发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种RTD材料结构。特别是涉及一种发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件。
【背景技术】
[0002]共振隧穿二极管(RTD)是利用量子隧穿效应的一种新型纳米器件，最明显的特征是具有负阻特性，同时还具有高频、低电压、低功耗以及双稳和自锁等特点。基于以上诸多特点，RTD近年来在微波和毫米波振荡器、高速数字电路和高速光电集成电路中得到广泛应用，并大量应用于大容量通信和生物技术。随着器件设计的创新与成熟和工艺的发展，RTD构成的振荡器频率已达到太赫兹(THz)的范围。据最新报道，RTD器件的基波振荡频率在已经达到1.08THZ。利用InP衬底，InGaAs/AlAs双势皇RTD与缝隙天线结构相结合技术，已研制出三次振荡谐波频率可达1.02THz的太赫兹波发生器。
[0003]RTD的设计包括材料结构设计、器件结构和工艺设计以及光刻掩模版图设计等。其中，材料结构设计是基础和关键，也是整个设计的起点。材料结构设计是根据器件研制指标要求进行的，其主要内容是确定采用分子束外延技术MBE生长的各层材料的成分、组分、厚度、掺杂剂和掺杂浓度等。
[0004]因此，一种能够提高RTD性能且易于制备，工业可操作性强的结构设计是实现RTD大规模应用的关键。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是，提供一种响应频率高，输出功率大，制备容易，集成度高的发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件，包括有由下至上依次形成的衬底、缓冲层和发射区电极接触层，所述发射区电极接触层上分别形成有发射区和发射区金属电极，所述发射区上由下至上依次形成有渐变In含量结构、发射区隔离层及渐变In含量结构、第一势皇、势阱、第二势皇、第一高In含量过渡层、第二高In含量过渡层、隔离层、集电区、集电区电极接触层和集电区金属电极。
[0007]所述的衬底为半绝缘InP衬底，厚度为100 — 300 μ m。
[0008]所述的缓冲层和隔离层均是由Intl 53Gaa47As层构成，其中，所述缓冲层的厚度为200nm，所述隔离层的厚度为2nm。
[0009]所述的发射区电极接触层和集电区均是由掺Si浓度达到Z^lO19Cnr3Ina53Gaci 47As层构成，其中，所述发射区电极接触层的厚度为400nm，所述集电区的厚度为15nm。
[0010]所述的发射区是由掺Si浓度达到3*1018Cnr3Ina53GaQ.47AS层构成，厚度为15nm ;所述的渐变In含量结构是掺Si浓度达到3*1018Cm_3InQ.5GaQ.5AS层构成，厚度为4nm ;所述的集电区电极接触层是由掺Si浓度达到2*1019Cm_3Ina7Gaa3AS层构成，厚度为8nm。
[0011]所述的发射区隔离层及渐变In含量结构是由Intl 47Gatl 53As层构成，厚度为3nm ;所述的势阱是由Ina8Gaa2As层构成，厚度为4nm ;第一高In含量过渡层是由Ina7Gaa3As层构成，无掺杂，厚度为1nm;所述的第二高In含量过渡层是由Ina6Gaa4As层构成，厚度为1nm0
[0012]所述的第一势皇和第二势皇均是由AlAs层构成，厚度均为1.2nm。
[0013]所述的集电区金属电极和发射区金属电极材质均为金属，厚度均为100 - 300nm。
[0014]本发明的发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件，顺应高频大功率共振隧穿型振荡器RTO和高速RTD集成电路的发展要求，采用发射区In含量的渐变结构，可有效降低峰值电压，从而增大输出功率。减小发射极面积，从而减小器件尺寸，减小寄生电容，由此可提高RTD的响应频率。因此，本发明响应频率高，输出功率大，制备容易，集成度尚O
