[发明专利]单垒量子阱注入渡越时间半导体器件

说明书

本发明涉及一种半导体器件，具体涉及一种单垒量子阱注入渡越时间半导体器件。

众所周知，1969年美国IBM公司江崎和朱兆祥等人提出由两种不同的超薄层来构成一维周期性结构，开创了人造半导体超晶格的研究。1972年张立纲、江崎等人首次在用分子束外延技术（MBE）生长的砷化镓（GaAs）一镓铝砷（GaAlAs）超晶格的隧穿伏一安特性中发现了负阻，证实了超晶格量子阱的物理模型。这一负阻又引起了半导体器件研究者的兴趣，期望用它来制作微波、毫米波器件。由此，各种隧穿共振器件应运而生，但在二十多年里，进展甚微，输出的微波功率仅几十～几百微瓦，无法实用。这种器件性能欠佳的主要原因有二个。首先，器件的量子阱结构一般都是双垒单阱，即由两层铝镓砷（AlGaAs）或砷化铝（AlAs）作垒，中间夹以一层砷化镓作阱构成，但整个量子阱结构只有几百埃厚（一般包括三层，约200埃厚），致使器件两电极间的距离非常短，产生非常大的电容，在微波频率下器件阻抗极低，因而不能产生有效的功率输出。其次，当电子隧穿通过双垒量子阱时需要较长的隧穿时间。近年来已有很多人从理论上计算了这一隧穿时间，同时还用时间分辨光谱方法测出了这一隧穿时间。对一般双垒单阱来说，隧穿时间常达几十皮秒（1皮秒＝10^-12秒），这就严重阻碍了器件的高频工作。由于要利用隧穿伏一安特性的负阻来产生微波振荡，人们常希望负阻愈大愈好，所以都努力通过设计提高电流的峰谷比。但随着峰谷比升高，电子隧穿时间也迅速增大，而且产生负阻的电压区域愈来愈窄。当电压摆动较大（即振荡功率增大）时，很快超越负阻范围而进入正阻区，产生大的功率耗散，所以光利用量子阱隧穿电流的负阻来产生微波振荡无法输出较大的功率。为了克服电容过大的问题，有人提出在量子阱结构后面加接一个漂移区，构成量子阱注入渡越时间二极管（QWITT），但仍然是利用量子阱隧穿伏一安特性的负阻来产生微波振荡。目前，国际上理论和实验研究表明，量子阱结构后面加接的漂移区的厚度不能超过2000埃，超过2000埃时将使隧穿电流峰谷间电压摆动幅度下降（参见《IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES》，DECEMBER 1989，VOLUME 37，NUMBER 12，P.1933-P.1939：MICROWAVE AND MILLIMETER- WAVE QWITT DIODE OSCILLATORS）。

本发明的目的是要对QWITT的器件结构作出改进，使之在微波、毫米波频段有较大的功率输出。

本发明的设计思想和技术解决方案：

本发明是将双垒单阱结构改成单垒单阱结构（对主能谷为单垒，对次能谷为单阱），使隧穿时间大大缩短，从而提高振荡频率。单垒结构虽然只有一层异质半导体层，但在异质界面发生能带混合，形成对主能谷的势垒和对次能谷的势阱，同样构成了量子阱。其次，不再单纯利用量子阱隧穿电流产生的负阻来产生微波振荡功率输出，而主要利用量子阱的隧穿电子在漂移区的渡越时间负阻来产生微波振荡功率输出，所以一定要使漂移区的厚度和量子阱中电子的隧穿过程合拍。要使量子阱产生的隧穿电流在漂移区产生渡越时间负阻，漂移区层的厚度必须等于载流子饱和漂移速度（单位：厘米/秒）除以振荡频率（单位：赫兹）。这样，漂移区层的厚度在微波、毫米波频段一般总是远远大于2000埃的。本发明特别适用于毫米波、亚毫米波段。

在n⁺砷化镓衬底上生长一层n砷化镓缓冲层;再在其上生长一层n砷化镓有源层，作为漂移区层，漂移区层的厚度等于载流子饱和漂移速度除以振荡频率;再在其上生长一层n⁺砷化镓掺杂尖峰层;再在其上生长一层异质半导体，构成单垒量子阱结构层，通常为砷化铝，或磷化铝（AlP），或磷化镓（GaP）;再在其上生长n⁺砷化镓顶层。现在已有先进的分子束外延（MBE）等超薄层外延生长设备，要实现本发明的器件结构完全是切实可行的。

下面结合附图对发明作进一步说明。

附图1是砷化镓/砷化铝单垒量子阱能带示意图。

附图2是本发明器件结构图。