CC BY
12
УДК 621.315.592
ОДНОДНОЯМНЫЕ РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДНЫЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ In0.53Ga0.47As/AlAs/InP С ОТНОШЕНИЕМ ПИКОВОГО ТОКА К ТОКУ ДОЛИНЫ 22:1 ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
B.C. Сызранов, O.A. Клименко, A.C. Ермолов, И. П. Казаков, С. С. Шмелев, В. И. Егоркин, В.Н. Мурзин
Исследованы вольт-амперные характеристики (ВАХ) резонансно-туннельных диодных Ino.53Gao.47As/AlAs/InP структур при 300 К и 77 К. Зарегистрированы значения отношений пикового тока, к току в долине 22 : 1 при температуре 300 К и 44 : 1 при 77 К, что соответствует максимальным значениям для, InGaAs/AlAs/InP гетероструктур, не использующих в конфигурации дополнительного слоя, InAs ква,нтовой подъяжы.
Ключевые слова: резонансное туннелирование. квантовые ямы. диодные InGaAs/AlAs гетероструктурьт. токовые характеристики.
Одним из перспективных в функциональной микроэлектронике является направление. использующее эффект резонансного туннелирования. Благодаря чрезвычайно малой инерционности внутренних электронных процессов резонансно-туннельного диода (РТД) (около 1 пс при комнатной температуре [1]) данное направление открывает возможности для продвижения электроники в область субтерагерцовьтх (суб-ТГц) и терагерцовых (ТГц) частот, что имеет принципиальное значение для информатики, систем связи, молекулярной спектроскопии, астрофизики и ряда других разделов науки и техники. Важное приложение в микроэлектронике могут найти скоростные интегральные схемы (ИС) на функционально интегрированных элементах РТД/полевой транзистор (ИТ). РТД/ПТ/диод Шоттки и др. [2 4]. Ключевым элементом таких ИС является элемент высокого быстродействия РТД. характеристики которого в большой степени определяются величиной пикового тока и отношением пикового тока к току в долине (П/Д). Наиболее выраженными резонансными характеристиками, на данный момент, обладают РТД на основе соединений InAlAs/'InGaAs. выращенных на подло^кке IllP.
ФИАН, 119991, Россия, г. Москва, Ленинский проспект, 53; e-mail: [email protected].
В настоящее время активно ведутся разработки в области интеграции РТД с опто-электронными приборами. Показательными являются разработки цифровых ИС на платформе MOBILE (monostable-bistable transition logic element), в которых планируется использование не только интегрированных элементов РТД/ПТШ, но и пар РТД -оптические приборы для реализации высокоскоростного интерфейса (до 100 Гбит/с) [2, 3]. Самый ранний подобный РТД со строго подобранными параметрами решетки, состоял из Ino.53Gao.47As потенциальной ямы и Ino.52Alo.48As барьеров [5, 6]. Замещая согласованные по постоянной решетки барьеры In0 52Al048As псевдоморфными AlAs барьерами,
было найдено, что соотношение тока в пике к току в долине может быть увеличено от
2
нии П/Д равном 4 [8]. Сообщается, что величина П/Д может быть увеличена от 17 до
o.53 o.47
Именно на структурах такого типа были получены рекордные значения П/Д, равного 53 [9]. Это связано с тем, что более низкое значение эффективной массы электрона в
o.53 o.47
o.53 o.47
без In As квантовой подъямы, что и приводит к увеличению П/Д. При этом наличие дополнительных слоев и механически напряженных слоев сопряжено с усложнением технологии изготовления гетероструктур, что приводит к неоднородности слоев, которая выражается в низкой воспроизводимости параметров конечных элементов.
Рис. 1: Эскиз поперечного разреза гетероструктуры РТД на основе 1пСаАв/А1Ав/1пР. Нумерация слоев соответствует таблице 1.
Настоящая работа посвящена изучению резонансных свойств технологически повторяемых РТД гетероструктур на основе Ino.53Gao.47As/AlAs/InP с целью их использования как в качестве элементов СВЧ функциональной микроэлектроники, так и для генерации электромагнитного излучения суб-ТГц и ТГц диапазона. Для этого исследованы вольт-амперньте характеристики (ВАХ) ряда изготовленных РТД при температурах 300 К и 77 К.
