一種超窄雙阱的共振隧穿二極管器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種共振隧穿二極管材料結(jié)構(gòu)。特別是涉及一種超窄雙阱的共振隧穿二極管器件。
【背景技術(shù)】
[0002]共振隧穿二極管(RTD)是利用量子隧穿效應(yīng)的一種新型納米器件，最明顯的特征是具有負(fù)阻特性，同時還具有高頻、低電壓、低功耗以及雙穩(wěn)和自鎖等特點。基于以上諸多特點，RTD近年來在微波和毫米波振蕩器、高速數(shù)字電路和高速光電集成電路中得到廣泛應(yīng)用，并大量應(yīng)用于大容量通信和生物技術(shù)。隨著器件設(shè)計的成熟與創(chuàng)新和工藝的發(fā)展，RTD構(gòu)成的振蕩器頻率已達(dá)到太赫茲(THz)的范圍。據(jù)最新報道，RTD器件的基波振蕩頻率在已經(jīng)達(dá)到1.08THZ。利用InP襯底，InGaAs/AlAs雙勢皇RTD與縫隙天線結(jié)構(gòu)相結(jié)合技術(shù)，已研制出三次振蕩諧波頻率可達(dá)1.02THz的太赫茲波發(fā)生器。
[0003]順應(yīng)高頻大功率共振隧穿型太赫茲振蕩器RTO和高速RTD集成電路的發(fā)展要求，一種能夠提高RTD性能且易于制備，工業(yè)可操作性強的結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)RTD大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0004]RTD的設(shè)計包括材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計以及光刻掩模版圖設(shè)計等。其中，材料結(jié)構(gòu)設(shè)計是基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是整個設(shè)計的起點。材料結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)器件研制指標(biāo)要求進(jìn)行的，其主要內(nèi)容是確定采用分子束外延技術(shù)MBE生長的各層材料的成分、組分、厚度、摻雜劑和摻雜濃度等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種響應(yīng)頻率高，輸出功率大，制備容易，集成度高的超窄雙阱的共振隧穿二極管材料結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種超窄雙阱的共振隧穿二極管器件，包括有由下至上依次形成的襯底、緩沖層和發(fā)射區(qū)電極接觸層，所述發(fā)射區(qū)電極接觸層上分別形成有發(fā)射區(qū)和發(fā)射區(qū)金屬電極，所述發(fā)射區(qū)上由下至上依次形成有發(fā)射區(qū)隔離層、第一勢皇、第一勢阱、子勢阱、第二勢阱、第二勢皇、集電區(qū)隔離層、集電區(qū)、集電區(qū)電極接觸層和集電區(qū)金屬電極。
[0007]所述的襯底為半絕緣InP襯底，厚度為100 — 300 μ m。
[0008]所述的緩沖層由Intl 53Gaa47As層構(gòu)成，厚度為200nm。
[0009]所述的發(fā)射區(qū)電極接觸層、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)和集電區(qū)電極接觸層是由摻Si濃度達(dá)到ZWO19cnT3Ina53Gaa47As層構(gòu)成，其中發(fā)射區(qū)電極接觸層的厚度為400nm，發(fā)射區(qū)的厚度為20nm，集電區(qū)的厚度為15nm，集電區(qū)電極接觸層的厚度為8nm。
[0010]所述的發(fā)射區(qū)隔離層厚度為2nm。
[0011]所述的第一勢皇和第二勢皇是由AlAs層構(gòu)成，厚度為1.2nm。
[0012]所述的第一勢阱、第二勢阱和集電區(qū)隔離層是由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，其中，第一勢阱和第二勢阱的厚度為1.2nm，集電區(qū)隔離層的厚度為2nm。
[0013]所述的子勢講是由InAs層構(gòu)成，厚度為1.2nm。
[0014]所述的集電區(qū)金屬電極和發(fā)射區(qū)金屬電極材質(zhì)為金屬，厚度均為100-300nm。
[0015]本發(fā)明的一種超窄雙阱的共振隧穿二極管器件，采用超窄雙阱，可有效提高峰值電流，從而增大輸出功率。減小發(fā)射極面積，從而減小器件尺寸，減小寄生電容，由此可提高RTD的響應(yīng)頻率。因此，本發(fā)明具有響應(yīng)頻率高，輸出功率大，制備容易，集成度高的特點。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的俯視圖。
[0018]圖中
[0019]1:襯底2:緩沖層
[0020]3:發(fā)射區(qū)電極接觸層4:發(fā)射區(qū)
[0021]5:發(fā)射區(qū)隔離層6:第一勢皇
[0022]7:第一勢阱8:子勢阱
[0023]9:第二勢阱10:第二勢皇
[0024]11:集電區(qū)隔離層12:集電區(qū)
[0025]13:集電區(qū)電極接觸層14:集電區(qū)金屬電極
[0026]15:發(fā)射區(qū)金屬電極
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種超窄雙阱的共振隧穿二極管器件做出詳細(xì)說明。
[0028]本發(fā)明的一種超窄雙阱的共振隧穿二極管器件，采用超窄雙阱結(jié)構(gòu)，1.2nm的無摻雜AlAs為勢皇，1.2nm的無摻雜Ina53Gaa47As為勢講，1.2nm的無摻雜InAs為子勢講；增大發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度，使其均達(dá)到2*1019cm_3;采用2nm的無摻雜Intl47Gaa53As薄層為發(fā)射區(qū)的隔離層，減小隔離層厚度可以提高輸出功率，但是同時也會降低本征響應(yīng)頻率，此處采用2nm厚度，是考慮到二者關(guān)系后的折中選擇；同時減小器件發(fā)射區(qū)尺寸至I ym2。
[0029]如圖1、圖2所示，本發(fā)明的一種超窄雙阱的共振隧穿二極管器件，包括有由下至上依次形成的襯底1、緩沖層2和發(fā)射區(qū)電極接觸層3，所述發(fā)射區(qū)電極接觸層3上分別形成有發(fā)射區(qū)4和發(fā)射區(qū)金屬電極15，所述發(fā)射區(qū)4上由下至上依次形成有發(fā)射區(qū)隔離層5、第一勢皇6、第一勢阱7、子勢阱8、第二勢阱9、第二勢皇10、集電區(qū)隔離層11、集電區(qū)12、集電區(qū)電極接觸層13和集電區(qū)金屬電極14。其中:
