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【发明授权】一种共振隧穿二极管及其制作方法_西安电子科技大学_201910365950.7 

申请/专利权人:西安电子科技大学

申请日:2019-05-05

公开(公告)日:2021-05-07

公开(公告)号:CN110085682B

主分类号:H01L29/88(20060101)

分类号:H01L29/88(20060101);H01L21/328(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.05.07#授权;2019.08.27#实质审查的生效;2019.08.02#公开

摘要:本发明提供一种共振隧穿二极管及其制作方法。所述共振隧穿二极管包括依次设置的n型GaN衬底层、n+GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一Al、N、Ga、N分层结构混合势垒层、GaN量子阱层、第二Al、N、Ga分层结构混合势垒层、第二GaN隔离层、n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极和钝化层;所述Al、N、Ga分层结构混合势垒层包括Al层、N层和Ga层。本发明能够消除随机合金AlGaN势垒中Al组分分布不均造成的漏电现象。

主权项:1.一种共振隧穿二极管,其特征在于,包括依次设置的n型GaN衬底层、n+GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一Al、N、Ga分层结构混合势垒层、GaN量子阱层、第二Al、N、Ga分层结构混合势垒层、第二GaN隔离层、n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极和钝化层;所述Al、N、Ga分层结构混合势垒层包括Al层、N层和Ga层;所述Al、N、Ga分层结构混合势垒层的叠置设置与势垒层的功能相匹配;所述环形电极设置在n+GaN发射极欧姆接触层刻蚀至n+GaN集电极欧姆接触层圆形台面周围的n+GaN集电极欧姆接触层上;所述圆形电极设置在n+GaN发射极欧姆接触层的圆形台面顶层;所述Al层、N层和Ga层分别生长,包括两层Al层、两层Ga层和四层N层,其中Al层和Ga层分别交错生长,且Al层和Ga层之间间隔一层N层。

