（微电子学与固体电子学专业论文）rtdhemtmsm光电集成研究.pdf

中文摘要 将微电子器件与光电子器件集成在一起的光电集成电路( o e i c ) 同时具有光 探测、接收与电信号逻辑控制的功能，并且尺寸小、性能高，因而在光通信和光 互连系统中具有重要的意义和广阔的应用前景。本文就高速高频的共振隧穿二极 管( r t d ) 和高电子迁移率晶体管( h e m t ) 与金属一半导体一金属光电探测器( m s m p d ) 的光电集成技术在前人研究基础上作进一步探索。 本论文从r t d ，h e m t ，m s m 设计理论、材料设计与工艺制各、器件与电路的 模拟，电路应用等方面进行了研究。主要成果如下： 1 分析了r t d 的p s p i s e 器件电路模型的参数对模拟特性曲线的影响，有 效地修改了参数，为研制的r t d 建立了器件模型。 2 用i s e t c a d 软件按照实际结构对h e m t 进行了器件模拟，输出特性模 拟结果与试验结果较接近。对优化器件设计和应用电路模拟有定指 导意义。 3 改进了在半绝缘g a a s 衬底上制作m s m 的方法，先腐蚀出倒台再溅射金 属明显改善了m s m 的光响应度。 4 研制出了两种单片集成电路：( a ) 以r t d 为驱动器件串联m s m 为负 载器件的光控负阻开关；( b ) 以m s m 作为光输入端，并联到r t d 作为 栅极组成驱动器件，同时以串联r t d 作为负载器件的倒相器。并根据 建立的r t d 和m s m 模型用p s p i c e 进行了电路模拟，通过测试结果与 模拟结果比较，验证了电路的工作原理和逻辑功能。目前这两种电路 国内外尚未见报道。 关键词：共振隧穿二极管( r t d ) ；高电子迁移率晶体管( h e m t ) ；金属一半导体 一金属光电探测器( m s mp d ) ；器件模拟；电路模拟；单片光电集成 a b s t r a c t t h e o p t o e l e c t r i c a li n t e g r a t e dc i r c u i t ( o e i c ) i s a t t r a c t i v ei n l i g h t w a v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sb e c a u s eo fi t sa b i l i t yo fe l e c t r i c a ll o g i c ，o p t i c a ld e t e c t i n ga n d r e c e i v i n g ，i t sh i 曲p e r f o r m a n c ea n ds m a l ls i z e t h ef u r t h e rr e s e a r c ho no p t o e l e c t f i c a l i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo fr e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e ( r t d ) ，h i g he l e c t r o nm o b i l i t y t r a n s i s t o r ( h e m t ) a n dm e t a l - s e m i c o n d u c t o r - m e t a lp h o t od e t e c t o r ( m s mp d ) h a s b e e nd o n e r t d h e m t m s md e s i g n t h e o r y , m a t e r i a ld e s i g na n dp r o c e s sp r e p a r a t i o n ， d e v i e c ea n dc i r c u i ts i m u l a t i o n ，m e a s u r e m e n to f t h e i ra p p l i c a t i o nc i r c u i t sa r es t u d i e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i np r o d u c t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s 1 t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep a r a m e t e r si nr t dp s p i c ed e v i c em o d e la n d s i m u l a t i o nc u r v e sa r ea n a l y s e d t h ev a l u e so ft h o s ep a r a m e t e r sa r ed e f i n i t e l y m o d i f i e df o rm o d e l i n gt h ef a b r i c a t e dr t dd e v i c e s 2 h e m td e v i c es i m u l a t i o ni sp e r f o r m e db yi s e t c a ds o f t w a r e i t so