[0030]所述的襯底I為半絕緣InP(SI—InP襯底)，即圖1中I區(qū)，厚度為100 — 300 μm。用S1-1nP襯底時，在此襯底上生長的InGaAs的In組分可以達(dá)到0.53。在InGaAs材料中In的組分愈大，其迀移率就愈高，RTD的頻率和開關(guān)速度就愈快。故用S1-1nP襯底材料研制的RTD性能比用S1-GaAs襯底的RTD更好，但S1-1nP材料比S1-GaAs更昂貴，而且加工過程中容易碎裂。
[0031]所述的緩沖層2，即圖1中2區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在襯底上外延生長得到，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，厚度為200nm，無摻雜。
[0032]所述的發(fā)射區(qū)電極接觸層3，即圖1中3區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在緩沖層上外延生長得到。目的是形成低電阻的發(fā)射極歐姆接觸。由摻Si濃度達(dá)到2*1019cm 3In0 53Ga0 47As 層構(gòu)成，厚度 400nm。
[0033]所述的發(fā)射區(qū)4，即圖1中4區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在發(fā)射區(qū)電極接觸層上外延生長得到，作用是形成RTD的發(fā)射區(qū)。由摻Si濃度達(dá)到2*1019οιΓ3Ιηα536&(ι.47Α8層構(gòu)成，厚度20nm。
[0034]所述的發(fā)射區(qū)隔離層5，即圖1中5區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在發(fā)射區(qū)電極接觸層上外延生長得到，無摻雜，厚度2nm。
[0035]所述的第一勢皇6，即圖1中6區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在發(fā)射區(qū)隔離層上外延生長得到，由AlAs層構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm。
[0036]所述的第一勢阱7，即圖1中7區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在勢皇I層上外延生長得到，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm。
[0037]所述的子勢阱8，即圖1中8區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在勢阱I層上外延生長得到，由層InAs構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm。
[0038]所述的第二勢阱9，即圖1中9區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在子勢阱層上外延生長得到，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm。
[0039]所述的第二勢皇10，即圖1中10區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在勢阱2層上外延生長得到，由AlAs層構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm。
[0040]所述的集電區(qū)隔離層11，即圖1中11區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在勢皇2層上外延生長得到，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，無摻雜，厚度2nm。
[0041]所述的集電區(qū)12，即圖1中12區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在集電區(qū)隔離區(qū)層上外延生長得到。由摻Si濃度達(dá)到2*1019Cm_3InQ.53GaQ.47AS層構(gòu)成，厚度15nm。
[0042]所述的集電區(qū)電極接觸層13，即圖1中13區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在隔離區(qū)層上外延生長得到。由摻Si濃度達(dá)到2*1019cnr3Ina7Gaa3As層構(gòu)成，厚度8nm。
[0043]所述的集電區(qū)金屬電極14，即圖1中14區(qū):由真空蒸發(fā)在集電區(qū)電極接觸層上生長得到，材質(zhì)為金屬，如金或鉬或銷等，厚度100-300nm。
[0044]所述的發(fā)射區(qū)金屬電極15，即圖1中15區(qū):由真空蒸發(fā)在發(fā)射區(qū)電極接觸層上生長得到，材質(zhì)為金屬，如金或鉬或銷等，厚度100-300nm。
[0045]第一實例:
[0046]一種超窄雙阱的共振隧穿二極管器件，有由下至上依次形成的襯底1、緩沖層2和發(fā)射區(qū)電極接觸層3，所述發(fā)射區(qū)電極接觸層3上分別形成有發(fā)射區(qū)4和發(fā)射區(qū)金屬電極15，所述發(fā)射區(qū)4上由下至上依次形成有發(fā)射區(qū)隔離層5、第一勢皇6、第一勢阱7、子勢阱8、第二勢阱9、第二勢皇10、集電區(qū)隔離層11、集電區(qū)12、集電區(qū)電極接觸層13和集電區(qū)金屬電極14。其中:
[0047]襯底I為半絕緣InP (SI— InP襯底)，即圖1中I區(qū)，厚度為100 μ m ;
[0048]緩沖層2，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，厚度為200nm，無摻雜；
[0049]發(fā)射區(qū)電極接觸層3，由摻Si濃度達(dá)到2*1019Cm_3In0.53Ga0.47As層構(gòu)成，厚度400nm ；
[0050]發(fā)射區(qū)4，由摻Si濃度達(dá)到2*1019Cnr3InQ.53Gaa47AS層構(gòu)成，厚度20nm ；
[0051]發(fā)射區(qū)隔離層5，無摻雜，厚度2nm ;
[0052]第一勢皇6，由AlAs層構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm ；
[0053]第一勢講7，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm ；
[0054]子勢講8，由層InAs構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm ；
[0055]第二勢講9，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm ；
[0056]第二勢皇10，由AlAs層構(gòu)成，無摻雜，厚度1.2nm ；
[0057]集電區(qū)隔離層11，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，無摻雜，厚度2nm ;
[0058]集電區(qū)12，由摻Si濃度達(dá)到S=I=1