CN103367463B - 一种太赫兹横向肖特基二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹横向肖特基二极管，包括半绝缘层、有源区N+层、有源区N-层、钝化层、欧姆接触区、肖特基接触区、阴极和阳极。其主要制作方法为：刻蚀有源区台阶后，依次离子注入Si形成有源区N+层和有源区N-层，退火后淀积钝化层，在钝化层的保护下光刻欧姆接触区，然后再通过电子束光刻技术光刻肖特基接触区，淀积接触金属后，最后光刻阴极和阳极。本发明采用横向二极管结构，不仅制作工艺简单，精确控制晶体管的尺寸，有效降低阴阳极之间的寄生电容，提高二极管工作的截止频率和可靠性，而且将所有寄生参量相互隔离，在保证可靠性的基础上降低了寄生参量间的关联性，使器件的设计更加灵活，可用于实现太赫兹频段信号的混频或倍频。

Description

一种太赫兹横向肖特基二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，具体地讲，是涉及一种应用于太赫兹领域的肖特基二极管。

背景技术

目前可实现太赫兹频段混频和倍频的器件有肖特基二极管，SIS(超导体-绝缘体-超导体)，以及HEB(热电子测热辐射)。后两者均要求液氦实现低温工作环境，限制了其实际应用；肖特基二极管虽然等效噪声温度较高，但可工作于室温下，因此，对肖特基二极管展开系统深入研究，将有助于突破太赫兹波混频和倍频技术。

应用于太赫兹频段的肖特基二极管主要有触须接触式肖特基二极管和平面肖特基二极管。触须接触式二极管难以重复制作、可靠性差，但与平面二极管相比寄生参量小；平面肖特基二极管可靠性好、电路设计相对容易，为增加功率容量，可被制作成阵列或者平衡式结构以满足不同电路结构的需要，但是制作工艺复杂。为了在更高频段工作，人们对二极管的截止频率和可靠性的要求越来越高。虽然随着制造工艺及精密机械装配技术的发展，集成二极管电路技术，即肖特基二极管直接与电路共同制造生成，可进一步减小分立式二极管焊接时引入的寄生效应，降低电路的不确定因素，使得电路的可靠性得到进一步的提高，性能亦得到进一步的改善。但是制作高性能和高可靠性的独立二极管仍然是研究的重点和热点。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种制作工艺相对简单，增加肖特基二极管可靠性，降低其寄生电容和串联电阻，进而提高其截止频率，降低寄生参量间关联性的太赫兹横向肖特基二极管。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种太赫兹横向肖特基二极管，包括半绝缘层，凸出于半绝缘层设置的有源区N+层，呈梯形台阶状凸出于半绝缘层设置且其梯形下底面与有源区N+层接触的有源区N-层，覆盖于半绝缘层上并将有源区N-层和有源区N+层完全覆盖的钝化层，在钝化层上光刻出的将有源区N+层侧面和上面环包并在其内淀积有接触金属的欧姆接触区，在钝化层上光刻出的与有源区N-层的梯形上底面条状接触并在其内淀积有接触金属的肖特基接触区，以及设置在钝化层上与欧姆接触区的接触金属结合的阴极和与肖特基接触区的接触金属结合的阳极，其中，有源区N+层在垂直于半绝缘层的纵向上比有源区N-层高0.1～0.5μm。

具体来讲，所述有源区N+层包括由与半绝缘层相同的材料凸出于半绝缘层设置的N+区，以及在N+区内通过离子注入的Si离子，其中，Si离子的注入剂量为4×10¹⁴cm^-3～2×10¹⁵cm^-3，注入能量为30KeV～210KeV，注入深度为0.3μm～1μm，注入后掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3～8×10¹⁹cm^-3。

具体来讲，所述有源区N-层包括由与半绝缘层相同的材料凸出于半绝缘层设置的N-区，以及在N-区内通过离子注入的Si离子，其中，Si离子的注入剂量为4×10¹¹cm^-3～1×10¹³cm^-3，注入能量为30KeV～100KeV，注入深度为0.2μm～0.5μm，注入后掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3。

