电阻栅结构负阻异质结双极晶体管

第26卷　第6期2005年6月

半　导　体　学　报

CHIN ESE J OURNAL OF SEMICONDUCTORS

Vol. 26　No. 6

J une ,2005

电阻栅结构负阻异质结双极晶体管

郭维廉1,2　齐海涛1　张世林1　钟　鸣1　梁惠来1

毛陆虹1　宋瑞良1　胡海洋2

(1天津大学电子信息工程学院, 天津　300072) (2天津工业大学信息与通信学院, 天津　300160)

3

摘要:设计并研制成功了具有电阻栅结构的n 2In GaP/p 2G aAs/n 2G aAs 负阻异质结双极晶体管. 研制出的器件I 2V 特性优于相关文献的报导; 得到了恒定电压和恒定电流两种模式的负阻特性曲线; 对两种模式负阻特性产生的物理机制进行了解释; 最后对此器件的应用前景进行了预测. 关键词:异质结双极晶体管; 负阻器件; 电阻栅

EEACC :2560J

中图分类号:TN31312　　　文献标识码:A 　　　文章编号:025324177(2005) 0621218206

1　引言

用化合物半导体材料通过MB E 或MOCVD 技

术研制的异质结双极晶体管(HB T ) 是目前高频高速器件的一个重要组成部分, 具有很大的发展潜力. 很早就发现了HB T 因功率耗散温度升高产生的负阻效应. 然而这种温度变化产生的负阻效应是难以控制而加以利用的, 后来在HB T 中也发现了非热效应的负阻特性[1], 利用这些负阻特性可研制出特性可控的负阻型HB T [2～4]. 负阻型HB T 既有HB T 高频、高速的优点, 又具有负阻器件双稳、自锁、可大量节省器件数目的优点. 从该角度看, 其功能类似于共振隧穿晶体管(R T T ) .

本文选用负阻异质结双极晶体管(NDR HB T ) 电阻栅结构[3], 在n 2In GaP/p 2GaAs/n 2GaAs 分子束外延(MB E ) 材料基片上, 研制出NDR HB T. 经过测试, 其I 2V 特性优于文献[3]的报导; 而且除了该文献报导的恒定电压模式负阻特性外, 还发现了恒定电流模式的负阻特性; 对两种模式的负阻产生机制进行了解释; 最后还预测了此种器件在高速数字电路中的应用前景.

2　电阻栅负阻异质结双极晶体管

(RGN D RHBT) 结构及其工作原理

　　如图1所示, 通常在常规HB T 器件制造工艺中形成发射极接触电极(相当图中的阴极K ) 后, 以此金属电极为保护层将台面腐蚀到p +型的

GaAs

图1　R GNDR HB T 结构和原理图

Fig. 1　Device structure and operating principle of R GNDR HB T

3国家重点基础研究发展规划资助项目(批准号:2002CB11905) 　2004209204收到,2004210227定稿

Ζ2005中国电子学会

层停止, 在p +GaAs 层上沉积ZnAu 合金制造基极

欧姆接触电极. 如果现在将台面进行过腐蚀, 即腐蚀到了p +GaAs 下面的n -2GaAs 集电区内, 经过合金工艺便在ZnAu 下面形成一p +GaAs 层. 如图所示, 此极我们可称之为栅极(G ) 或者称之为基极(B ) , 但此基极与常规HB T 中的基极已完全不同. 前者的基极和器件中间部分的p +GaAs 层直接相连, 而现在栅极与器件中间p +GaAs 层之间形成了一ZnAu/p +GaAs/n -GaAs/p +GaAs 结构. 对此结构本文采用文献[3]的势垒注入渡越时间(BARIT T ) 结构模型[5]来处理. 该模型认为当G 极端相对于内部的p +GaAs 层加以正向电压(也为正电压) 时, G 极和p +GaAs 层的下面都会发生施主电离后带正电的空间电荷层. 随着G 极正向电压的增大,p +GaAs 层下的空间电荷层扩展(因处于反偏) 最后发生穿通(reach t hrough ) , G 极与p +GaAs 层间的有效距离W 愈大, 则穿通对应的电压V RT 也愈大, 穿通后从G 极向p +GaAs 层注入越过势垒的热空穴电流, 其电流密度可表示为:

