本發(fā)明屬于微電子器件，特別涉及一種氮化物半導體共振隧穿二極管振蕩器，可用于片上高功率太赫茲輻射源。

背景技術：

1、共振隧穿二極管是一種依靠單極性隧穿輸運的量子效應器件，具有獨一無二的微分負阻特性。該器件具有小的結電容和極短的載流子輸運時間，且結構簡單?；诠舱袼泶┒O管制備的振蕩電路通常具有極高的工作頻率，可在室溫下實現太赫茲波輻射，在片上太赫茲輻射源中具有重要應用。

2、傳統的片上共振隧穿二極管振蕩器核心結構為gaas基共振隧穿二極管，該器件由于受gaas材料性能的限制，其振蕩電路的輸出功率明顯不足，限制了化合物半導體共振隧穿二極管振蕩電路的實際應用。為了解決傳統gaas半導體共振隧穿二極管振蕩器輸出功率低的問題，研究者提出了如下解決方案：

3、masato?shiraishi等人在《high?output?power(～400μw)oscillators?ataround?550ghz?using?resonant?tunneling?diodes?with?graded?emitter?and?thinbarriers》中提出一種集成縫隙天線的共振隧穿二極管振蕩電路，如圖1所示，其采用三級發(fā)射極和薄勢壘的共振隧穿二極管器件作為振蕩電路核心器件，并與縫隙天線集成，如圖1a所示，在550ghz的振蕩頻率下實現約400μw的輸出功率。其中共振隧穿二極管器件結構如圖1b所示，其自下而上包括襯底、本征ingaas、發(fā)射極歐姆接觸層、n-ingaas、in0.51ga0.49as、in0.49ga0.51as、in0.47ga0.53as、alas勢壘層、ingaas勢阱層、alas勢壘層、ingaas隔離層、集電極歐姆接觸層。該振蕩電路雖說一定程度上提高了輸出功率，但卻存在以下不足：

4、一是三級發(fā)射極的材料生長難度高，三級發(fā)射極層結構從下到上分別為2.5nm的in0.51ga0.49as、2.5nm的in0.49ga0.51as、2nm的in0.47ga0.53as，三層材料的in和ga組分不同且差異微小，難以精確控制，這對材料外延生長控制上提出了技術挑戰(zhàn)。

5、二是縫隙天線作為共振隧穿二極管的負載參與諧振，縫隙兩側的電磁波會通過襯底相互耦合，導致振蕩頻率偏移且容易受外界環(huán)境的影響。

6、三是受到gaas材料本征窄帶隙的限制，該振蕩器不能偏置過高的工作電壓，其輸出功率仍然較低，不能滿足高功率太赫茲輻射源應用需求。

7、申請?zhí)枮閏n202410614915.5的專利文獻公開了一種共振隧穿二極管振蕩器和太赫茲源器件，其通過u型縫隙天線實現兩個共振隧穿二極管的功率耦合，并優(yōu)化天線的輻射效率，該振蕩電路雖說進一步提高了振蕩器的輸出功率，但由于其使用兩個共振隧穿二極管，增大了電路的直流功耗和電路復雜性，同時由于用縫隙天線作為共振隧穿二極管的負載參與諧振，使得縫隙兩側的電磁波會通過襯底相互耦合，導致振蕩頻率偏移且容易受外界環(huán)境的影響，不能滿足片上高功率太赫茲輻射源的應用需求。

技術實現思路

1、本發(fā)明目的在于針對上述已有技術的缺點，提出一種氮化物半導體共振隧穿二極管振蕩器及其制作方法，以提高振蕩電路輸出功率，降低材料外延控制難度和直流功耗，減小電路復雜性，并屏蔽襯底耦合對振蕩頻率的影響，滿足片上高功率太赫茲輻射源的應用需求。

2、為實現上述目的，本發(fā)明的實現方案包括如下：

3、1、一種氮化物半導體共振隧穿二極管振蕩器，包括共振隧穿二極管和縫隙天線，該共振隧穿二極管自下而上，包括襯底、發(fā)射極歐姆接觸層、第一隔離層、第一勢壘層、勢阱層、第二勢壘層、第二隔離層、集電極歐姆接觸層，其特征在于：

4、所述縫隙天線，包括金屬地、介質板、金屬縫隙層和mim電容；

5、所述發(fā)射極歐姆接觸層、第一隔離層、第一勢壘層、勢阱層、第二勢壘層、第二隔離層、集電極歐姆接觸層均采用氮化物材料，以提高輸出功率，整個共振隧穿二極管位于金屬縫隙層的一側，且與mim電容連接。

6、進一步，所述金屬縫隙層，采用金、銀、銅、鋁材料中的任意一種，其厚度為100nm-300nm，縫隙寬為2μm-6μm，縫隙長度由所需諧振頻率決定，該縫隙與其金屬四周邊緣的距離為300μm-400μm。

7、進一步，所述mim電容，包括下極板、介質層和上極板，其位于金屬縫隙層上的另一側，且下極板與金屬縫隙層共用同一金屬層。

8、進一步，所述共振隧穿二極管的集電極歐姆接觸層和發(fā)射極歐姆接觸層分別與縫隙天線中mim電容的上極板和縫隙天線中的金屬縫隙層連接。

9、進一步，所述共振隧穿二極管，各層厚度和材料如下：

10、襯底采用藍寶石材料、硅材料、碳化硅材料、氮化鎵材料、氮化鋁材料、氮化硼材料、金剛石材料、氧化鎵材料中的任意一種；

11、發(fā)射極歐姆接觸層和集電極歐姆接觸層，均采用厚度為40nm-300nm、摻雜濃度在1×1019cm-3-2×1020cm-3之間的n型gan或n型ingan或n型scgan或n型ygan或n型bgan材料；