u t p u t c h a r a c t e r i s t i ci sc l o s et oe x p e r i m e n tr e s u l t s ，w h i c hs h o w ss o m ei n s t r u c t i o n s i nd e v i c eo p t i m i z a t i o na n da p p l i c a t i o nc i r c u i ts i m u l a t i o n 3 t h em e t h o do fm a k i n gm s mo ns e m i - i n s u l a t e ds u b s t r a t ei sa m e n d e d e t c h i n gt h es u b s t r a t ei n t oc o n v e r t e d s t e ps h a p eb e f o r es p u t t e r i n gm e t a lc a n d r a m a t i c a l l yi m p r o v et h eo p t i c a lr e s p o n s eo fm s m p d 4 t w ok i n d so fm o n o l i t h i c a lo p t o c o n t r o l l e dn e g a t i v ed i f f e r e n c es o l i dc i r c u i t s a r ef a b r i c a t e d * o n ei sa l lo p t o c o n t r o l l e ds w i t c h ，c o m p o s e do far t d d r i v e rs e r i a l yc o n n e c t e db yam s ml o a d e r t h eo t h e ri sa no p t o c o n t r o l l e d c o n v e r t e r , w h i c hc o n s i s t so far t dd r i v e rp a r a l l e l yc o n n e c t e db yam s m i n p u ta sa no p t i c a lg a t ea n dar t dl o a d e r t h ec i r c u i t s l o g i c a lf u n c t i o ni s s i m u l a t e db yp s p i c eb a s e do i lt h eb u i l d e dr t da n dm s mc i r c u i tm o d e l s b y c o m p a r e i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et e s t e dr e s u l t s ，t h ew o r k i n gt h e o r y a n dl o g i c a lf u n c t i o no ft h ec i r c u i t sa r ev a l i d a t e d a sf a ra sw ek n o w , t h e l a br i c a t e dc i r c u i t sa r en o tr e p o r t e di nd o m e s t i ca n da b o a r dp a p e r s k e yw o r d s ：r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e 呷d ) ，h i g he l e c t r o nm o b i l i t y t r a n s i s t o r ( h e m t ) ；m e t a l s e m i c o n d u c t o r - m e t a lp h o t od e t e c t o r ( m s mp d ) ； d e v i c es i m u l a t i o n ；c i r c u i ts i m u l a t i o n ；m o n o l i t h i c a lo p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘望或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：考羞影乙 签字日期：2 哪f 年月功日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨凄盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：骺k新签名彩罂 签字日期：) 。c ! 肄，月弘e t签字日期：a 艘降f 月加日 第一章绪论 第一章绪论 随着现代社会信息化和科学技术的高度发展，超大容量信息的高速处理、交 换、存贮、传输是当前世界各国普遍高度重视的研究热点之一。将微电子器件与 光电子器件集成于一体，具有光信号探测和电信号逻辑、控制等功能，构成具有 逻辑功能的智能化的高速光电子集成系统，在光互连、光交换、光信息处理等方 面具有重要的意义和应用前景。