全文数据:一种共振隧穿二极管及其制作方法技术领域本发明涉及电子技术领域,尤其涉及一种共振隧穿二极管ResonantTunnelingDiode,RTD及其制作方法。背景技术近年来,以氮化镓GaN和碳化硅SiC为代表的第三代宽带隙半导体材料作为一种新型半导体材料,在过去十年中发展迅速。GaN基半导体材料和器件具有优异的性能,例如大的禁带宽度,高导带不连续性,高导热率,高临界场强度,高载流子饱和率和高异质结界面二维电子气浓度。太赫兹技术作为一门新兴的科学技术,由于其具有很多独特的特性以及优势,吸引了许多科研人员研究。太赫兹的频率范围为0.1THz到10THz,介于微波与红外之间,因此要想获得太赫兹的频率,必须选择合适的器件作为太赫兹波的产生源。共振隧穿二极管由于其器件的负微分电阻特性使其成为实现太赫兹器件源的重要选择。GaN基共振隧穿二极管继承了GaN基化合物半导体材料异质结的优点,它具有高载流子浓度、高载流子迁移率、高工作频率、大功率及耐高温等特性,因此成为众多研究者研究的热点。目前一些公司已经利用共振隧穿二极管制造出了相关IC芯片,很多国家的研究员也在共振隧穿二极管方面做了大量工作。共振隧穿二极管和隙缝天线并联可以形成太赫兹振荡器,RTD的工作频率可以达到太赫兹级别,但基于传统材料的RTD的输出功率很小,无法满足太赫兹源的需求。人们希望通过新材料、新结构、新工艺等方面的创新来增进共振隧穿二极管的性能。在新材料方面,人们考虑使用GaN材料。GaN基RTD和其他材料RTD相比,量子阱深度的变化范围更大,且由于GaN的一些优异性能,GaN基RTD的输出电流更大,输出功率更高。更为重要的是,在THz工作频率,GaN基器件的输出功率比GaAs高一到两个数量级,可以达到几百毫瓦甚至几瓦的功率。再者,AlAsGaAs界面处的二维电子气的来源是通过调制掺杂形成的,而GaN基异质结界面处的二维电子气是由材料的极化效应所引起的。选取合适的二维电子气能有效提高共振隧穿二极管的I-V特性和电流峰谷比。由于AlGaNGaN异质结界面处的Al组分的随机波动和扩散所带来的严重的泄漏电流,在TEMTransmissionElectronMicroscope,透射电子显微镜下观察到,在不同位置处AlGaN势垒的宽度不同,导致共振隧穿二极管的隧穿电流部分被抑制,器件的直流I-V特性不满足仿真理论预期。发明内容为解决现有技术存在的技术缺陷和不足,本发明提出了一种共振隧穿二极管,包括依次设置的n型GaN衬底层、n+GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一Al、N、Ga分层结构混合势垒层、GaN量子阱层、第二Al、N、Ga、N混合势垒层、第二GaN隔离层、n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极和钝化层;所述Al、N、Ga分层结构混合势垒层包括Al层、N层和Ga层。可选的,所述Al层、N层和Ga层分别生长,包括两层Al层、两层Ga层和四层N层,其中Al层和Ga层分别交错生长,且Al层和Ga层之间间隔一层N层。可选的,所述第一Al、N、Ga分层结构混合势垒层、第二Al、N、Ga、N混合势垒层中最靠近衬底层的一侧均为Al层。可选的,所述Al层、N层和Ga层的厚度相等。可选的,所述Al层、N层和Ga层的厚度分别相等,每层厚度为0.1-0.5nm。同时,本发明实施例还提供一种共振隧穿二极管的制作方法,包括:在衬底层上生长重掺杂n型GaN层,即集电极欧姆接触层;在所述重掺杂n型GaN层上生长第一GaN隔离层;在所述非故意掺杂GaN缓冲层上以1原子层为单位厚度,分别生长第一Al、N和Ga分层结构混合势垒层;在所述Al、N、Ga分层结构混合势垒上生长GaN量子阱层;在所述GaN量子阱层上生长第二Al、N和Ga、N的混合势垒层;在所述第二Al、N、Ga分层结构势垒层上生长第二GaN隔离层;在所述第二GaN隔离层上生长n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极;在所述n+GaN集电极欧姆接触层上方和环形电极上方淀积SiN钝化层,并在环形台面进行刻蚀,露出所述环形电极;在SiN介质上做一层金属布线,并蒸发金属TiAu,用于进行直流I-V测试。可选的,在所述非故意掺杂GaN缓冲层上以1原子层为单位厚度,分别生长第一Al、N和Ga分层结构混合势垒层的步骤具体包括:采用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE射频等离子体辅助分子束外延方法按照下述顺序生长:Al层、N层和Ga层、N层、Al层、N层和Ga层、N层,形成混合势垒。