12、第一隔離層和第二隔離層，厚度均為4nm-12nm，材料采用gan、ingan、scgan、ygan、bgan中的任意一種；

13、第一勢壘層和第二勢壘層，厚度均為1nm-3nm，材料采用aln、algan、inaln、scaln、yaln、baln、alpn、bpn中的任意一種；

14、勢阱層，厚度為1nm-3nm，材料采用gan、ingan、scgan、ygan、bgan中的任意一種。

15、進一步，所述縫隙天線的金屬地，厚度為100nm-300nm，材料采用金、銀、銅、鋁中的任意一種；所述縫隙天線的介質板，厚度為3μm-6μm，材料采用bcb介質；所述縫隙天線的mim電容，其上極板厚度為100nm-300nm，材料采用金、銀、銅、鋁中的任意一種；其介質層厚度為20nm-300nm，材料采用sin、al2o3、hfo2、sio2中的任意一種。

16、2、一種氮化物半導體共振隧穿二極管振蕩器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟：

17、1)使用分子束外延技術，在襯底基片上生長厚度為40nm-300nm、摻雜濃度為1×1019cm-3-2×1020cm-3的發(fā)射極歐姆接觸層；

18、2)使用分子束外延技術在發(fā)射極歐姆接觸層上生長厚度為4nm-12nm的第一隔離層(3)；

19、3)使用分子束外延技術在第一隔離層上生長厚度為1nm-3nm的第一勢壘層；

20、4)使用分子束外延技術在第一勢壘層上生長厚度為1nm-3nm的勢阱層；

21、5)使用分子束外延技術在勢阱層上生長厚度為1nm-3nm的第二勢壘層；

22、6)使用分子束外延技術在第二勢壘層上生長厚度為4nm-12nm的第二隔離層；

23、7)使用分子束外延技術在第二隔離層上生長厚度為40nm-300nm、摻雜濃度為1×1019cm-3-2×1020cm-3的集電極歐姆接觸層；

24、8)使用光刻工藝，在集電極歐姆接觸層上形成臺面隔離圖案，再以光刻膠為掩膜，采用感應耦合等離子體刻蝕方法，刻蝕集電極歐姆接觸層至襯底上部，形成深度為3μm-6μm的臺面隔離淺槽；

25、9)以光刻膠為掩膜，在臺面隔離后的集電極歐姆接觸層上設定集電極區(qū)域，并采用電子束蒸發(fā)工藝在該區(qū)域淀積金屬ti/au/ni，形成直徑為0.1μm-5μm的共振隧穿二極管集電極；

26、10)以共振隧穿二極管集電極金屬為掩膜，采用感應耦合等離子體刻蝕方法，刻蝕臺面隔離后的集電極歐姆接觸層至發(fā)射極歐姆接觸層上表面，形成從第一隔離層到集電極的共振隧穿二極管柱狀臺面；

27、11)以光刻膠為掩膜，在形成共振隧穿二極管柱狀臺面的發(fā)射極歐姆接觸層上設定發(fā)射極區(qū)域，并采用電子束蒸發(fā)工藝在該區(qū)域淀積金屬ti/au/ni，形成共振隧穿二極管的發(fā)射極；

28、12)以光刻膠為掩膜，在襯底上設定金屬地區(qū)域，并采用電子束蒸發(fā)工藝在該區(qū)域淀積厚度為100nm-300nm的金屬，形成縫隙天線的金屬地；

29、13)在外延片上旋涂一層ap3000增粘劑，然后旋涂一層厚度為3μm-6μm的bcb介質，形成縫隙天線的介質板；

30、14)采用光刻工藝，在介質板上設定發(fā)射極通孔與集電極通孔區(qū)域，以光刻膠為掩膜，采用反應離子刻蝕方法進行刻蝕，分別形成發(fā)射極通孔與集電極通孔；

31、15)采用光刻工藝，在介質板上設定金屬縫隙層區(qū)域，并采用電子束蒸發(fā)工藝在該區(qū)域淀積金屬，形成縫隙天線的金屬縫隙層；

32、16)采用等離子體增強化學氣相沉積法或原子層淀積工藝，在外延片表面淀積厚度為20nm-300nm的介質層；

33、17)采用光刻工藝，在介質層上設定mim電容的介質層區(qū)域，以光刻膠為掩膜，采用反應離子刻蝕方法，形成mim電容的介質層；

34、18)采用光刻工藝，在mim電容的介質層上設定上極板區(qū)域，并采用電子束蒸發(fā)工藝在該區(qū)域淀積金屬，形成縫隙天線的mim電容的上極板，完成氮化物半導體共振隧穿二極管振蕩器的制備。

35、本發(fā)明與現有技術相比具有如下優(yōu)點：

36、1、本發(fā)明由于使用氮化物半導體共振隧穿二極管作為振蕩器的核心器件，不需要對發(fā)射極進行特殊結構設計，其材料外延生長工藝簡單。

37、2、本發(fā)明由于在縫隙天線結構中增加了金屬地，可屏蔽襯底耦合對振蕩頻率的影響，提高振蕩電路頻率穩(wěn)定性。

38、3、本發(fā)明的共振隧穿二極管由于采用具有高擊穿場強的氮化物材料，故可提高二極管的偏置工作電壓，實現高的輸出功率。

39、4、本發(fā)明振蕩電路中由于只有一個共振隧穿二極管，因而降低了振蕩器的直流功耗和電路復雜性。