CN105845743A - 基于InGaAs/AlAs 材料的共振隧穿二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二极管技术领域，尤其是一种基于InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管，在InP衬底层上制作具有不同In组分的InGaAs形成分级发射层结构。可以降低电子在二极管内部的渡越时间，提高工作速度；采用应变In_xGa_1-xAs(其中x＝0.8)为势阱材料，可以降低起始电压和峰值电压；分别在发射层和第一势垒层，收集区和第二势垒层之间沉积未掺杂InGaAs层，形成隔离区，可以阻止重掺杂区的杂质向DBS区扩散。本发明在室温下能观察到明显的微分负阻现象，得到极高频率和工作速度的共振隧穿二极管，可以更有效地应用于高速数字电路和高频振荡波器件、组装高质量的显示器等技术领域。

Description

基于InGaAs/AlAs材料的共振隧穿二极管

技术领域

本发明涉及纳米器件技术领域，特别是一种基于共振隧穿二极管。

背景技术

根据摩尔定律，以硅基为代表的电子技术不断减小器件特征尺寸，已面临器件的物理极限、工艺极限和器件结构极限。在这些极限条件下，以量子隧穿效应为基础的纳米电子器件应运而生。其中，共振隧穿二极管具有独特的微分负阻现象，因而有响应速度快、工作频率高、低电压、低功耗等令人瞩目的特点，特别是在实现同等功能时，所需器件数目大幅度降低，有利于减小芯片面积，使得其在高频振荡器、和高速数字电路等方面有着广阔的应用前景。此外，随着金属有机化合物气相沉积和分子束外延为代表的薄膜生长技术和电子束光刻等工艺技术的飞速发展，纳米电子器件的制备及制作加工工艺已经较为成熟。因此共振隧穿二极管成为极具发展潜力的纳米电子器件之一。

近年来，国际上许多研究机构和电子公司在共振隧穿二极管的研究方面投入了很多的精力，得到了快速地发展，但仍存在频率不足够高，输出功率较低等问题。此外，国内共振隧穿二极管器件相关研究也在进行，但与国外还有很大的差距，主要原因是由于单个RTD元件的性能太低，导致整体器件性能差距较大，所以共振隧穿二极管的结构设计还需要不断地优化。

目前，共振隧穿二极管有多种材料体系，例如GeSi/Si材料，InAlN/GaN材料等。但是，相比于InGaAs/AlAs材料，Ge/Si和InAlN/GaN材料体系的电子迁移率和饱和速度都较小，只能制作频率或工作速度较低的共振隧穿二极管。与InP衬底晶格相匹配的In_xGa_1-xAs(其中x＝0.53)材料电子迁移率高达13800cm²/V·s，远远超过GaN(440cm²/V·s)和Si(1400cm²/V·s)材料，所以以InP为衬底基于InGaAs/AlAs材料可设计工作速度和频率都非常高的高性能共振隧穿二极管。

发明内容

为克服现有技术的不足，实现极高的频率和工作速度的纳米电子器件，本发明提出一种基于InGaAs/AlAs材料的共振隧穿二极管，其结构从下至上依次包括：InP衬底层、InGaAs缓冲层、InGaAs底电池接触层、发射层、InGaAs第一隔离层、AlAs第一势垒层、InGaAs势阱层、AlAs第二势垒层、InGaAs第二隔离层、InGaAs收集区、InGaAs台面电极接触层、收集区接触电极层；所述收集区接触电极层表面设有钝化层，所述钝化层延展至所述底电池接触层表面；所述底电池接触层表面设有发射层接触电极层；所述钝化层表面设有的台面电极与所述收集区接触电极层连接；所述底电池接触层表面设有发射层接触电极层，设置于所述InP衬底层表面的衬底电极与所述发射层接触电极层连接；

其中，所述发射层自下至上还包括若干层In_xGa_1-xAs分级层，0.41≤x≤0.53；所述In_xGa_1-xAs分级层自下至上x依次逐渐减少0.02～0.04；所述In_xGa_1-xAs分级层厚度为2～30nm。

进一步地，所述发射层包括四层In_xGa_1-xAs分级层，分别为：In_x1Ga_1-x1As子层、In_x2Ga_1-x2As子层、In_x3Ga_1-x3As子层、In_x4Ga_1-x4As子层；其中，所述x1、x2、x3、x4依次为0.53、0.49≤x2≤0.51、0.45≤x3≤0.49、0.41≤x4≤0.47；

所述In_x1Ga_1-x1As子层的厚度为15～30nm；In_x2Ga_1-x2As子层、In_x3Ga_1-x3As子层、In_x4Ga_1-x4As子层的厚度均为2～3nm。

