1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件及其制备方法。
背景技术：
2.随着无线通信技术的不断发展，人们对高频段需求不断提升，太赫兹技术应运而生；太赫兹波(thz)是一种频率在0.1～10thz之间的电磁波，与微波技术相比，具有更高的分辨率，与光波技术相比，具有更低的能量和更好的穿透能力。电子转移器件(又称耿氏二极管)被认为是一种极具潜力的太赫兹信号源发生器件，耿氏二极管主要是利用半导体中电子在导带中从主能谷转移到子能谷而产生负微分效应而制成的实用性器件。
3.用来制作耿氏二极管的材料需满足以下条件：1、半导体导带中应具备多能谷结构，且能量差必须大于几个kt，以满足室温下全部电子处于主能谷中；2、与电子在次能谷相比，主能谷中电子须具有更低有效质量、更高的迁移率，以实现负微分电阻效应；3、能谷间的能量差应小于禁带宽度，以防止电子转移开始之前发生跨越禁带的碰撞雪崩离化。目前，大量应用的耿氏二极管主要以传统的三五族化合物砷化镓(gaas)为主，受限于较窄的能带宽度(1.42ev)和较小的击穿电场(0.4mv/cm)，器件的负阻振荡基频频率小于150ghz且输出功率偏低(仅在毫瓦量级)，使其应用受到限制。
4.传统的耿氏二极管主要集中在垂直的“三明治”结构，即上下两侧采用n型重掺杂区分别作为器件的阴极和阳极欧姆接触层，中间采用n型的均匀掺杂结构作为电子渡越层。这样的垂直结构器件在应用上存在诸多限制，最为突出的就是使用场景单一，同一外延结构无法灵活应对不同的振荡频率需求，器件的振荡频率可由公式f＝vsat/l决定(vsat为电子饱和速度，l为渡越区长度)，在垂直结构中，振荡频率由中间的渡越层厚度决定，当完成外延结构生长后，器件的振荡频率便被固定。
5.因此，更适合电路集成、振荡频率可调的平面耿氏二极管结构被提出，平面结构的耿式二极管的阴阳极间距由光刻决定，器件振荡频率应用更为灵活；同时与其他平面电路有很好的兼容性，可在独立芯片上采用完整的光刻技术制造，提高生产率和重复率，便于集成；虽然平面结构中可通过缩短渡越区长度l进一步提升振荡频率，但在现有技术中，如果沟道过短，可支持的工作偏压同时降低，虽然频率得到提升，但输出功率却大大降低。
6.综上，出于对耿式二极管结构的进一步优化，以提高其性能的考虑，本发明提出来一种新的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件。
技术实现要素：
7.基于上述表述，本发明提供了一种多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件及其制备方法，以对现有耿式二极管结构的进一步优化，解决传统耿氏二极管振荡频率低、击穿电压小、输出功率低的痛点问题。
8.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
9.第一方面，本发明提供一种多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件，包括：衬底、缓冲层、多沟道层、阳极及阴极；
10.所述缓冲层设于所述衬底上，所述多沟道层设于所述缓冲层背离所述衬底的一侧；
11.所述多沟道层为多个，多个所述多沟道层依次堆叠布设；任一所述多沟道层由沟道层、δ掺杂层和势垒层构成，所述沟道层设于所述衬底上，所述δ掺杂层设于所述沟道层和所述势垒层之间；
12.所述阳极和所述阴极均垂直设于所述缓冲层上、且分别与所述多沟道层的两侧欧姆接触。
13.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
14.进一步地，所述多沟道层还设有背势垒层；
15.所述背势垒层设于所述沟道层背离所述势垒层的一侧。
16.进一步地，所述衬底为掺fe的β-ga2o3层、sic层、gan层或磷酸铌层。
17.进一步地，所述缓冲层为非故意掺杂的ga2o3层。
18.进一步地，所述沟道层为非故意掺杂的β-ga2o3层。
19.进一步地，所述势垒层为非故意掺杂的β-(al
x
ga
1-x
)2o3层、aln层或scaln层。
20.进一步地，所述δ掺杂层为重掺杂β-(al
x
ga
1-x
)2o3层、aln层或scaln层。
21.进一步地，所述背势垒层为高al组分的(al
x
ga
1-x
)2o3层或aln层。
22.第二方面，本发明还提供一种用于制备如第一方面中任一项所述的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件的制备方法，包括：