作为优选，所述钝化层由SiO₂或/和Si₃N₄材料制成。

作为优选，所述欧姆接触区内的接触金属为依次淀积的Au/Ge/Ni；所述肖特基接触区内的接触金属为依次淀积的Ti/Pt/Au。

作为优选，所述半绝缘层由GaAs、Si、InP或GaN材料制成。

基于上述结构，本发明还提供了该太赫兹横向肖特基二极管的制作方法，包括如下步骤：

(1)清洗干燥，将半绝缘层样品材料依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗3min，重复2次后用去离子水超声清洗10～15min，然后吹干；

(2)光刻有源区，在半绝缘层样品材料上通过湿法或者干法刻蚀刻出有源区台阶，台阶高度为0.3～1μm，然后在有源区台阶上光刻梯形台阶，台阶高度为0.2～0.5μm，其中，梯形台阶作为N-区，剩余的有源区台阶作为N+区；

(3)离子注入，采用离子注入法在N-区注入Si离子形成有源区N-层，其注入深度为0.2μm～0.5μm，注入后掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，然后采用离子注入法在N+区注入Si离子形成有源区N+层，其注入深度为0.3μm～1μm，注入后掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3～8×10¹⁹cm^-3；

(4)淀积钝化层，采用PECVD方法在经过步骤(3)处理的样品材料上淀积一层将有源区N+层和有源区N-层完全覆盖的钝化层，其厚度为0.2μm～0.5μm；

(5)光刻欧姆接触区，在钝化层上光刻出将有源区N+层侧面和上面环包的欧姆接触区，然后采用电子束蒸发或溅射的方法在该欧姆接触区内依次淀积接触金属Au/Ge/Ni，并与有源区N+层形成欧姆接触；

(6)剥离光刻胶，露出欧姆接触区；

(7)光刻肖特基接触区，在钝化层上光刻出与有源区N-层的梯形上底面条状接触的肖特基接触区，然后采用电子束蒸发或溅射的方法在该肖特基接触区内依次淀积接触金属Ti/Pt/Au，并与有源区N-层形成肖特基接触；

(8)剥离光刻胶，露出肖特基接触区的接触金属；

(9)光刻阴极与阳极，采用电子束蒸发或溅射的方法在钝化层表面淀积金属，分别与欧姆接触区、肖特基接触区的接触金属结合，形成该肖特基二极管的阴极和阳极，然后剥离光刻胶，完成制作。

进一步地，在所述步骤(3)之后、步骤(4)之前，将样品材料进行退火处理，具体为将经过离子注入后的样品材料放入退火炉中进行快速退火，以消除晶格损伤，激活杂质。

并且，所述步骤(4)中采用PECVD方法的淀积温度为300℃～350℃。

再进一步地，在所述步骤(6)之后、步骤(7)之前，将样品放入温度为400℃～450℃的退火炉中进行快速热退火处理，处理时间为1～3min，使有源区N+层与欧姆接触区的接触金属形成良好的欧姆接触。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用横向二极管结构，不仅制作工艺相对简单，可以精确控制晶体管的尺寸，有效降低阴阳极之间的寄生电容，提高二极管工作的截止频率和可靠性，而且将所有寄生参量(串联电阻、寄生电容)相互隔离，在保证可靠性的基础上降低了寄生参量间的关联性，使器件的设计更加灵活，与平面肖特基二极管相比无需作空气桥结构便可实现寄生电容的降低，具有突出的实质性特点和显著的进步，并且本发明结构简单，设计巧妙，可用于实现太赫兹频段信号的混频或倍频，具有广泛的应用前景，适合推广应用。

(2)本发明相对于触须接触式肖特基二极管，阳极金属直接做在钝化层上，不仅保留了触须接触式肖特基二极管寄生参量少的特点，而且提高了二极管的可靠性，避免因为接触须悬空引起的可靠性差的问题，且可以精确控制器件的尺寸。

(3)本发明中有源区N-层采用梯形台阶，不仅有效减小了肖特基接触的面积，降低了寄生电容，而且减小了串联电阻，提高了器件的截止频率。

(4)本发明中阴阳极的金属横向距离可控，可以通过优化阴阳极的横向距离有效减小阴阳极之间的寄生电容和寄生电阻。

(5)本发明中阴阳极金属采用层错结构，可以通过改变有源区N-层台阶的高度实现器件阴阳极纵向距离的控制，不仅使得半绝缘层的垂直方向上阴阳极相对的极板面积几乎为零，进一步减小寄生电容，而且可以通过对纵向结构的控制优化器件的寄生参数，增加器件的截止频率。

