增強型線性梯度摻雜的GaAs平面耿氏二極體及其製作方法
2023-06-07 10:28:51
專利名稱：增強型線性梯度摻雜的GaAs平面耿氏二極體及其製作方法
技術領域：
本發明涉及微波器件中二極體技術領域，尤其涉及一種增強型線性梯度摻雜GaAs 平面耿氏二極體及其製作方法。
背景技術：
以耿氏二極體等非線性器件為核心的振蕩器常用作高頻本振源。耿氏二極體是毫 米波段振蕩器的有源非線性器件，由於高質量半導體材料的製造、加工工藝和裝配等技術 的不斷發展，使得器件表現出卓越的性能。同時耿氏二極體製備過程簡單，結構靈活，所以 它們不僅作為各類接收機混頻器的本振源，而且在雷達、通信、空間技術等方面可以作為中 小功率的信號源，是目前應用最廣泛的半導體振蕩器。傳統的耿氏二極體，材料結構中不包含N_層，而且在N型層上採用均勻摻雜，主體 結構為兩端垂直結構。這種摻雜結構的雙端Gurm 二極體，在毫米波、亞毫米波頻率範圍內， N型有源區的有效長度減小，射頻輸出功率和轉換效率減弱；這種摻雜結構的Gurm 二極體 不能利用直流電壓直接對輸出振蕩頻率調諧 』雙端Gurm 二極體不利於實現單片集成，導致 系統中需要大量的器件載體、外接偏置電路和金屬波導等體積較大的組件。
發明內容
(一)要解決的技術問題有鑑於此，本發明的一個目的在於提供一種增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏 二極體，在線性梯度摻雜的N型層上外延生長N—型層，有源區的摻雜由傳統的均勻摻雜變 為線性梯度摻雜，保證N型有源區的有效長度不變，增強直流電壓直接對輸出振蕩頻率調 諧的能力，增強直流到射頻信號的轉換效率；器件結構由垂直雙端結構變為平面結構，減少 系統中大量的器件載體、外接偏置電路和金屬波導等體積較大的組件，實現單片集成。本發明的另一個目的在於提供一種GaAs平面耿氏二極體的製作方法，其製作方 法與集成電路工藝相兼容，便於製作毫米波、亞毫米波範圍內的集成振蕩電路。( 二)技術方案為達到上述一個目的，本發明提供了一種增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二 極管，該二極體包括用於支撐整個GaAs平面耿氏二極體的半導體絕緣襯底；在半導體絕緣襯底上外延生長的高摻雜下底面N+層；在下底面N+層上繼續外延生長的線性梯度摻雜N型層；在線性梯度摻雜N型層上外延生長的N_型層；在N—型層上外延生長的高摻雜上表面N+層；經過挖島和隔離兩個工藝步驟，在下底面N+層和上表面N+層上形成的臺面結構；在上表面N+型層上蒸發金屬形成歐姆接觸的上電極；以及
在下底面N+型層上蒸發金屬形成歐姆接觸的下電極。上述方案中，所述半導體絕緣襯底是半導體絕緣GaAs襯底。上述方案中，所述N型層與所述N_型層之間的交界處為低摻雜，所述N型層與所 述下表面N+層之間的交界處為高摻雜；從N型層與N_型層之間界面到下表面N+層與N層 界面之間的摻雜濃度滿足線性梯度摻雜分布。為達到上述另一個目的，本發明提供了一種GaAs平面耿氏二極體的製作方法，該 方法包括A、在半導體絕緣襯底上外延生長高摻雜的下底面N+層；B、在下底面N+層上外延生長的線性梯度摻雜的N型層；C、在線性梯度摻雜的N型層上生長的N—型層；D、在N—型層上生長的高摻雜的上表面N+層；E、採用溼法刻蝕減小上表面N+層和下底面N+層的面積，形成上表面N+層與下底 面N+層的臺面結構；F、在上表面N+層和下底面N+層上分別蒸發金屬形成歐姆接觸；G、採用溼法刻蝕，形成半導體絕緣襯底的臺面結構；在該半導體絕緣襯底的臺面 結構上蒸發金屬形成上、下電極引線，通過製作空氣橋把上表面N+型層上的電極引出。上述方案中，所述半導體絕緣襯底是半導體絕緣GaAs襯底。上述方案中，所述在半導體絕緣襯底的臺面結構上蒸發金屬形成的上、下電極引 線採用的金屬為Ti/Pt/Au。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1，本發明提供的這種增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體，在在線性梯度 摻雜的N型層上外延生長了 N—型層，保證N型有源區的有效長度不變，使得在毫米波、亞毫 米波頻率範圍內，增加射頻輸出功率和轉換效率。