《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MOCVD生長(zhǎng)材料的高電流密度太赫茲共振隧穿二極管
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
車(chē)相輝1,，2,，梁士雄1,，張立森1,，顧國(guó)棟1，郝文嘉2,，楊大寶2,，陳宏泰2，馮志紅1
1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 專(zhuān)用集成電路國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，河北 石家莊050051,； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051
摘要： 為獲得高功率的太赫茲共振隧穿器件,，優(yōu)化設(shè)計(jì)了AlAs/InGaAs/AlAs共振遂穿二極管材料結(jié)構(gòu),，在國(guó)內(nèi)首次采用MOCVD設(shè)備在半絕緣InP單晶片上生長(zhǎng)了RTD外延材料。利用接觸光刻工藝和空氣橋搭接技術(shù),，制作了InP基共振遂穿二極管器件,。并在室溫下測(cè)試了器件的電學(xué)特性： 峰值電流密度＞400 kA/cm2， 峰谷電流比(PVCR)＞2.4,。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN385
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.199803
中文引用格式： 車(chē)相輝,，梁士雄,，張立森，等. 基于MOCVD生長(zhǎng)材料的高電流密度太赫茲共振隧穿二極管[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019,，45(8)：32-33，39.
英文引用格式： Che Xianghui,，Liang Shixiong,，Zhang Lisen，et al. High-current density terahertz resonant runneling diodes grown by MOCVD[J]. Application of Electronic Technique,，2019,，45(8)：32-33，39.
High-current density terahertz resonant runneling diodes grown by MOCVD
Che Xianghui1,，2，Liang Shixiong1,，Zhang Lisen1,，Gu Guodong1，Hao Wenjia2,， Yang Dabao2,，Chen Hongtai2，F(xiàn)eng Zhihong1
1.National Key Laboratory of ASIC,，The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,， Shijiazhuang 050051，China,； 2.The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,，Shijiazhuang 050051，China
Abstract： AlAs/InGaAs/AlAs resonant tunneling materials was optimized, and terahertz resonant tunneling diodes grown by MOCVD is first fabricated. The epitaxial layers of the RTD were grown on semi-insulating InP substrate. InP-based RTD were fabricated by using contact lithography and air bridge technology.The electrical characteristics of the device were tested at room temperature. The peak current density of our RTD exceeded 400 kA/cm2, and the peak to valley current ratio of our RTD was 2.4.
Key words : resonant tunneling diodes,；peak current density,；peak to valley current ratio

0 引言

    太赫茲信號(hào)發(fā)生和接收，是太赫茲頻段開(kāi)發(fā)和利用的基礎(chǔ),，主要有兩種發(fā)展方向,，一種是從紅外往下擴(kuò)展，一種是從毫米波向上擴(kuò)展[1],。從紅外向下擴(kuò)展方式產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)具有輸出功率高,、頻率高的特點(diǎn)，但是分辨率較低,；毫米波向上擴(kuò)展方式產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)輸出功率小,，頻率上限也稍低，但是分辨率高,?；诠鈱W(xué)的太赫茲信號(hào)接收(如電光晶體探測(cè),、光電二極接收等)具有極寬的帶寬和極高的測(cè)量信噪比，但裝置比較復(fù)雜,、價(jià)格昂貴且頻譜分辨率較低,。共振隧穿二極管利用負(fù)阻響應(yīng)和較強(qiáng)的非線性效應(yīng)，既能作為振蕩器又能作為檢測(cè)器使用[2-3],。共振隧穿二極管作為T(mén)Hz電子振蕩發(fā)生源的一種,，具備高速高頻的優(yōu)點(diǎn)，適合做THz波源,。與其他THz波段相比,，其可以在室溫下工作，體積小重量輕,而且共振隧穿二極管的制備工藝與HEMT,、HBT等晶體管工藝兼容,，更容易實(shí)現(xiàn)單片集成電路，實(shí)現(xiàn)小型化,、便攜式的太赫茲收發(fā)機(jī),，主動(dòng)檢測(cè)成像儀等設(shè)備。經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展,，共振隧穿二極管已成為下一代高靈敏度太赫茲?rùn)z測(cè)以及高速太赫茲通信的關(guān)鍵器件之一,。傳統(tǒng)RTD材料都是基于MBE生長(zhǎng)，近年來(lái)國(guó)外開(kāi)始出現(xiàn)采用MOCVD生長(zhǎng)InP RTD材料的研究報(bào)道[4],，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)條件,，RTD器件性能有了顯著提高，器件的峰值電流密度已經(jīng)超過(guò)MBE外延材料,。

    本文以主要研究銦磷基共振遂穿二極管材料結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),，在國(guó)內(nèi)首次采用MOCVD設(shè)備外延的InP RTD材料制備出太赫茲共振遂穿二極管器件，突破共振遂穿二極管制備中的非合金歐姆接觸,、小尺寸空氣橋搭接等關(guān)鍵技術(shù),。并對(duì)器件電學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了負(fù)阻比大于2,、峰值電流密度大于400 kA/cm2的RTD,，為太赫茲頻段工作的共振遂穿二極管振蕩器及探測(cè)器奠定基礎(chǔ)。

1 器件設(shè)計(jì)