r t d ，h e m t 和m s m 单片集成新型高速光电负 阻逻辑单元，它既有r t d 和h e m t 高频、高速、低电压、低功耗和多功能的特 点，又有m s m 光敏和高速的特点。并且通过多种结合形式，构成多种结构，实 现多种光电控制功能。 1 1 发展历史及现状 1 1 1r t d 的发展历史及现状 谐振隧穿二极管( r e s o n a n tt u n n e l i n gd i o d e ) 是基于量子隧穿现象的一种两 端负阻纳米器件。其特点是在器件结构中有由量子阱或超晶格形成的谐振隧道势 垒( r t b ) 。如果势阱或超晶格的宽度足够小，器件中发射区与阱区中会形成分立 的量子化能级，当发射区入射电子的能量与阱区量子阱中束缚态能量相一致时， 其隧穿几率可接1 即发生共振隧穿。 谐振隧穿双势垒现象于1 9 7 4 年第一次观测到，但当时得到的负微分电阻 ( n d r ) 效应还很小，不能满足器件制造的要求，以后的十几年中，由于m b e 、 m o c v d 等精密生长技术的惊人进展，已使在谐振隧穿双势垒中获得高的电流峰 一谷比( p v c r ) 成为可能，并产生了许多应用这些现象的器件。目前研究得比较 充分的主要有谐振隧道二极管( r t d ) 和谐振隧道晶体管( r t t ) 。 法国u n i v e r s i t e d e s s c i e n c e s e tt e c h n o l o g i e s 研制用作毫米波和亚毫米波源的谐 振隧道二极管( r t d ) 。这种器件具有高达6 ：1 峰一谷电流比的优良i v 特性， 3 0 0 k 时的电流密度为5 0 k a c m 2 t 5 0 k a c m 2 。用作本机振荡时，这种二极管完 全可达到用a 1 g a a s 基隧道二极管提供的输出功率。作为谐振多倍频器，用速调 管源的基本振荡5 倍频后达到3 2 0 g h z 的频率。 美国l i n c o l nl a b o r a t o r ym a s s a c h u s e t t so ft e c h n o l o g y 采用新的自对准工艺制 作新型平面结构的谐振隧道二极管( r t d ) ，新工艺与硅集成电路工艺兼容。r t d 第一章绪论 的尺寸由浅硼注入来确定。分立的r t d 采用深质子注入隔离。没有深台面腐蚀。 因为采用自对准工艺，r t d 的单峰电流和电压是相当均匀的。4 1 a m 2 r t d 峰值电 流的标准偏差平均值为2 3 ，最小的r t d 小于1 9 m 2 。 目前r t d 器件与其他高速异质结器件( h b t ，h e m t 等) 可应用于高速逻 辑电路，高频振荡器，同步发生器及多态存储器等，在毫米波段和亚毫米波段， 微波通讯，卫星通讯，雷达，遥控等领域也有极为广阔的前景。 美国h u g h e s r e s e a r c h l a b 研制成以i n p 基异质结双极晶体管( h b t ) 和谐振 隧道二极管为基础的共面、单片集成电路可用于卫星接收机和高性能雷达系统。 n t t l s i 实验室所研制的m o b i l e ( m o n o s t a b l e b i s t a b l et r a n s i t i o n l o g i c e l e m e n t ) 采用2 个n 型负微分电阻器件串联连接，是具有多输入和多函数 优点的函数逻辑门。采用r t d 和f e t 单片集成证实了得到m o b i l 工作的最新 方法。在新的集成结构中，r t d 和f e t 采用并联连接。其优点是r t d 和f e t 的最佳隔离和柔软电路设计能力。对于单输入m o b i l e 门，证实了在室温下倒 置工作，如单稳态到双稳态传输的数据。 美国斯坦福大学用谐振隧道器件研制成单片触发电路。作者采用谐振隧道二 极管结构，增大了峰值电路密度，并减小了谐振电压，器件的谐振电压为1 4 v ， 面积为8 0 岫2 时，峰值电流为1 0 0 m a ，并且有良好的热稳定性。单片谐振隧道 二极管触发电路是将谐振隧道二极管和电路单片集成。对电路进行了测试，实 验证实该电路的工作频率己达1 1 0 0 h z ，有亚微微秒( o 7 5 p s ) 的计时起伏 ( t i m i n g j i t t e r ) 。实验证明该器件的振荡频率已达7 0 0 g h z 。 日本n 订公司研制成采用与h e m t 相结合的谐振隧道二极管的静态分频 器，大大降低了电路的复杂性。采用i n p 基r t d h e m t 单片集成工艺制作特定 的电路。在室温下，用准静态测试图形证实它能正常工作。 美国加利福尼亚大学研制成采用肖特基一收集极谐振隧道二级管( s r t d ) 的 单片阵列振荡器。在i n g a a s s r t d 中，0 1 岫宽的肖特基收集区接触大大降低器 件的串联电阻。s r t d 在峰值电压0 9 5 v 下，峰值电流( o 1 9 m ) 密度为5 1 0 5 a e r a 2 ，电流峰谷比为1 7 ，所测峰值负电导为1 9 m s n n 2 ，寄生电容为 3 0 f f i x m 2 ，寄生电阻为2 2q i x m 2 ，量子阱寿命为o 1 2 p s ，最高振荡频率估计可 达2 2 t h z 。一个6 4 元件振荡器阵列的振荡频率为6 5 0 g h z ，而一个1 6 元件阵列 在2 9 0 g h z 以下，产生2 8 u w 功率。 