2、本發明提供的這種增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體，N型層採用線性 梯度摻雜。這種結構的耿氏二極體，有利於用直流電壓直接對輸出振蕩頻率調諧，有利於提 高毫米波振蕩電路直流到射頻信號轉換效率。3、本發明提供的這種增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體，在半導體絕緣 GaAs襯底、下底面N+層和上表面N+層形成臺面結構，下底面N+層上蒸發金屬形成下電極， 上表面N+型層上蒸發金屬形成上電極。通過製作空氣橋，上電極由空氣橋與半導體絕緣 GaAs襯底上的下電極引線相連引出。這種空氣橋結構的耿氏二極體有利於器件熱輸導，提 高器件的熱穩定性。4、本發明提供的這種增強型線性梯度摻雜的GaAs平面耿氏二極體，製作簡便，易 於應用在平面集成振蕩電路中，不需要額外的載體器件，易於實現單片集成。
圖1為本發明提供的增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體載流子濃度分布 圖；圖2為本發明提供的增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體I_V仿真曲線；
圖3為本發明提供的增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體的截面圖；圖4為本發明提供的增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體的俯視圖；圖5為本發明提供的製作增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體的方法流程 圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1為本發明提供的增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體材料 結構的載流子濃度分布圖。如圖2所示，圖2為本發明提供的增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體材料 結構的直流仿真結果。從圖中可以看出當外加直流電壓大於1.8伏時，耿氏二極體表現出 負微分電阻特性。如圖3所示，圖3為本發明提供的增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體的截 面圖。所述截面圖是沿增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體下電極兩端的垂直於襯 底的截面圖。該GaAs平面耿氏二極體包括用於支撐整個GaAs平面耿氏二極體的半導體絕緣襯底；在半導體絕緣襯底上外延生長的高摻雜下底面N+層；在下底面N+層上繼續外延生長的線性梯度摻雜N型層；在線性梯度摻雜N型層上外延生長的N—型層；在N—型層上外延生長的高摻雜上表面N+層；經過挖島和隔離兩個工藝步驟，在下底面N+層和上表面N+層上形成的臺面結構；在上表面N+型層上蒸發金屬形成歐姆接觸的上電極；以及在下底面N+型層上蒸發金屬形成歐姆接觸的下電極。如圖4所示，圖4為本發明提供的該GaAs平面耿氏二極體的俯視圖。結合圖3和 圖4可知，本發明提供的這種二極體是一種臺面結構，上電極金屬由空氣橋引出。這種結構 應用在電路中具有很大的靈活性，便於單片集成，節約成本。