基于InGaAs/AlAs材料的共振隧穿二極管的制作方法
【專利摘要】本發明涉及二極管技術領域，尤其是一種基于InGaAs/AlAs的共振隧穿二極管，在復合集電區采用In0.53AlxGa0.47-xAs/InP復合集電結構，可以降低電子在二極管內部的渡越時間，提高工作速度；采用應變InxGa1-xAs為勢阱材料，In0.53AlyGa0.47-yAs做發射層，可以降低起始電壓和峰值電壓；分別在發射層和第一勢壘層，復合集電區和第二勢壘層之間沉積未摻雜InAlGaAs和InGaAs層，形成隔離區，可以阻止重摻雜區的雜質向DBS區擴散。本發明得到極高頻率和工作速度的共振隧穿二極管，可以更有效地應用于高速數字電路和高頻振蕩波器件、組裝高質量的顯示器等技術領域。
【專利說明】
基于InGaAs/AIAs材料的共振隧穿二極管
技術領域
[0001]本發明涉及納米器件技術領域，特別是一種基于共振隧穿二極管。
【背景技術】
[0002]根據摩爾定律，以硅基為代表的電子技術不斷減小器件特征尺寸，已面臨器件的物理極限、工藝極限和器件結構極限。在這些極限條件下，以量子隧穿效應為基礎的納米電子器件應運而生。其中，共振隧穿二極管具有獨特的微分負阻現象，因而有響應速度快、工作頻率高、低電壓、低功耗等令人矚目的特點，特別是在實現同等功能時，所需器件數目大幅度降低，有利于減小芯片面積，使得其在高頻振蕩器、和高速數字電路等方面有著廣闊的應用前景。此外，隨著金屬有機化合物氣相沉積和分子束外延為代表的薄膜生長技術和電子束光刻等工藝技術的飛速發展，納米電子器件的制備及制作加工工藝已經較為成熟。因此共振隧穿二極管成為極具發展潛力的納米電子器件之一。
[0003]近年來，國際上許多研究機構和電子公司在共振隧穿二極管的研究方面投入了很多的精力，得到了快速地發展，但仍存在頻率不足夠高，輸出功率較低等問題。此外，國內共振隧穿二極管器件相關研究也在進行，但與國外還有很大的差距，主要原因是由于單個RTD元件的性能太低，導致整體器件性能差距較大，所以共振隧穿二極管的結構設計還需要不斷地優化。
[0004]目前，共振隧穿二極管有多種材料體系，例如GeSi/Si材料，InAlN/GaN材料等。但是，相比于InGaAs/AIAs材料，Ge/Si和InAlN/GaN材料體系的電子迀移率和飽和速度都較小，只能制作頻率或工作速度較低的共振隧穿二極管。與InP襯底晶格相匹配的InxGa1 xAs (其中x = 0.53)材料電子迀移率高達13800cm2/V *s，遠遠超過GaN(440cm2/V ?s)和Si (1400cm7v.s)材料，所以以InP為襯底基于InGaAs/AIAs材料可設計工作速度和頻率都非常高的高性能共振隧穿二極管。
【發明內容】
[0005]為克服現有技術的不足，實現極高的頻率和工作速度的納米電子器件，本發明提出一種基于InGaAs/AIAs材料的共振隧穿二極管，其結構從下至上依次包括:InP襯底層、InGaAs緩沖層、InGaAs底電池接觸層、發射層、第一隔離層、AlAs第一勢皇層、勢講層、AlAs第二勢皇層、InGaAs第二隔離層、復合集電區、臺面電極接觸層、收集區接觸電極層；所述收集區接觸電極層表面設有鈍化層，所述鈍化層延展至所述底電池接觸層表面；所述底電池接觸層表面設有發射層接觸電極層；所述鈍化層表面設有的臺面電極與所述收集區接觸電極層連接；所述底電池接觸層表面設有發射層接觸電極層，設置于所述InP襯底層表面的襯底電極與所述發射層接觸電極層連接；
[0006]其中，所述復合集電區自下至上還包括若干層Ina53AlxGaa47 xAs分級層，0.05彡X彡0.3 ;所述In0 53AlxGa0 47 xAs分級層自下至上x依次逐漸增加0.05?0.1。