可选的,所述在所述重掺杂n型GaN层上生长第一GaN隔离层的步骤具体包括:向反应室通入三甲基镓与氮气,保持压力和温度为设定值,生长第一GaN隔离层。可选的,所述在衬底层上生长重掺杂n型GaN层的步骤具体包括:将GaN衬底放入MOCVD反应室,向反应室中同时通入三甲基镓和氮气,按照设定的温度和厚度生长重掺杂n型GaN层。可选的,所述在所述第二GaN隔离层上生长n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极的步骤具体包括:在所述非故意掺杂GaN隔离层上生长重掺杂+的n型GaN层,即n+GaN集电极欧姆接触层;对n+GaN发射极欧姆接触层进行刻蚀形成圆形台面,刻蚀深度至n+GaN集电极欧姆接触层;分别在n+GaN集电极欧姆接触层和n+GaN发射极欧姆接触层上蒸发TiAlNiAu多层金属,形成环形电极和圆形电极,所述环形电极与所述圆形台面不相接触。本发明实施例提供的共振隧穿二极管及其制作方法,采用Ga、N和Al、N交替层混合势垒替代传统AlGaN势垒,从而消除随机合金AlGaN势垒中Al组分分布不均造成的漏电现象,没有随机合金的影响,泄漏电流有明显降低。同时,本发明实施例采取Ga、N和Al、N交替层结构混合势垒替代传统AlGaN势垒,具体实施例中,在临近发射极处设置为AlN层,AlN相比AlGaN具有更大的极性,从而在发射极处形成更深的三角阱,获得高的2DEG2DimensionalElectronGas,二维电子气,为隧穿提供较多的隧穿电子,获得高的隧穿电流。此设计即可获得AlN的高极性,又可获得AlGaN势垒高度的可调性。当掺杂浓度一定时,随着禁带宽度变大,费米能级上移,需要更大的外加电压才能发生隧道击穿,产生电流,从而峰值电压增大,因而本发明实施例提供的共振隧穿二极管及其制作方法,具有更大的峰值电压,器件的直流I-V特性能够满足仿真理论预期。通过以下参考附图的详细说明,本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道,该附图仅仅为解释的目的设计,而不是作为本发明的范围的限定,这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道,除非另外指出,不必要依比例绘制附图,它们仅仅试图概念地说明此处描述的结构和流程。附图说明下面将结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细的说明。图1为本发明实施例提供的共振隧穿二极管主要组成部分示意图;图2为本发明实施例提供的共振隧穿二极管制作方法流程示意图;图3A-3M为本发明一种具体实施例中的共振隧穿二极管制作过程的不同阶段的产品示意图。具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。本发明首先提供一种共振隧穿二极管,结构如图1所示,包括依次设置的n型GaN衬底层101、n+GaN集电极欧姆接触层102、第一GaN隔离层103、第一Al、N、Ga分层结构混合势垒层104、GaN量子阱层105、第二Al、N、Ga、N混合势垒层106、第二GaN隔离层107、n+GaN发射极欧姆接触层108、环形电极109、圆形电极110和钝化层111;所述Al、N、Ga分层结构混合势垒层包括Al层、N层和Ga层。在上述实施例中,圆形电极110上设置有漏极金属互连1101,环形电极109上设置有源极金属互联1091。在本发明上述实施例中,n型GaN衬底层厚度为100-1000nm,较佳的,选为500nm。在本发明上述实施例中,n+GaN集电极欧姆接触层和发射极欧姆接触层的厚度分别为120nm和80nm,掺杂浓度分别为6×1018和5×1018cm-3。在本发明一些实施例中,所述Al层、N层和Ga层分别生长,包括两层Al层、两层Ga层和四层N层,其中Al层和Ga层分别交错生长,且Al层和Ga层之间间隔一层N层。具体的,每一层厚度为1ML0.25nm,总计2nm。在本发明一些实施例中,所述GaN量子阱层的厚度为1.8~2.2nm。在本发明一些实施例中,所述第一Al、N、Ga分层结构混合势垒层、第二Al、N、Ga、N混合势垒层中最靠近衬底层的一侧均为Al层。在本发明一些实施例中,所述Al层、N层和Ga层的厚度相等。在本发明一些实施例中,所述Al层、N层和Ga层的厚度分别相等,每层厚度为0.1-0.5nm。