据美国雷声公司报道，一个5 0 n w 备用功率化合物半导体隧道静态随机存取 存储器s r a m ( t s r a m ) 单元用组合超低电流密度谐振隧道二极管f r t d l 和异质 结场效应晶体管( h e m t ) ( 在i n p 衬底上用同一集成工艺) 来实现。这一功率意味着 改进二个数量级( 比以前的i i i v 族静态存储单元) 。由于增加纵向集成r t d 的数 第一章绪论 量，可得到一个l o o n w 三态存储单元。 1 1 2m s m 的发展与现状 金属一半导体一金属光电探测器( m s m p d ) ，其工艺简单，除了通常的晶体生 长之外，只需要通过蚀刻、蒸发和剥离等技术将电极做成叉指状即可。因m s m p d 制作容易、低电容、低暗电流、大带宽灵敏度积，以及从晶体生长到器件制作的 整个过程与f e t 完全兼容等特点，已成为高速光通讯、光互连和光电子集成电路 ( o e i c ) 的重要元件。m s m p d 是一种很有前途的光探测器，目前这种器件在进 一步发展新材料( g a n ，s i c ) 的同时，正按下述三个方面发展： 1 ) 采用透明电极或背照方式向高灵敏度化发展； 2 ) 采用低温生长和缩小电极间距以及增强内部电场等方法向高速化发展； 3 ) 采用与波导、放大器等单片集成方式向o e i c 化发展。 简略列举一些这一研究领域内国内外的研究成果： 1 9 9 5 年上海冶金所i n a l a s i n g a a s i n pm s m 光电探测器。器件的击穿电压 大于3 0 v 、在1 0 v 偏压下暗电流小于2 0 n a ，对应的暗电流密度为3 p a i x m ，器件 的瞬态响应中上升时间小于2 0 p s ，半高全宽小于4 0 p s 。 19 9 7 年美国i l l i n o i n s 大学r f a y 等人制作i n p 基m s m h e m t 单片集成光接 收机，1 0 g h z s ，灵敏度为1 0 7 d b m 。 19 9 8 年德国h e i r t r i c h h e r t z 研究所的e s e e g e r 等人制作了工作在3 8 g h z 附 近的波长为1 5 5 9 r n 的i n p 基单片集成窄带光接收机。 2 0 0 0 年吉林大学电子工程系、河北半导体研究所( 1 3 所1 单片集成 m s m h e m t 长波长光接收机实现了1 3 g b s 传输速率的单片集成波长光接收机 样品。 2 0 0 0 年德国z l a o 等人，i n p 基单片集成光接收机，带宽1 6 g h z 。 2 0 0 2 年g e o r g i ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ，a t l a n t a ，g a no ns i 紫外光响应度为 o 1 1 a ，w 。 2 0 0 2 年台湾s j c h a n g ，等人在g a a s 衬底上生长z n t e s e 结构，制作m s m ， 紫外最大响应0 4a w 。 2 0 0 3 年s j c h a n g 等，制作了基于g a n 材料带有低温g a nc a p 层和铟锡氧 化物金属接触的紫外光m s m p d ，3 5 0 n m 波长下，1 至5 v 偏压下最大响应度为o 1 至0 9 a w 。 2 0 0 4 年吴正云等，在4 h s i c 材料上制备了m s m 紫外探测器，器件的暗电 流密度在偏压达到4 5 v 左右约为2 5 u a c m 2 ，光电流至少比暗电流大两个数量级。 第一章绪论 1 1 3h e m t 的发展与现状 高电子迁移率晶体管( h e m t ) 是2 0 世纪8 0 年代初发展起来的一种很有用的异 质导体器件。它的诞生与发展，起源于对超晶格材料的研究和认识。1 9 7 8 年美 国b e l l 实验室的rd i n g l e 等首次在分子束外延( m b e ) 生长的调制掺杂 g a a s a i g a a s 超品格中观察到了相当高的电子迁移率，并指出这主要是由于在本 征g a a s 层的表面上形成了基本上不遭受电离杂质散射的2 - d e g 的缘故。将这种 高电子迁移率的优莨特性应用于场效应器件，1 9 8 0 年同本富士通公司的三村等 即研制出了h m e t 。这种器件也称为2 - d e g 场效应晶体管( 简称为2 d e g f e t 或 t e g f e t ) ；因用的是调制掺杂的材料，所以又称为调制掺杂场效应晶体管。该器 件是着眼于材料的变革，避免了其他些半导体器件的某些先天不足，具有其独 特的优点。 作为低噪声应用的h e m t ，白8 0 年代至今已经历了j 代的进化，工作频率 从x 波段直到w 波段，低噪声性能一代比一代优异。第一代a i g a a s 、g a a s h e m q 在1 2 g h z 下，n f 为o3 d b ，增益为1 67 d b ，而g a a s m e s f e t 在同样频率下n f 为0 9 5 d b ，增益为1 l5 d b 。第二代h e m t 的结构特点是以i n g a a s 代替g a a s 作为沟道材料，a i g a a s 、i n g a a s 、g a a s h e m t 通常为p h e m t ，在4 0 g h z 下， n f 为1 ，l d b ；6 0 h z 下为1 6 d b ：9 4 g h z 下为2 1 d b 。