进一步地，所述第一势垒层的厚度不大于所述第二势垒层的厚度。

进一步地，所述势阱层的材质为In_0.8Ga_0.2As。

进一步地，所述InGaAs台面电极接触层材质为In_0.7Ga_0.3As。

有益效果：

本发明在发射层采用不同In组分的InGaAs形成分级发射结构，可以降低电子在二极管内部的渡越时间，提高工作速度；采用应变In_xGa_1-xAs(其中x＝0.8)为势阱材料，可以降低起始电压和峰值电压；分别在发射层和第一势垒层，收集区和第二势垒层之间沉积未掺杂InGaAs层，形成隔离区，可以阻止重掺杂区的杂质向DBS区扩散，同时在发射层形成子势阱，将3D-2D共振隧穿变为2D-2D共振隧穿，增大峰谷电流比，以此提高工作频率；电极接触层采用n型重掺杂InGaAs，并采用高的In组分，可形成低电阻欧姆接触。本发明的有益效果是在室温下能观察到明显的微分负阻现象，得到极高频率和工作速度的共振隧穿二极管，可以更有效地应用于高速数字电路和高频振荡波器件等领域。

附图说明

图1为本发明实施例InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管台面结构示意图。

图2为本发明实施例InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管中发射层的分级层结构示意图。

图3为本发明实施例InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管在外加偏压时的导带能级示意图。

图4为本发明实施例InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管的电流电压关系曲线示意图。

具体实施方式

本发明为了实现极高的频率和工作速度的纳米电子器件，提出一种基于InGaAs/AlAs材料的共振隧穿二极管，采用n型InP做衬底；以重掺杂InGaAs形成发射层和收集区；以应变InGaAs层为量子阱，AlAs做势垒，形成双势垒单势阱结构(DBS)；以n型重掺杂高In组分InGaAs形成的台面结构，并分别在衬底和台面上形成Au/Pi/Ti金属电极。

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

图1所示为基于InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管台面结构示意图。

这种基于InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管，从下至上依次包括：

InP衬底层1；

厚度为200nm的本征InGaAs层作为InGaAs缓冲层2；

厚度约为400nm的n-InGaAs层作为InGaAs底电池接触层3；

厚度约为27nm，Si掺杂浓度为3.0×10¹⁸cm^-3作为发射层4；

厚度约为2nm的本征InGaAs层作为InGaAs第一隔离层5；

厚度为1.2nm的本征AlAs层作为AlAs第一势垒层6；

厚度为4nm的应变In_y1Ga_1-y1As层(y1＝0.8)作为InGaAs势阱层7；

厚度为1.2nm的本征AlAs层作为AlAs第二势垒层8；其中，第一势垒层6的厚度小于或等于第二势垒层8的厚度有利于提高峰谷电流比。

厚度为20nm的本征InGaAs层作为InGaAs第二隔离层9。

厚度为15nm，Si掺杂浓度为1.0×10¹⁹cm^-3的n⁺-InGaAs层作为InGaAs收集区10；

厚度约为10nm，Si掺杂浓度为2.0×10¹⁹cm^-3的高In组分In_y2Ga_1-y2As层(y2＝0.7)作为InGaAs台面电极接触层11，用以制作台面电极引线，有利于形成低电阻率的欧姆接触；

以及，AuPbTi材质制成的收集区接触电极层12；所述收集区接触电极层12表面设有钝化层13并延展至所述底电池接触层3表面；所述钝化层13表面设有的台面电极14与所述收集区接触电极层12连接；所述底电池接触层3表面设有发射层接触电极层15；设置于所述InP衬底层1表面的衬底电极16与所述发射层接触电极层15连接；

其中，结合图2所示，所述发射层4自下至上还包括所述发射层包括四层In_xGa_1-xAs分级层，分别为：In_x1Ga_1-x1As子层41、In_x2Ga_1-x2As子层42、In_x3Ga_1-x3As子层43、In_x4Ga_1-x4As子层44；其中，所述x1、x2、x3、x4的数值依次可选为0.53、0.49≤x2≤0.51、0.45≤x3≤0.49、0.41≤x4≤0.47。在本实施例中，x1、x2、x3、x4的数值具体优选为：0.53、0.51、0.49、0.47。所述In_x1Ga_1-x1As子层41的厚度优选范围为15～30nm；In_x2Ga_1-x2As子层42、In_x3Ga_1-x3As子层43、In_x4Ga_1-x4As子层44的优选范围厚度均为2～3nm。具体地，In_x1Ga_1-x1As子层41、In_x2Ga_1-x2As子层42、In_x3Ga_1-x3As子层43、In_x4Ga_1-x4As子层44在本实施例中的厚度依次为20nm，2.5nm，2.5nm，2.0nm。本实施例的所述共振隧穿二极管在发射层采用不同In组分的InGaAs形成分级发射结构，可调节导带能级结构，可以降低电子在二极管内部的渡越时间，降低二极管的开启电压和峰值电压。并且，分别在发射层和第一势垒层，收集区和第二势垒层之间沉积未掺杂InGaAs，形成隔离区，防止杂质从收集区向双势垒单势垒阱结构(DBS)区扩散。