(6)本发明中欧姆接触区环包在有源区N+层的上面和两侧面，增加了欧姆接触面积，这样可以在不增加寄生电容的情况下减小器件的串联电阻，增加器件的截止频率。

附图说明

图1为本发明中刻蚀有源区台阶的俯视结构示意图。

图2为图1中A-A的剖视图。

图3为本发明中刻蚀有源区梯形台阶的俯视结构示意图。

图4为图3中A-A的剖视图。

图5为本发明中离子注入的俯视结构示意图。

图6为本发明中淀积钝化层的俯视结构示意图。

图7为图6中A-A的剖视图。

图8为本发明中制作欧姆接触区的俯视结构示意图。

图9为图8中A-A的剖视图。

图10为图8中欧姆接触区的透视结构示意图。

图11为本发明中制作肖特基接触区的俯视结构示意图。

图12为图11中A-A的剖视图。

图13为本发明中制作阴阳极的俯视结构示意图。

图14为图13中A-A的剖视图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1-半绝缘层，2-有源区N+层，3-有源区N-层，4-钝化层，5-欧姆接触区，6-肖特基接触区，7-阴极，8-阳极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至图14所示，该太赫兹横向肖特基二极管，包括半绝缘层1，凸出于半绝缘层设置的有源区N+层2，呈梯形台阶状凸出于半绝缘层设置且其梯形下底面与有源区N+层接触的有源区N-层3，覆盖于半绝缘层上并将有源区N-层和有源区N+层完全覆盖的钝化层4，在钝化层上光刻出的将有源区N+层侧面和上面环包并在其内淀积有接触金属的欧姆接触区5，在钝化层上光刻出的与有源区N-层的梯形上底面条状接触并在其内淀积有接触金属的肖特基接触区6，以及设置在钝化层上与欧姆接触区的接触金属结合的阴极7和与肖特基接触区的接触金属结合的阳极8，其中，有源区N+层在垂直于半绝缘层的纵向上比有源区N-层高0.1～0.5μm。对于半绝缘层的材料，本实施例中优选使用GaAs材料，故N+区和N-区也为GaAs材料，但其材料并不限于GaAs，对于Si、InP或GaN等其他半导体材料也适用该结构。钝化层可选用SiO₂或/和Si₃N₄材料制作，或者其他具有钝化保护作用的材料。欧姆接触区内的接触金属为依次淀积的Au/Ge/Ni；肖特基接触区内的接触金属为依次淀积的Ti/Pt/Au。

具体来讲，有源区N+层由在半绝缘GaAs材料上通过离子注入Si离子形成，其中，Si离子的注入剂量为4×10¹⁴cm^-3～2×10¹⁵cm^-3，注入能量为30KeV～210KeV，注入深度为0.3μm～1μm，注入后掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3～8×10¹⁹cm^-3。

具体来讲，有源区N-层由在半绝缘GaAs材料上通过离子注入Si离子形成，其中，Si离子的注入剂量为4×10¹¹cm^-3～1×10¹³cm^-3，注入能量为30KeV～100KeV，注入深度为0.2μm～0.5μm，注入后掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3。

为了更好地说明本发明的结构，以GaAs材料为例，如下还提供了该太赫兹横向肖特基二极管的制作方法，具体为：

(1)清洗干燥，将GaAs样品材料依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗3min，重复2次后用去离子水超声清洗10～15min，然后吹干。

(2)光刻有源区，在该样品材料上通过湿法或者干法刻蚀刻出有源区台阶，台阶高度为0.3～1μm，然后在有源区台阶上光刻梯形台阶，台阶高度为0.2～0.5μm，其中，梯形台阶作为N-区，剩余的有源区台阶作为N+区。

(3)离子注入，采用离子注入法在N-区GaAs内注入Si离子形成有源区N-层(N-型GaAs层)，其注入深度为0.2μm～0.5μm并与梯形台阶高度相匹配，注入后掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～5×10¹⁷cm^-3，然后采用离子注入法在N+区GaAs内注入Si离子形成有源区N+层(N+型GaAs层)，其注入深度为0.3μm～1μm并与有源区台阶高度相匹配，注入后掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3～8×10¹⁹cm^-3。

(4)退火，将经过离子注入后的样品材料放入退火炉中进行快速退火，以消除晶格损伤，激活杂质。

(5)淀积钝化层，采用PECVD方法在经过步骤(4)处理的样品材料上淀积一层将有源区N+层和有源区N-层完全覆盖的钝化层，其厚度为0.2μm～0.5μm，淀积温度为300℃～350℃。

