CN100485971C - 一种砷化镓pin二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaAs PIN二极管，该GaAs PIN二极管包括：用于支撑整个GaAs PIN二极管的半绝缘GaAs衬底；在半绝缘GaAs衬底上外延生长的高掺杂N⁺层，在高掺杂N⁺层上依次外延生长的接近本征的高阻I层和P⁺层；通过采用湿法刻蚀，所述高掺杂N⁺层、高阻I层和P⁺层的面积依次减小形成台面结构；在P⁺层上蒸发金属形成的圆形结构上电极；在N⁺层上蒸发金属形成的半环形结构下电极。本发明同时公开了一种GaAsPIN二极管的制作方法。利用本发明，不增加工艺难度的前提下有效降低了PIN二极管的寄生电容，同时，连接上电极的微带线大大缩短，由其引入的寄生电感可以大幅减小，甚至可以忽略，无需使用空气桥工艺，制作简便，能够获得更好的高频特性，且易于实现单片集成。

Description

一种砷化镓PIN二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及微电子器件中二极管技术领域，尤其涉及一种砷化镓(GaAs)PIN二极管及其制作方法。

背景技术

PIN二极管是微波控制电路中应用最普遍的一种器件，其特点是可控功率大、插入损耗小以及可以得到近似短路和开路的良好特性，可应用于开关电路、限幅器、移相器、衰减器和调制器等控制电路中。

相对于传统的Si PIN二极管，GaAs PIN二极管的高频特性更为优越，是微波系统中不可或缺的重要器件，因此，研制性能优良的GaAs PIN二极管具有重要意义。

如图1所示，图1为目前常见的台面结构PIN二极管俯视图。其中，上电极3、下电极4分别由P⁺层和N⁺层欧姆接触金属构成。这种结构上电极为圆形，下电极为圆环形，电流分布均匀，可避免局部区域电荷积聚，有利于提高器件的功率容量和击穿电压。

但是，当这种结构应用到单片电路中时，二极管上下电极需要通过微带线2与电路其他部分连接，连接上电极的微带线将跨越下电极表面，出现图1所示的重叠区域1，引入寄生电容。

较大的寄生电容将使二极管反偏状态时对高频信号的隔离度降低，严重影响二极管开路特性。为减小寄生电容，常用的解决办法是在阴影部分采用空气桥结构(参照非专利文献1、2)。采用空气桥结构后，布线金属与下电极金属间距将加大，而且，桥面下为空气，相对介电常数为1，由此可知，采用空气桥结构后，寄生电容值将减小至原来的几十分之一。

非专利文献1，Takasu H.Estimation of equivalent circuit parameters fora millimetre-wave GaAs PIN diode switch[C].Circuits，Devices and Systems，IEE Proceedings.Volume：150，Issue：2，April 2003：92-94。

非专利文献2，Jar-Lon Lee，Zych D.，Reese E.；Drury D.M.Monolithic2-18 GHz low loss，on-chip biased PIN diode switches[C].Microwave Theoryand Techniques，IEEE Transactions on，Volume：43，Issue：2，Feb.1995：250-256。

但是，空气桥结构将增加工艺难度，桥面容易出现塌陷或断裂现象，降低成品率，桥面金属将引入一定的寄生电感。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种GaAs PIN二极管，以在不增加工艺难度的前提下有效降低PIN二极管的寄生电容。

本发明的另一个目的在于提供一种GaAs PIN二极管的制作方法，以在不增加工艺难度的前提下有效降低PIN二极管的寄生电容。

(二)技术方案

为达到上述一个目的，本发明提供了一种砷化镓GaAs PIN二极管，该GaAs PIN二极管包括：

用于支撑整个GaAs PIN二极管的半绝缘GaAs衬底；

在半绝缘GaAs衬底上外延生长的高掺杂N⁺层，在高掺杂N⁺层上依次外延生长的接近本征的高阻I层和P⁺层；通过采用湿法刻蚀，所述高掺杂N⁺层、高阻I层和P⁺层的面积依次减小形成台面结构；

在P⁺层上蒸发金属形成的圆形结构上电极；

在N⁺层上蒸发金属形成的半环形结构下电极。

所述在P⁺层上形成圆形结构上电极和在N⁺层上形成半环形结构下电极的金属为Pt/Ti/Au或Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。