    共振隧穿二極管（RTD） 是基于量子共振隧穿效應(yīng)的一種兩端負(fù)阻器件,，其縱向尺寸（外延生長(zhǎng)方向）在納米尺度,，其他二維尺寸在微米量級(jí)。外延材料各個(gè)層組分和厚度將直接影響到器件的指標(biāo),，因而需要合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)各個(gè)層的結(jié)構(gòu)尺寸才能獲得更好性能的器件,。

    材料的襯底采用半絕緣InP（SI InP）。集電極和發(fā)射極接觸層使用Si 摻雜, 摻雜濃度為2×1019 cm-3，主要是不通過(guò)合金形成歐姆接觸,。發(fā)射區(qū)作用是形成RTD的發(fā)射區(qū),，使發(fā)射區(qū)中的EF位于EC以上，以提供電子源,，摻雜濃度在 1018cm-3的InGaAs 材料構(gòu)成,。隔離層是位于發(fā)射區(qū)與勢(shì)壘之間很薄(2~5 nm)的一層InGaAs材料，阻擋發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)向勢(shì)壘,、勢(shì)阱區(qū)擴(kuò)散,，以V區(qū)為中心的AlAs/In0.8Ga0.2As/AlAs兩壘一阱(DBSW)結(jié)構(gòu)是RTD結(jié)構(gòu)的核心。勢(shì)壘選擇禁帶寬度很大的AlAs材料,，能夠有效提高器件的PVCR,。勢(shì)阱采用高In組分材料降低電子有效質(zhì)量，提高電子速度,，從而有利于實(shí)現(xiàn)器件更高的工作頻率,。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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    根據(jù)太赫茲的特點(diǎn),，器件要工作在太赫茲頻段必須降低器件的寄生參量,，需要采用空氣橋結(jié)構(gòu)將集電極連接到另一個(gè)PAD，以降低寄生電容,。而器件的量子阱結(jié)構(gòu)臺(tái)面需要制作成柱形結(jié)構(gòu)，才能夠保證器件的性能,。實(shí)驗(yàn)中采用了圖2給出的器件結(jié)構(gòu),，其中集電極采用半徑5 μm和3 μm的圓形。

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2 器件工藝

    器件的主要工藝難點(diǎn)包括非合金歐姆接觸,、小尺寸臺(tái)面金屬化剝離工藝,、點(diǎn)支撐空氣橋搭接技術(shù)、背面減薄和分片技術(shù),。工藝流程依次是：上電極臺(tái)面光刻,，金屬化和刻蝕，下電極臺(tái)面光刻,，下電極金屬化,，上下電極開(kāi)孔，空氣橋上下電極橋墩,，空氣橋橋面,。圖3為上電極臺(tái)面開(kāi)孔后的SEM圖片，采用空氣橋器件的掃描電子顯微鏡如圖4所示,。

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3 器件測(cè)試

    為得到InP RTD的直流,，本文構(gòu)建了太赫茲InP RTD的I-V測(cè)試平臺(tái)，包括探針臺(tái)和半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀，在室溫下通過(guò)將探針臺(tái)引出的兩個(gè)開(kāi)爾文探針?lè)謩e壓在InP RTD的集電極端和發(fā)射極端,，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加在肖特基二極管上的電壓,，并記錄相應(yīng)電壓下流過(guò)二極管的電流值，得到肖特基二極管的I-V測(cè)試曲線如圖5所示,。

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4 結(jié)論

    本文采用自主MOCVD生長(zhǎng)的InP RTD外延材料,，采用一系列工藝進(jìn)行了優(yōu)化，包括干法刻蝕,、非合金歐姆接觸工藝以及空氣橋互連等技術(shù),，成功研制出了高性能的InP RTD器件。在室溫下測(cè)試,，所制備的RTD器件的峰值電流密度為400 kA/cm2,，峰谷電流比為2.4。在國(guó)內(nèi)尚屬首次利用MOCVD生長(zhǎng)RTD外延材料實(shí)現(xiàn)該類(lèi)器件,，不過(guò)器件的特性還有較大的提升空間,，如器件峰谷電流對(duì)應(yīng)的電壓差還需要進(jìn)一步拉大以便于提高負(fù)阻阻值。

    InP基RTD的進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝整合為下一步開(kāi)展太赫茲頻段振蕩器及檢測(cè)器件的研究奠定了基礎(chǔ),。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭新,，劉超.太赫茲技術(shù)的發(fā)展及在雷達(dá)和通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微波學(xué)報(bào)，2010,，26(6)：1-6.

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[3] CHAHAL P,，MORRIS F,，F(xiàn)RAZIER G.Zero bias resonant tunnel Schottky contact diode for wide-band direct detection[J].IEEE Electron Device Letters，2005,，26(12)：894-896.

[4] JACOBS K J P,，STEVENS B J，MUKAI T,，et al.Nondestructive mapping of doping and structural composition of MOVPE-grown high current density resonant tunnelling diodes through photoluminescence spectroscopy[J].Journal of Crystal Growth,，2015，418(1)：102-110.



作者信息:

車(chē)相輝1,，2,，梁士雄1，張立森1,，顧國(guó)棟1,，郝文嘉2，楊大寶2，陳宏泰2,，馮志紅1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 專(zhuān)用集成電路國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，河北 石家莊050051；

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所,，河北 石家莊050051)

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