文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.199803
中文引用格式： 车相辉，梁士雄，张立森，等. 基于MOCVD生长材料的高电流密度太赫兹共振隧穿二极管[J].电子技术应用，2019，45(8)：32-33，39.
英文引用格式： Che Xianghui，Liang Shixiong，Zhang Lisen，et al. High-current density terahertz resonant runneling diodes grown by MOCVD[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(8)：32-33，39.
0 引言
太赫兹信号发生和接收，是太赫兹频段开发和利用的基础，主要有两种发展方向，一种是从红外往下扩展，一种是从毫米波向上扩展[1]。从红外向下扩展方式产生的太赫兹信号具有输出功率高、频率高的特点，但是分辨率较低；毫米波向上扩展方式产生的太赫兹信号输出功率小，频率上限也稍低，但是分辨率高。基于光学的太赫兹信号接收(如电光晶体探测、光电二极接收等)具有极宽的带宽和极高的测量信噪比，但装置比较复杂、价格昂贵且频谱分辨率较低。共振隧穿二极管利用负阻响应和较强的非线性效应，既能作为振荡器又能作为检测器使用[2-3]。共振隧穿二极管作为THz电子振荡发生源的一种，具备高速高频的优点，适合做THz波源。与其他THz波段相比，其可以在室温下工作，体积小重量轻,而且共振隧穿二极管的制备工艺与HEMT、HBT等晶体管工艺兼容，更容易实现单片集成电路，实现小型化、便携式的太赫兹收发机，主动检测成像仪等设备。经过20余年的发展，共振隧穿二极管已成为下一代高灵敏度太赫兹检测以及高速太赫兹通信的关键器件之一。传统RTD材料都是基于MBE生长，近年来国外开始出现采用MOCVD生长InP RTD材料的研究报道[4]，通过优化生长条件，RTD器件性能有了显著提高，器件的峰值电流密度已经超过MBE外延材料。
本文以主要研究铟磷基共振遂穿二极管材料结构和器件结构的优化设计，在国内首次采用MOCVD设备外延的InP RTD材料制备出太赫兹共振遂穿二极管器件，突破共振遂穿二极管制备中的非合金欧姆接触、小尺寸空气桥搭接等关键技术。并对器件电学特性进行测量，实现了负阻比大于2、峰值电流密度大于400 kA/cm2的RTD，为太赫兹频段工作的共振遂穿二极管振荡器及探测器奠定基础。
1 器件设计
共振隧穿二极管（RTD） 是基于量子共振隧穿效应的一种两端负阻器件，其纵向尺寸（外延生长方向）在纳米尺度，其他二维尺寸在微米量级。外延材料各个层组分和厚度将直接影响到器件的指标，因而需要合理地优化设计各个层的结构尺寸才能获得更好性能的器件。
材料的衬底采用半绝缘InP（SI InP）。集电极和发射极接触层使用Si 掺杂, 掺杂浓度为2×1019 cm-3，主要是不通过合金形成欧姆接触。发射区作用是形成RTD的发射区，使发射区中的EF位于EC以上，以提供电子源，掺杂浓度在 1018cm-3的InGaAs 材料构成。隔离层是位于发射区与势垒之间很薄(2~5 nm)的一层InGaAs材料，阻挡发射区的杂质向势垒、势阱区扩散，以V区为中心的AlAs/In0.8Ga0.2As/AlAs两垒一阱(DBSW)结构是RTD结构的核心。势垒选择禁带宽度很大的AlAs材料，能够有效提高器件的PVCR。势阱采用高In组分材料降低电子有效质量，提高电子速度，从而有利于实现器件更高的工作频率。具体结构如图1所示。
根据太赫兹的特点，器件要工作在太赫兹频段必须降低器件的寄生参量，需要采用空气桥结构将集电极连接到另一个PAD，以降低寄生电容。而器件的量子阱结构台面需要制作成柱形结构，才能够保证器件的性能。实验中采用了图2给出的器件结构，其中集电极采用半径5 μm和3 μm的圆形。
2 器件工艺
器件的主要工艺难点包括非合金欧姆接触、小尺寸台面金属化剥离工艺、点支撑空气桥搭接技术、背面减薄和分片技术。工艺流程依次是：上电极台面光刻，金属化和刻蚀，下电极台面光刻，下电极金属化，上下电极开孔，空气桥上下电极桥墩，空气桥桥面。图3为上电极台面开孔后的SEM图片，采用空气桥器件的扫描电子显微镜如图4所示。
3 器件测试
为得到InP RTD的直流，本文构建了太赫兹InP RTD的I-V测试平台，包括探针台和半导体参数测试仪，在室温下通过将探针台引出的两个开尔文探针分别压在InP RTD的集电极端和发射极端，通过计算机控制加在肖特基二极管上的电压，并记录相应电压下流过二极管的电流值，得到肖特基二极管的I-V测试曲线如图5所示。
4 结论
本文采用自主MOCVD生长的InP RTD外延材料，采用一系列工艺进行了优化，包括干法刻蚀、非合金欧姆接触工艺以及空气桥互连等技术，成功研制出了高性能的InP RTD器件。在室温下测试，所制备的RTD器件的峰值电流密度为400 kA/cm2，峰谷电流比为2.4。在国内尚属首次利用MOCVD生长RTD外延材料实现该类器件，不过器件的特性还有较大的提升空间，如器件峰谷电流对应的电压差还需要进一步拉大以便于提高负阻阻值。
InP基RTD的进一步的优化设计和工艺整合为下一步开展太赫兹频段振荡器及检测器件的研究奠定了基础。
参考文献
[1] 郑新，刘超.太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中的应用[J].微波学报，2010，26(6)：1-6.
[2] SUZUKI S，ASADA M，TERANISHI A，et al.Fundamental oscillation of resonant tunneling diodes above 1 THz at room temperature[J].Applied Physics Letters，2010，97(2)：242102.
[3] CHAHAL P，MORRIS F，FRAZIER G.Zero bias resonant tunnel Schottky contact diode for wide-band direct detection[J].IEEE Electron Device Letters，2005，26(12)：894-896.
[4] JACOBS K J P，STEVENS B J，MUKAI T，et al.Nondestructive mapping of doping and structural composition of MOVPE-grown high current density resonant tunnelling diodes through photoluminescence spectroscopy[J].Journal of Crystal Growth，2015，418(1)：102-110.
作者信息:
车相辉1，2，梁士雄1，张立森1，顾国栋1，郝文嘉2，杨大宝2，陈宏泰2，冯志红1
(1.中国电子科技集团公司第十三研究所 专用集成电路国家级重点实验室，河北 石家庄050051；
2.中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)