同时,本发明还提供一种共振隧穿二极管的制作方法,如图2所示,包括:步骤201:在衬底层上生长重掺杂n型GaN层;步骤202:在所述重掺杂n型GaN层上生长第一GaN隔离层;在具体实施例中,可选择工艺条件为:向反应室通入三甲基镓与氮气,保持压力为40Torr,生长温度为930℃,厚度在6~9nm;步骤203:在所述非故意掺杂GaN缓冲层上以1原子层为单位厚度,分别生长第一Al、N和Ga分层结构混合势垒层;具体的,第一Al、N和Ga分层结构混合势垒层中的Al和Ga的组分比是1:1;步骤204:在所述Al、N、Ga分层结构混合势垒上生长GaN量子阱层;采用MOCVD技术生长2nmGaN量子阱;步骤205:在所述GaN量子阱层上生长第二Al、N和Ga、N的混合势垒层;步骤206:在所述第二Al、N、Ga分层结构势垒层上,采用MOCVD技术生长第二GaN隔离层;第一GaN隔离层和第二GaN隔离层均为非故意掺杂GaN层,厚度分别为6~9nm;步骤207:在所述第二GaN隔离层上生长n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极;步骤208:在所述n+GaN集电极欧姆接触层上方和环形电极上方淀积SiN钝化层,并在环形台面进行刻蚀,露出所述环形电极;步骤209:在SiN介质上做一层金属布线,并蒸发金属TiAu,用于进行直流I-V测试。在本发明一些实施例中,在所述非故意掺杂GaN缓冲层上以1原子层为单位厚度,分别生长第一Al、N和Ga分层结构混合势垒层的步骤具体包括:采用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE射频等离子体辅助分子束外延方法按照下述顺序生长:Al层、N层和Ga层、N层、Al层、N层和Ga层、N层,形成混合势垒。在本发明一些实施例中,所述在所述重掺杂n型GaN层上生长第一GaN隔离层的步骤具体包括:向反应室通入三甲基镓与氮气,保持压力为40Torr,生长温度为930℃,生长厚度6~9nm的第一GaN隔离层。第二GaN隔离层的生长方式和第一GaN隔离层基本相同。在本发明一些实施例中,所述在衬底层上生长重掺杂n型GaN层的步骤具体包括:将GaN衬底放入MOCVD反应室,向反应室中同时通入三甲基镓和氮气,生长温度为950℃,厚度为120nm,生长重掺杂n型GaN层。在本发明一些实施例中,所述在所述第二GaN隔离层上生长n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极的步骤具体包括:采用MOCVD技术在所述非故意掺杂GaN隔离层上生长重掺杂+的n型GaN层,即n+GaN发射极欧姆接触层,具体的,n+GaN发射极欧姆接触层厚度为80nm,掺杂浓度为5×1018cm-3;对n+GaN发射极欧姆接触层进行刻蚀形成圆形台面,刻蚀深度至n+GaN集电极欧姆接触层;具体而言,刻蚀深度在200nm,10μmD40μm;分别在n+GaN集电极欧姆接触层和n+GaN发射极欧姆接触层上蒸发TiAlNiAu多层金属,形成环形电极和圆形电极,所述环形电极与所述圆形台面不相接触。以下为本发明提供的共振隧穿二极管制作方法的具体实施例:实施例1:制作厚度为1.8nm的GaN量子阱层和厚度为2nm的Al、N、Ga分层结构混合势垒的共振隧穿二极管。步骤1,选用直径为1.5英寸GaN衬底基片,背面减薄至500nm的厚度,如图3A所示,形成衬底层301。步骤2,采用高纯氮气和三乙基镓分别作为氮源和镓源,硅烷气体作为n型掺杂源,使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法,在温度为1000℃、压力为40托的工艺条件下,如图3B所示,在衬底层301上生长厚度为120nm、掺杂浓度为6×1018cm-3的n+GaN集电极欧姆接触层302。步骤3,采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源,其中镓源由射频等离子体炉产生,使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法,在氮气的流量为1.6mLmin、等离子体输入功率为400W、反射功率为5W、镓炉的温度为850℃的工艺条件下,如图3C所示,在n+GaN集电极欧姆接触层302上生长厚度为6nm的第一GaN隔离层303。步骤4,采用高纯的氮、铝和铟分别作为氮源、铝源和铟源,其中铝源和铟源均由射频等离子炉产生,使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法,在氮气的流量为1.6mLmin,等离子体输入功率均为400W,反射功率均为5W、铝炉和铟炉的温度分别为900和585℃的工艺条件下,如图3D所示,在第一GaN隔离层303上生长总厚度为2nm、每层厚度为0.25nm的Al、N、Ga、N交替层结构势垒304,共计8层,分别为第一Al层3041、第一N层3042、第一Ga层3043、第二N层3044、第二Al层3045、第三N层3046、第二Ga层3047、第四N层3048,如图3E所示。