CN102074651A - 增强型线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管，包括：用于支撑整个GaAs平面耿氏二极管的半导体绝缘衬底；在半导体绝缘衬底上外延生长的高掺杂下底面N+层；在下底面N+层上继续外延生长的线性梯度掺杂N型层；在线性梯度掺杂N型层上外延生长的N-型层；在N-型层上外延生长的高掺杂上表面N+层；经过挖岛和隔离两个工艺步骤，在下底面N+层和上表面N+层上形成的台面结构；在上表面N+型层上蒸发金属形成欧姆接触的上电极；以及在下底面N+型层上蒸发金属形成欧姆接触的下电极。本发明同时公开了一种增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管的制作方法。利用本发明，提高了毫米波、亚毫米波范围振荡电路的工作频率，增强了直流到射频信号的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及微波器件中二极管技术领域，尤其涉及一种增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管及其制作方法。
背景技术
以耿氏二极管等非线性器件为核心的振荡器常用作高频本振源。耿氏二极管是毫米波段振荡器的有源非线性器件，由于高质量半导体材料的制造、加工工艺和装配等技术的不断发展，使得器件表现出卓越的性能。同时耿氏二极管制备过程简单，结构灵活，所以它们不仅作为各类接收机混频器的本振源，而且在雷达、通信、空间技术等方面可以作为中小功率的信号源，是目前应用最广泛的半导体振荡器。
传统的耿氏二极管，材料结构中不包含N-层，而且在N型层上采用均匀掺杂，主体结构为两端垂直结构。这种掺杂结构的双端Gunn二极管，在毫米波、亚毫米波频率范围内，N型有源区的有效长度减小，射频输出功率和转换效率减弱；这种掺杂结构的Gunn二极管不能利用直流电压直接对输出振荡频率调谐；双端Gunn二极管不利于实现单片集成，导致系统中需要大量的器件载体、外接偏置电路和金属波导等体积较大的组件。
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增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管，在线性梯度掺杂的N型层上外延生长N-型层，有源区的掺杂由传统的均匀掺杂变为线性梯度掺杂，保证N型有源区的有效长度不变，增强直流电压直接对输出振荡频率调谐的能力，增强直流到射频信号的转换效率；器件结构由垂直双端结构变为平面结构，减少系统中大量的器件载体、外接偏置电路和金属波导等体积较大的组件，实现单片集成。
本发明的另一个目的在于提供一种GaAs平面耿氏二极管的制作方法，其制作方法与集成电路工艺相兼容，便于制作毫米波、亚毫米波范围内的集成振荡电路。
(二)技术方案
为达到上述一个目的，本发明提供了一种增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管，该二极管包括：
用于支撑整个GaAs平面耿氏二极管的半导体绝缘衬底；
在半导体绝缘衬底上外延生长的高掺杂下底面N+层；
在下底面N+层上继续外延生长的线性梯度掺杂N型层；
在线性梯度掺杂N型层上外延生长的N-型层；
在N-型层上外延生长的高掺杂上表面N+层；
经过挖岛和隔离两个工艺步骤，在下底面N+层和上表面N+层上形成的台面结构；
在上表面N+型层上蒸发金属形成欧姆接触的上电极；以及
在下底面N+型层上蒸发金属形成欧姆接触的下电极。
上述方案中，所述半导体绝缘衬底是半导体绝缘GaAs衬底。
上述方案中，所述N型层与所述N-型层之间的交界处为低掺杂，所述N型层与所述下表面N+层之间的交界处为高掺杂；从N型层与N-型层之间界面到下表面N+层与N层界面之间的掺杂浓度满足线性梯度掺杂分布。
为达到上述另一个目的，本发明提供了一种GaAs平面耿氏二极管的制作方法，该方法包括：
A、在半导体绝缘衬底上外延生长高掺杂的下底面N+层；
B、在下底面N+层上外延生长的线性梯度掺杂的N型层；
C、在线性梯度掺杂的N型层上生长的N-型层；
D、在N-型层上生长的高掺杂的上表面N+层；
E、采用湿法刻蚀减小上表面N+层和下底面N+层的面积，形成上表面N+层与下底面N+层的台面结构；
F、在上表面N+层和下底面N+层上分别蒸发金属形成欧姆接触；
G、采用湿法刻蚀，形成半导体绝缘衬底的台面结构；在该半导体绝缘衬底的台面结构上蒸发金属形成上、下电极引线，通过制作空气桥把上表面N+型层上的电极引出。
上述方案中，所述半导体绝缘衬底是半导体绝缘GaAs衬底。
上述方案中，所述在半导体绝缘衬底的台面结构上蒸发金属形成的上、下电极引线采用的金属为Ti/Pt/Au。
(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，本发明提供的这种增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管，在在线性梯度掺杂的N型层上外延生长了N-型层，保证N型有源区的有效长度不变，使得在毫米波、亚毫米波频率范围内，增加射频输出功率和转换效率。
2、本发明提供的这种增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管，N型层采用线性梯度掺杂。这种结构的耿氏二极管，有利于用直流电压直接对输出振荡频率调谐，有利于提高毫米波振荡电路直流到射频信号转换效率。
3、本发明提供的这种增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管，在半导体绝缘GaAs衬底、下底面N+层和上表面N+层形成台面结构，下底面N+层上蒸发金属形成下电极，上表面N+型层上蒸发金属形成上电极。通过制作空气桥，上电极由空气桥与半导体绝缘GaAs衬底上的下电极引线相连引出。这种空气桥结构的耿氏二极管有利于器件热输导，提高器件的热稳定性。
4、本发明提供的这种增强型线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管，制作简便，易于应用在平面集成振荡电路中，不需要额外的载体器件，易于实现单片集成。
附图说明