23.在衬底上外延生长缓冲层；
24.在所述缓冲层依次生长沟道层、δ掺杂层和势垒层，形成多沟道层；
25.依次叠加生长多个所述多沟道层，形成所述沟道层、所述δ掺杂层和所述势垒层周期性多层结构；
26.刻蚀阳极区域与阴极区域；
27.在所述多沟道层两侧的所述阳极区域与所述阴极区域分别制作垂直电极，得到阳极和阴极。
28.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
29.进一步地，所述在所述多沟道层的两侧制作垂直电极，具体包括：
30.在所述阳极区域与所述阴极区域分别垂直沉积欧姆合金金属，并高温退火处理，得到与所述多沟道层欧姆接触的所述阳极和所述阴极；
31.或，对所述阳极区域和所述阴极区域进行离子注入，并高温退火激活，以使所述阳极区域和所述阴极区域重掺杂，采用电子束蒸发或磁控溅射沉积金属，得到与所述多沟道层欧姆接触的所述阳极和所述阴极；
32.或，对所述阳极区域和所述阴极区域通过mocvd或mbe二次外延生长重掺杂接触层，并通过电子束蒸发或磁控溅射沉积金属，得到与所述多沟道层欧姆接触的所述阳极和所述阴极。
33.与现有技术相比，本技术的技术方案具有以下有益技术效果：
34.本发明提供的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件设置有衬底、缓冲层、多沟道
层、阳极及阴极；缓冲层设于衬底上，多沟道层为多个，多个多沟道层以及堆叠布设；其中，任一多沟道层由沟道层、δ掺杂层和势垒层构成，沟道层设于衬底上，δ掺杂层设于沟道层和势垒层之间；阳极和阴极均垂直设于缓冲层上、且分别与多沟道层的两侧欧姆接触。即通过设置多个多沟道层，其中，多沟道层主要由三层结构构成，分别为沟道层、δ掺杂层、势垒层，利用沟道层和势垒层的能带不连续产生三角势阱，在各沟道层中形成2deg通道，降低导通电阻，同时结合垂直电极，实现对各2deg通道的良好接触，降低电极与2dge寄生电阻，实现器件的高输出功率。
35.相较于现有技术，该多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件能够具有如下优点：
36.(1)高振荡频率：利用氧化镓的超宽禁带负阻效应，实现太赫兹波段振荡频率。
37.(2)电流密度大，串联电阻小：利用多沟道层的异质结结构产生2deg，因载流子都处于二维状态，迁移率比体材料的迁移率提高很多。同时采用多沟道结构，提高沟道载流子浓度，降低导通电阻。不但使器件总电子浓度提高，且不会影响其他沟道的电子迁移率。在多沟道器件中，每个沟道的电子浓度均低于相同势垒层下单沟道器件的电子浓度，在理想的条件下，迁移率会有所提升。
38.(3)高输出功率：采用氧化镓材料，其击穿场强高达8mv/cm，同样厚度材料耐压能力更强，为器件的高功率输出提供保障。
39.(4)低表面态的陷阱效应：在传统平面器件中由于势垒层的表面态的陷阱的释放和俘获电子效应引起的；而在多沟道器件中，除最上面的沟道外，下面的沟道远离表面陷阱，在高频信号驱动下表面态带来的陷阱效应大大降低。
40.(5)阳极和阴极均为竖直电极，竖直电极结构可有效降低寄生电阻。在现有技术中，表面型的欧姆接触，在电极端会造成电场的不均匀形成电场峰值，从而容易导致器件的过早击穿；且除第一沟道外低层的沟道可能不会完全导通，尤其是最底层沟道，这将大大增加器件的寄生电阻。然而，竖直电极大大降低了电极的方阻，且竖直电极使得沟道中的电场更加均匀，降低了电场在靠近源漏两侧的扰动，从而降低器件过早击穿的概率同时，欧姆接触电极深入到最底层的沟道，可保证所有的沟道都参与导通电流。
41.因此，制备的二极管器件具有更高的击穿电场，可以承受更大的输入电压，使其保障在thz工作波段同时，实现器件的高输出功率，兼具高频率高输出功率优势，能够有效提高器件性能的稳定性和可靠性。
附图说明
42.图1为本发明实施例一提供的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件的结构示意图；
43.图2为本发明实施例二提供的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件的结构示意图；
44.图3为本发明实施例三提供的制备多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件的制备方法流程图；
