CN104752524A - 一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件 - Google Patents
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Abstract
一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，包括有由下至上依次形成的衬底、缓冲层和发射区电极接触层，所述发射区电极接触层上分别形成有发射区和发射区金属电极，所述发射区上由下至上依次形成有发射区隔离层、第一势垒、第一势阱、子势阱、第二势阱、第二势垒、集电区隔离层、集电区、集电区电极接触层和集电区金属电极。本发明的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，采用超窄双阱，可有效提高峰值电流，从而增大输出功率。减小发射极面积，从而减小器件尺寸，减小寄生电容，由此可提高RTD的响应频率。因此，本发明具有响应频率高，输出功率大，制备容易，集成度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种共振隧穿二极管材料结构。特别是涉及一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件。
背景技术
共振隧穿二极管(RTD)是利用量子隧穿效应的一种新型纳米器件，最明显的特征是具有负阻特性，同时还具有高频、低电压、低功耗以及双稳和自锁等特点。基于以上诸多特点，RTD近年来在微波和毫米波振荡器、高速数字电路和高速光电集成电路中得到广泛应用，并大量应用于大容量通信和生物技术。随着器件设计的成熟与创新和工艺的发展，RTD构成的振荡器频率已达到太赫兹(THz)的范围。据最新报道，RTD器件的基波振荡频率在已经达到1.08THz。利用InP衬底，InGaAs/AlAs双势垒RTD与缝隙天线结构相结合技术，已研制出三次振荡谐波频率可达1.02THz的太赫兹波发生器。
顺应高频大功率共振隧穿型太赫兹振荡器RTO和高速RTD集成电路的发展要求，一种能够提高RTD性能且易于制备，工业可操作性强的结构设计是实现RTD大规模应用的关键。
RTD的设计包括材料结构设计、器件结构和工艺设计以及光刻掩模版图设计等。其中，材料结构设计是基础和关键，也是整个设计的起点。材料结构设计是根据器件研制指标要求进行的，其主要内容是确定采用分子束外延技术MBE生长的各层材料的成分、组分、厚度、掺杂剂和掺杂浓度等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种响应频率高，输出功率大，制备容易，集成度高的超窄双阱的共振隧穿二极管材料结构。
本发明所采用的技术方案是：一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，包括有由下至上依次形成的衬底、缓冲层和发射区电极接触层，所述发射区电极接触层上分别形成有发射区和发射区金属电极，所述发射区上由下至上依次形成有发射区隔离层、第一势垒、第一势阱、子势阱、第二势阱、第二势垒、集电区隔离层、集电区、集电区电极接触层和集电区金属电极。
所述的衬底为半绝缘InP衬底，厚度为100－300μm。
所述的缓冲层由In0.53Ga0.47As层构成，厚度为200nm。
所述的发射区电极接触层、发射区、集电区和集电区电极接触层是由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，其中发射区电极接触层的厚度为400nm，发射区的厚度为20nm，集电区的厚度为15nm，集电区电极接触层的厚度为8nm。
所述的发射区隔离层厚度为2nm。
所述的第一势垒和第二势垒是由AlAs层构成，厚度为1.2nm。
所述的第一势阱、第二势阱和集电区隔离层是由In0.53Ga0.47As层构成，其中，第一势阱 和第二势阱的厚度为1.2nm，集电区隔离层的厚度为2nm。
所述的子势阱是由InAs层构成，厚度为1.2nm。
所述的集电区金属电极和发射区金属电极材质为金属，厚度均为100-300nm。
本发明的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，采用超窄双阱，可有效提高峰值电流，从而增大输出功率。减小发射极面积，从而减小器件尺寸，减小寄生电容，由此可提高RTD的响应频率。因此，本发明具有响应频率高，输出功率大，制备容易，集成度高的特点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视图。
图中
1：衬底 2：缓冲层
3：发射区电极接触层 4：发射区
5：发射区隔离层 6：第一势垒
7：第一势阱 8：子势阱
9：第二势阱 10：第二势垒
11：集电区隔离层 12：集电区
13：集电区电极接触层 14：集电区金属电极
15：发射区金属电极
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件做出详细说明。
本发明的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，采用超窄双阱结构，1.2nm的无掺杂AlAs为势垒，1.2nm的无掺杂In0.53Ga0.47As为势阱，1.2nm的无掺杂InAs为子势阱；增大发射区和集电区的掺杂浓度，使其均达到2*1019cm-3；采用2nm的无掺杂In0.47Ga0.53As薄层为发射区的隔离层，减小隔离层厚度可以提高输出功率，但是同时也会降低本征响应频率，此处采用2nm厚度，是考虑到二者关系后的折中选择；同时减小器件发射区尺寸至1μm2。
如图1、图2所示，本发明的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，包括有由下至上依次形成的衬底1、缓冲层2和发射区电极接触层3，所述发射区电极接触层3上分别形成有发射区4和发射区金属电极15，所述发射区4上由下至上依次形成有发射区隔离层5、第一势垒6、第一势阱7、子势阱8、第二势阱9、第二势垒10、集电区隔离层11、集电区12、集电区电极接触层13和集电区金属电极14。其中：
所述的衬底1为半绝缘InP(SI—InP衬底)，即图1中1区，厚度为100－300μm。用SI-InP衬底时，在此衬底上生长的InGaAs的In组分可以达到0.53。在InGaAs材料中In的组分愈大，其迁移率就愈高，RTD的频率和开关速度就愈快。故用SI-InP衬底材料研制的RTD性能比用SI-GaAs衬底的RTD更好，但SI-InP材料比SI-GaAs更昂贵，而且加工过程中容易碎裂。
所述的缓冲层2，即图1中2区：由分子束外延技术(MBE)在衬底上外延生长得到，由In0.53Ga0.47As层构成，厚度为200nm，无掺杂。
所述的发射区电极接触层3，即图1中3区：由分子束外延技术(MBE)在缓冲层上外延生长得到。目的是形成低电阻的发射极欧姆接触。由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度400nm。
所述的发射区4，即图1中4区：由分子束外延技术(MBE)在发射区电极接触层上外延生长得到，作用是形成RTD的发射区。由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度20nm。
所述的发射区隔离层5，即图1中5区：由分子束外延技术(MBE)在发射区电极接触层上外延生长得到，无掺杂，厚度2nm。
