一种高性能InP基谐振隧穿二极管的研制

设计并用分子束外延技术生长了InP基InGaAs/AlAs体系RTD材料,采用传统湿法腐蚀、光学接触式光刻、金属剥离、台面隔离和空气桥互连工艺,研制出了具有优良负阻特性和较高阻性截止频率的InP基RTD单管.器件正向PVCR为17.5,反向PVCR为28,峰值电流密度为56kA/cm2,采用RNC电路模型进行数据拟合后得到阻性截止频率为82.8GHz.实验为今后更高性能RTD单管的研制,以及RTD与其他高速高频三端器件单片集成电路的设计与研制奠定了基础.     

InP基共振遂穿二极管器件（RTD）研究

我们在实验中对InGaAs/AlAs/InP共振遂穿二极管（RTD）材料结构进行了优化设计,并用MBE设备在(100)半绝缘InP单晶片上生长了RTD外延材料。我们采用电子束光刻工艺和空气桥互连技术,制作了InP基RTD器件。并在室温下测试了器件的电学特性：峰值电流密度24.6kA/cm2,峰谷电流比(PVCR)为8.6。     

利用空气桥技术实现InP基共振遂穿二极管器件

优化设计了InGaAs/AlAs/InP共振遂穿二极管（RTD）材料结构,并用MBE设备在（100）半绝缘InP单晶片上生长了RTD外延材料。利用电子束光刻工艺和空气桥互连技术,制作了InP基RTD器件。并在室温下测试了器件的电学特性：峰值电流密度78kA/cm2,峰谷电流比（PVCR）为7.8。利用空气桥互连技术实现该类器件,在国内尚属首次。     

InP材料体系RTD的研制

报道了InP衬底AlAs /In0.53Ga0.47As/AlAs结构共振隧穿二极管(RTD)的研制过程.衬底片选用(001)半绝缘InP单晶片,结构材料使用分子束外延(MBE)技术制备,并用PL谱对外延片进行测试,器件采用台面结构.测得RTD器件室温下的峰谷电流比(PVCR)为7.4,峰值电流密度(Jp)为1.06×105A/cm-2,是国内首例成功的InP材料体系RTD.     

InP基谐振隧穿二极管的研究

谐振隧穿二极管(RTD)具有高频、低功耗、负阻、双稳态、自锁等优点,在超高速数字电路领域具有非常好的应用前景.加之InP材料固有的优越特性,使得InP基谐振隧穿器件成为目前研究的重点.研究并试制了InP基RTD实验样品,对其直流特性进行了测试分析,器件的最大电流峰谷比(PVCR)达到了17.8.     

Fabrication of an AlAs/In0.53Ga0.47As/InAs Resonant Tunneling Diode on InP Substrate for High-Speed Circuit Applications

在InP衬底上采用感应耦合等离子体刻蚀技术制备了高性能的AlAs/In0.53Ga0.47As/InAs共振隧穿二极管.正向偏压下PVCR=7.57,Jp=39.08kA/cm2;反向偏压下PVCR=7.93,Jp=34.56kA/cm2.在未去除测试电极和引线等寄生参数影响下,面积为5μm×5μm的RTD的阻性截止频率为18.75GHz.最后对非对称的I-V特性进行了分析讨论.     

用于高速电路的InP基共振隧穿二极管制作

在InP衬底上采用感应耦合等离子体刻蚀技术制备了高性能的AlAs/In0.53Ga0.47As/InAs共振隧穿二极管.正向偏压下PVCR=7.57,Jp=39.08kA/cm2;反向偏压下PVCR=7.93,Jp=34.56kA/cm2.在未去除测试电极和引线等寄生参数影响下,面积为5μm×5μm的RTD的阻性截止频率为18.75GHz.最后对非对称的I-V特性进行了分析讨论.     

RTD与HEMT在InP衬底上的单片集成

在半绝缘的50nm InP衬底上采用分子束外延的方法生长了RTD与HEMT的集成材料结构.RTD室温下峰谷电流比最高达到18.39,阻性截止频率大于20.05GHz.栅长为1μm的HEMT截止频率为19.8GHz,最大跨导为237mS/mm.由多个RTD串联形成的多峰值逻辑以及HEMT栅压调节RTD电流的特性也得以验证.     

InP基共振隧穿二极管太赫兹振荡器的设计与实现

利用InP基共振隧穿二极管（RTD）和加载硅透镜的片上天线设计实现了超过1 THz的振荡器。采用Silvaco软件对RTD模型进行仿真研究,分析了不同发射区掺杂浓度、势垒层厚度、隔离层厚度以及势阱层厚度等对器件直流特性的影响规律。对研制的RTD器件直流特性测试显示：峰值电流密度Jp为359.2 kA/cm²,谷值电流密度Jv为135.8 kA/cm²,峰谷电流比PVCR为2.64,理论计算得到的器件最大射频输出功率和振荡频率（fmax）分别为1.71 mW和1.49 THz。利用透镜封装的形式对采用Bow-tie片上天线和RTD设计的太赫兹振荡器进行封装,测试得到振荡频率超过1 THz,输出功率为2.57μW,直流功耗为8.33 mW,是国内首次报道超过1 THz的振荡器。     

RTD与HEMT在InP衬底上的单片集成

在半绝缘的50nm InP衬底上采用分子束外延的方法生长了RTD与HEMT的集成材料结构.RTD室温下峰谷电流比最高达到18.39,阻性截止频率大于20.05GHz.栅长为1μm的HEMT截止频率为19.8GHz,最大跨导为237mS/mm.由多个RTD串联形成的多峰值逻辑以及HEMT栅压调节RTD电流的特性也得以验证.     