步骤5,采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源,其中镓源由射频等离子体炉产生,使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法,在氮气的流量为1.6mLmin、等离子体输入功率为400W、反射功率为5W、镓炉的温度为850℃的工艺条件下,在第一Al、N、Ga分层结构混合势垒层304上生长厚度为1.8nm的GaN量子阱层305,如图3F所示。步骤6,采用高纯的氮、镓和铟分别作为氮源、镓源和铟源,其中镓源和铟源均由射频等离子炉产生,使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法,在氮气的流量为1.6mLmin、等离子体输入功率均为400W、反射功率均为5W、镓炉和铟炉的温度分别为850和585℃的工艺条件下,在GaN量子阱层305上生长总厚度为2nm、每层厚度为0.25nm的第二Al、N、Ga分层结构混合势垒层306,共计8层,如图3G所示。步骤7,采用高纯的氮和镓分别作为氮源和镓源,其中镓源由射频等离子体炉产生,使用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE方法,在氮气的流量为1.6mLmin、等离子体输入功率为400W、反射功率为5W、镓炉的温度为850℃的工艺条件下,在第二Al、N、Ga分层结构混合势垒层306上生长厚度为2nm的第二GaN隔离层307,如图3H所示。步骤8,采用三乙基镓和高纯氮气分别作为镓源和氮源,硅烷气体作为n型掺杂源,使用金属有机物化学气相淀积MOCVD方法,在温度为1000℃,压力为40托的工艺条件下,在第二GaN隔离层307上生长厚度为80nm、掺杂浓度为5×1018cm-3的n+GaN发射极欧姆接触层308,如图3I所示。步骤9,在n+GaN发射极欧姆接触层上光刻形成直径为15μm的大圆形掩膜图形,采用BCl3Cl2刻蚀气体源,使用反应离子刻蚀RIEReactiveIonEtching方法,刻蚀的深度至n+GaN集电极欧姆接触层308的上表面,形成圆形台面,如图3J所示。步骤10,在整个器件表面采用真空电子束蒸发设备依次蒸发厚度分别为30nm120nm50nm160nm的TiAlNiAu多层金属,使用金属剥离的工艺方法,形成环形电极309和圆形电极310,如图3K所示。步骤11,在氩气气氛、800℃、退火时间为30秒的工艺条件下,对整个器件进行快速热退火RTA,RapidThermalAnealing处理,形成欧姆接触。步骤12,采用PECVD工艺在器件正面淀积厚度为200nm的SiN钝化层311。步骤13,采用CF4气体,使用RIE刻蚀方法,在SiN钝化层311上进行介质层开孔,露出环形电极309和圆形电极310,如图3L所示。步骤14,在刻出的介质孔上蒸发金属TiAu,厚度为20nm180nm,用于器件测试,器件制作完成,如图3M所示。从上面所述可以看出,本发明实施例提供的共振隧穿二极管及其制作方法,采用Ga、N和Al、N交替层混合势垒替代传统AlGaN势垒,从而消除随机合金AlGaN势垒中Al组分分布不均造成的漏电现象,没有随机合金的影响,泄漏电流有明显降低。同时,本发明实施例采取Ga、N和Al、N交替层结构混合势垒替代传统AlGaN势垒,在临近发射极处设置为AlN层,AlN相比AlGaN具有更大的极性,从而在发射极处形成更深的三角阱,获得高的2DEG2DimensionalElectronGas,二维电子气,为隧穿提供较多的隧穿电子,获得高的隧穿电流。此设计即可获得AlN的高极性,又可获得AlGaN势垒高度的可调性。当掺杂浓度一定时,随着禁带宽度变大,费米能级上移,需要更大的外加电压才能发生隧道击穿,产生电流,从而峰值电压增大,因而本发明实施例提供的共振隧穿二极管及其制作方法,具有更大的峰值电压,器件的直流I-V特性能够满足仿真理论预期。综上,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上,本说明书内容不应理解为对本发明的限制,本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

