维普资讯 http://www.cqvip.com 瀑 Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ 共振隧穿二极管的设计和研制 王振坤，梁惠来，郭维廉，牛萍娟，赵振波，辛春艳 （天津大学电子信息工程学院，天津３０００７２） 摘要：用分子束外延在半绝缘砷化镓上生长两垒一阱结构，制成ＲＴＤ单管。经过材料生长设计、 工艺设计和版图设计几方面的改进，测得最高振荡频率已达５４ ＧＨｚ。 关键词：共振隧穿二极管；纳米电子器件；峰谷比；砷化镓 中图分类号：ＴＮ３１２．２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—４７７６（２００２）０７—００１３—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｄｉｏｄｅ ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎ—ｋｕｎ，ＬＩＡＮＧ Ｈｕｉ—ｌａｉ，ＧＵＯ Ｗｅｉ—ｌｉａｎ， ＮＩＵ Ｐｉｎｇ－ｊｕａｎ，ＺＨＡＯ Ｚｈｅｎ—ｂｏ，ＸＩＮ Ｃｈｕｎ—ｙａｎ （Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉｏｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉｏｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｂａｒｒｉｅｒ—ｓｉｎｇｌｅ ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ｔｈｅ ｈａｌｆ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ＧａＡｓ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ．Ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｄｅｓｉｇｎ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ＲＴＤ ｈａｓ ｒｅａｃｈｅｄ ５４ ＧＨｚ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＲＴＤ；ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ；ＰＶＣＲ；ＧａＡｓ ｌ 引 言 随着电子技术的进步，电子器件的尺寸日益 缩小，正趋近于其经典极限。为适应时代发展的 需要，纳米电子器件应运而生。共振隧穿二极管 ６：１【 ，以ＩｎＰ为衬底的可达到３０：１［４３，实际制作 的ＲＴＤ单管最高振荡频率已达７１２ ＧＨｚ Ｃ５］，开关 时间１．５ ｐｓ［ ，一些国外的研究机构已经用ＲＴＤ 制成了大规模集成电路［７３。据了解国内共振隧穿 器件除了少量的物理模型方面的文章发表外，尚未 见到实际工作ＲＴＤ单个器件研制成功的报道。本 文先介绍ＲＴＤ基本原理，接着讨论了ＲＴＤ的设 计，而后结合实际制作的单管特性进行相应的分 析。 （ＲＴＤ）是当前纳米电子学中最有希望的器件，它 是一种基于量子隧穿效应的两端负阻器件。从江 崎和朱兆祥观测到双势垒量子阱结构的共振隧穿 效应［ ， ］以来，对ＲＴＤ的研究已持续２Ｏ多年。 因为它具有速度快、频率高、低压低功耗的特点， 特别是在完成同等功能时，所需器件数大幅度下 降，有利于减小芯片面积，使得它在微波振荡和 高速数字电路两个方面有着广阔的应用前景。 