J P =A P 3T 2e -q (ΦBP +Vbi ) /kT

(e q V 1/kT -1) (1) 式中　A P

3为空穴的有效理查逊常数; T 为绝对温

度; ΦBP 为空穴势垒高度; V bi 为内建电势; V 1为所加的正向电压; q 和k 为电子电量和玻尔兹曼常数. 从(1) 式可知:从G 极注入到p +GaAs 本征基区层的空穴电流(也即HB T 的基极电流) 随G 极正向电压V GA 或V BC (对应(1) 式中的V 1) 的增长, J P 作指数性的增长.

现在利用上述模型结合图1中所示的结构, 说明R GNDR HB T 产生负阻特性的原理. 如图, K (即E ) 极接地, G (B ) 极接一定的正电压,A (C ) 极从零电压起逐渐增大其正电压的过程. 如果起始的V GK 足够大, 当V A K =0时, 使V GA =V GK 大于V RT (W 愈小则V RT 愈小) , 这时便有空穴电流从G 极向HB T 的基极p +2GaAs 层注入, 形成np n 型HB T 的基极电流, 于是HB T 导通; 随着A 极正电压不断增大, 集电极(A ) 对从K 极注入的电子收集能力相应增大, HB T 的集电极电流I C (即I A ) 也随之增大, 此即HB T 的I 2V 特性的正阻段; 当V A K (或V CE ) 进一步增大时, 由于V GK (V BE ) 固定在一定的正电压, 则G 极对A 极的电压V GA =V GK -V A K 便会减少. 按照(1) 式, 从G 极向p +2GaAs 注入的空穴电流减小, 也即HB T 的基极电流减小, 最后导致HB T 的集电极电流I C (或I A ) 减小, 而使HB T 的输出特性出现

负阻区.

3　RGN D RHBT 的设计与研制

3. 1　材料结构设计

R GNDR HB T MB E 材料结构与常规HB T 的

材料结构基本相同, 如图2所示. 其中采用n +In 0. 52Ga 0. 5As 的cap 层是为了得到较低的发射极接触电

阻. 采用n -In GaP 渐变层作发射极是为了避免Al 2GaAs 引入DX 中心等带来的缺点和较大的In GaP/GaAs 之间腐蚀速率差异, 选用渐变层有利于提高

h FE 值. 材料结构的整体设计与常规HB T 相近是为

了将常规HB T 和R GNDR HB T 制作在同一芯片上, 为进一步研制含负阻的HB T 高速数字电路提供条件. 共设计了光刻版7块, 由于是实验性器件研

制, 最大器件发射极面积为150μm ×150

μm. n +Si 2In 0. 5Ga 0. 5As 5×1018cm -3100nm Graded Si 2In x Ga 1-x As (x :015→0)

5×1018cm -350nm n +Si 2GaAs 5×1017cm -3100nm n Si 2In GaP 1×1017cm -3

80nm undoped GaAs 5nm p +Be 2GaAs 5×1018cm -360nm undoped

GaAs 5nm n Si 2GaAs 5×1016cm -3500nm n +

Si 2GaAs

5×1018cm -3500nm

SI GaAs substrate (100)

图2　R GNDR HB T MBE 材料结构

Fig. 2　MB E material structure of R GNDR HB T

3. 2　器件制造工艺

R GNDR HB T 器件制造工艺基本上和常规HB T 相同, 其中发射极、基极、集电极接触和金属引

线都用剥离工艺制作, 小台面、大台面和引线孔都用湿法腐蚀. 惟一不同处就是腐蚀基区台面时, 实行过腐蚀, 将p +GaAs 层腐蚀掉, 终止在n -GaAs 集电区层内, 在此n -GaAs 层上沉积ZnAu 合金. 为了降低BARIT T 的穿通电压V RT , 减小从ZnAu 电极到器件中部p +GaAs 层间的有效距离W , 应在纵向上使n -GaAs 表面紧靠p +GaAs 层(即刚刚进入n -GaAs 层) , 在横向上应尽量减小图1中的间距L .