所述的第一势垒6，即图1中6区：由分子束外延技术(MBE)在发射区隔离层上外延生长得到，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1.2nm。
所述的第一势阱7，即图1中7区：由分子束外延技术(MBE)在势垒1层上外延生长得到，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1.2nm。
所述的子势阱8，即图1中8区：由分子束外延技术(MBE)在势阱1层上外延生长得到，由层InAs构成，无掺杂，厚度1.2nm。
所述的第二势阱9，即图1中9区：由分子束外延技术(MBE)在子势阱层上外延生长得到，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1.2nm。
所述的第二势垒10，即图1中10区：由分子束外延技术(MBE)在势阱2层上外延生长得到，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1.2nm。
所述的集电区隔离层11，即图1中11区：由分子束外延技术(MBE)在势垒2层上外延生长得到，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度2nm。
所述的集电区12，即图1中12区：由分子束外延技术(MBE)在集电区隔离区层上外延生长得到。由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度15nm。
所述的集电区电极接触层13，即图1中13区：由分子束外延技术(MBE)在隔离区层上外延生长得到。由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.7Ga0.3As层构成，厚度8nm。
所述的集电区金属电极14，即图1中14区：由真空蒸发在集电区电极接触层上生长得到，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度100-300nm。
所述的发射区金属电极15，即图1中15区：由真空蒸发在发射区电极接触层上生长得到，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度100-300nm。
第一实例：
一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，有由下至上依次形成的衬底1、缓冲层2和发射区电极接触层3，所述发射区电极接触层3上分别形成有发射区4和发射区金属电极15，所述发射区4上由下至上依次形成有发射区隔离层5、第一势垒6、第一势阱7、子势阱8、第二势阱9、第二势垒10、集电区隔离层11、集电区12、集电区电极接触层13和集电区金属电极14。其中：
衬底1为半绝缘InP(SI—InP衬底)，即图1中1区，厚度为100μm；
缓冲层2，由In0.53Ga0.47As层构成，厚度为200nm，无掺杂；
发射区电极接触层3，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度400nm；
发射区4，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度20nm；
发射区隔离层5，无掺杂，厚度2nm；
第一势垒6，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1.2nm；
第一势阱7，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1.2nm；
子势阱8，由层InAs构成，无掺杂，厚度1.2nm；
第二势阱9，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1.2nm；
第二势垒10，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1.2nm；
集电区隔离层11，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度2nm；
集电区12，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度15nm；
集电区电极接触层13，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.7Ga0.3As层构成，厚度8nm；
集电区金属电极14，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度200nm；
发射区金属电极15，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度200nm。
第二实例：
一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，有由下至上依次形成的衬底1、缓冲层2和发射区电极接触层3，所述发射区电极接触层3上分别形成有发射区4和发射区金属电极15，所述发射区4上由下至上依次形成有发射区隔离层5、第一势垒6、第一势阱7、子势阱8、第二势阱9、第二势垒10、集电区隔离层11、集电区12、集电区电极接触层13和集电区金属电极14。其中：
衬底1为半绝缘InP(SI—InP衬底)，即图1中1区，厚度为200μm；
缓冲层2，由In0.53Ga0.47As层构成，厚度为190nm，无掺杂；
发射区电极接触层3，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度350nm；
发射区4，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度19nm；
发射区隔离层5，无掺杂，厚度1.8nm；
第一势垒6，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1nm；
第一势阱7，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1nm；
子势阱8，由层InAs构成，无掺杂，厚度1nm；
第二势阱9，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1nm；
第二势垒10，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1nm；
集电区隔离层11，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1.8nm；
集电区12，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度13nm；
集电区电极接触层13，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.7Ga0.3As层构成，厚度7nm；
集电区金属电极14，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度100nm；
发射区金属电极15，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度100nm。
第三实例：