为达到上述另一个目的，本发明提供了一种GaAs PIN二极管的制作方法，该方法包括：

A、在半绝缘GaAs衬底上外延生长高掺杂的N⁺层；

B、在N⁺层上依次外延生长接近本征的高阻层I和P⁺层；

C、采用湿法刻蚀依次刻蚀减小所述高掺杂N⁺层、高阻I层和P⁺层的面积，形成台面结构；

D、在P⁺层和N⁺层上分别蒸发金属形成圆形结构上电极和半环形结构下电极。

所述步骤D包括：在P⁺层和N⁺层上分别蒸发金属Pt/Ti/Au或Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au，形成圆形结构上电极和半环形结构下电极。

该方法进一步包括：

E、采用RTP法完成P⁺层和N⁺层欧姆接触；

F、在整个二极管器件表面淀积氮化硅，并采用干法刻蚀淀积的氮化硅打开电极引线窗口。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种GaAs PIN二极管，由于上电极引出线无需与下电极重叠，由上电极引出线引入的寄生电容可以忽略，因此有效降低了PIN二极管的寄生电容，并且实现工艺简单，没有增加工艺的难度。

2、本发明提供的这种GaAs PIN二极管，连接上电极的微带线大大缩短，由其引入的寄生电感可以大幅减小，甚至可以忽略。

3、本发明提供的这种GaAs PIN二极管，无需使用空气桥工艺，制作简便，能够获得更好的高频特性，且易于实现单片集成。

4、本发明提供的这种GaAs PIN二极管，制作简便，能够获得更好的高频特性。

附图说明

图1为目前常见的台面结构PIN二极管俯视图；

图2为本发明提供的GaAs PIN二极管的截面图；

图3为本发明提供的GaAs PIN二极管的俯视图；

图4为本发明提供的制作GaAs PIN二极管的方法流程图；

图5为本发明提供的GaAs PIN二极管的I—V曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图2所示，图2为本发明提供的GaAs PIN二极管的截面图。所述截面图是沿GaAs PIN二极管下电极半环两端的垂直于衬底的截面图。该GaAs PIN二极管包括：

用于支撑整个GaAs PIN二极管的半绝缘GaAs衬底；

在半绝缘GaAs衬底上外延生长的高掺杂N⁺层，在高掺杂N⁺层上依次外延生长的接近本征的高阻I层和P⁺层；通过采用湿法刻蚀，所述高掺杂N⁺层、高阻I层和P⁺层的面积依次减小形成台面结构；

在P⁺层上蒸发金属形成的圆形结构上电极23；在N⁺层上蒸发金属形成的半环形结构下电极24。

所述在P⁺层上形成圆形结构上电极和在N⁺层上形成半环形结构下电极的金属为Pt/Ti/Au或Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。

如图3所示，图3为本发明提供的GaAs PIN二极管的俯视图。由图3可知，由于本发明的GaAs PIN二极管的上电极23引出线无需与下电极24重叠，所以，可以忽略寄生电容。而且，在该种结构中，连接上电极的微带线22大大缩短，由其引入的寄生电感可以大幅减小，甚至可以忽略。并且，这种结构制作简便，能够获得更好的高频特性，且易于实现单片集成。

基于图2和图3所示的GaAs PIN二极管示意图，图4示出了本发明提供的制作GaAs PIN二极管的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤401：在半绝缘GaAs衬底上外延生长高掺杂的N⁺层；

步骤402：在N⁺层上依次外延生长接近本征的高阻层I和P⁺层；

步骤403：采用湿法刻蚀依次刻蚀减小所述高掺杂N⁺层、高阻I层和P⁺层的面积，形成台面结构；

步骤404：在P⁺层和N⁺层上分别蒸发金属形成圆形结构上电极和半环形结构下电极；

在本步骤中，在P⁺层和N^-层上分别蒸发的金属一般为Pt/Ti/Au或Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。

该方法在步骤404之后还可以进一步包括：

步骤405：采用RTP法完成P⁺层和N⁺层欧姆接触；

步骤406：在整个二极管器件表面淀积氮化硅，并采用干法刻蚀淀积的氮化硅打开电极引线窗口。

为了验证本发明提供的GaAs PIN二极管的性能，下面对本发明提供的GaAs PIN二极管进行参数测试与结果分析。

一、电阻值测试

首先，测试PIN二极管的直流I—V特性。图5为本发明提供的GaAsPIN二极管的I—V曲线图，不同偏置点所对应曲线斜率代表该偏置条件下二极管电阻。从图中容易得到不同正向偏置电流对应的导通电阻R_on。