目前我们所见到过的报道，在常温下，ＲＴＤ 的电流峰谷比（ＰＶＣＲ）以ＧａＡｓ为衬底可达到 收稿日期：２￣２－０４－０９ ２ 基本原理 ＲＴＤ是一种超晶格结构，它的核心是纳米级 薄层的宽带隙材料中夹着纳米级薄层窄带隙材料。 从能带图上看，在导带上形成了两垒一阱的结构 （如图１（＿ａ）所示）。由量子力学可知，在势阱中 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０１７７０１０）；天津市自然科学基金资助项目（０１３６０１４１１） 微纳电子技术 ２００２年第７期 维普资讯 http://www.cqvip.com 斡 ａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 形成了分立能级，对一般隧穿而言，越过势垒的 隧穿几率随势垒宽度的减少做指数性增长；对共 振隧穿而言，穿透几率还和阱中能级电子的能量 电流从峰值电流跃至谷间电流，出现负微分电阻效 应。 ＲＴＤ中的电流主要由两部分组成：．，＝，耵＋ 。 和动量守恒有密切关系。隧穿电子在整个隧穿过 程中必须满足两个基本的条件：能量守恒和横向 动量守恒。 为共振隧穿电流密度， 就是使 最大， 主要包括非弹性（ｉｎ． ｅｌａｓｔｉｃ）隧穿电流和热离子电流，设计人员的任务 最小。按照Ｅｓａｋｉ和Ｔｓｕ的计 算，阱中的第一个能级Ｅ （ 和第一个谐振峰值宽度 血 （”，对电流的影响是特 别重要的，因为它影响 和 之间的竞争。Ｅ （ 与阱 ｋ 宽有强烈的依赖关系，而几 乎与垒宽无关，阱越宽，Ｅ （ 也就越低。当垒宽增加 （ａ）无外加偏压时能带图 （Ｃ）对共振隧穿有贡献的一片费米球 时，血 （ 指数减少，故 通常选用较薄的势垒宽度。 ＲＴＤ较完整的等效电路 如图２所示。在片测试时， 我们使用ＨＰ８５１０Ｃ网络分析 仪分别测量Ｅ—Ｃ两端开路和 短路时的Ｓ参数，将寄生参 数ｃＤ和 。去掉。ＨＰ８５１０Ｃ （ｂ）共振隧穿时能带图 （ｄ）共振隧穿负微分电阻效应 网络分析仪可将测量频率范 围从４５ ＭＨｚ－２６．５ ＧＨｚ，分 图１双势垒共振隧穿结构不葸图 为２０１个频率点，在每个频 在不加偏压的情况下，阱中的第一个量子化 能级的位置Ｅｏ（相对于发射极导带底）高于发射 极电子费米能级 ，则以上两个基本条件不能满 足，就没有共振隧穿现象发生；当外加偏压增大， 使 低于发射极费米能级 ，但高于发射极导带 底时，所有ｚ方向的能量等于 的发射极的电子 （费米球的一片）均与阱内相同 的态共振，即当 下列条件满足时 Ｅｃ＜－Ｅ＝Ｅｏ＋ －Ｅ ＜点上测量Ｓ。 或Ｓ笠参数。用计算机将Ｓ 参数换成 根据这些数据利用最ｒｉｔＺ．乘法进行拟合，提取 。出Ｒ、ｃ、Ｌ等参数，由公式产 熹 、／ 一１可 以将最高振荡频率计算出来。 Ｌｐ Ｌ。 ｎ （１） ［２ｍ＊ｗ（Ｅｏ＿－Ｅｃ）］ ｈｋ／／＿＜［２ｍ＊ｗ（Ｅ广 ）］ Ｚｍ 电子有较大的几率隧穿通过双势垒结构。随偏压 的升高，Ｅ广Ｅ。增大，满足上式的电子数增加，隧 穿电流上升。当 与发射极导带底对齐时，隧穿 电流达到峰值。若偏压进一步加大，使Ｅ。低于发 射极导带底时，上式已无法满足，共振隧穿截止， 微纳电子技术 ２００２年第７期 图２ ＲＴＤ的高频等效电路图 维普资讯 http://www.cqvip.com 瀑 Ｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ ３ ＲＴＤ的设计 ＲＴＤ的直流特性参数包括： （１）峰值电流 ，Ｐ； （２）峰值电压Ｖ ； （３）电流峰谷比ＰＶＣＲ； （４）开启电压Ｖ ； （５）负阻阻值 。等效电路 参数包括： （１）本征并联电容ｃ； （２）串联电 阻Ｒ。； （３）本征电感 。