本发明的共振二极管可采用金属有机化合物气相沉积或分子束外延方法制备。下面介绍本实施例的InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管制备过程，包括如下步骤：

1.在已清洗并烘干的n型InP衬底上沉积2～10层薄膜材料；

2.蒸发或溅射AuPbTi金属作为收集区接触电极层；

3.以AuPbTi金属层作保护层，用湿法刻蚀出发射层面；

4.蒸发或溅射AuPbTi金属作为发射层接触电极层；

5.腐蚀大台面，并用等离子体化学气相沉积法(PECVD)方法如图1沉积SiO₂钝化层；

6.光刻引线孔，蒸发TiPtAu，光刻、腐蚀出台面电极和衬底电极，并合金化。

图3为外加偏压时所述共振隧穿二极管的导带能级示意图。由图3可知，由于AlAs比InGaAs材料的禁带宽度大，所以AlAs做势垒层，应变InGaAs做势阱层，6～8层构成双势垒单势阱结构(DBS)。根据量子力学理论，量子势阱层中会形成分立能级；势阱层非常薄，接近电子的德布罗意波长量级，可以发生势垒隧穿效应。发射层由于为重掺杂，费米能级E_f高于导带能级E_c，以提供电子源。再结合图4所示，在外置偏压V下，导带能级向下倾斜，当增大至开启电压V_T时，势阱基态能级E₀(根据量子力学可知，一维势阱内能量为量子化的，形成分立的、不连续的束缚能级，其中最低能级为基态能级，记为E₀)与发射层费米能级E_f齐平时，发射层电子开始隧穿进入势阱区；随着电压V增大，隧穿电流I增大。至达到峰值电压V_p时，E₀与发射层导带能级E_c齐平时，隧穿电流达到最大值。继续增大偏置电压，发射层电子无法发生隧穿，电流急剧减小。谷值电流主要源于过剩载流子的电流组分，其随偏置电压V增加而增加。当V增大至谷值电压V_v时，共振隧穿二极管总电流为谷值电流。所述共振隧穿二极管的电流电压关系图如图4所示。所述二极管是基于量子隧穿效应，隧穿效应是比扩散、漂移等更快的物理效应，决定了共振隧穿二极管有非常高的频率和工作速度。

进一步地，为实现高的频率和工作速度，可以改变发射层Si元素掺杂浓度和收集区及隔离层的厚度，具体实现时，本发明不作限制；为了适应制作工艺的要求，台面电极和衬底电极可以选择AuGeNi或者CrAu等合金材料，钝化层可采用Si或Si₃N₄等绝缘材料，具体实现时，本发明不作限制。

Claims (5)

1.一种基于InGaAs/AlAs的共振隧穿二极管，其特征在于，从下至上依次包括：InP衬底层、InGaAs缓冲层、InGaAs底电池接触层、发射层、InGaAs第一隔离层、AlAs第一势垒层、InGaAs势阱层、AlAs第二势垒层、InGaAs第二隔离层、InGaAs收集区、InGaAs台面电极接触层、收集区接触电极层；所述收集区接触电极层表面设有钝化层，所述钝化层延展至所述底电池接触层表面；所述底电池接触层表面设有发射层接触电极层；所述钝化层表面设有的台面电极与所述收集区接触电极层连接；所述底电池接触层表面设有发射层接触电极层，设置于所述InP衬底层表面的衬底电极与所述发射层接触电极层连接；

其中，所述发射层自下至上还包括若干层In_xGa_1-xAs分级层，0.41≤x≤0.53；所述In_xGa_1-xAs分级层自下至上x依次逐渐减少0.02～0.04；所述In_xGa_1-xAs分级层厚度为2～30nm。

2.根据权利要求1所述共振隧穿二极管，其特征在于，所述发射层包括四层In_xGa_1-xAs分级层，分别为：In_x1Ga_1-x1As子层、In_x2Ga_1-x2As子层、In_x3Ga_1-x3As子层、In_x4Ga_1-x4As子层；其中，所述x1、x2、x3、x4依次为0.53、0.49≤x2≤0.51、0.45≤x3≤0.49、0.41≤x4≤0.47；

所述In_x1Ga_1-x1As子层的厚度为15～30nm；In_x2Ga_1-x2As子层、In_x3Ga_1-x3As子层、In_x4Ga_1-x4As子层的厚度均为2～3nm。

3.根据权利要求1所述共振隧穿二极管，其特征在于，所述第一势垒层的厚度不大于所述第二势垒层的厚度。

4.根据权利要求1所述共振隧穿二极管，其特征在于，所述势阱层的材质为In_0.8Ga_0.2As。

5.根据权利要求1所述共振隧穿二极管，其特征在于，所述InGaAs台面电极接触层材质为In_0.7Ga_0.3As。