第三代是i n p 基h e m t ， l a p 基材料和g a a s 相比，具有更高的电_ 了迁移率和饱和速率，而日i n a i a s 、 i n g a a s 结构具有更大的导带不连续性，从而沟道电子具有更好的传输特性。i n p h e m t 在4 0 g h z 下，n f 为0 5 5 d b ：6 0 g h z 下为0 8 d b ；9 5 g h z 下为1 3 d b 。 近几年来，h e m t 除了低噪声性能不断提高外，频率特性和功率特性也都有 了很大的提高。例如：栅长0 1 u m 的i n a i a s i n g a a s h e m t ，本征跨导为l6 7 s r a m ， f t 为1 5 0 g h z 下，f m 。为3 3 0 g h z ：i n p 、i n g a a sh e m t 的栅长为0 1 u m 时，f m 。 为2 6 0 h z ，f r 为l6 0 g h z ，0 2 u m 棚长时，f m 。为3 0 0 g h z ，本征跨导为5 7 0 m s t m m ， 可应用于w 波段；i n a i a s 、l n g a a s 、i n pe i i e m t ，若栅长为0 3 ，阈值电压为 + 1 7 1 m v ( 标准误差为9 m v ) ；在室温下，最大d c 本征跨导为6 9 7 m s r a m ，输出 电导为2 2 m s r a m ，最人电压增益为3 2 ，r f 性能，f j 为1 1 6 g h z ，f m 。为2 2 9 g h z 。 这是目前所报道的最好性能。采用双栅h e m t ，己研制成高性能k 波段单片可 变增益放人器，在3 0 3 5 g h zr ，增益为3 0 d b ，在3 3 g i t z 下，噪声系数为14 d b ， 相关增益为2 9 2 d b 。 目前h e m t 研究热点集中于基于g a n 材料的高性能h e m t 研究。在g a n 基h e m t 器件中，a 1 g a n g a n h e m t 占领先地位。用蓝宝石衬底外廷生长制作 的g a nh e m t 的i d s 为9 0 0 m a y r m n ，g 。为2 2 0 m s m m ；采用s i c 衬底，最大l d s 的g a nh e m t 的i d s 为9 0 0 m a y r m n ，g 。为2 2 0 m s m m ；采用s i c 衬底，最大l d s 第一章绪论 为1 1 6 0 m a m m ，g 。为3 3 0m s m m 。美国伊利诺斯大学报导的s i c 衬底0 1 2 u r n 栅长的g a nh e m t 的f t 和f m 。分别到1 0 1 g h z 和1 5 5 g h z ：在8 g h z 和1 2 g h 2 工作频率下，该器件的噪声系数分别为o 4 2 d b 和o 7 7 d b 。在功率性能方面， a 1 g a n g a n h e m t 的功率水平已经比g a a s 的高1 0 倍。2 n m a 栅宽的器件在8 g h z 下的输出功率为9 2 9 8 w ，功率附加效率为4 4 4 7 ；4 m m 栅宽的器件制作的放 大器8 g h z 下输出功率1 4 w ；由4 只l m m 器件功率合成的放大器9 g h z 下输出 功率2 2 9 w ，p a e 为3 7 ，g a nh e m t 功率器件采用s i l n d 纯化后，r f 输出 功率可增加1 倍。 1 2 待研究的光电逻辑单元电路 待研制研究的二种高速负阻逻辑单元电路如下 v d 宁 立 态 - - - - - ov o u t 率 i 图l - 1r t d + m s m 电路图 图1 2g r t d + m s m 电路图 以r t d 为驱动器件以m s m 为负载器件的光控负阻开关电路( 参见图1 1 ) ， 通过光强变化，改变m s m 的i - v 负载线，达到光控电流( 压) 开关或光控电流 ( 压) 双稳态的目的。 以m s m 作为输入端，通过光控r t d 的栅( g ) 极电压作为倒相器的驱动 器件，同时以r t d 作为负载器件的倒相器电路( 参见图1 2 ) ，带栅r t d 也可由 r t d 与h e m t 并联代替。它也是一种光控电流( 压) 开关或光控电流( 压) 双 稳态电路单元。 这两种光控单元电路优点是：工作频率高和开关速度快；接收光与光发射 是独立的，可自主控制和处理光信息，应用灵活性更大；具有更多更复杂的逻辑 功能。 ，_i王全v万工 第一章绪论 1 3 本论文的任务 在前人研究基础上对二种高速负阻逻辑单元进行样片研制及测试分析。任务包 括： 1 1r t d h e m t m s m 的工作原理研究； 2 ) 器件的设计，包括材料、结构设计，工艺流程，版图设计： 3 ) 单元电路中器件性能、电路逻辑功能模拟； 4 ) 单元电路的研制及结果测试。 第二章r t d ，h e m t 和m s m 器件工作原理 第二章r t i ) ，h e m t 和m s i i 器件工作原理 2 1r t d 的器件原理 2 1 1 半导体超晶格 半导体超晶格是由多种材料在一个维度上层状排列的周期结构，其周期必须 小于电子的平均自由程。每一层厚度大约几个纳米，基本上是原子量级。当两种 不同组分的半导体材料紧密接触时，在界面处导带边e c 和价带边e v 都会有一个 跳跃，利用两个靠得足够近的相向的突变异质结可以构成相当理想的矩形势阱， 当阱宽l z 小于电