[0007]進一步地，所述復合集電區自下至上包括四分級層，分別為:Ina53AlxlGaa47 xlAs子層、1? 53AlX2Ga0 47 X2-^s 子層、In0.S3Alx3Ga0.47 x3As子層、InP子層；其中，所述xl、x2、x3依次為 0.05 彡 xl 彡 0.1，0.I 彡 x2 彡 0.2,0.15 彡 x3 彡 0.3 ;
[0008]進一步地，所述InP子層的厚度為10?25nm ;Ina53AlxlGaa47 xlAs子層、In0.53Alx2Ga0 47 x2^S 子層、In0 53ΑΙ X3Ga0 47 x3As 子層的厚度均為2?4nm。
[0009]進一步地，所述第一勢皇層的厚度不大于所述第二勢皇層的厚度。
[0010]進一步地，所述勢講層的材質為InyGa1 yAs，其中0.53彡y彡I。
[0011]進一步地，發射層的材質為Ina53AlmGaa47 mAs，其中O彡m彡0.15 ;所述第一隔離層的材質為 Ina53AlpGaa47 pAs，p = m。
[0012]進一步地，所述臺面電極接觸層的材質為InnGa1 nAs，η = 0.7
[0013]有益效果:
[0014]本發明在復合集電區米用Ina53AlxGaa47 xAs/InP復合集電結構，可以降低電子在二極管內部的渡越時間，提高工作速度；采用應變InyGa1 yAs (0.53 ^ x ^ I)為勢阱材料，可以降低起始電壓和峰值電壓；分別在發射層和第一勢皇層，復合集電區和第二勢皇層之間沉積未摻雜InGaAs層，形成隔離區，可以阻止重摻雜區的雜質向DBS區擴散，同時在發射層形成子勢阱，將3D-2D共振隧穿變為2D-2D共振隧穿，增大峰谷電流比，以此提高工作頻率；電極接觸層采用η型重摻雜InGaAs，并采用高的In組分，可形成低電阻歐姆接觸。本發明的有益效果是在室溫下能觀察到明顯的微分負阻現象，得到極高頻率和工作速度的共振隧穿二極管，可以更有效地應用于高速數字電路和高頻振蕩波器件等領域。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明實施例1nGaAs/AIAs的共振隧穿二極管臺面結構示意圖。
[0016]圖2為本發明實施例1nGaAs/AIAs的共振隧穿二極管中發射層的分級層結構示意圖。
[0017]圖3為本發明實施例1nGaAs/AIAs的共振隧穿二極管在外加偏壓時的導帶能級示意圖。
[0018]圖4為本發明實施例1nGaAs/AIAs的共振隧穿二極管的電流電壓關系曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0019]本發明為了實現極高的頻率和工作速度的納米電子器件，提出一種基于InGaAs/AlAs材料的共振隧穿二極管，采用η型InP做襯底；以重摻雜InGaAs形成發射層和收集區；以應變InGaAs層為量子阱，AlAs做勢皇，形成雙勢皇單勢阱結構(DBS);以η型重摻雜高In組分InGaAs形成的臺面結構，并分別在襯底和臺面上形成Au/Pi/Ti金屬電極。
[0020]以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明。
[0021]圖1所示為基于InGaAs/AIAs的共振隧穿二極管臺面結構示意圖。
[0022]這種基于InGaAs/AIAs的共振隧穿二極管，從下至上依次包括:
[0023]InP 襯底層 I ;
[0024]厚度為200nm的未摻雜InGaAs層作為InGaAs緩沖層2 ；
[0025]厚度約為400nm的InGaAs層作為底電池接觸層3 ；
[0026]厚度約為20nm，Si摻雜濃度大于1.0X 1018cm 3Ina53AlxGaa47 xAs層作為發射層4。發射層采用的是與InP襯底晶格匹配、且導帶能級略高于Ina53Gaa47As的Ina53AlmGaa47 mAs，其中O彡m彡0.15 (本實施例中優選為m = 0.11)。