【附图说明】
[0015]图1是本发明整体结构的剖面视图；
[0016]图2是本发明的俯视图。
[0017]图中
[0018]1:衬底2:缓冲层
[0019]3:发射区电极接触层4:发射区
[0020]5:渐变In含量结构6:发射区隔离层及渐变In含量结构
[0021]7:第一势皇8:势阱
[0022]9:第二势皇10:第一高In含量过渡层
[0023]11:第二高In含量过渡层12:隔离层
[0024]13:集电区14:集电区电极接触层
[0025]15:集电区金属电极16:发射区金属电极
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例和附图对本发明的发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件做出详细说明。
[0027]本发明的发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件，是一种纵向器件，其性能主要取决于材料结构的设计。本发明是采用1.2nm的无掺杂AlAs为势皇；增大发射区和集电区的掺杂浓度，使其均达到2*1019cm_3;采用3nm的无掺杂Intl47Gaa53As薄层为发射区的隔离层，减小隔离层厚度可以提高输出功率，但是同时也会降低本征响应频率，此处采用3nm厚度，是考虑到二者关系后的折中选择；同时3nm的无掺杂Ina47Gaa53As薄层作发射区渐变In含量结构的一部分，与4nm厚的Ina5Gaa5As掺杂量均为3*1018cm_3共同组成发射区渐变结构；在集电区隔离层采用两个1nm厚的高In过渡层(HITL)结构，同时减小器件发射极尺寸至I μ m2。
[0028]如图1、图2所示，本发明的发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件，具体包括有由下至上依次形成的衬底1、缓冲层2和发射区电极接触层3，所述发射区电极接触层3上分别形成有发射区4和发射区金属电极16，所述发射区4上由下至上依次形成有渐变In含量结构5、发射区隔离层及渐变In含量结构6、第一势皇7、势阱8、第二势皇9、第一高In含量过渡层10、第二高In含量过渡层11、隔离层12、集电区13、集电区电极接触层14和集电区金属电极15。其中:
[0029]所述的衬底I，为半绝缘InP(SI—InP)衬底，即图1中I区，厚度为100 — 300 μm。用S1-1nP衬底时，在此衬底上生长的InGaAs的In组分可以达到0.53。在InGaAs材料中In的组分愈大，其迀移率就愈高，RTD的频率和开关速度就愈快。故用S1-1nP衬底材料研制的RTD性能比用S1-GaAs衬底的RTD更好，但S1-1nP材料比S1-GaAs更昂贵，而且加工过程中容易碎裂。
[0030]所述的缓冲层2，即图1中2区:是由分子束外延技术(MBE)在衬底I上外延生长得到，是由Ina53Gaa47As层构成，厚度为200nm，无掺杂。
[0031]所述的发射区电极接触层3，即图1中3区:由分子束外延技术(MBE)在缓冲层2上外延生长得到，目的是形成低电阻的发射极欧姆接触。是由掺Si浓度达到2*1019cm 3In0 53Ga0 47As 层构成，厚度为 400nm。
[0032]所述的发射区层4，即图1中4区:由分子束外延技术(MBE)在发射区电极接触层3上外延生长得到，作用是形成RTD的发射区。是由掺Si浓度达到S^lO18CnT3Ina53Gaa47As层构成，厚度为15nm。
[0033]所述的渐变In含量结构5，即图1中5区:由分子束外延技术(MBE)在发射区层4上外延生长得到，是由掺Si浓度达到3*1018cnr3Ina5Gaa5As层构成，厚度为4nm。
[0034]所述的发射区隔离层及渐变In含量结构6，即图1中6区:同时充当发射区一侧隔离层，由分子束外延技术(MBE)在渐变In含量结构5上外延生长得到，由Ina47Gaa53As层构成，无掺杂，厚度为3nm。