На рис. 1 приведена конфигурация изготовленных в ходе выполнения настоящей работы РТД структур, выращенных на полуизолирующей подложке 1пР. Гетерострук-тура РТД располагается на буферном слое и состоит из слоев легированного ПпСаАэ, барьеров А1Аэ и слоя ¡пСаАв. образующего квантовую яму. В верхней части структура включает эмиттерный слой ПпСаАэ. Состав и значения толщин слоев, а также концентрации легирующих примесей приведены в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики слоев гетероструктуры
Номер Материал Назначение слоя Концентрация Толщина
Слоя 3 примесеи, см 3 слоев, нм
1 п - ¡пСаАэ эмиттерный контакт 1 • 1019 30
2 п - ¡пСаАэ эмиттер 1 • 1018 25
3 г - нелегир. ¡пСаАэ спейсер 20
4 Нелегир. А1Аэ барьер 2
5 ¡пСаАэ яма 4.5
6 Нелегир. А1Аэ барьер 2
7 г - нелегир. ¡пСаАэ спейсер 2
8 п - ¡пСаАэ коллектор 1 • 1018 25
9 п - ¡пСаАэ коллекторный контакт 1 • 1019 400
10 1пР подложка
Ниже приводятся данные измерений для образцов, изготовленных по одной и той же технологии. Площадь мезы исследованных образцов составляла 20-40 мкм2. Измерения ВАХ РТД осуществлялись при комнатной температуре = 300 К (рис. 2), а также при температуре жидкого азота = 77 К (рис. 3). Измерения проводились по специальной методике, позволяющей свести к минимуму влияние сопротивлений и высокочастотных импедансов подводящих проводников и измерительной аппаратуры. Методика будет описана отдельно.
Рис. 2: Измеренные при комнатной температуре ВАХ двух образцов РТД (слева -№ 1, справа - № 2) одной серии с размером мезы 5x8 мкм2 (Т = 300 К).
Рис. 3: Измеренная при температуре 77 К ВАХ образца РТД № 1 с размером мезы 5x8 мкм2.
Как видно из рис. 2 и 3, зависимость тока через РТД от приложенного напряжения в целом носит типичный ^-образный характер. Наиболее важные особенности ВАХ образцов РТД приходятся на интервал напряжений в области отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП). Пиковая плотность тока РТД варьируется в пределах (1 — 2) • 105 А/см2 (максимальное значение - 1.95 • 105 А/см2). Соотношение П/Д ва-
рьируется в разных образцах в пределах 19 22 при 300 К и достигает в случае образца № 1 П/Д = 22 (при 300 К) и П/Д = 44 (при 77 К).
Как при комнатной температуре, так и при температуре жидкого азота зарегистри-ров&ны особенности ВАХ в области ОДП. В начале области ОДП наблюдается резкий спад тока (при U ~ 600 мВ для образца № 1, T = 300 К), обусловленный переходом из устойчивого токового состояния в неустойчивое. При дальнейшем увеличении напряжения наолюдается устойчивая токовая ветвь ВАХ с положительным дифференциальным сопротивлением (в интервале напряжений U ~ 700 — 900 мВ), которая заканчивается вторым переключением тока из одного устойчивого состояния в другое (при U ъ 900 мВ).
Таким образом. исследованы ВАХ РТД гетероструктур на основе Ino.53Gao.47As/AlAs/InP при температурах 300 К и 77 К. Достигнутая величина
= 22 = 44
InGaAs/AlAs/InP гетероструктур. не использующих в конфигурации дополнительного слоя InAs квантовой подъямьт.
Полученные результаты указывают на достаточность свойств структур o.53 o.47
функциональных ПС с пониженной величиной статического энергопотребления. Зарегистрированные величины П/Д также указывают на возможность достижения высоких уровней генерации суб-ТГц и ТГц излучения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (ГК № 16.513.11.3079), РФФИ (№ 11-02-12133-офи_м, № 11-02-01182, № 11-02-00432-а). Программы Президиума РАН Л"2 24 и ОФН РАН IV.12 и III.7.
,4 II T E P A T Y P A
[1] X. Shimizu, T. Xagatsuma, T. Waho et al., Electron. Lett. 31(19), 1695 (1995).
[2] Iv. Maezawa, H. Matsuzaki, J. Osaka et al., IEEE Electron Dev. Lett. 19, 80 (1998).
[3] C. Pacha, P. Glosekotter, Iv. F. Goser, IEEE Trans. VLSI Sys. 8(5), 558 (2000).
[4] M. Reddy, S. C. Martin, A. C. Molnar et al., IEEE Electron Dev. Lett. 18(5), 218 (1997).
[5] T. Inata, S. Muto, Y. Xakata et al., Jpn. J. Appl. Phys. 25, L983 (1986).
[6] R. C. Potter, A. A. Lakhani, D. Beyea, and H. Hier, J. Appl. Phys. 63(12), 5875 (1988).
[7] Т. Inata, S. Muto, Y. Nakata et al., Jpn. J. Äppl. Phys. 26. L1332 (1988).
[8] Т. Р. E. Broekaert and C. G. Foustad, J. Äppl. Phys. 68, 4310 (1990).
[9] J. H. Smet, Т. Р. E. Broekaert, C. G. Fonstad, J. Äppl. Phys. 71. 2475 (1992).
Поступила в редакцию 6 ноября 2012 г.