一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，有由下至上依次形成的衬底1、缓冲层2和发射区电极接触层3，所述发射区电极接触层3上分别形成有发射区4和发射区金属电极15，所述发射区4上由下至上依次形成有发射区隔离层5、第一势垒6、第一势阱7、子势阱8、第二势阱9、第二势垒10、集电区隔离层11、集电区12、集电区电极接触层13和集电区金属电极14。其中：
衬底1为半绝缘InP(SI—InP衬底)，即图1中1区，厚度为300μm；
缓冲层2，由In0.53Ga0.47As层构成，厚度为190nm，无掺杂；
发射区电极接触层3，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度350nm；
发射区4，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度19nm；
发射区隔离层5，无掺杂，厚度1.8nm；
第一势垒6，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1nm；
第一势阱7，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1nm；
子势阱8，由层InAs构成，无掺杂，厚度1nm；
第二势阱9，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1nm；
第二势垒10，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1nm；
集电区隔离层11，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1.8nm；
集电区12，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度13nm；
集电区电极接触层13，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.7Ga0.3As层构成，厚度7nm；
集电区金属电极14，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度300nm；
发射区金属电极15，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度300nm。
第四实例：
一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，有由下至上依次形成的衬底1、缓冲层2和发射区电极接触层3，所述发射区电极接触层3上分别形成有发射区4和发射区金属电极15，所述发射区4上由下至上依次形成有发射区隔离层5、第一势垒6、第一势阱7、子势阱8、第二势阱9、第二势垒10、集电区隔离层11、集电区12、集电区电极接触层13和集电区金属电极14。其中：
衬底1为半绝缘InP(SI—InP衬底)，即图1中1区，厚度为180μm；
缓冲层2，由In0.53Ga0.47As层构成，厚度为190nm，无掺杂；
发射区电极接触层3，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度350nm；
发射区4，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度19nm；
发射区隔离层5，无掺杂，厚度1.8nm；
第一势垒6，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1nm；
第一势阱7，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1nm；
子势阱8，由层InAs构成，无掺杂，厚度1nm；
第二势阱9，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1nm；
第二势垒10，由AlAs层构成，无掺杂，厚度1nm；
集电区隔离层11，由In0.53Ga0.47As层构成，无掺杂，厚度1.8nm；
集电区12，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，厚度13nm；
集电区电极接触层13，由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.7Ga0.3As层构成，厚度7nm；
集电区金属电极14，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度150nm；
发射区金属电极15，材质为金属，如金或铂或铝等，厚度150nm。
Claims (9)
1.一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，包括有由下至上依次形成的衬底(1)、缓冲层(2)和发射区电极接触层(3)，所述发射区电极接触层(3)上分别形成有发射区(4)和发射区金属电极(15)，所述发射区(4)上由下至上依次形成有发射区隔离层(5)、第一势垒(6)、第一势阱(7)、子势阱(8)、第二势阱(9)、第二势垒(10)、集电区隔离层(11)、集电区(12)、集电区电极接触层(13)和集电区金属电极(14)。
2.根据权利要求1所述的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，所述的衬底(1)为半绝缘InP衬底，厚度为100－300μm。
3.根据权利要求1所述的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，所述的缓冲层(2)由In0.53Ga0.47As层构成，厚度为200nm。
4.根据权利要求1所述的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，所述的发射区电极接触层(3)、发射区(4)、集电区(12)和集电区电极接触层(13)是由掺Si浓度达到2*1019cm-3In0.53Ga0.47As层构成，其中发射区电极接触层(3)的厚度为400nm，发射区(4)的厚度为20nm，集电区(12)的厚度为15nm，集电区电极接触层(13)的厚度为8nm。
5.根据权利要求1所述的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，所述的发射区隔离层(5)厚度为2nm。
6.根据权利要求1所述的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，所述的第一势垒(6)和第二势垒(10)是由AlAs层构成，厚度为1.2nm。
7.根据权利要求1所述的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，所述的第一势阱(7)、第二势阱(9)和集电区隔离层(11)是由In0.53Ga0.47As层构成，其中，第一势阱(7)和第二势阱(9)的厚度为1.2nm，集电区隔离层(11)的厚度为2nm。
8.根据权利要求1所述的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，所述的子势阱(8)是由InAs层构成，厚度为1.2nm。
9.根据权利要求1所述的一种超窄双阱的共振隧穿二极管器件，其特征在于，所述的集电区金属电极(14)和发射区金属电极(15)材质为金属，厚度均为100-300nm。
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