正向偏置时，导通电阻R_on为R_C与R_i之和，其中欧姆接触电阻R_C不随偏置电流变化，R_i由公式(1)决定。

$R_i=\frac{1}{I_F}\frac{W_I}{4\mathrm{\τ}}\frac{{\mathrm{\μ}}_n+{\mathrm{\μ}}_p}{{\mathrm{\μ}}_n{\mathrm{\μ}}_p}---\left(1\right)$

I_F为正向偏置电流，μ_n和μ_p为电子和空穴迁移率，τ为I型层载流子寿命。可见，对同一个PIN二极管，R_i与I_F成反比，只要获得在不同正向偏置电流下的R_on，就可以方便的推出R_C和R_i的数值。

二、电容值确定

GaAs PIN二极管反向偏置时，反向电容C_off决定二极管高频特性。使用矢量网络分析仪测试二极管反向偏置状态的S参数，转化为Z参数，可以计算出C_off数值。

由于寄生电容C_S的存在，直接通过测试确定反偏结电容C_i有一定困难。但是，对于P型层和N型层高掺杂的GaAs PIN二极管来说，由公式(2)计算出的结电容C_i具有很高的准确度，可以直接用于器件模型。

$C_i={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_I\frac{A_I}{W_I}---\left(2\right)$

其中ε_I为I型层相对介电常数(约为12.9)，A_I为I层平均截面积(约等于上电极面积)，W_I为I层厚度。

三、测试结果

为了便于比较，同时制作了下电极为圆环结构和改进的下电极为半环结构的二极管。

表1 PIN二极管参数

 

序号	RI(Ω)	RC(Ω)	COFF(pF)
				1	0.88	1.57	0.16
2	0.76	0.80	0.56
				3	2.22	1.55	0.10
4	2.44	0.85	0.28

表1

表1为所制作的几种GaAs PIN二极管的实测参数。1号和2号二极管上电极半径均为37μm，3号和4号二极管上电极半径均为22μm，其中，1号和3号下电极为半环结构，2号和4号下电极为圆环结构。

从表中可以看出，下电极半环结构的二极管反偏电容C_off明显减小，证明该结构起到了应有作用。同时，注意到下电极半环结构PIN二极管接触电阻R_C增加，这主要是下电极有效面积减小的结果。总体来看，下电极半环结构PIN二极管正偏导通电阻增加的幅度远小于反偏电容减小的幅度，而且，接触电阻R_C有望通过改变欧姆接触合金条件和合金组分来减小，因此，下电极半环结构对改善PIN二极管高频特性是有效的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种砷化镓GaAs PIN二极管，其特征在于，该GaAs PIN二极管包括：

用于支撑整个GaAs PINN二极管的半绝缘GaAs衬底；

在半绝缘GaAs衬底上外延生长的高掺杂N⁺层，在高掺杂N⁺层上依次外延生长的接近本征的高阻I层和P⁺层；通过采用湿法刻蚀，所述高掺杂N⁺层、高阻I层和P⁺层的面积依次减小形成台面结构；

在P⁺层上蒸发金属形成的圆形结构上电极；

在N⁺层上蒸发金属形成的半环形结构下电极。

2、根据权利要求1所述的GaAs PIN二极管，其特征在于，所述在P⁺层上形成圆形结构上电极和在N⁺层上形成半环形结构下电极的金属为Pt/Ti/Au或Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。

3、一种GaAs PIN二极管的制作方法，其特征在于，该方法包括：

A、在半绝缘GaAs衬底上外延生长高掺杂的N⁺层；

B、在N⁺层上依次外延生长接近本征的高阻层I和P⁺层；

C、采用湿法刻蚀依次刻蚀减小所述高掺杂N⁺层、高阻I层和P⁺层的面积，形成台面结构；

D、在P⁺层和N⁺层上分别蒸发金属形成圆形结构上电极和半环形结构下电极。

4、根据权利要求3所述的GaAs PIN二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤D包括：

在P⁺层和N⁺层上分别蒸发金属Pt/Ti/Au或Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au，形成圆形结构上电极和半环形结构下电极。

5、根据权利要求3所述的GaAs PIN二极管的制作方法，其特征在于，该方法进一步包括：

E、采用RTP法完成P⁺层和N⁺层欧姆接触；

F、在整个二极管器件表面淀积氮化硅，并采用干法刻蚀淀积的氮化硅打开电极引线窗口。

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