在设计中对ＲＴＤ特性参 数的要求是：增大，Ｄ，可增大器件驱动能力，提 高开关速度和频率；提高ＰＶＣＲ，有利于增大噪声 ４实验及讨论 在ＲＴＤ的制作过程中，我们先以分子束外延 生长超晶格层，再以传统的半导体工艺制作出单 管。主要工艺为：１．制作Ｅ区接触电极；２．以电 极金属作掩蔽，腐蚀Ｅ区台面，腐蚀到ｃ区的Ｎ 层为止；３．制作ｃ极的接触电极；４．腐蚀大台面； ５．生长ＳｉＯ 或Ｓｉ３Ｎ ；６．光刻引线孔；７．蒸发金属； ８．光刻、腐蚀出从引线孔到压焊点的引线；９．快速 合金形成良好的欧姆接触。 容限，提高抗干扰能力，加大逻辑摆幅，提高输 出功率；降低 ，有利于降低功耗；减小ＩＲ Ｉ， 有利于提高振荡频率和减小￡ ；降低 。，有利于 降低工作电压；减小ｃ，有利于提高 和减小￡ ； 首次制作的ＲＴＤ发射极面积较大，为２０ ｍ× ２０ ｍ和８ Ｉ￣ｍｘ８ ｍ，制成的材料呈现出负阻特 性，其峰谷比平均为１．５：１，但频率较低。主要是 因为发射极面积大，本征电容大，并且是首次设计 制作，材料生长设计和版图设计也欠缺经验。为进 一减小Ｒ ，有利于提高 ；减小 ，有利于提高 和减小ｔ 。 ＲＴＤ设计的核心问题是器件结构参数与器件 特性参数之间的关系。ＲＴＤ的设计包括材料生长 步提高ＲＴＤ的性能，我们在ＲＴＤ基本结构的基 础上，在Ｅ区和Ｃ区隔离层中各增加一层 ＩｎｏＧａｏ。Ｃ￣ｓ，其目的是在Ｅ区和势垒之间形成一个 ．．设计、工艺设计和掩模版图设计，其中材料生长 设计是基础，是整个设计的起点。材料生长设计 是根据器件研制的指标要求进行的，其主要内容 包括构成ＲＴＤ所有层的材料成分、厚度和掺杂浓 度等。在一般情况下，ＲＴＤ是由下列材料层组成： （１）Ｅ区电极接触层：此层的主要作用是形成欧姆 垒前阱，该阱中也产生了分立能级，这样就使原本 由Ｅ区电子与阱中分立能级间的共振隧穿转变为 垒前阱中分立能级与阱中分立能级之间的二维对二 维的共振隧穿。由于受隧穿前后能量和横向动量守 恒的，会在，． 曲线上形成一个十分尖锐的共 振电流峰，其结果是降低 、提高ＰＶＣＲ；同时我 们缩小发射极面积至５ ｍ×５ ｍ，以减小其本征 电容。材料的层结构如图３所示。 测得其直流参数如下： 正向Ｅ接地时： ．６Ｖ，仁１．３ｍＡ， １．０５ Ｖ， ， ＝０．２５ ｍＡ，Ｒ ＝一４２９， ＝５．２×１０ Ａ／ｃｍ ， 接触减少器件的串联电阻； （２）发射区层：实行 重掺杂使 位于 之上，具体掺杂浓度影响 和 值，此外Ｅ区的掺杂从上到下掺杂浓度逐渐 降低，这样做主要目的是为了防止杂质渗透到两 垒一阱区，影响器件特性； （３）隔离层：该层的 主要作用是隔离掺杂发射区中的杂质在高温下向 势垒和势阱区扩散，调整隔离层的宽度也可以调 整 和 。值； （４）势垒层：势垒层是双垒单势 阱系统中的关键部分，该层应选择禁带宽度大的 材料制作，一般不掺杂，该层宽度减小有利于提 高 ；（５）势阱层：势阱层也是关键层之一，一 ＰＶＣＲ＝５．２；反向Ｃ接地时： ｐ＝０．８５ Ｖ，仁１．９ ｍＡ， ＝１．３ Ｖ，Ｌ＝ｏ．２５ ｍＡ，Ｒ 一２７３，峰值电流密度 用网络分析仪测得第二批材料的最高振荡频率 ７．６ｘ １ ０ Ａ／ｃｍ ，ＰＶＣＲ＝７．６。 为２６．３ ＧＨｚ，与国外同类水平相比差距较大。 般不掺杂，阱区宽度增大，阱中分立能级降低， 有利于减小 、提高ＰＶＣＲ。然而 大时， 也 变小，故采用子阱结构。由于子阱中的分立能级 考虑到影响ＲＴＤ频率特性的主要因素为串联 电阻、本征电容和寄生电容。增大引线孔可以减小 接触电阻，减小本征电容的主要方法就是缩小发射 极面积，而寄生电容主要是金属联线和衬底间的电 更低，就可以做到阱的总宽度不很大，即可得到 低 ｒ，又能保持较高的 。此后各层的顺序与上 述顺序是完全对称的，直到ＳＩ ＧａＡｓ衬底。 