一種耿氏二極體、其製備方法及毫米波振蕩器的製作方法
2023-06-07 10:35:01 1
專利名稱：一種耿氏二極體、其製備方法及毫米波振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件技術領域，特別涉及到一致性很好的耿氏ニ極管、其製備方法和基於該耿氏ニ極管的功率耦合輸出毫米波振蕩器。
背景技術：
毫米波具有空間/時間解析度高，頻帶大氣窗ロ頻帶達幾十THz，能夠用於探索物質結構，信噪比高且穿透性好等特點。目前，毫米波已經在軍事國防、國家安全、國民經濟等諸多領域顯現出重要的戰略地位和和極好的應用前景。用於產生毫波的振蕩器通常是耿氏ニ極管，耿氏ニ極管一般是由GaAs和InP等化合物半導體材料製備的。這些化合物半導體材料中的電子在弱場下遷移率高達數千cm2/V，在強場下被加速的電子遷移到有效質量大的衛星能谷，遷移率降低，體內產生負微分遷移率，從而出現負微分電導現象，進而導致熱 力學上的不穩定性，即為通常所說的產生了疇，並且，電子從陰極向陽極遷移。疇的產生、傳輸、湮滅再生重複的結果得到振蕩電流而形成射頻輸出。耿氏ニ極管的振蕩頻率是由疇遷移距離決定的，而且為了達到最佳振蕩效果，疇遷移區域(渡越層)的摻雜濃度和渡越層厚度的乘積必須滿足一定條件(如lX1012/cm2)。毫米波用的耿氏ニ極管必須使該遷移距離極短為1-2 μ m。所以在毫米波段渡越層的摻雜濃度相當高。另外，工作時的電流密度由渡越層摻雜濃度和飽和電子速率的乘積決定，在毫米波段由於電流密度増大，導致渡越層溫度上升，振蕩效率下降。為了解決該問題，通常將毫米波耿氏ニ極管設計成渡越層直徑幾十微米的臺面型結構，並將它安裝在直徑幾百微米的金或者金剛石散熱器上。耿氏ニ極管的輸出功率隨著輸出頻率的増加急劇減少，比如InP基耿氏ニ極管在103GHz可輸出200mW，而在152GHz僅能輸出80mW，採用二次諧波形式功率輸出只有3. 5mW@214GHz，採用三次諧波形式功率輸出只有45 μ Wi409GHz, H. Eisele等人利用漸變摻雜結構，改進技術在2010年也只能實現85 μ Wi480GHzo對於特定的耿氏器件來說，它產生的功率輸出是有限的，而在我們的現實生活中具體的需求對毫米波振蕩器輸出功率提出了切實的要求。比如在機場安檢成像中射頻振蕩器的輸出功率太低會使成像的清晰度降低，檢測的靈敏度下降；低功率的通訊信號會很弱，難以辨析，失誤率增加。兩個以上的耿氏ニ極管只要設置的位子合適，使其功率耦合便可以得到大於單只管子功率的輸出。在某種意義上講，多管耦合輸出射頻器在很多情況下能夠取代提高管子大功率輸出性能的進ー步研發。將多隻管子設置在同一共振腔中使其功率耦合時共振腔的結構必須確保每個提供能量的功率源管子振蕩在同一頻率，而且同相位輸出。幸運的是使用耿氏ニ極管作為毫米波功率源能夠避免複雜的電路結構。早在1971年Kaneko等人就提出了將多隻耿氏ニ極管安置在同一微波振蕩器中，通過這些管子的功率耦合實現大功率射頻輸出的設想，該文阜發表在 IEEE G-MTT International Microwave Symposium Proceedings. 1971, pp. 156,多隻管子耦合在波導腔上下壁之間，管子產生的微波能量平行耦合到波導腔輸出。雖然Kaneko等人提出的這ー結構通過使用多管功率耦合在單點頻率展示了增大功率輸出的可行性，但是，提供管子偏壓的電路過於複雜；採用多波導腔結構過於複雜，而且佔用空間太大。
發明內容
