InP-based RTDs (Resonant tunneling diodes) are very promising quantum-effect electronic devices for high-speed electronics. Due to their superior device characteristics such as the unique NDR (Negative Differential Resistance) at room temperature and over, the pico-second switching speed, and the compatibility with conventional III-V transistors, the InP-based RTDs make them suitable for future ultrahigh-speed applications.
In order to meet a recently increasing demand for high-speed IC application, a variety of next-generation process technology is required to be introduced. A dielectric sidewall passivation process enables small-size RTDs with minimum feature size of sub-um level to maintain an excellent performance by improving device mechanical stability. And a self-aligned process technology improves the RF performance by considerably reducing series resistance of RTDs, which is a critical factor of maximum oscillation frequency related to the device speed.
In this thesis, the self-aligned RTDs using the $SiN_x$ sidewall process have been fabricated and characterized, which have been implemented by using III-V semiconductor fabrication facility in KAIST. And the temperature dependence of the self-aligned RTDs has been investigated.
In chapter 2, the dry-etched RTDs have been developed as a cornerstone of self-aligned RTDs. The optimization of the dry etching process has been carried out. The fabricated RTD with $5 \microm^2$ emitter size shows PVCR (Peak to Valley Current Ratio) of 13.27, peak current of 3.705 mA, and peak voltage of 0.378 V which are comparable to those of wet-etched RTD.
In chapter 3, the self-aligned RTDs based on the $SiN_x$ sidewall have been developed. The optimization of the $SiN_x$ sidewall process has been carried out. $SiN_x$ deposition and etch back process conditions such as $CF_4/O_2$ gas flow rate have been established. The fabricated self-aligned RTD with $5\mu m^2$ emitter size shows PVCR of 13.07, peak current of 3.687 mA and peak voltage of 0.348 V which are comparable to those of non self-aligned RTD. The series resistance of the self-aligned RTD with $5\microm^2$ emitter size is estimated to $14.4\omega$, which is reduced by 26.2% compared to that of the non self-aligned, wet-etched RTD. The series resistance of the self-aligned RTD with $16\microm^2$ emitter size is $8.0\omega$, which is reduced by 29.2% compared to that of the non self-aligned, wet-etched RTD.
In chapter 4, for a thermal test of developed process, DC characteristics at high temperature of the self-aligned RTDs with $5\microm^2$ emitter size have been investigated. The measurements for characterizing the RTDs have been performed in a temperature range between $45\degC$ and $125\degC$. For each temperature, DC I-V measurements have been performed. There is no significant performance variation under high temperature except current in the PDR2 (Positive Differential Resistance 2). The current in the PDR2 region is increased as the temperature is increased.
InP기반RTD (Resonant tunneling diodes)는 매우 유망한 고속 양자효과 소자이다. 상온 및 고온에서의NDR (Negative Differential Resistance)특성, pico초 단위의 스위칭 속도 및 기존의 III-V 트랜지스터들과의 호환성과 같은 우수한 특성을 가지는 InP 기반의 RTD는 미래의 초고속 응용에 적합한 소자이다.
지금까지 InP 기반 RTD에 적용된 공정기술은 dry etching과 $sub-\microm$급의 lithography가 적용되어 왔다. 그러나 최근 증가하는 고속 집적회로 응용에 있어 더욱 다양한 차세대 공정기술 도입이 요구되고 있다. 유전체 sidewall에 의한 passivation 공정은 $sub-microm$급의 작은 크기의 RTD에서 기계적인 안정성을 향상시켜 훌륭한 성능을 유지할 수 있게 해준다. 그리고 self-aligned 공정기술은 RTD의 최대 진동 주파수에 큰 영향을 주는 series 저항을 줄여주어 RF성능을 향상시킨다. 본 논문에서는 KAIST의 공정시설을 이용하여 dry etching과 $SiN_x$ sidewall 공정을 기반으로 self-aligned RTD를 처음으로 개발되고 분석되었다. 그리고 개발된 self-aligned RTD의 온도 특성이 관찰되었다.
Chapter 2에서는 dry-etched RTD 가 self-aligned RTD 개발의 초석으로써 개발되었다. 먼저 Dry etching 공정의 최적화가 수행되었다. RIE RF 파워나 $CH_4/O_2$ 가스 유량, metal mask의 조성이 확립되었다. $5\microm^2$ 의 emitter 크기를 가지는 제작된 RTD는 PVCR 13.27, peak current 3.70mA, peak voltage 0.38V 이었으며 이는 wet-etched RTD의 결과와 비슷하였다.
Chapter 3에서는 $SiN_x$ sidewall에 기반한 self-aligned RTD가 개발되었다. 먼저 $SiN_x$ sidewall 공정의 최적화가 수행되었다. RIE의 RF 파워, $CF_4/O_2$ 가스 유량과 같은 $SiN_x$ 증착과 etch back 공정 조건이 확립되었다. $5\microm^2$ 의 emitter 크기를 가지는 제작된 self-aligned RTD의 PVCR은 13.07, peak current는 3.687 mA, peak voltage는 0.348이며 이는 non self-aligned RTD와 비슷하였다. $5\microm^2$ 의 emitter 크기를 가지는 self-aligned RTD의 series 저항은 $14.4\omega$으로 추산되며 이는 non self-aligned RTD의 series 저항 대비 26.2%가 감소한 것이다. $16\microm^2$ 의 emitter 크기를 가지는 self-aligned RTD의 series 저항은 $8.0\omega$으로 측정되었고 이는 non self-aligned RTD의 series 저항대비 29.2% 감소된 것이다.
Chapter 4에서는 새롭게 RTD에 적용된 self-aligned 공정 고온 상황에서 문제가 없는가에 대한 연구로써 온도측정 분석이 수행되었다. 5um2 의 emitter 크기를 가지는 self-aligned RTD가 $25\degC$ 에서 $125\degC$ 까지의 온도 범위에서 DC 전류-전압 특성이 측정되었다. 그 결과 고온에서 특별한 성능저하는 관찰되지 않았으며 PDR2(Positive Differential Resistance 2) 영역에서는 온도가 증가할수록 전류가 증가하였다.
