《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MOCVD生長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
車相輝1，2，梁士雄1，張立森1，顧國棟1，郝文嘉2，楊大寶2，陳宏泰2，馮志紅1
1.中國電子科技集團公司第十三研究所 專用集成電路國家級重點實驗室，河北 石家莊050051； 2.中國電子科技集團公司第十三研究所，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)計了AlAs/InGaAs/AlAs共振遂穿二極管材料結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)首次采用MOCVD設(shè)備在半絕緣InP單晶片上生長了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。
中圖分類號： TN385
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.199803
中文引用格式： 車相輝，梁士雄，張立森，等. 基于MOCVD生長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

    太赫茲信號發(fā)生和接收，是太赫茲頻段開發(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展，一種是從毫米波向上擴展[1]。從紅外向下擴展方式產(chǎn)生的太赫茲信號具有輸出功率高、頻率高的特點，但是分辨率較低；毫米波向上擴展方式產(chǎn)生的太赫茲信號輸出功率小，頻率上限也稍低，但是分辨率高?；诠鈱W(xué)的太赫茲信號接收(如電光晶體探測、光電二極接收等)具有極寬的帶寬和極高的測量信噪比，但裝置比較復(fù)雜、價格昂貴且頻譜分辨率較低。共振隧穿二極管利用負阻響應(yīng)和較強的非線性效應(yīng)，既能作為振蕩器又能作為檢測器使用[2-3]。共振隧穿二極管作為THz電子振蕩發(fā)生源的一種，具備高速高頻的優(yōu)點，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，更容易實現(xiàn)單片集成電路，實現(xiàn)小型化、便攜式的太赫茲收發(fā)機，主動檢測成像儀等設(shè)備。經(jīng)過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檢測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，近年來國外開始出現(xiàn)采用MOCVD生長InP RTD材料的研究報道[4]，通過優(yōu)化生長條件，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，在國內(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)。并對器件電學(xué)特性進行測量，實現(xiàn)了負阻比大于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器奠定基礎(chǔ)。

1 器件設(shè)計

    共振隧穿二極管（RTD） 是基于量子共振隧穿效應(yīng)的一種兩端負阻器件，其縱向尺寸（外延生長方向）在納米尺度，其他二維尺寸在微米量級。外延材料各個層組分和厚度將直接影響到器件的指標，因而需要合理地優(yōu)化設(shè)計各個層的結(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)向勢壘、勢阱區(qū)擴散，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。勢壘選擇禁帶寬度很大的AlAs材料，能夠有效提高器件的PVCR。勢阱采用高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，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PAD，以降低寄生電容。而器件的量子阱結(jié)構(gòu)臺面需要制作成柱形結(jié)構(gòu)，才能夠保證器件的性能。實驗中采用了圖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包括非合金歐姆接觸、小尺寸臺面金屬化剝離工藝、點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：上電極臺面光刻，金屬化和刻蝕，下電極臺面光刻，下電極金屬化，上下電極開孔，空氣橋上下電極橋墩，空氣橋橋面。圖3為上電極臺面開孔后的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 器件測試

    為得到InP RTD的直流，本文構(gòu)建了太赫茲InP RTD的I-V測試平臺，包括探針臺和半導(dǎo)體參數(shù)測試儀，在室溫下通過將探針臺引出的兩個開爾文探針分別壓在InP RTD的集電極端和發(fā)射極端，通過計算機控制加在肖特基二極管上的電壓，并記錄相應(yīng)電壓下流過二極管的電流值，得到肖特基二極管的I-V測試曲線如圖5所示。

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4 結(jié)論

    本文采用自主MOCVD生長的InP RTD外延材料，采用一系列工藝進行了優(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。在國內(nèi)尚屬首次利用MOCVD生長RTD外延材料實現(xiàn)該類器件，不過器件的特性還有較大的提升空間，如器件峰谷電流對應(yīng)的電壓差還需要進一步拉大以便于提高負阻阻值。

    InP基RTD的進一步的優(yōu)化設(shè)計和工藝整合為下一步開展太赫茲頻段振蕩器及檢測器件的研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

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

[2] SUZUKI S，ASADA M，TERANISHI A，et al.Fundamental oscillation of resonant tunneling diodes above 1 THz at room temperature[J].Applied Physics Letters，2010，97(2)：242102.

[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:

車相輝1，2，梁士雄1，張立森1，顧國棟1，郝文嘉2，楊大寶2，陳宏泰2，馮志紅1

(1.中國電子科技集團公司第十三研究所 專用集成電路國家級重點實驗室，河北 石家莊050051；

2.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北 石家莊050051)

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