為了解決上述問題，本發明提供了ー種工作穩定性高的耿氏ニ極管；利用腐蝕出的深溝緩解應カ有效地減小材料加工易碎性，利用集成熱沉散熱改善耿氏ニ極管的散熱性能，利用自對準幹法刻蝕減小器件的性能差異的該耿氏ニ極管的製備方法；同時，基於該耿氏ニ極管，本發明還提出了多個耿氏ニ極管耦合後使輸出功率増大的毫米波振蕩器。本發明提供的耿氏ニ極管由下至上依次包括集成熱沉、金屬電極、渡越層、第二接觸層、頂電極和金加厚電極。 作為優選，在所述金屬電極和渡越層之間還包括第一接觸層。基於本發明提供的耿氏ニ極管的製備方法包括以下步驟在半導體襯底上依次沉積腐蝕終止層、第二接觸層、渡越層、第一接觸層，形成第I中間產物；對所述第I中間產物表面進行腐蝕，直至所述腐蝕終止層，形成深溝，從而使所述第I中間產物從所述第一接觸層開始直至所述腐蝕終止層的部分被所述深溝隔離，形成第II中間產物；在所述深溝和所述第一接觸層的剩餘部分表面蒸發電極，對所述電極進行退火，使所述電極層實現歐姆接觸，之後，在所述沉積電極上鍍金，所述鍍金層即為集成熱沉，形成第III中間產物；對所述半導體襯底進行腐蝕將所述襯底去除，之後,對所述腐蝕終止層進行腐蝕將所述腐蝕終止層去除，使所述第二接觸層露出，形成所述第IV中間產物；在所述第二接觸層上光刻出頂電極的位置，之後向所述第二接觸層上蒸發頂電扱，再在所述頂電極上鍍金，所述鍍金層即為金加厚電極，形成第V中間產物；將所述第V中間產物處於頂電極覆蓋的範圍之外的部分進行腐蝕後去除，產物即為所述耿氏ニ極管終產物。作為優選，對所述半導體襯底進行腐蝕將所述襯底去除時,選擇性腐蝕並去除襯底，或者完全腐蝕並去除襯底。作為優選，將所述第V中間產物處於頂電極覆蓋的範圍之外的部分進行腐蝕後去除時，所述腐蝕為頂電極自對準幹法刻蝕或者以頂電極作為掩膜進行溼法腐蝕。基於本發明提供的耿氏ニ極管的毫米波振蕩器，包括波導腔，其特徵在於，在所述波導腔中每間隔Xg/2的距離封入一個所述耿氏ニ極管或者封入在同一共振帽下的兩個所述耿氏ニ極管。作為優選，所述耿氏ニ極管是封入銅柱內再封入所述波導腔中的，或者使用陶瓷環材料通過熱壓金絲導線封入所述波導腔中的。作為優選，所述在同一共振帽下的兩個所述耿氏ニ極管是將共振帽壓焊在耿氏ニ極管頂電極上得到的。本發明利用腐蝕深溝緩解應カ減小材料的加工易碎性，利用集成熱沉改善散熱性能，利用自對準幹法刻蝕減小器件性能差異，本發明提供的耿氏ニ極管工作穩定性高、一致性強；本發明提供的毫米波振蕩器在多個該耿氏ニ極管耦合後輸出功率増大，能夠有效地解決耿氏ニ極管器件高頻輸出功率小的問題。
圖I為本發明實施例提供的InP型耿氏ニ極管元件結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的InP型耿氏ニ極管制備方法中第I中間產物結構示意圖；
圖3為本發明實施例提供的InP型耿氏ニ極管制備方法中第II中間產物結構示意圖；圖4為本發明實施例提供的InP型耿氏ニ極管制備方法中第III中間產物結構示意圖；圖5為本發明實施例提供的InP型耿氏ニ極管制備方法中第IV中間產物結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的InP型耿氏ニ極管制備方法中第V中間產物結構示意圖；圖7為本發明實施例提供的InP型耿氏ニ極管制備方法中InP型耿氏ニ極管終產物結構示意圖；圖8為本發明實施例提供的毫米波振蕩器多對耿氏ニ極管中的每對耿氏ニ極管分兩列前後間隔，置於所述波導腔中的結構示意圖；圖9為本發明實施例提供的毫米波振蕩器的每對耿氏ニ極管的頂電極被壓焊於同一共振帽下的結構示意圖。
具體實施例方式為了深入了解本發明，下面結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細說明。本發明以InP型耿氏ニ極管、其製備方法及基於該耿氏ニ極管的毫米波振蕩器為例進行詳細說明。參見附圖1，本發明提供的InP型耿氏ニ極管由下至上依次包括集成熱沉7、沉積電極6、InP渡越層4、InP第二接觸層3、頂電極2和金加厚電極I。其中，在金屬電極和渡越層之間還包括InP第一接觸層5。