發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種RTD材料結(jié)構(gòu)。特別是涉及一種發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD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)計的創(chuàng)新與成熟和工藝的發(fā)展，RTD構(gòu)成的振蕩器頻率已達到太赫茲(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1.02THz的太赫茲波發(fā)生器。
[0003]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。
[0004]因此，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。

【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，集成度高的發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD器件。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD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漸變In含量結(jié)構(gòu)、發(fā)射區(qū)隔離層及漸變In含量結(jié)構(gòu)、第一勢皇、勢阱、第二勢皇、第一高In含量過渡層、第二高In含量過渡層、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]所述的緩沖層和隔離層均是由Intl 53Gaa47As層構(gòu)成，其中，所述緩沖層的厚度為200nm，所述隔離層的厚度為2nm。
[0009]所述的發(fā)射區(qū)電極接觸層和集電區(qū)均是由摻Si濃度達到Z^lO19Cnr3Ina53Gaci 47As層構(gòu)成，其中，所述發(fā)射區(qū)電極接觸層的厚度為400nm，所述集電區(qū)的厚度為15nm。
[0010]所述的發(fā)射區(qū)是由摻Si濃度達到3*1018Cnr3Ina53GaQ.47AS層構(gòu)成，厚度為15nm ;所述的漸變In含量結(jié)構(gòu)是摻Si濃度達到3*1018Cm_3InQ.5GaQ.5AS層構(gòu)成，厚度為4nm ;所述的集電區(qū)電極接觸層是由摻Si濃度達到2*1019Cm_3Ina7Gaa3AS層構(gòu)成，厚度為8nm。
[0011]所述的發(fā)射區(qū)隔離層及漸變In含量結(jié)構(gòu)是由Intl 47Gatl 53As層構(gòu)成，厚度為3nm ;所述的勢阱是由Ina8Gaa2As層構(gòu)成，厚度為4nm ;第一高In含量過渡層是由Ina7Gaa3As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為1nm;所述的第二高In含量過渡層是由Ina6Gaa4As層構(gòu)成，厚度為1nm0
[0012]所述的第一勢皇和第二勢皇均是由AlAs層構(gòu)成，厚度均為1.2nm。
[0013]所述的集電區(qū)金屬電極和發(fā)射區(qū)金屬電極材質(zhì)均為金屬，厚度均為100 - 300nm。
[0014]本發(fā)明的發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD器件，順應(yīng)高頻大功率共振隧穿型振蕩器RTO和高速RTD集成電路的發(fā)展要求，采用發(fā)射區(qū)In含量的漸變結(jié)構(gòu)，可有效降低峰值電壓，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)明響應(yīng)頻率高，輸出功率大，制備容易，集成度尚O
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)的剖面視圖；
[0016]圖2是本發(fā)明的俯視圖。
[0017]圖中
[0018]1:襯底2:緩沖層
[0019]3:發(fā)射區(qū)電極接觸層4:發(fā)射區(qū)
[0020]5:漸變In含量結(jié)構(gòu)6:發(fā)射區(qū)隔離層及漸變In含量結(jié)構(gòu)
[0021]7:第一勢皇8:勢阱
[0022]9:第二勢皇10:第一高In含量過渡層
[0023]11:第二高In含量過渡層12:隔離層
[0024]13:集電區(qū)14:集電區(qū)電極接觸層
[0025]15:集電區(qū)金屬電極16:發(fā)射區(qū)金屬電極
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD器件做出詳細說明。
[0027]本發(fā)明的發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD器件，是一種縱向器件，其性能主要取決于材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計。本發(fā)明是采用1.2nm的無摻雜AlAs為勢皇；增大發(fā)射區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度，使其均達到2*1019cm_3;采用3nm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3nm厚度，是考慮到二者關(guān)系后的折中選擇；同時3nm的無摻雜Ina47Gaa53As薄層作發(fā)射區(qū)漸變In含量結(jié)構(gòu)的一部分，與4nm厚的Ina5Gaa5As摻雜量均為3*1018cm_3共同組成發(fā)射區(qū)漸變結(jié)構(gòu)；在集電區(qū)隔離層采用兩個1nm厚的高In過渡層(HITL)結(jié)構(gòu)，同時減小器件發(fā)射極尺寸至I μ m2。
[0028]如圖1、圖2所示，本發(fā)明的發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD器件，具體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16，所述發(fā)射區(qū)4上由下至上依次形成有漸變In含量結(jié)構(gòu)5、發(fā)射區(qū)隔離層及漸變In含量結(jié)構(gòu)6、第一勢皇7、勢阱8、第二勢皇9、第一高In含量過渡層10、第二高In含量過渡層11、隔離層12、集電區(qū)13、集電區(qū)電極接觸層14和集電區(qū)金屬電極15。其中:
[0029]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。
[0030]所述的緩沖層2，即圖1中2區(qū):是由分子束外延技術(shù)(MBE)在襯底I上外延生長得到，是由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，厚度為200nm，無摻雜。
