共振隧穿二極管(RTD)材料和器件研究.pdf

1、共振隧穿二極管（RTD）是迄今為止最具應(yīng)用前景的納電子器件，已在放大器、振蕩器等模擬電路，多態(tài)存儲(chǔ)、多值邏輯等數(shù)字電路，以及光電開關(guān)、光電調(diào)節(jié)器等光電領(lǐng)域取得了大量的研究和應(yīng)用成果。但是缺少直接有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論以及原子級(jí)精度的集成外延控制技術(shù)，嚴(yán)重地阻礙了RTD的發(fā)展。
　　本文基于相干隧穿理論全面深入地分析了外加偏壓和雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)對(duì)共振隧穿二極管隧穿特性的影響。在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上提出了不對(duì)稱雙勢(shì)壘RTD設(shè)計(jì)理論，優(yōu)化了GaAs基

2、和InP基RTD的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。通過改善分子束外延的生長(zhǎng)工藝制備出符合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量共振隧穿結(jié)構(gòu)。最終利用臺(tái)面器件工藝研制出高性能的共振隧穿二極管，器件的直流特性與理論設(shè)計(jì)一致性較好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論。
　　首先，根據(jù)相干隧穿理論，利用傳輸矩陣法和Airy函數(shù)代換，建立了共振隧穿輸運(yùn)特性的數(shù)值分析模型。在模型基礎(chǔ)上使用Matlab計(jì)算有偏壓情況下具有對(duì)稱雙勢(shì)壘的常用GaAs基與InP基共振隧穿結(jié)構(gòu)的隧穿特性。結(jié)果證明，隨著偏壓的增大，

3、共振隧穿透射系數(shù)的峰值持續(xù)下降，導(dǎo)致器件峰值電流密度JP和峰谷電流比PVCR的降低。因此本文提出采用不對(duì)稱厚度的雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)提高外加偏壓下的共振隧穿透射系數(shù)，改善器件的直流特性。通過仿真數(shù)值分析，最終確定了不對(duì)稱厚度雙勢(shì)壘RTD的結(jié)構(gòu)，GaAs基：AlAs(18.0A)/InGaAs(39.0A)/AlAs(20.0A)；InP基：AlAs(18.1A)/InGaAs(36.0A)/AlAs(20.1A)。
　　采用分子束外延技術(shù)制

4、作共振隧穿結(jié)構(gòu)。通過校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)和模擬生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)精確控制結(jié)構(gòu)中各外延薄層的組份與厚度。利用反射式高能電子衍射（RHEED）優(yōu)化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)工藝，最終選擇在c(4×4)相，采用較低V-III比與間歇法生長(zhǎng)AlAs異質(zhì)結(jié)。RTD外延樣品經(jīng)過高分辨X射線衍射（HRXRD）與光致發(fā)光（PL）譜測(cè)試。結(jié)果證明優(yōu)化工藝有效地降低異質(zhì)結(jié)界面的粗糙度，提高異質(zhì)界面的質(zhì)量，同時(shí)結(jié)構(gòu)中各外延層組分和厚度的偏差均小于1.5％，與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一致。
　　最后，選

5、擇臺(tái)面結(jié)構(gòu)制作了共振隧穿二極管器件。用環(huán)形收集極來減少接觸電阻，用AuGeNi合金做發(fā)射極和集電極的歐姆接觸，用空氣橋技術(shù)制作內(nèi)引線。通過室溫直流參數(shù)測(cè)試，GaAs基RTD的PVCR達(dá)到9.16，是目前GaAs基RTD中所報(bào)道的最高值，JP為27.7×105A/cm2；InP基RTD的PVCR為17.9，JP達(dá)到132×105A/cm2，是迄今InP基RTD中報(bào)道的最高值。而且器件的I-V特性還表明，外加偏壓影響下，當(dāng)電子從較薄勢(shì)壘向較