容，根据电容的公式ｃ＝ ，加厚绝缘层可以减 微纳电子技术 ２００２年第７期 维普资讯 http://www.cqvip.com 钠 霭 ａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 发射极引线与两垒一阱间的保护层厚度，由 ２００ ｎｍ提高到６００ ｎｍ左右，以减少引线与下面各 层间的电容；第二，加大了引线孔面积，原５ ｐ．ｍｘ ５ ｍ的引线孔为２ Ｉｘｍｘ３ Ｉｘｍ，现改为４ Ｉｘｍｘ３ Ｉｘｍ， 而发射极面积为４ ｂ￣ｍｘ４ ｍ的材料，引线孔为 ３ ｂ￣ｍｘ３ ｍ，从而减小其串联电阻。 直流参数测试结果如下： Ａ Ｅ＝４ ｍ×４ ｍ：Ｖ ＝０．６ Ｖ，ｌｐ＝１．３ ｍＡ，Ｖ ＝ ０．６５ Ｖ，Ｌ＝ｏ．４２ ｍＡ，Ｒ ＝一５７， ＰＶＣＲ＝３．１： ＝８．１ Ｘ１０ Ａ／ｃｍ ， 经网络分析仪测试、拟合，计算出发射极面积 为４ ｂ￣ｍｘ４ ｍ的ＲＴＤ和５ ｂｃｍｘ５ ｂＬｍ ＲＴＤ的最高 振荡频率分别为５４ ＧＨｚ和４０ ＧＨｚ。 ５ 结 论 经过反复努力，我们制造的ＲＴＤ的特性已经 有了很大的提高，最高频率已达５４ ＧＨｚ，但相比 国外报道的水平还相差很多。从几批材料性能的对 图３ ＲＴＤ的层结构 比来看，我们努力的方向是正确的，理论上的认识 是不断加深的。今后，我们将进一步设计并优化版 图，在工艺上将采用空气桥技术和采用肖特基结集 电极，以提高ＲＴＤ的最高振荡频率。此外，还将 进一步进行改性衬底ＲＴＤ的研究以及ＲＴＤ集成方 面的研究，使ＲＴＤ尽快应用于实际。 参考文献： ［１］ＴＳＵ Ｒ，ＥＳＡＫＩ Ｌ．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９７３，（２２）：５６２． ［２］ＣＨＡＮＧ Ｌ Ｌ，ＴＳＵ Ｒ，ＥＳＡＫＩ Ｌ．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９７４，２４ （１２）：５９３． ［３］ＢＯＵＲＥＧＢＡ Ｒ，ＶＡＮＢＥＳＩＥＮ Ｏ，ＭＯＵＮＡＩＸ Ｐ，ｅｔ ｎｆ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ ｏｎ Ｍｉｃｒ Ｔｈｅｏ ａｎｄ Ｔｅｃｈ，１９９３，４１（１１）：２０２５． ［４］ＢＲＯＥＫＡＥＲＴ Ｔ Ｐ Ｅ，ＬＥＥ Ｗ，ＦＯＮＳＴＡＤ Ｃ．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ， １９８８，５３（１６）：１５４５． ［５］ＢＲＯＷ Ｅ Ｒ，ＳＯＤＥＲＳＴＲＯＭ Ｊ Ｒ，ｅｔ ｎｆ．Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９９１， （５８）：２２９１． ［６］ＲＥＤＡＹ Ｍ，ｅｔ ｎｆ．Ｊ Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ，１９９５，７７（９）： ４ ４Ｉ．Ｌｍｘ４Ｉ．Ｌｍ材料的／－Ｖ特性 ［７］ＳＥＡＢＡＵＧＨ Ａ，ＢＲＡＲ Ｂ，ＢＲＯＥＫＡＥＲＴ Ｔ，ｅｔ ｎｆ．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｎｉｃｓ，１９９９，４３：１３５５． 小寄生电容的影响。因此，我们对ＲＴＤ的版图设 计和工艺设计作了相应的改进。为便于进行对比， 作者简介： 王振坤器件研究； 梁惠来男，天津大学电信学院硕士研究生，主要从事新型 男，天津大学电信学院副教授，主要从事新型器件 我们第三批材料同时作了５ Ｉｘｍｘ５ ｍ和４ Ｉｘｍｘ ４１ｘｍ（如图４所示）两种不同发射极面积的材料。 本次材料与第二批的主要差别为：第一，加大了 研究和微电子专业的教学工作。 微纳电子技术 ２００２年第７期