45.图4为本发明实施例四提供的制备方法制备得到的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件的结构示意图；
46.图5为本发明实施例五提供的制备方法制备得到的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极
管器件的结构示意图；
47.附图标记：
48.1、衬底；
49.2、缓冲层；
50.3、多沟道层；31、沟道层；32、δ掺杂层；33、势垒层；34、背势垒层
51.4、阳极；
52.5、阴极；
53.6、2deg；
54.7、注入区域。
具体实施方式
55.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
56.缩略语和关键术语定义：
57.gan：gallium nitrogen，氮化镓
58.ga2o3：gallium oxide，氧化镓
59.gaas：gallium arsenide，砷化镓
60.teds:electron transfer devices，电子转移器件
61.gunn diode：耿氏二极管
62.2deg：two dimensional electron gas，二维电子气
63.在现有技术中，常规的制备耿氏二极管为基于gaas材料的平面耿式二极管，即制作基于gaas和algaas的多沟道异质结。其存在的缺陷为：基频振荡频率低，由于gaas材料特性决定振荡频率难以达到thz量级；平面电极结构，难以对底层通道进行控制，导致都沟道难以完全导通，导致器件电阻增大，影响器件输出功率；输出功率小，由于gaas材料禁带宽度只有1.43ev，击穿场强仅为0.6mv/cm，导致输入偏压受限，易击穿，使得器件输出功率偏低。
64.或，为gan的平面耿式二极管，即制作基于gan和algan的多沟道异质结。其存在的缺陷为：高质量外延生长困难，gan有源层的结晶质量差，位错密度大，一方面会增加器件内部的寄生电阻，抵消耿氏器件中的负电阻，从而导致观测不到耿氏振荡，另一方面，位错浓度过高也会导致器件内部的功耗增加，甚至出现器件损毁的情况；存在界面散热及缺陷陷阱问题，algan/gan异质结结构对材料质量的要求更高。由于界面较高的粗糙度和缺陷陷阱等问题，严重影响2deg沟道中电子的输运特性，增加了器件的寄生电阻和热效应，大大削弱了耿氏效应出现的几率；平面电极结构，在电极端会造成电场的不均匀形成电场峰值，从而容易导致器件的过早击穿；底层的沟道难以完全导通，将大大增加器件的寄生电阻；由于材料缺陷密度高以及低缺陷异质结外延困难，当前仅存在模拟仿真结果，尚未有原型器件制备成功。
65.氧化镓(ga2o3)材料作为一种新兴的超宽带隙半导体材料，能带带隙达到4.8～4.9ev，击穿电场高达8mv/cm，同时具有较高的电子饱和速率，在报道的能带结构中，已证实
其导带中具备多能谷结构，能谷能量差超过2.6ev，可预估其基频振荡频率将超过1thz，更为重要的是，由于具有更高的击穿电场，可以承受更大的输入电压，使其保障在thz工作波段同时，实现器件的高输出功率，兼具高频率高输出功率优势，因此研究基于ga2o3基的太赫兹振荡器具有重要意义。
66.基于此，本发明提供了一种多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件，下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
67.实施例一
68.如图1所示，本实施例提供的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件由衬底1、缓冲层2、多沟道层3、阳极4及阴极5组成。
69.缓冲层2设于衬底1上，多沟道层3设于缓冲层2背离衬底1的一侧。
70.多沟道层3为多个，多个多沟道层3依次堆叠布设；任一多沟道层3由沟道层31、δ掺杂层32和势垒层33构成，沟道层31设于衬底1上，δ掺杂层32设于沟道层31和势垒层33之间。
71.具体地，通过mocvd(气相外延生长)或mbe(分子束外延)的方式生长缓冲层及周期性的多沟道层3(沟道层数n≥2)。
72.其中，衬底1为掺fe的β-ga2o3层、sic层、gan层或磷酸铌层，在实际操作中，还可以为其他各类外延生长衬底；缓冲层2为非故意掺杂的ga2o3层；沟道层31为非故意掺杂的β-ga2o3层；势垒层33为非故意掺杂的β-(al
x
ga
1-x
)2o3层、aln层或scaln层；δ掺杂层32为重掺杂β-(al