其中，集成熱沉7的材料可以為金，厚度可以為25 μ m ;沉積電極6中各組分及其比例可以為 Ni Ge Au Ge Ni Au=40 40 660 80 30 2200 A; InP 第一接觸層5的厚度可以為500nm,摻雜濃度可以為2 X 1018atom/cm3 ；InP渡越層4的厚度可以為1300nm,摻雜濃度可以為I X 1016atom/cm3 ;InP第二接觸層3的厚度可以為500nm,摻雜濃度可以為2X 1018atom/cm3 ;頂電極2的直徑可以為20 65 μ m ;金加厚電極I的厚度可以為25 μ m。基於本發明提供的InP型耿氏ニ極管的製備方法包括以下步驟參見附圖2，在InP襯底8上依次沉積InGaAs腐蝕終止層9、InP第二接觸層3、InP渡越層4、InP第一接觸層5，形成第I中間產物。參見附圖3，在InP第一接觸5上進行光刻後從InP第一接觸層5開始對第I中間產物進行腐蝕直至InGaAs腐蝕終止層9，被腐蝕去除的部位形成深溝10，從而使第I中間產物從InP第一接觸層5開始直至InGaAs腐蝕終止層9的部分被深溝10隔離，形成第II中間產物。本實施例中，深溝10的寬度為100 μ m，第I中間產物從InP第一接觸層5開始直至InGaAs腐蝕終止層 9的部分被深溝10隔離成400 μ mX400 μ m的方塊。參見附圖4，在深溝10和InP第一接觸層5的剰餘部分表面蒸發沉積電極，對沉積電極進行退火，使沉積電極實現歐姆接觸，之後，在沉積電極上鍍金，鍍金層即為集成熱沉，沉積電極和集成熱沉的總編號為11，形成第III中間產物。本實施例中，退火溫度為370°C，退火持續時間為80s。參見附圖5，對InP襯底8進行腐蝕將InP襯底8去除，之後，對InGaAs腐蝕終止層9進行腐蝕將InGaAs腐蝕終止層9去除，使InP第二接觸層3露出，形成第IV中間產物。參見附圖6，在InP第二接觸層3上光刻出頂電極的位置之後向InP第二接觸層3上蒸發頂電極，之後，在頂電極上鍍金，鍍金層即為金加厚電極，頂電極和金加厚電極的總編號為12，形成第V中間產物。參見附圖7，將第V中間產物處於頂電極覆蓋的範圍之外的部分進行腐蝕後去除，產物即為InP型耿氏ニ極管終產物。其中，集成熱沉7的材料可以為金，厚度可以為25 μ m ;沉積電極6中各組分及其比例可以為 Ni Ge Au Ge Ni Au=40 40 660 80 30 2200 A: InP 第一接觸層5的厚度可以為500nm,摻雜濃度可以為2 X 1018atom/cm3 ；InP渡越層4的厚度可以為1300nm,摻雜濃度可以為I X 1016atom/cm3 ;InP第二接觸層3的厚度可以為500nm,摻雜濃度可以為2X 1018atom/cm3 ;頂電極2的直徑可以為20 65 μ m ;金加厚電極I的厚度可以為25 μ m。其中，沉積是採用MOCVD法實現的。其中，在對InP襯底8進行腐蝕時，可以選擇性腐蝕並去除襯底，或者完全腐蝕並去除襯底。腐蝕液中組分及配比為HCl H20=3 I。其中，在對InGaAs腐蝕終止層9進行腐蝕時，腐蝕液中組分及配比為H3PO4 H2O2 H20=3 : I : 50。其中，將第V中間產物處於頂電極覆蓋的範圍之外的部分進行腐蝕後去除時，腐蝕為頂電極自對準幹法刻蝕或者以頂電極作為掩膜進行溼法腐蝕。參見附圖8，基於本發明提供的耿氏ニ極管的毫米波振蕩器，包括波導腔，在波導腔中每間隔Xg/2的距離封入一個耿氏ニ極管或者封入在同一共振帽下的兩個耿氏ニ極管，在圖中的編號為14。其中，耿氏ニ極管可以是封入銅柱內再封入波導腔中的，或者使用陶瓷環等材料通過熱壓金絲導線封入波導腔中的。其中，參見附圖9，在同一共振帽下的兩個耿氏ニ極管是將共振帽13壓焊在耿氏ニ極管頂電極2上得到的。應用本發明提供的毫米波振蕩器時，輸出頻率可以達到200GHz。本發明提供的InP型耿氏ニ極管工作穩定性高；本發明提供的InP型耿氏ニ極管的製備方法利用腐蝕出的深溝緩解應カ從而有效地減小了材料加工易碎性；本發明提供的毫米波振蕩器在多個該InP型耿氏ニ極管耦合後輸出功率増大。本發明的技術方案也適用於其他類型耿氏ニ極管、其製備方法及毫米波振蕩器，但相關參數需要做相應調整。以上所述的具體實施方式