[0035]所述的第一势皇7，即图1中7区:由分子束外延技术(MBE)在发射区隔离层及渐变In含量结构6上外延生长得到，由AlAs层构成，无掺杂，厚度为1.2nm。
[0036]所述的势阱8，即图1中8区:由分子束外延技术(MBE)在第一势皇7上外延生长得到，由Ina8Gaa2As层构成，无掺杂，厚度为4nm。
[0037]所述的第二势皇9，即图1中9区:由分子束外延技术(MBE)在势阱8上外延生长得到，由AlAs层构成，无掺杂，厚度为1.2nm。
[0038]所述的第一高In含量过渡层10，即图1中10区:由分子束外延技术(MBE)在第二势皇9层上外延生长得到，由Ina7Gaa3As层构成，无掺杂，厚度为10nm。
[0039]所述的第二高In含量过渡层11，即图1中11区:由分子束外延技术(MBE)在第一高In含量过渡层10上外延生长得到，由Ina6Gaa4As层构成，无掺杂，厚度为10nm。
[0040]所述的隔离区12，即图1中12区:由分子束外延技术(MBE)在第二高In含量过渡层11上外延生长得到，由Ina53Gaa47As层构成，无掺杂，厚度为2nm。
[0041]所述的集电区13，即图1中13区:由分子束外延技术(MBE)在隔离区12上外延生长得到。由掺Si浓度达到2*1019Cm_3InQ.53GaQ.47AS层构成，厚度为15nm。
[0042]所述的集电区电极接触层14，即图1中14区:由分子束外延技术(MBE)在集电区13上外延生长得到。由掺Si浓度达到Z^lO19CnT3Ina7Gaa3As层构成，厚度8nm。
[0043]所述的集电区金属电极15，即图1中15区:由真空蒸发在集电区电极接触层14上生长得到，材质为金属，如金或钼或销等，厚度为100 — 300nm。
[0044]所述发射区金属电极16，即图1中16区:由真空蒸发在发射区电极接触层3上生长得到，材质为金属，如金或钼或销等，厚度为100 — 300nm。
[0045]第一实例
[0046]本发明的发射区In含量渐变集电区高In过渡层的RTD器件，包括有由下至上依次形成的衬底1、缓冲层2和发射区电极接触层3，所述发射区电极接触层3上分别形成有发射区4和发射区金属电极16，所述发射区4上由下至上依次形成有渐变In含量结构5、发射区隔离层及渐变In含量结构6、第一势皇7、势阱8、第二势皇9、第一高In含量过渡层10、第二高In含量过渡层11、隔离层12、集电区13、集电区电极接触层14和集电区金属电极15。其中:
[0047]所述的衬底I，为半绝缘InP(S1-1nP)衬底，厚度为100 ym ;
[0048]所述的缓冲层2，是由Ina53Gaa47As层构成，厚度为200nm，无掺杂；
[0049]所述的发射区电极接触层3，是由掺Si浓度达到2*1019cm_3InQ.53GaQ.47As层构成，厚度 400nm ；
[0050]所述的发射区层4，是由掺Si浓度达到3*1018cm_3Ina53Gaa47As层构成，厚度为15nm ；
[0051]所述的渐变In含量结构5，是由掺Si浓度达到3*1018Cm_3InQ.5GaQ.5AS层构成，厚度为 4nm ；
[0052]所述的发射区隔离层及渐变In含量结构6，由Ina47Gatl 53As层构成，无掺杂，厚度为 3nm ；
[0053]所述的第一势皇7，由AlAs层构成，无掺杂，厚度为1.2nm ；
[0054]所述的势讲8，由In0.8Ga0.2As层构成，无掺杂，厚度为4nm ；
[0055]所述的第二势皇9，由AlAs层构成，无掺杂，厚度为1.2nm ；
[0056]所述的第一高In含量过渡层10，由Ina7Gaa3As层构成，无掺杂，厚度为1nm ；
[0057]所述的第二高In含量过渡层11，由Intl 6Gaa4As层构成，无掺杂，厚度为1nm ；
[0058]所述的隔离区12，由Ina53Gaa47As层构成，无掺杂，厚度为2nm ；
[0059]所述的集电区13，由掺Si浓度达到2*1019cm-3InQ.53GaQ.47As层构成，厚度