x
ga
1-x
)2o3层、aln层或scaln层。其中，x的取值范围为0.2～0.4。
73.由于重掺杂n型层费米能级远高于位于禁带中部附近的沟道层费米能级，电子将从充掺杂层注入到沟道层中，从而形成2deg6(二维电子气)，电子供给层来自于δ重掺杂层，电子输运在非掺沟道层中进行，消除了电子在输运过程的电离杂质散射，提高电子迁移率。
74.阳极4和阴极5均垂直设于缓冲层2上、且分别与多沟道层3的两侧欧姆接触。
75.具体地，本发明实施例提供的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件设置有衬底1、缓冲层2、多沟道层3、阳极4及阴极5；缓冲层2设于衬底1上，多沟道层3为多个，多个多沟道层3依次堆叠布设；其中，任一多沟道层3由沟道层31、δ掺杂层32和势垒层33构成，沟道层31设于衬底1上，δ掺杂层32设于沟道层31和势垒层33之间；阳极4和阴极5均垂直设于缓冲层2上、且分别与多沟道层3的两侧欧姆接触。即通过设置多个多沟道层3，其中，多沟道层3主要由三层结构构成，分别为沟道层31、δ掺杂层32、势垒层33，利用沟道层31和势垒层33的能带不连续产生三角势阱，在各沟道层中形成2deg6通道，降低导通电阻，同时结合垂直电极，实现对各2deg通道的良好接触，降低电极与2dge寄生电阻，实现器件的高输出功率。
76.相较于现有技术，该多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件能够具有如下优点：
77.第一、高振荡频率：利用氧化镓的超宽禁带负阻效应，实现太赫兹波段振荡频率。
78.第一、电流密度大，串联电阻小：利用多沟道层3的异质结结构产生2deg6，因载流子都处于二维状态，迁移率比体材料的迁移率提高很多。同时采用多沟道结构，提高沟道载流子浓度，降低导通电阻。不但使器件总电子浓度提高，且不会影响其他沟道的电子迁移率。在多沟道器件中，每个沟道的电子浓度均低于相同势垒层下单沟道器件的电子浓度，在理想的条件下，迁移率会有所提升。
79.第一、高输出功率：采用氧化镓材料，其击穿场强高达8mv/cm，同样厚度材料耐压
能力更强，为器件的高功率输出提供保障。
80.第二、低表面态的陷阱效应：在传统平面器件中由于势垒层的表面态的陷阱的释放和俘获电子效应引起的；而在多沟道器件中，除最上面的沟道外，下面的沟道远离表面陷阱，在高频信号驱动下表面态带来的陷阱效应大大降低。
81.第三、阳极4和阴极5均为竖直电极，竖直电极结构可有效降低寄生电阻。在现有技术中，表面型的欧姆接触，在电极端会造成电场的不均匀形成电场峰值，从而容易导致器件的过早击穿；且除第一沟道外低层的沟道可能不会完全导通，尤其是最底层沟道，这将大大增加器件的寄生电阻。然而，竖直电极大大降低了电极的方阻，且竖直电极使得沟道中的电场更加均匀，降低了电场在靠近源漏两侧的扰动，从而降低器件过早击穿的概率同时，欧姆接触电极深入到最底层的沟道，可保证所有的沟道都参与导通电流。
82.因此，制备的二极管器件具有更高的击穿电场，可以承受更大的输入电压，使其保障在thz工作波段同时，实现器件的高输出功率，兼具高频率高输出功率优势，能够有效提高器件性能的稳定性和可靠性。
83.实施例二
84.在上述实施例一的基础上，如图2所示，与实施例一的区别在于：任一多沟道层3由沟道层31、δ掺杂层32、势垒层33和背势垒层34构成，背势垒34设于沟道层31背离势垒层33的一侧，即背势垒34设于衬底1上，沟道层31设于背势垒34上，δ掺杂层32设于沟道层31和势垒层33之间。
85.其中，背势垒层34为高al组分的(al
x
ga
1-x
)2o3层或aln层。
86.该实施例同样具备实施例一的所有有益效果，此处不再赘述。
87.实施例三
88.本发明实施例还提供一种用于制备实施例一介绍的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件的制备方法，如图3所示，包括：
89.步骤s1：制备外延整体结构。
90.步骤s101：在衬底上外延生长缓冲层；
91.步骤s102：在缓冲层依次生长沟道层、δ掺杂层和势垒层，形成多沟道层；
92.步骤s103：依次叠加生长多个多沟道层，形成沟道层、δ掺杂层和势垒层周期性多层结构。
93.具体地，在掺fe的β-ga2o3衬底上外延生长非故意掺杂的ga2o3缓冲层，在缓冲层上通过mocvd或mbe方式生长多沟道层，多沟道层主要由三层结构构成，分别为沟道层、δ掺杂层、势垒层；利用沟道层和势垒层的能带不连续产生三角势阱，以非故意掺杂厚度为h1的ga2o3沟道层以及厚度h2的(al