4　RGN D RHBT 的I 2V 特性和参数测

量

4. 1　I 2V 负阻特性

4. 1. 1　恒定电压模式负阻特性

见, 本文的I 2V 负阻特性优于文献[3]的负阻特性.

主要表现在:(1) 文献[3]中的负阻特性曲线, 不同的栅极电压沿V A K (V CE ) 存在较大的分散现象, 这不利于今后在电路中的应用. 本文的负阻曲线不存在此问题. (2) 本文的负阻曲线正阻段对不同的V BE 都共线, 而且每条曲线的峰值点都靠近此正阻段曲线. (3) 峰值点的I 2V 特性呈“尖”峰状, 进入负阻区后, 曲线很快变为凹状

.

图3(a ) , (b ) 分别给出本文恒压模式“N ”和“∧”

型负阻特性, (c ) 为文献[3]中的负阻特性. 从图可

图3　R GNDR HB T 恒压模式负阻特性　(a ) “N ”型:X 轴1V/div , Y 轴015mA/div , 阶梯0116V/step ; (b ) “∧”型:X 轴μA/div , 阶梯015V/step 015V/div , Y 轴015mA/div , 阶梯0132V/step ; (c ) 文献[3]“∧”型负阻:X 轴1V/div , Y 轴40

Fig. 3　NDR characteristics on R GNDR HB T for constant voltage V BE 　(a ) “N ”type :X 1V/div , Y 015mA/div ,0116V/step ; (b ) “∧”type :X 015V/div , Y 015mA/div ,0132V/step ; (c ) “∧”type f rom Ref. [3]:X 1V/

μA/div ,015V/step div , Y 40

4. 1. 2　恒定电流模式负阻特性

前面的恒定电压模式负阻特性, 其中每条曲线是以恒定V BE 条件测量的, 而现在恒定电流模式负阻特性是在恒定I B 条件下测量的. 文献[3]只给出了恒定电压模式负阻, 没有给出恒定电流模式负阻特性. 图4是本文测得的R GNDR HB T 电流模式负阻特性. 与恒压模式相比, 其特点是:(1) 能产生负阻的I B 存在一阈值, 当I B 小于此阈值I BCr 时不发生负

μA ; (2)

负阻区电压范围较阻效应, 图中的I BCr ≈20

小, 且只存在于峰值电压V P 右侧很窄的电压区域

内; (3) 不同I B 的负阻曲线谷值点很近, 几乎相交于一点. 负阻区曲线变宽是发生振荡所致. 4. 2　RGN D RHBT 参数测量

4. 2. 1　恒压模式负阻参数

从图3(a ) 和(b ) 测得的负阻参数随V BE 的变化如图5(a ) , (b ) 所示. 从图5(a ) 可见I P 随V BE 变化显

著, 而V p 和V v 随V BE 变化缓慢. 反映V BE 对峰值电流调制能力的参量峰电流跨导ΔI P /ΔV BE 在7～1718ms 范围内,PVCR 在2～313范围内变化, 产生负阻的阈值电压约为0116V ; 从图5(b ) 可见V p , V v

基本上随V BE 呈线性增长的变化. I P 随V BE 变化显著, ΔI P /ΔV BE 在316～5ms 范围内变化. 产生负阻的

μA ,PVCR 阈值电压V BECr ≈0132V. I v 一般小于013

图4　R GNDR HB T 电流模式负阻特性　X 轴:015V/div , Y μA/step 轴:1mA/div , 阶梯:10

Fig. 4　NDR characteristics of R GNDR HB T for con 2

μA/stant current mode 　X :015V/div , Y :1mA/div ,10

step

一般大于6000.