基於圖3和圖4所示的GaAs平面耿氏二極體示意圖，圖5示出了本發明提供的制 作GaAs平面耿氏二極體的方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟1 在半導體絕緣襯底上外延生長高摻雜的下底面N+層；步驟2 在下底面N+層上外延生長的線性梯度摻雜的N型層；步驟3 在線性梯度摻雜的N型層上生長的N—型層；步驟4 在N—型層上生長的高摻雜的上表面N+層；步驟5 採用溼法刻蝕減小上表面N+層和下底面N+層的面積，形成上表面N+層與 下底面N+層的臺面結構；步驟6 在上表面N+層和下底面N+層上分別蒸發金屬形成歐姆接觸；步驟7 對上、下電極金屬進行退火處理；步驟8 採用溼法刻蝕，形成半導體絕緣襯底的臺面結構；步驟9 在該半導體絕緣襯底的臺面結構上蒸發金屬形成上、下電極引線，通過製作空氣橋把上表面N+型層上的電極引出。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，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
1.一種增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體，其特徵在於，該二極體包括用於支撐整個GaAs平面耿氏二極體的半導體絕緣襯底；在半導體絕緣襯底上外延生長的高摻雜下底面N+層；在下底面N+層上繼續外延生長的線性梯度摻雜N型層；在線性梯度摻雜N型層上外延生長的N—型層；在N—型層上外延生長的高摻雜上表面N+層；經過挖島和隔離兩個工藝步驟，在下底面N+層和上表面N+層上形成的臺面結構；在上表面N+型層上蒸發金屬形成歐姆接觸的上電極；以及在下底面N+型層上蒸發金屬形成歐姆接觸的下電極。
2.根據權利要求1所述的GaAs平面耿氏二極體，其特徵在於，所述半導體絕緣襯底是 半導體絕緣GaAs襯底。
3.根據權利要求1所述的GaAs平面耿氏二極體，其特徵在於，所述N型層與所述N—型 層之間的交界處為低摻雜，所述N型層與所述下表面N+層之間的交界處為高摻雜；從N型 層與N—型層之間界面到下表面N+層與N層界面之間的摻雜濃度滿足線性梯度摻雜分布。
4.一種GaAs平面耿氏二極體的製作方法，其特徵在於，該方法包括A、在半導體絕緣襯底上外延生長高摻雜的下底面N+層；B、在下底面N+層上外延生長的線性梯度摻雜的N型層；C、在線性梯度摻雜的N型層上生長的N—型層；D、在N—型層上生長的高摻雜的上表面N+層；E、採用溼法刻蝕減小上表面N+層和下底面N+層的面積，形成上表面N+層與下底面N+ 層的臺面結構；F、在上表面N+層和下底面N+層上分別蒸發金屬形成歐姆接觸；G、採用溼法刻蝕，形成半導體絕緣襯底的臺面結構；在該半導體絕緣襯底的臺面結構 上蒸發金屬形成上、下電極引線，通過製作空氣橋把上表面N+型層上的電極引出。
5.根據權利要求4所述的GaAs平面耿氏二極體的製作方法，其特徵在於，所述半導體 絕緣襯底是半導體絕緣GaAs襯底。
6.根據權利要求4所述的GaAs平面耿氏二極體的製作方法，其特徵在於，所述在半導 體絕緣襯底的臺面結構上蒸發金屬形成的上、下電極引線採用的金屬為Ti/Pt/Au。
全文摘要
本發明公開了一種增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體，包括用於支撐整個GaAs平面耿氏二極體的半導體絕緣襯底；在半導體絕緣襯底上外延生長的高摻雜下底面N+層；在下底面N+層上繼續外延生長的線性梯度摻雜N型層；在線性梯度摻雜N型層上外延生長的N-型層；在N-型層上外延生長的高摻雜上表面N+層；經過挖島和隔離兩個工藝步驟，在下底面N+層和上表面N+層上形成的臺面結構；在上表面N+型層上蒸發金屬形成歐姆接觸的上電極；以及在下底面N+型層上蒸發金屬形成歐姆接觸的下電極。本發明同時公開了一種增強型線性梯度摻雜GaAs平面耿氏二極體的製作方法。利用本發明，提高了毫米波、亞毫米波範圍振蕩電路的工作頻率，增強了直流到射頻信號的轉換效率。
文檔編號H01L47/02GK102074651SQ20091023876
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月24日 優先權日2009年11月24日
發明者吳茹菲, 張海英, 楊浩, 董軍榮, 黃杰 申請人:中國科學院微電子研究所