[0027]厚度約為2nm的本征Ina53AlpGaa47 pAs (p = m，優選p = 0.11)層作為第一隔離層
5。其中，第一隔離層的材質與發射層材質組分是一致的，只是發射層為重摻雜，而第一隔離層未慘雜。
[0028]厚度為1.0?1.4nm的本征AlAs層作為第一勢皇層6 ；
[0029]厚度為4nm的應變InyGa1 yAs層(0.53彡y彡1，本實施中優選y = 0.8)作為InGaAs勢阱層7 ;
[0030]厚度為1.2nm的本征AlAs層作為第二勢皇層8 ;其中，第一勢皇層6的厚度小于或等于第二勢皇層的厚度有利于提高峰谷電流比。
[0031]厚度為2nm的本征InGaAs層作為第二隔離層9。
[0032]厚度為25nm復合集電區10，所述復合集電區采用本征材料。
[0033]其中，結合圖2所示，所述復合集電區10自下至上包括四層Ina53AlxGaa47xAs分級層，分力Ij為:1n0.53AlxlGa0.47 xlAs 子層 101、Ina53Alx2Gaa47 x2As 子層 102、In0.53AIx3Gaa47 x3As子層 103、InP 子層 104 ;其中，所述 xl、x2、x3 依次為 0.05 ^ xl ^ 0.1,0.1 彡 x2 彡 0.2，
0.15彡x3彡0.3 ;在本實施例中，xl、x2、x3的數值具體優選為:0.1,0.2,0.3。所述InP 子層 104 的厚度為 16nm ;Ina53AlxlGaa47 xlAs 子層 101、Ina53Alx2Gaa47 x2As 子層 102、Ina53Alx3Gaa47 x3As 子層 103 的厚度均為 3nm。
[0034]本實施例的所述共振隧穿二極管在發射層4采用重摻雜Ina53AlxGaa47 xAs材料可調節導帶能級結構，降低二極管的開啟電壓和峰值電壓。在復合集電區10采用不同Al組分的InAlGaAs/InP形成復合集電結構，可以降低電子的渡越時間。并且，分別在發射層和第一勢皇層，復合集電區和第二勢皇層之間沉積未摻雜InAlGaAs和InGaAs，形成隔離區，防止雜質從收集區向雙勢皇單勢皇阱結構(DBS)區擴散。
[0035]繼續生長厚度約為10nm，Si摻雜濃度為大于1.0 X 119Cm 3的高In組分的InnGa1 nAs層(η優選為0.7)作為臺面電極接觸層11，用以制作臺面電極引線，有利于形成低電阻率的歐姆接觸；
[0036]以及，AuPbTi材質制成的收集區接觸電極層12 ;所述收集區接觸電極層12表面設有鈍化層13并延展至所述底電池接觸層3表面；所述鈍化層13表面設有的臺面電極14與所述收集區接觸電極層12連接；所述底電池接觸層3表面設有發射層接觸電極層15 ;設置于所述InP襯底層I表面的襯底電極16與所述發射層接觸電極層15連接。
[0037]本發明的共振二極管可采用金屬有機化合物氣相沉積或分子束外延方法制備。下面介紹本實施例的InGaAs/AIAs的共振隧穿二極管制備過程，包括如下步驟:
[0038]1.在已清洗并烘干的η型InP襯底上沉積2?10層薄膜材料；
[0039]2.蒸發或濺射AuPbTi金屬作為收集區接觸電極層；
[0040]3.以AuPbTi金屬層作保護層，用濕法刻蝕出發射層面；
[0041]4.蒸發或派射AuPbTi金屬作為發射層接觸電極層；
[0042]5.腐蝕大臺面，并用等離子體化學氣相沉積法(PECVD)方法如圖1沉積S12鈍化層；
[0043]6.光刻引線孔，蒸發TiPtAu，光刻、腐蝕出臺面電極和襯底電極，并合金化。