[0031]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2上外延生長得到，目的是形成低電阻的發(fā)射極歐姆接觸。是由摻Si濃度達到2*1019cm 3In0 53Ga0 47As 層構(gòu)成，厚度為 400nm。
[0032]所述的發(fā)射區(qū)層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3上外延生長得到，作用是形成RTD的發(fā)射區(qū)。是由摻Si濃度達到S^lO18CnT3Ina53Gaa47As層構(gòu)成，厚度為15nm。
[0033]所述的漸變In含量結(jié)構(gòu)5，即圖1中5區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在發(fā)射區(qū)層4上外延生長得到，是由摻Si濃度達到3*1018cnr3Ina5Gaa5As層構(gòu)成，厚度為4nm。
[0034]所述的發(fā)射區(qū)隔離層及漸變In含量結(jié)構(gòu)6，即圖1中6區(qū):同時充當(dāng)發(fā)射區(qū)一側(cè)隔離層，由分子束外延技術(shù)(MBE)在漸變In含量結(jié)構(gòu)5上外延生長得到，由Ina47Gaa53As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為3nm。
[0035]所述的第一勢皇7，即圖1中7區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在發(fā)射區(qū)隔離層及漸變In含量結(jié)構(gòu)6上外延生長得到，由AlAs層構(gòu)成，無摻雜，厚度為1.2nm。
[0036]所述的勢阱8，即圖1中8區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在第一勢皇7上外延生長得到，由Ina8Gaa2As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為4nm。
[0037]所述的第二勢皇9，即圖1中9區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在勢阱8上外延生長得到，由AlAs層構(gòu)成，無摻雜，厚度為1.2nm。
[0038]所述的第一高In含量過渡層10，即圖1中10區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在第二勢皇9層上外延生長得到，由Ina7Gaa3As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為10nm。
[0039]所述的第二高In含量過渡層11，即圖1中11區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在第一高In含量過渡層10上外延生長得到，由Ina6Gaa4As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為10nm。
[0040]所述的隔離區(qū)12，即圖1中12區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在第二高In含量過渡層11上外延生長得到，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為2nm。
[0041]所述的集電區(qū)13，即圖1中13區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在隔離區(qū)12上外延生長得到。由摻Si濃度達到2*1019Cm_3InQ.53GaQ.47AS層構(gòu)成，厚度為15nm。
[0042]所述的集電區(qū)電極接觸層14，即圖1中14區(qū):由分子束外延技術(shù)(MBE)在集電區(qū)13上外延生長得到。由摻Si濃度達到Z^lO19CnT3Ina7Gaa3As層構(gòu)成，厚度8nm。
[0043]所述的集電區(qū)金屬電極15，即圖1中15區(qū):由真空蒸發(fā)在集電區(qū)電極接觸層14上生長得到，材質(zhì)為金屬，如金或鉬或銷等，厚度為100 — 300nm。
[0044]所述發(fā)射區(qū)金屬電極16，即圖1中16區(qū):由真空蒸發(fā)在發(fā)射區(qū)電極接觸層3上生長得到，材質(zhì)為金屬，如金或鉬或銷等，厚度為100 — 300nm。
[0045]第一實例
[0046]本發(fā)明的發(fā)射區(qū)In含量漸變集電區(qū)高In過渡層的RTD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16，所述發(fā)射區(qū)4上由下至上依次形成有漸變In含量結(jié)構(gòu)5、發(fā)射區(qū)隔離層及漸變In含量結(jié)構(gòu)6、第一勢皇7、勢阱8、第二勢皇9、第一高In含量過渡層10、第二高In含量過渡層11、隔離層12、集電區(qū)13、集電區(qū)電極接觸層14和集電區(qū)金屬電極15。其中:
[0047]所述的襯底I，為半絕緣InP(S1-1nP)襯底，厚度為100 ym ;
[0048]所述的緩沖層2，是由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，厚度為200nm，無摻雜；
[0049]所述的發(fā)射區(qū)電極接觸層3，是由摻Si濃度達到2*1019cm_3InQ.53GaQ.47As層構(gòu)成，厚度 400nm ；
[0050]所述的發(fā)射區(qū)層4，是由摻Si濃度達到3*1018cm_3Ina53Gaa47As層構(gòu)成，厚度為15nm ；
[0051]所述的漸變In含量結(jié)構(gòu)5，是由摻Si濃度達到3*1018Cm_3InQ.5GaQ.5AS層構(gòu)成，厚度為 4nm ；
[0052]所述的發(fā)射區(qū)隔離層及漸變In含量結(jié)構(gòu)6，由Ina47Gatl 53As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為 3nm ；
[0053]所述的第一勢皇7，由AlAs層構(gòu)成，無摻雜，厚度為1.2nm ；
[0054]所述的勢講8，由In0.8Ga0.2As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為4nm ；
[0055]所述的第二勢皇9，由AlAs層構(gòu)成，無摻雜，厚度為1.2nm ；
[0056]所述的第一高In含量過渡層10，由Ina7Gaa3As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為1nm ；
[0057]所述的第二高In含量過渡層11，由Intl 6Gaa4As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為1nm ；
[0058]所述的隔離區(qū)12，由Ina53Gaa47As層構(gòu)成，無摻雜，厚度為2nm ；
[0059]所述的集電區(qū)13，由摻Si濃度達到2*1019cm-3InQ.53GaQ.47As層構(gòu)成，厚度