，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進ー步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式
而已，並不用於限制本發 明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種耿氏二極體，其特徵在於，由下至上依次包括集成熱沉、金屬電極、渡越層、第二接觸層、頂電極和金加厚電極。
2.根據權利要求I所述的耿氏二極體，其特徵在於，在所述金屬電極和渡越層之間還包括第一接觸層。
3.基於權利要求2所述的耿氏二極體的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟 在半導體襯底上依次沉積腐蝕終止層、第二接觸層、渡越層、第一接觸層，形成第I中間產物； 對所述第I中間產物表面進行腐蝕，直至所述腐蝕終止層，形成深溝，從而使所述第I中間產物從所述第一接觸層開始直至所述腐蝕終止層的部分被所述深溝隔離，形成第II中間產物； 在所述深溝和所述第一接觸層的剩餘部分表面蒸發電極，對所述電極進行退火，使所述電極層實現歐姆接觸，之後，在所述沉積電極上鍍金，所述鍍金層即為集成熱沉，形成第III中間產物； 對所述半導體襯底進行腐蝕將所述襯底去除，之後，對所述腐蝕終止層進行腐蝕將所述腐蝕終止層去除，使所述第二接觸層露出，形成所述第IV中間產物； 在所述第二接觸層上光刻出頂電極的位置，之後向所述第二接觸層上蒸發頂電極，再在所述頂電極上鍍金，所述鍍金層即為金加厚電極，形成第V中間產物； 將所述第V中間產物處於頂電極覆蓋的範圍之外的部分進行腐蝕後去除，產物即為所述耿氏二極體終產物。
4.根據權利要求3所述的耿氏二極體的製備方法，其特徵在於，對所述半導體襯底進行腐蝕將所述襯底去除時，選擇性腐蝕並去除襯底，或者完全腐蝕並去除襯底。
5.根據權利要求3所述的耿氏二極體的製備方法，其特徵在於，將所述第V中間產物處於頂電極覆蓋的範圍之外的部分進行腐蝕後去除時，所述腐蝕為頂電極自對準幹法刻蝕或者以頂電極作為掩膜進行溼法腐蝕。
6.基於權利要求I或2所述的耿氏二極體的毫米波振蕩器，包括波導腔，其特徵在於，在所述波導腔中每間隔Xg/2的距離封入一個所述耿氏二極體或者封入在同一共振帽下的兩個所述耿氏二極體。
7.根據權利要求6所述的毫米波振蕩器，其特徵在於，所述耿氏二極體是封入銅柱內再封入所述波導腔中的，或者使用陶瓷環材料通過熱壓金絲導線封入所述波導腔中的。
8.根據權利要求7所述的毫米波振蕩器，其特徵在於，所述在同一共振帽下的兩個所述耿氏二極體是將共振帽壓焊在耿氏二極體頂電極上得到的。
全文摘要
本發明公開了一種耿氏二極體、其製備方法及功率合成毫米波振蕩器，屬於半導體器件技術領域。該耿氏二極體由下至上依次包括集成熱沉、金屬電極、渡越層、第二接觸層、頂電極和金加厚電極。該製備方法包括在半導體襯底上依次生長第一接觸層、渡越層及第二接觸層，在樣品表面腐蝕深槽，蒸發電極並電鍍熱沉，去除襯底，蒸發頂電極，幹法刻蝕形成耿氏二極體。該毫米波振蕩源將上述製備的一致性很好的耿氏二極體成對封于波導腔內的共振帽下、間隔λg/2前後排開。該方法減小了材料加工易碎性；改善了器件的散熱性能；減少了器件性能差異。該毫米波振蕩器是多個耿氏二極體耦合後射頻輸出，成倍增大輸出功率。
文檔編號H01L47/02GK102738392SQ20121023391
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月6日 優先權日2012年7月6日
發明者劉新宇, 葉甜春, 武德起, 賈銳, 金智 申請人:中國科學院微電子研究所