4. 2. 2　恒流模式负阻参数

从图4可以得到恒定电流模式的负阻参数随I B 变化的关系, 列于表1中. 如果对负阻特性, 以I P 代替I C , 则估算出的h FE (=I C /I B ) 为166. ΔI P /ΔI B 可反映控制参数I B 对I P 的调控能力. 其值与HB T

第6期郭维廉等:　

电阻栅结构负阻异质结双极晶体管

1221

图5　R GNDR HB T 负阻参数随V BE 的变化　(a ) “N ”型; (b ) “∧”型

Fig. 5　R GNDR HB T NDR parameters as a f unction of V BE 　(a ) “N ”type ; (b ) “∧”type

的h FE 相对应. 经测量无负阻时为200, 大于负阻时

的150, 说明I P 实际上小于相同I B 下的饱和集电极电流, 这反映峰值电流是在集电极电流还未增大到最大时, 电流减小的趋势已超过电流增大的趋势, 使

集电极电流下降造成的. 当I B ≤20

μA 时无负阻现象, 故阈值I B (I BCr ) 为20

μA. 表1还说明恒流模式的PVCR 小于恒压模式的PVCR.

表1　R GNDR HB T 恒流模式负阻参数与I B 的关系

Table 1　Constant current mode NDR parameters of R GNDR HB T as a function of I B

I B /μA I P /mA I v /mA V P /V

V v /V

PVCR ΔI P /ΔI B (h FE )

10无无无无无15020无

无

无

无无

200305. 74. 51. 2～21. 27150406. 84. 91. 25～21. 3915050

8. 3

5. 4

1. 32

～2

1. 54

150

5　对负阻特性和参数的讨论

5. 1　对本文I 2V 负阻特性优于文献[3]的解释

本文所研制的R GNDR HB T I 2V 负阻特性优

于文献[3]的负阻特性表现在以下三点:(1) 文献[3]的负阻特性随V CE (或V A K ) 有分散现象; (2) 负阻阈值电压V BECr 较高, 约为112V. 而本文的V BECr 为0132V ; (3) 本文的峰值电流(I P ) 跨导为316～5ms , 而文献[3]的峰电流跨导为01156ms , 即V BE 对I P 的调控能力较弱.

根据文献[3], 其器件是用Al GaAs 作为HB T 发射极的, 掺Si 的Al GaAs 中含有大量的DX 中心, 此外用In GaP 代替Al GaAs 还具有表面复合速度低Δ,

E V 大等优点, 又加上文献[3]设计的基区厚度较大(200nm ) . 故该器件的h FE (=4) 较小, 性能较差. 负阻特性曲线沿V CE 轴的分散现象就是h FE 较小的表现. 如前所述当G 极固定于一定正电压, 而V A K 从零开始时, 初始阶段G 极正电压大于A (即C ) 极电压, 则有空穴从G (p +) 极向C (n -) 极注入, 这股流向C 极的正电流与从发射极向基极注入电子经放大然后被集电极收集的电子电流方向相反. V A K (即V CE ) 从零开始时, 空穴从G 极流向C (或A ) 极形成的电流占主导地位, 出现小于零的负电流部分; 当V A K 逐渐增大时, 集电极收集电子的能力增强, 经放大流向集电极的电子流增大变成主要成分, 则总合电流便从负电流经零变成正电流. 零电流点是这两部分电流相等的结果. G 极所加的正电压愈大, 则从G 极向A 极注入的空穴流愈大, 则抵消此空穴流所需的电子电流也应增大, 为了提高对电子的收集能力相应的V A K 也应提高, 这就是负阻特性向右偏移引起分散现象的原因. 如果HB T 的h FE 很大, 则对应一定的V GK 变化, 就有较大的电子电流增长, 故只需较小的V A K 变化就可以补偿空穴电流向A 极注入的增大, 于是对应于负阻特性的右移很小, 没有出现明显的分散现象, 本文在图3(a ) 和(b ) 中给出的特性就属于这一类. 本文R GNDR HB T 的峰电流跨导较文献[3]中的大, 而产生负阻的阈值电压较文献[3]中的小, 这也和本文的器件h FE 较大有关.

