0 引言

    太赫茲信號(hào)發(fā)生和接收，是太赫茲頻段開(kāi)發(fā)和利用的基礎(chǔ)，主要有兩種發(fā)展方向，一種是從紅外往下擴(kuò)展，一種是從毫米波向上擴(kuò)展^[1]。從紅外向下擴(kuò)展方式產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)具有輸出功率高、頻率高的特點(diǎn)，但是分辨率較低；毫米波向上擴(kuò)展方式產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)輸出功率小，頻率上限也稍低，但是分辨率高。基于光學(xué)的太赫茲信號(hào)接收(如電光晶體探測(cè)、光電二極接收等)具有極寬的帶寬和極高的測(cè)量信噪比，但裝置比較復(fù)雜、價(jià)格昂貴且頻譜分辨率較低。共振隧穿二極管利用負(fù)阻響應(yīng)和較強(qiáng)的非線性效應(yīng)，既能作為振蕩器又能作為檢測(cè)器使用^[2-3]。共振隧穿二極管作為T(mén)Hz電子振蕩發(fā)生源的一種，具備高速高頻的優(yōu)點(diǎn)，適合做THz波源。與其他THz波段相比，其可以在室溫下工作，體積小重量輕,而且共振隧穿二極管的制備工藝與HEMT、HBT等晶體管工藝兼容，更容易實(shí)現(xiàn)單片集成電路，實(shí)現(xiàn)小型化、便攜式的太赫茲收發(fā)機(jī)，主動(dòng)檢測(cè)成像儀等設(shè)備。經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，共振隧穿二極管已成為下一代高靈敏度太赫茲?rùn)z測(cè)以及高速太赫茲通信的關(guān)鍵器件之一。傳統(tǒng)RTD材料都是基于MBE生長(zhǎng)，近年來(lái)國(guó)外開(kāi)始出現(xiàn)采用MOCVD生長(zhǎng)InP RTD材料的研究報(bào)道^[4]，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)條件，RTD器件性能有了顯著提高，器件的峰值電流密度已經(jīng)超過(guò)MBE外延材料。

    本文以主要研究銦磷基共振遂穿二極管材料結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)首次采用MOCVD設(shè)備外延的InP RTD材料制備出太赫茲共振遂穿二極管器件，突破共振遂穿二極管制備中的非合金歐姆接觸、小尺寸空氣橋搭接等關(guān)鍵技術(shù)。并對(duì)器件電學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了負(fù)阻比大于2、峰值電流密度大于400 kA/cm²的RTD，為太赫茲頻段工作的共振遂穿二極管振蕩器及探測(cè)器奠定基礎(chǔ)。

1 器件設(shè)計(jì)

    共振隧穿二極管（RTD） 是基于量子共振隧穿效應(yīng)的一種兩端負(fù)阻器件，其縱向尺寸（外延生長(zhǎng)方向）在納米尺度，其他二維尺寸在微米量級(jí)。外延材料各個(gè)層組分和厚度將直接影響到器件的指標(biāo)，因而需要合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)各個(gè)層的結(jié)構(gòu)尺寸才能獲得更好性能的器件。

    材料的襯底采用半絕緣InP（SI InP）。集電極和發(fā)射極接觸層使用Si 摻雜, 摻雜濃度為2×10¹⁹ cm^-3，主要是不通過(guò)合金形成歐姆接觸。發(fā)射區(qū)作用是形成RTD的發(fā)射區(qū)，使發(fā)射區(qū)中的E_F位于E_C以上，以提供電子源，摻雜濃度在 10¹⁸cm^-3的InGaAs 材料構(gòu)成。隔離層是位于發(fā)射區(qū)與勢(shì)壘之間很薄(2~5 nm)的一層InGaAs材料，阻擋發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)向勢(shì)壘、勢(shì)阱區(qū)擴(kuò)散，以V區(qū)為中心的AlAs/In_0.8Ga_0.2As/AlAs兩壘一阱(DBSW)結(jié)構(gòu)是RTD結(jié)構(gòu)的核心。勢(shì)壘選擇禁帶寬度很大的AlAs材料，能夠有效提高器件的PVCR。勢(shì)阱采用高In組分材料降低電子有效質(zhì)量，提高電子速度，從而有利于實(shí)現(xiàn)器件更高的工作頻率。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    根據(jù)太赫茲的特點(diǎn)，器件要工作在太赫茲頻段必須降低器件的寄生參量，需要采用空氣橋結(jié)構(gòu)將集電極連接到另一個(gè)PAD，以降低寄生電容。而器件的量子阱結(jié)構(gòu)臺(tái)面需要制作成柱形結(jié)構(gòu)，才能夠保證器件的性能。實(shí)驗(yàn)中采用了圖2給出的器件結(jié)構(gòu)，其中集電極采用半徑5 μm和3 μm的圓形。

2 器件工藝

    器件的主要工藝難點(diǎn)包括非合金歐姆接觸、小尺寸臺(tái)面金屬化剝離工藝、點(diǎn)支撐空氣橋搭接技術(shù)、背面減薄和分片技術(shù)。工藝流程依次是：上電極臺(tái)面光刻，金屬化和刻蝕，下電極臺(tái)面光刻，下電極金屬化，上下電極開(kāi)孔，空氣橋上下電極橋墩，空氣橋橋面。圖3為上電極臺(tái)面開(kāi)孔后的SEM圖片，采用空氣橋器件的掃描電子顯微鏡如圖4所示。

3 器件測(cè)試

    為得到InP RTD的直流，本文構(gòu)建了太赫茲InP RTD的I-V測(cè)試平臺(tái)，包括探針臺(tái)和半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀，在室溫下通過(guò)將探針臺(tái)引出的兩個(gè)開(kāi)爾文探針?lè)謩e壓在InP RTD的集電極端和發(fā)射極端，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加在肖特基二極管上的電壓，并記錄相應(yīng)電壓下流過(guò)二極管的電流值，得到肖特基二極管的I-V測(cè)試曲線如圖5所示。

4 結(jié)論

    本文采用自主MOCVD生長(zhǎng)的InP RTD外延材料，采用一系列工藝進(jìn)行了優(yōu)化，包括干法刻蝕、非合金歐姆接觸工藝以及空氣橋互連等技術(shù)，成功研制出了高性能的InP RTD器件。在室溫下測(cè)試，所制備的RTD器件的峰值電流密度為400 kA/cm²，峰谷電流比為2.4。在國(guó)內(nèi)尚屬首次利用MOCVD生長(zhǎng)RTD外延材料實(shí)現(xiàn)該類(lèi)器件，不過(guò)器件的特性還有較大的提升空間，如器件峰谷電流對(duì)應(yīng)的電壓差還需要進(jìn)一步拉大以便于提高負(fù)阻阻值。

    InP基RTD的進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝整合為下一步開(kāi)展太赫茲頻段振蕩器及檢測(cè)器件的研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

車(chē)相輝1，2，梁士雄1，張立森1，顧國(guó)棟1，郝文嘉2，楊大寶2，陳宏泰2，馮志紅1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 專(zhuān)用集成電路國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050051；

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊050051)