权利要求:1.一种共振隧穿二极管,其特征在于,包括依次设置的n型GaN衬底层、n+GaN集电极欧姆接触层、第一GaN隔离层、第一Al、N、Ga分层结构混合势垒层、GaN量子阱层、第二Al、N、Ga、N混合势垒层、第二GaN隔离层、n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极和钝化层;所述Al、N、Ga分层结构混合势垒层包括Al层、N层和Ga层。2.根据权利要求1所述的共振隧穿二极管,其特征在于,所述Al层、N层和Ga层分别生长,包括两层Al层、两层Ga层和四层N层,其中Al层和Ga层分别交错生长,且Al层和Ga层之间间隔一层N层。3.根据权利要求2所述的共振隧穿二极管,其特征在于,所述第一Al、N、Ga分层结构混合势垒层、第二Al、N、Ga、N混合势垒层中最靠近衬底层的一侧均为Al层。4.根据权利要求1所述的共振隧穿二极管,其特征在于,所述Al层、N层和Ga层的厚度相等。5.根据权利要求1所述的共振隧穿二极管,其特征在于,所述Al层、N层和Ga层的厚度分别相等,每层厚度为0.1-0.5nm。6.一种共振隧穿二极管的制作方法,其特征在于,包括:在衬底层上生长重掺杂n型GaN层,即集电极欧姆接触层;在所述重掺杂n型GaN层上生长第一GaN隔离层;在所述非故意掺杂GaN缓冲层上以1原子层为单位厚度,分别生长第一Al、N和Ga分层结构混合势垒层;在所述Al、N、Ga分层结构混合势垒上生长GaN量子阱层;在所述GaN量子阱层上生长第二Al、N和Ga、N的混合势垒层;在所述第二Al、N、Ga分层结构势垒层上生长第二GaN隔离层;在所述第二GaN隔离层上生长n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极;在所述n+GaN集电极欧姆接触层上方和环形电极上方淀积SiN钝化层,并在环形台面进行刻蚀,露出所述环形电极;在SiN介质上做一层金属布线,并蒸发金属TiAu,用于进行直流I-V测试。7.根据权利要求6所述的共振隧穿二极管的制作方法,其特征在于,在所述非故意掺杂GaN缓冲层上以1原子层为单位厚度,分别生长第一Al、N和Ga分层结构混合势垒层的步骤具体包括:采用射频等离子体辅助分子束外延RF-MBE射频等离子体辅助分子束外延方法按照下述顺序生长:Al层、N层和Ga层、N层、Al层、N层和Ga层、N层,形成混合势垒。8.根据权利要求6所述的共振隧穿二极管的制作方法,其特征在于,所述在所述重掺杂n型GaN层上生长第一GaN隔离层的步骤具体包括:向反应室通入三甲基镓与氮气,保持压力和温度为设定值,生长第一GaN隔离层。9.根据权利要求6所述的共振隧穿二极管的制作方法,其特征在于,所述在衬底层上生长重掺杂n型GaN层的步骤具体包括:将GaN衬底放入MOCVD反应室,向反应室中同时通入三甲基镓和氮气,按照设定的温度和厚度生长重掺杂n型GaN层。10.根据权利要求6所述的共振隧穿二极管的制作方法,其特征在于,所述在所述第二GaN隔离层上生长n+GaN发射极欧姆接触层、环形电极、圆形电极的步骤具体包括:在所述非故意掺杂GaN隔离层上生长重掺杂+的n型GaN层,即n+GaN集电极欧姆接触层;对n+GaN发射极欧姆接触层进行刻蚀形成圆形台面,刻蚀深度至n+GaN集电极欧姆接触层;分别在n+GaN集电极欧姆接触层和n+GaN发射极欧姆接触层上蒸发TiAlNiAu多层金属,形成环形电极和圆形电极,所述环形电极与所述圆形台面不相接触。

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