(6)光刻欧姆接触区，在钝化层上光刻出将有源区N+层侧面和上面环包的欧姆接触区，然后采用电子束蒸发或溅射的方法在该欧姆接触区内依次淀积接触金属Au/Ge/Ni，并与有源区N+层形成欧姆接触。

(7)剥离光刻胶，露出欧姆接触区，然后将样品放入温度为400℃～450℃的退火炉中进行快速热退火处理，处理时间为1～3min，使有源区N+层与欧姆接触区的接触金属形成良好的欧姆接触。

(8)光刻肖特基接触区，在钝化层上光刻出与有源区N-层的梯形上底面条状接触的肖特基接触区，然后采用电子束蒸发或溅射的方法在该肖特基接触区内依次淀积接触金属Ti/Pt/Au，并与有源区N-层形成肖特基接触.

(9)剥离光刻胶，露出肖特基接触区的接触金属。

(10)光刻阴极与阳极，采用电子束蒸发或溅射的方法在钝化层表面淀积金属，分别与欧姆接触区、肖特基接触区的接触金属结合，形成该肖特基二极管的阴极和阳极，然后剥离光刻胶，即完成制作。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一致的，也应当在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种太赫兹横向肖特基二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）清洗干燥，将半绝缘层样品材料依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗3min，重复2次后用去离子水超声清洗10~15min，然后吹干；

（2）光刻有源区，在半绝缘层样品材料上通过湿法或者干法刻蚀刻出有源区台阶，台阶高度为0.3~1μm，然后在有源区台阶上光刻梯形台阶，台阶高度为0.2~0.5μm，其中，梯形台阶作为N-区，剩余的有源区台阶作为N+区；

（3）离子注入，采用离子注入法在N-区注入Si离子形成有源区N-层，其注入深度为0.2μm~0.5μm，注入后掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3~5×10¹⁷cm^-3，然后采用离子注入法在N+区注入Si离子形成有源区N+层，其注入深度为0.3μm~1μm，注入后掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3~8×10¹⁹cm^-3，其中，有源区N+层凸出于半绝缘层设置，有源区N-层凸出于半绝缘层设置且其梯形下底面与有源区N+层接触，并且，有源区N+层位于有源区N-层侧边，有源区N+层在垂直于半绝缘层的纵向上比有源区N-层高0.1~0.5μm；

（4）淀积钝化层，采用PECVD方法在经过步骤（3）处理的样品材料上淀积一层将有源区N+层和有源区N-层完全覆盖的钝化层，其厚度为0.2μm~0.5μm；

（5）光刻欧姆接触区，在钝化层上光刻出将有源区N+层侧面和上面环包的欧姆接触区，然后采用电子束蒸发或溅射的方法在该欧姆接触区内依次淀积接触金属Au/Ge/Ni，并与有源区N+层形成欧姆接触；

（6）剥离光刻胶，露出欧姆接触区；

（7）光刻肖特基接触区，在钝化层上光刻出与有源区N-层的梯形上底面条状接触的肖特基接触区，然后采用电子束蒸发或溅射的方法在该肖特基接触区内依次淀积接触金属Ti/Pt/Au，并与有源区N-层形成肖特基接触；

（8）剥离光刻胶，露出肖特基接触区的接触金属；

（9）光刻阴极与阳极，采用电子束蒸发或溅射的方法在钝化层表面淀积金属，分别与欧姆接触区、肖特基接触区的接触金属结合，形成该肖特基二极管的阴极和阳极，然后剥离光刻胶，完成制作。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹横向肖特基二极管的制作方法，其特征在于，在步骤（3）之后、步骤（4）之前，将样品材料进行退火处理，具体为将经过离子注入后的样品材料放入退火炉中进行快速退火，以消除晶格损伤，激活杂质。

3.根据权利要求2所述的一种太赫兹横向肖特基二极管的制作方法，其特征在于，步骤（4）中采用PECVD方法的淀积温度为300℃~350℃。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹横向肖特基二极管的制作方法，其特征在于，在步骤（6）之后、步骤（7）之前，将样品放入温度为400℃~450℃的退火炉中进行快速热退火处理，处理时间为1~3min，使有源区N+层与欧姆接触区的接触金属形成良好的欧姆接触。