x
ga
1-x
)2o3势垒层为例，结合δ掺杂技术，在势垒层和沟道层中形成厚度h3的重掺杂的(al
x
ga
1-x
)2o3掺杂层，由于重掺杂n型层费米能级远高于位于禁带中部附近的沟道层费米能级，电子将从充掺杂层注入到沟道层中，从而形成二维电子气。其中，h1的取值范围为200nm～2um；h2的取值范围为20～50nm；h3的取值范围为2～5nm。
94.步骤s2：刻蚀阳极区域与阴极区域。
95.具体地，通过光刻定义阴极与阳极距离，沉积掩模层(包括但不限于各类介质层如sio2、sin等)，此处以常规pecvd(等离子体增强化学的气相沉积法)沉积厚度为h4的sio2掩模层为例，旋涂光刻胶，曝光显影，定义阴极与阳极距离l1，沉积硬掩模(包括但不限于各类
与cl基刻蚀选择比高的金属材料)，以电子束蒸发厚度为h5的金属ni掩模为例，金属剥离，选用f基等离子体刻蚀sio2介质层，随后利用cl基等离子体进行ga2o3干法刻蚀，终止在底端缓冲层结构中，随后利用hcl：h2o2：h2o＝1:1:5溶液去除ni掩模。其中，h4的取值范围为200～500nm；h5的取值范围为50～100nm；l1的取值范围为200～500nm。
96.步骤s3：在多沟道层两侧的阳极区域与阴极区域分别制作垂直电极，得到阳极和阴极。
97.在实际操作中，利用mbe生长设备进行刻蚀区再生长，通过掺杂si或sn生长厚度为h6的重掺杂(掺杂浓度》1x10
20
cm-3
)n型ga2o3接触层，随后利用boe溶液去除sio2掩模。完成二次外延后，利用电子束蒸发或磁控溅射沉积金属电极，其中阳极和阴极均采用欧姆接触接触结构，沉积欧姆金属如ti/au 50/200nm(也可以为其他如ti/al/ni/au各种组合的金属体系)，垂直电极结构能够保证各沟道与电极的良好接触。其中，h6的深度随多沟道n的数量而定，保证超过其刻蚀区域约10～50nm即可。
98.由于该制备方法是用于制备多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件的，因此多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件具有的有益效果同样适用于该制备方法，对于其有益效果可参照实施例一，此处不作加以赘述。
99.实施例四
100.在上述实施例三的基础上，与实施例三的区别在于：
101.步骤s3：在多沟道层两侧的阳极区域与阴极区域分别制作垂直电极，得到阳极4和阴极5。
102.具体地，在阳极区域与阴极区域分别垂直沉积欧姆合金金属，并高温退火处理，得到与多沟道层欧姆接触的阳极和阴极。即阴极区域与阳极区域刻蚀完成后，可直接沉积欧姆合金金属如ti/al/ni/au分别20/150/55/45nm(也可以为其他各种组合的欧姆合金体系)，高温退火形成合金，参考退火温度为400～900℃，退火氛围为氮气，退火时间30s～1min，制备垂直金属保证各沟道与电极形成良好欧姆接触。制备得到的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件如图4所示。
103.实施例五
104.在上述实施例三的基础上，与实施例三的区别在于：
105.在实施案例三完成步骤s1后，通过光刻定义阴极与阳极区域，在阴极及阳极露出位置，采用多能量离子注入方式，使注入深度达到底端缓冲层，且注入浓度分布均匀(si或sn离子等，具体注入能量及剂量随实际结构而定)，注入区域7如图5所示，高温退火激活，氮气气氛，激活温度约700～1200℃，时间约1～5min，使得该区域实现重掺杂，随后利用电子束蒸发或磁控溅射沉积金属电极，其中阳极和阴极均采用欧姆接触接触结构，此处以常用合金体系ti/al/ni/au 20/150/55/45nm为例，参考退火温度为400～900℃，退火氛围为氮气，退火时间30s～1min，垂直电极结构保证了各沟道与电极的良好接触。制备得到的多沟道氧化镓太赫兹耿氏二极管器件如图5所示。
106.本说明书的描述中，参考术语“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说
明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
107.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。