图1为本发明提供的增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管载流子浓度分布图；
图2为本发明提供的增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管I-V仿真曲线；
图3为本发明提供的增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管的截面图；
图4为本发明提供的增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管的俯视图；
图5为本发明提供的制作增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管的方法流程图。
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1所示，图1为本发明提供的增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管材料结构的载流子浓度分布图。
如图2所示，图2为本发明提供的增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管材料结构的直流仿真结果。从图中可以看出当外加直流电压大于1.8伏时，耿氏二极管表现出负微分电阻特性。
如图3所示，图3为本发明提供的增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管的截面图。所述截面图是沿增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管下电极两端的垂直于衬底的截面图。该GaAs平面耿氏二极管包括：
用于支撑整个GaAs平面耿氏二极管的半导体绝缘衬底；
在半导体绝缘衬底上外延生长的高掺杂下底面N+层；
在下底面N+层上继续外延生长的线性梯度掺杂N型层；
在线性梯度掺杂N型层上外延生长的N-型层；
在N-型层上外延生长的高掺杂上表面N+层；
经过挖岛和隔离两个工艺步骤，在下底面N+层和上表面N+层上形成的台面结构；
在上表面N+型层上蒸发金属形成欧姆接触的上电极；以及
在下底面N+型层上蒸发金属形成欧姆接触的下电极。
如图4所示，图4为本发明提供的该GaAs平面耿氏二极管的俯视图。结合图3和图4可知，本发明提供的这种二极管是一种台面结构，上电极金属由空气桥引出。这种结构应用在电路中具有很大的灵活性，便于单片集成，节约成本。
基于图3和图4所示的GaAs平面耿氏二极管示意图，图5示出了本发明提供的制作GaAs平面耿氏二极管的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：在半导体绝缘衬底上外延生长高掺杂的下底面N+层；
步骤2：在下底面N+层上外延生长的线性梯度掺杂的N型层；
步骤3：在线性梯度掺杂的N型层上生长的N-型层；
步骤4：在N-型层上生长的高掺杂的上表面N+层；
步骤5：采用湿法刻蚀减小上表面N+层和下底面N+层的面积，形成上表面N+层与下底面N+层的台面结构；
步骤6：在上表面N+层和下底面N+层上分别蒸发金属形成欧姆接触；
步骤7：对上、下电极金属进行退火处理；
步骤8：采用湿法刻蚀，形成半导体绝缘衬底的台面结构；
步骤9：在该半导体绝缘衬底的台面结构上蒸发金属形成上、下电极引线，通过制作空气桥把上表面N+型层上的电极引出。
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 (6)
1.一种增强型线性梯度掺杂GaAs平面耿氏二极管，其特征在于，该二极管包括：
用于支撑整个GaAs平面耿氏二极管的半导体绝缘衬底；
在半导体绝缘衬底上外延生长的高掺杂下底面N+层；
在下底面N+层上继续外延生长的线性梯度掺杂N型层；
在线性梯度掺杂N型层上外延生长的N-型层；
在N-型层上外延生长的高掺杂上表面N+层；
经过挖岛和隔离两个工艺步骤，在下底面N+层和上表面N+层上形成的台面结构；
在上表面N+型层上蒸发金属形成欧姆接触的上电极；以及
在下底面N+型层上蒸发金属形成欧姆接触的下电极。
2. 根据权利要求1所述的GaAs平面耿氏二极管，其特征在于，所述半导体绝缘衬底是半导体绝缘GaAs衬底。
3.根据权利要求1所述的GaAs平面耿氏二极管，其特征在于，所述N型层与所述N-型层之间的交界处为低掺杂，所述N型层与所述下表面N+层之间的交界处为高掺杂；从N型层与N-型层之间界面到下表面N+层与N层界面之间的掺杂浓度满足线性梯度掺杂分布。
4.一种GaAs平面耿氏二极管的制作方法，其特征在于，该方法包括：
A、在半导体绝缘衬底上外延生长高掺杂的下底面N+层；
B、在下底面N+层上外延生长的线性梯度掺杂的N型层；
C、在线性梯度掺杂的N型层上生长的N-型层；
D、在N-型层上生长的高掺杂的上表面N+层；
E、采用湿法刻蚀减小上表面N+层和下底面N+层的面积，形成上表面N+层与下底面N+层的台面结构；
F、在上表面N+层和下底面N+层上分别蒸发金属形成欧姆接触；
G、采用湿法刻蚀，形成半导体绝缘衬底的台面结构；在该半导体绝缘衬底的台面结构上蒸发金属形成上、下电极引线，通过制作空气桥把上表面N+型层上的电极引出。
5.根据权利要求4所述的GaAs平面耿氏二极管的制作方法，其特征在于，所述半导体绝缘衬底是半导体绝缘GaAs衬底。
6.根据权利要求4所述的GaAs平面耿氏二极管的制作方法，其特征在于，所述在半导体绝缘衬底的台面结构上蒸发金属形成的上、下电极引线采用的金属为Ti/Pt/Au。
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|---|---|---|---|---|
| CN105206684A (zh) * | 2015-11-13 | 2015-12-30 | 山东大学 | 一种新型平面耿氏二极管及其制备方法 |
| CN106788257A (zh) * | 2016-11-23 | 2017-05-31 | 西南大学 | 基于平面耿氏二极管的ka波段单片集成压控振荡器 |
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