[0044]圖3為外加偏壓時所述共振隧穿二極管的導帶能級示意圖。由圖3可知，由于AlAs比InGaAs材料的禁帶寬度大，所以AlAs做勢皇層，應變InGaAs做勢阱層，5?7層構成雙勢皇單勢阱結構(DBS)。根據量子力學理論，量子勢阱層中會形成分立能級；勢阱層為納米級，接近電子的德布羅意波長量級，可以發生量子隧穿效應。發射層由于為重摻雜，費米能級Ef高于導帶能級E。，以提供電子源。再結合圖4所示，在外置偏壓V下，導帶能級向下傾斜，當增大至開啟電壓Vt時，勢阱基態能級E 0 (根據量子力學可知，一維勢阱內能量為量子化的，形成分立的、不連續的束縛能級，其中最低能級為基態能級，記為E。)與發射層費米能級Ef齊平時，發射層電子開始隧穿進入勢阱區；隨著V增大，隧穿電流I增大。至達到峰值電壓Vp時，E。與發射層導帶能級E。齊平時，隧穿電流達到最大值。繼續增大偏置電壓，發射層電子無法發生隧穿，電流急劇減小。谷值電流主要源于過剩載流子的電流組分，其隨偏置電壓V增加而增加。當V增大至谷值電壓^時，共振隧穿二極管總電流為谷值電流。所述共振隧穿二極管的電流電壓關系圖如圖4所示。所述二極管是基于量子隧穿效應，隧穿效應是比擴散、漂移等更快的物理效應，決定了共振隧穿二極管有非常高的頻率和工作速度。
[0045]進一步地，為實現高的頻率和工作速度，可以改變發射層Si元素摻雜濃度和收集區及隔離層的厚度，具體實現時，本發明不作限制；為了適應制作工藝的要求，臺面電極和襯底電極可以選擇AuGeNi或者CrAu等合金材料，鈍化層可采用Si或Si3N4等絕緣材料，具體實現時，本發明不作限制。
【主權項】
1.一種基于InGaAs/AIAs的共振隧穿二極管，其特征在于，從下至上依次包括:InP襯底層、InGaAs緩沖層、InGaAs底電池接觸層、發射層、第一隔離層、AlAs第一勢皇層、勢講層、AlAs第二勢皇層、InGaAs第二隔離層、復合集電區、臺面電極接觸層、收集區接觸電極層；所述收集區接觸電極層表面設有鈍化層，所述鈍化層延展至所述底電池接觸層表面；所述底電池接觸層表面設有發射層接觸電極層；所述鈍化層表面設有的臺面電極與所述收集區接觸電極層連接；所述底電池接觸層表面設有發射層接觸電極層，設置于所述InP襯底層表面的襯底電極與所述發射層接觸電極層連接； 其中，所述復合集電區自下至上還包括若干層Ina53AlxGaa47 xAs分級層，0.05彡X彡0.3 ;所述In0.53AlxGa0.47 xAs分級層自下至上x依次逐漸增加0.05?0.1 ;2.根據權利要求1所述共振隧穿二極管，其特征在于，所述復合集電區自下至上包括四分級層，分力U為=InCLMAlxIGatl47 xlAs 子層、Ina53Alx2Gaa47 x2As 子層、Ina53Alx3Gaa47x3As子層、InP子層；其中，所述xl、x2、x3依次為0.05 ^ xl ^ 0.1，0.I彡x2彡0.2，0.15 ^ x3 ^ 0.3 ； 所述 InP 子層的厚度為 10 ?25nm ;Ina53AlxlGaa47 xlAs 子層、In0.53Alx2Ga0.47 x2As 子層、In。.53AlX3Ga0.47 x3As 子層的厚度均為2?4nm。3.根據權利要求1或2所述共振隧穿二極管，其特征在于，所述發射層的材質為Ina53AlmGaa47 mAs，其中 O 彡 m 彡 0.15 ;所述第一隔離層的材質為 Ina53AlpGaa47 pAs，p = m。4.根據權利要求1或2所述共振隧穿二極管，其特征在于，所述第一勢皇層的厚度不大于所述第二勢皇層的厚度。5.根據權利要求1或2所述共振隧穿二極管，其特征在于，所述勢阱層的材質為InyGa1 yAs，其中 0.53 彡 y 彡 I。6.根據權利要求1或2所述共振隧穿二極管，其特征在于，所述臺面電極接觸層的材質為 InnGa1 nAs，η = 0.7。
【文檔編號】H01L21/329GK105845741SQ201510014328
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月12日
【發明人】楊文獻, 陸書龍, 吳淵淵, 譚明
【申請人】中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所