高峰谷电流比的高掺杂发射区In0.53Ga0.47As/AlAs共振隧穿二极管

利用空气桥工艺设计和制作了高掺杂发射区In0.53Ga0.47As/AlAs共振隧穿二极管（RTD）。在室温下,器件的峰谷电流比大于40,峰值电流密度为24kA/cm2。建立了RTD器件等效电路模型,并从直流和微波测试结果中提取出器件参数。高峰谷电流比的RTD器件具有非常小的电容,有利于在微波/太赫兹领域中的应用。     

不对称势垒对共振隧穿二极管I-V特性的影响

利用Airy函数和传输矩阵方法计算了不对称势垒厚度的InP基AlAs/InGaAs/AlAs DBS结构在偏压情况下的共振透射系数,并通过材料生长和器件工艺制作得到了共振隧穿二极管的直流I-V特性。在峰值电流密度为132kA/cm2下,获得了17.84的电流峰谷比。测试结果还表明不对称势垒厚度的RTD在偏压情况下,当电子从较薄势垒向较厚势垒穿透时,更容易获得高的电流峰谷比,反之可获得较大的负微分电阻电压区域。     

RTD/HEMT串联型RTT的设计与研制

依据RTD/HEMT串联型RTT的概念,设计了RTD/HEMT单片集成材料结构,该结构采用分子束外延技术生长.采用湿法化学腐蚀、金属剥离、台面隔离和空气桥互连技术,研制了RTD/HEMT串联型RTT,并对RTT及RTT中RTD和HEMT的直流特性进行了测试.测试结果表明:在室温下,器件具有明显的栅控负阻特性,正接型RTT的最大峰谷电流之比在2.2左右,反接型RTT的最大峰谷电流之比在4.6左右.实验为RTD/HEMT串联型RTT性能的优化和RTD/HEMT单片集成电路的研制奠定了基础.     

InP基RTD/HEMT集成的几个关键工艺研究

用MBE设备在半绝缘的InP衬底上依次生长高电子迁移率晶体管(HEMT)外延材料和共振遂穿二极管(RTD)外延材料,在此材料结构基础上研究和分析了RTD与HEMT器件单片集成工艺中的隔离工艺、欧姆接触工艺、HEMT栅挖槽工艺和空气桥工艺等几步关键工艺,给出了这些工艺的相关参数。利用上述工艺成功地制作了RTD和HEMT器件,并在室温下分别测试了RTD器件和HEMT器件的电学特性。测试表明:在室温下,RTD器件的峰电流密度与谷电流密度之比(PVCR)为3.66;HEMT器件的最大跨导约为370 mS/mm,在Vds=1.5 V时的饱和电流约为391 mA/mm。这将为RTD与HEMT的单片集成研究奠定工艺基础。     

A physics based model for the RTD quantum capacitance

A simple derivation of the form for the compact model of the quantum capacitance in a resonant tunneling diode (RTD) is presented. The quantum capacitance is shown to reduce the resistive cutoff frequency. The implementation of the model into SPICE is described. The distorting effect of the strongly nonlinear quantum capacitance on an oscillator circuit is demonstrated in a SPICE simulation. The nonlinearity becomes important for the highest frequency applications when the RTD capacitance is comparable to the capacitance in the rest of the circuit.     

RTD与PHEMT集成的几个关键工艺

在新型的共振隧穿二极管(RTD)器件与PHEMT器件单片集成材料结构上，研究和分析了分立器件的制作工艺，给出了分立器件的制作工艺参数．利用上述工艺成功制作了RTD和PHEMT器件，并在室温下分别测试了RTD器件和PHEMT器件的电学特性．测试表明：在室温下，RTD器件的峰电流密度与谷电流密度之比提高到1.78;PHEMT器件的最大跨导约为120mS/mm,在Vgs＝0.5V时的饱和电流约为270mA/mm．这将为RTD集成电路的研制奠定工艺基础．     

High performance aluminum arsenic intraband resonant microwave devices

We report on GaAs/AlAs triple-barrier quantum well intraband (TBQWI) heterostructures grown by molecular beam epitaxy (MBE) on n⁺ GaAs substrate. Heterostructure quality was evaluated by X-ray diffraction and photoluminescence spectrum measurements. The position of the broad peak near 65.84° corresponds well to the diffraction from the (4 0 0) face of AlAs layers assuming intensity of total AlAs spacers and barriers. The 10K photoluminescence (PL) data has a strong peak at 8140 Å. The PL spectrum is dominated by a sharp peak centered at the emission energy of 1.52 eV attributed to the energy of e1-hh bond exciton of GaAs layer. TBQWI heterostructures were grown and processed into resonant tunneling diode (RTD). Room temperature electrical measurement of the TBQWI RTD yielded maximum peak to valley current ratio (PVCR) of 120 with peak current density (J_p) of 2.1 kA/cm². The high PVCR of this GaAs/AlAs TBQWI RTD is, to the better of our knowledge, one of the higher PVCRs obtained in any intraband tunnel device.