用金属剥离的工艺方法，形成环形电 极13和圆形电极14。

步骤十六，在氩气气氛，950℃,50秒的工艺条件下，对整个器件进行快速热退火处理， 形成GaN欧姆接触。

步骤十七，采用PECVD工艺在器件正面淀积厚度为300nm的SiN钝化层。

步骤十八，采用CF₄气体，使用RIE刻蚀方法，在钝化层SiN上进行开孔，露出环形 电极13和圆形电极14，完成器件的制作。

经上述工艺步骤，最终形成的基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管管芯剖面 参照图1所示。

实施例3：制作厚度为1.2nm、In组分为7％的第一InGaN子量子阱层和厚度为1.2nm、 In组分为7％的第二InGaN子量子阱层的共振隧穿二极管。

步骤A，选用直径为2英寸6H-SiC导通型n型SiC衬底基片，掺杂浓度为2.0×10¹⁸cm^-3， 背面减薄至150μm衬底厚度。

步骤B，外延生长GaN层，n⁺GaN集电极欧姆接触层和GaN隔离层：

(B1)采用三乙基镓与高纯氮气作为镓源与氮源，使用金属有机物化学气相淀积 MOCVD方法，以温度为450℃，压力为40托的工艺条件，在衬底基片上外延生长厚度为3μm 的GaN层；

(B2)采用与(B1)相同的氮源和镓源，以硅烷气体为n型掺杂源，采用金属有机物 化学气相淀积MOCVD方法，以温度为1000℃，压力为40托的工艺条件，在GaN层上生 长厚度为120nm，掺杂浓度为9×10¹⁹cm^-3的n⁺GaN集电极欧姆接触层。

步骤C，n⁺GaN集电极欧姆接触层生长第一GaN隔离层。

以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离 子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在n⁺GaN集电极欧姆接触层上生长厚度为3nm的第一 GaN隔离层。其生长条件为：

氮气的流量为1.6mL/min；

等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；

镓炉的温度为850℃。

步骤D，在第一GaN隔离层上生长第一InAlN势垒层。

以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产 生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一GaN隔离层上生长厚度为 1.2nm，In组分为18％的第一InAlN势垒层，其生长条件为：

氮气的流量为1.6mL/min；

等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W；

铝炉的温度为900℃，铟炉的温度为585℃。

步骤E，在第一InAlN势垒层上生长第一GaN主量子阱层。

以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离 子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一InAlN势垒层上生长厚度为1.2nm的第一GaN 主量子阱层，其生长条件为：

氮气的流量为1.6mL/min；

等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；

镓炉的温度为850℃。

步骤F，在第一GaN主量子阱层上生长第一InGaN子量子阱层。

以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产 生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一GaN主量子阱层上生长厚度 为1.2nm，In组分为7％的第一InGaN子量子阱层，生长过程中氮气的流量为1.6mL/min， 等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，镓炉和铟炉的温度分别为850和585℃。

步骤G，在第一InGaN子量子阱层上生长第二GaN主量子阱层。

以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离 子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第一InGaN子量子阱层上生长厚度为1.2nm的第二 GaN主量子阱层，其生长条件为：

氮气的流量为1.6mL/min；

等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；

镓炉的温度为850℃。

步骤H，在第二GaN主量子阱层上生长第二InAlN势垒层。

以高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源，其中铝源和铟源均由射频等离子炉产 生，使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二GaN主量子阱层上生长厚度 为1.2nm，In组分为18％的第二InAlN势垒层，生长过程中氮气的流量为1.6mL/min，等 离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W，铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃。

步骤I，在InAlN势垒层上生长第二InGaN子量子阱层。

以高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源，其中镓源和铟源均由射频等离子炉产 生使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在InAlN势垒层上生长厚度为1.2nm， In组分为7％的第二InGaN子量子阱层，其生长条件为：

氮气的流量为1.6mL/min；

等离子体输入功率均为400W，反射功率均为5W；

铟炉的温度为585℃，镓炉的温度为850℃。

步骤J，在第二InGaN子量子阱层上生长第二GaN隔离层。

以高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源，其中镓源由射频等离子体炉产生，使用射频等离 子体辅助分子束外延RF-MBE方法，在第二InGaN子量子阱层上生长厚度为3nm的第二 GaN隔离层，其生长条件为：

氮气的流量为1.6mL/min；

等离子体输入功率为400W，反射功率为5W；

镓炉的温度为850℃。

步骤K，在第二GaN隔离层上生长n⁺GaN发射极欧姆接触层。

采用三乙基镓与高纯氨气作为镓源与氮源，以硅烷气体为n型掺杂源，在温度为1000℃， 压力为40托下同样采用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法，在第二GaN隔离层上生 长厚度为120nm，掺杂浓度为9×10¹⁹cm^-3的n⁺GaN发射极欧姆接触层。

步骤L，刻蚀大小圆台面：

(L1)在n⁺GaN发射极欧姆接触层上光刻形成直径为60μm的大圆形掩膜图形，再用 反应离子刻蚀RIE方法，使用BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，刻蚀深度至GaN外延层上表面，形成 大圆形台面。

(L2)在形成的大圆柱台面上光刻形成直径为20μm的同轴小圆形掩膜图形，在GaN 外延层上光刻形成内径为60μm的同轴环形掩膜图形，再用反应离子刻蚀RIE方法，使用 BCl₃/Cl₂刻蚀气体源，刻蚀深度至n⁺GaN集电极欧姆接触层，形成小圆形台面。

步骤M，在整个器件表面采用真空电子束蒸发设备依次蒸发Ti/Al/Ni/Au多层金属，厚 度分别为30nm/120nm/50nm/160nm，通过金属剥离形成环形电极13和圆形电极14。

步骤N，，在950℃，氩气气氛下对整个器件快速退火退火50秒，形成GaN欧姆接触。

步骤O，采用PECVD工艺在器件正面淀积厚度为400nm的SiN钝化层，钝化后采用 RIE刻蚀方法，利用CF₄气体刻蚀形成开孔，露出环形电极13和圆形电极14，完成器件的 制作。

经上述工艺步骤，最终形成的基于具有双InGaN子量子阱的共振隧穿二极管管芯剖面 参照图1所示。