5. 2　对恒定电流模式负阻特性的解释

产生恒定电压(V BE =常数) 条件下负阻特性的

原因在本文第2部分中已经给予说明, 但文献[3]并

未报道恒定电流(I B =常数) 条件下的负阻特性, 当然也就谈不到对恒流模式负阻特性的解释. 本文认为恒流模式负阻特性是恒压模式负阻在HB T 存在基极串连电阻时的另一种体现, 即恒压模式负阻是R GNDR HB T 产生负阻的根本原因, 而恒流模式负阻是派生的、第二性的. 从本文和文献[3]都可看出恒压模式负阻存在一个阈值电压V BECr . 本文的V BECr =0132V , 文献[3]的V BECr =112V. 另一方面电阻栅结构中必然存在基区电阻, 此电阻包括从G 极电极到p +2GaAs 层之间的非本征基极电阻和薄p +2GaAs 层中的本征基区电阻两部分. 当恒流模式的I B 流过这两部分电阻时必然产生电压降, 若I B 足够大, 此电压降等于或超过V BECr 时则会产生负阻效应, 这就是恒流模式产生负阻的物理机制. 如图4

所示, 存在的阈值电流I BCr =20

μA. 如上述模型成立, 则所对应的基极串连电阻约为:0132V/20

μA =16k Ω, 即V BECr =I BCr ×R B 关系应该成立. 关于恒流模式负阻只存在于峰值点右很窄电压范围的问题, 可以作如下的解释:某一条负阻曲线在负阻区随V CE 增长而下降时, 下降到I BCr 处若再下降则不满足产生负阻条件而自动停止, 如此, 不同的负阻曲线近似地相交于同一谷值点. 从图4可以观察到这一现象. 降到谷值点的I 2V 曲线可以因击穿或其他原因再次随V CE 增大而增长, 形成第二正阻区. 由于这种原因, 其谷值电流必然大于恒压模式, 故恒流模式负阻特性的PVCR 值都小于恒压模式负阻的PVCR 值.

6　RGN D RHBT 在电路应用中的探讨

　　R GNDR HB T 属于一种三端高速负阻器件, 与

共振隧穿三极管和由共振隧穿二极管(R TD ) 和高电子迁移率场效应晶体管(H EM T ) 并联组合单元等很相似. 因此目前由R T T 或R TD/H EM T , 以及R TD/HB T 构成的高速数字电路都可以用R GN 2DR HB T 来代替. 这些电路包括单2双稳转换逻辑单

元(MOB IL E ) 、神经元、多值逻辑单元、多态存储、量化器、A/D 转换、分频器和加法器等. 特别值得提到的是R GNDR HB T 可以和常规HB T 兼容作在同一芯片上, 即在电路中需要在制作R GNDR HB T 处, 另加一块光刻版图, 进行基区台面的过腐蚀, 腐蚀到n -GaAs 集电层, 其他工艺不作任何改变即可.

7　结论

本文设计并研制成功了R GNDR HB T , 经过测试, 其负阻I 2V 特性优于文献[3]所报道的I 2V 曲线, 无特性曲线分散现象, 器件负阻参数也优于文献[3].此外, 还观察到恒流模式负阻特性, 对以上现象

都给予了初步分析和解释, 并对该器件在电路中的应用, 进行了预测和讨论.

致谢　对中国科学院物理所和澳大利亚国立大学(ANU ) 为本项研究提供化合物外延材料衷心地表示感谢. 参考文献

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Guo Weilian 1,2, Qi Haitao 1, Zhang Shilin 1, Zhong Ming 1, Liang Huilai 1,

Mao L uhong 1, Song Ruiliang 1, and Hu Haiyang 2

(1School of Elect ronic I nf ormation Engineering , Tianj in Universit y , Tianj in 　300072, China )

(2S chool of I nf ormation and Com munication Engineering , Ti anj in Pol ytechnic Universit y , Tianj in 　300160, China )

Abstract :The n 2In G aP/p 2GaAs/n 2G aAs negative differential resistance heterojunction bipolar transistor with resistive gate structure (R GNDR HB T ) is designed and fabricated successf ully. The I 2V characteristics of the fabricated device are better than those in Ref. [3].Both modes on negative differential resistance characteristics for constant voltage and constant current are found ,and the physical mechanism of both modes on negative differential resistance characteristics are explained. Finally ,the ap 2plication prospect of this device is expected.

K ey w ords :heterojunction bipolar transistor ; negative differential resistance device ; resistive gate EEACC :2560J

Article ID :025324177(2005) 0621218206

3Project supported by t he State Key Development Program for Basic Research of China (No. 2002CB11905) 　Received 4September 2004,revised manuscript received 27October 2004

Ζ2005Chinese Institute of Electronics