InP-based RTDs (Resonant Tunneling Diodes) have received considerable attention for THz signal source due to the highest $f_{max}$ (Maximum oscillation frequency) from the fast quantum resonant tunneling phenomena. The conventional RTD has been fabricated mostly by using wet etching which is a simple and low damage etching technique. But, this process has limitations in fabricating small-area RTDs and achieving a high yield of the devices. In order to overcome these problems, a novel process technology is required to be developed.
In this thesis, the dry etched RTDs with surface treatment and passivation technique have been developed for high yield and uniformity. The fabrication steps for the dry-etched RTD mesas are as follows. Firstly, the RTD mesas are fabricated using the $Cl_2/Ar$ RIE process with a metal mask (Ti/Pd/Au/Ni). After the etching process, the surface treatments of the thermal annealing and digital etch are performed to eliminate the RIE damage and to remove the Ni layers. Then, the $ALD-Al_2O_3$ layers are passivated to achieve the high yield of the fabricated RTDs. Subsequently, the SiNx sidewall spacer is deposited to form the self-align emitter to minimize the series resistance.
The fabricated dry-etched RTD with a $1.35 \mu m^2$ collector size shows the performances of a PVCR (Peak to Valley Current Ratio) of 1.24, a peak current density of 6.3 mA, and a 0.88 THz of cut-off frequency. The effect of surface treatment shows the good surface smoothness within 0.732 nm of roughness. The yield of the dry-etched RTDs is evaluated to be about 90 %. The performance of the RTDs with a $0.25 \mu m^2$ collector size is expected to show a greatly extended fmax value of 2.6 THz.
Consequently, the results show that the fabricated dry-etched RTDs using surface treatment and $ALD-Al_2O_3$ passivation technique are very promising for the THz IC applications.
InP 기반의 RTDs (Resonant Tunneling Diodes)는 빠른 양자 터널링 현상으로 인한 매우 높은 $f_{max}$ (Maximum Oscillation Frequency) 특징을 기반으로 THz 신호원으로서 상당한 주목을 받고 있다. 기존의 RTD는 대게 습식 식각 방식으로 제작 되어 졌다. 이러한 방식은 간단한 프로세스이며 낮은 식각 데미지를 가진 기술 방식이지만, small-size RTD 제작의 어려움과 RTD 소자의 수율 저하 현상으로 인한 단점이 존재한다. 이러한 문제들을 극복하기 위하여 새로운 RTD 제작 기술의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이 논문에서는 RTD 소자의 높은 수율과 균일도를 위하여 표면 처리기법과 패시베이션 기술을 적용한 건식 식각 방식의 RTD를 개발하였다. 건식 식각 방식의 RTD mesa 제작 과정은 다음과 같다. 먼저, RTD mesa는 Ti/Pd/Au/Ni의 메탈을 하드 마스크로 설정한 후 $Cl_2/Ar RIE$를 이용하여 형성한다. 식각 과정 이후에는 RIE 데미지 제거와 Ni 메탈 레이어 제거를 위해 열 처리와 디지털 식각 방식의 표면 처리 기법을 수행한다. 그 후, 제작된 RTD의 수율 향상을 위해 $ALD-Al_2O_3$ 레이어를 RTD mesa와 collector pole 주위에 패시베이션 진행한다. 마지막으로 RTD의 series resistance를 줄이기 위해 SiNx sidewall spacer를 형성하여 self-align emitter를 제작하였다.
$1. 35 \mu m^2$ collector 크기를 가지는 건식 식각 방식의 RTD는 1.24의 PVCR, 6.3 mA의 peak current density, 0.88 THz의 $f_{max}$ 특성을 보였다. 표면 처리로 인해 웨이퍼 표면의 거칠기가 0.732nm 수준으로 나타나 낮은 표면 거칠기 특성을 나타내었다. 제작된 건식 식각 방식 RTD의 수율은 약 90 %로 확인되었다. Small-size RTD 제작을 위해 $0.25 \mu m^2$ collector 크기의RTD 성능을 예측한 결과, $f_{max}$가 크게 증대된 2.6 THz를 갖을 것으로 예상되었다.
결론적으로, 이러한 결과들은 표면 처리와 $ALD Al_2O_3$ 패시베이션 기술을 적용한 건식 식각 방식의 RTD기술이 THz IC 응용을 위한 고성능 RTD 소자 제작 기술로의 가능성을 입증해 보였다.
