CN104867968B - 用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管包括：40个肖特基阳极结，倍频二极管采用4行结构，每行结构为10个肖特基结，每行结构采用射频同向并联，直流反向串联；其中，所述倍频二极管采用半绝缘GaAs层衬底，所述半绝缘GaAs层上设有重掺杂GaAs层和钝化层，所述重掺杂GaAs层上设有低掺杂GaAs层和欧姆接触金属层，所述低掺杂GaAs层上有肖特基接触金属层和二氧化硅层，所述欧姆接触金属层上设有金属加厚层，所述金属加厚层与所述肖特基接触金属层通过空气桥相连，实现了倍频二极管可承受较大的功率输入且不容易损坏，应用频率较高，制作工艺与现有的工艺兼容，实用性较强，可同时应用于二次倍频和三次倍频的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹器件技术领域，尤其涉及一种用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管。
背景技术
广义的太赫兹波频率范围是100GHz-10THz，其中 1THz=1000GHz，THz波在电磁波频谱中占有很特殊的位置，THz技术是国际科技界公认的一个非常重要的交叉前沿领域。
在THz频率低端范围内，通常采用半导体器件倍频方法获得固态源。该方法是将毫米波通过非线性半导体器件倍频至THz频段，具有结构紧凑、易于调节、寿命长，波形可控，常温工作等优点；目前短波长亚毫米波、THz固态源主要依靠倍频的方式获得。利用肖特基二极管器件实现高效倍频不仅电路结构简单、倍频效率较高，还兼有振荡源具有的较高输出功率、倍频放大链高频率稳定度、低相位噪声的优点；同时肖特基二极管器件可稳定工作于30GHz~3000GHz整个毫米波及亚毫米波频段；目前先进的变容二极管（RAL和VDI等研究机构生产）已经可以工作于3.1THz，具有良好的连续波功率和效率；因此肖特基二极管高效倍频技术非常适于高性能的毫米波、亚毫米波、THz系统，是一种极具研究、应用价值的THz频率源技术；由于具有极小的结电容和串联电阻，高的电子漂移速度，平面GaAs肖特基二极管已经在THz频段上得到了广泛的应用，是THz技术领域中核心的固态电子器件。
太赫兹的低频段一般是指100GHz到300GHz之间的一段电磁频率，在太赫兹低频段，尤其是100GHz到120GHz之间，目前需要该频段较大的信号源；该频段可以作为太赫兹倍频链路的第一级，需要承受比较大的承受功率，一般为W级功率；目前采用多管芯串联的形式，可以使得二极管工作在该频段；但是由于制作出的肖特基二极管长宽比很大，在使用过程中，发现很多管芯发生断裂，导致器件作废。
综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的肖特基二极管存在承受大功率的使用过程中管芯容易发生断裂，导致器件作废的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管，解决了现有的肖特基二极管存在承受大功率的使用过程中管芯容易发生断裂，导致器件作废的技术问题，实现了倍频二极管可承受较大的功率输入且不容易损坏，应用频率较高，制作工艺与现有的工艺兼容，实用性较强，既可以应用于二次倍频，也可以应用于三次倍频的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管，所述倍频二极管包括：
40个肖特基阳极结，倍频二极管采用4行结构，每行结构为10个肖特基结，每行结构采用射频同向并联，直流反向串联；其中，所述倍频二极管采用半绝缘GaAs层衬底，所述半绝缘GaAs层上设有重掺杂GaAs层和钝化层，所述重掺杂GaAs层上设有低掺杂GaAs层和欧姆接触金属层，所述低掺杂GaAs 层上有肖特基接触金属层和二氧化硅层，所述欧姆接触金属层上设有金属加厚层，所述金属加厚层与所述肖特基接触金属层通过空气桥相连。
其中，所述倍频二极管尺寸为：长560微米，宽260微米，高30微米，应用频率范围为100GHz到120GHz，每个肖特基阳极面积为36平方微米，结电容40fF，电阻为3欧姆，截止频率1.3THz，击穿电压为每个肖特基结为6V，每个肖特基阳极结能够承受输入功率30mW，所述的倍频二极管能够承受最大输入功率为1.2W。
其中，所述倍频二极管采用N-/N+的GaAs掺杂结构，其中，低掺杂GaAs层N-外延层掺杂浓度采用2e17cm-3，重掺杂GaAs层N+采用掺杂浓度为5e18cm-3。
其中，所述肖特基接触金属层自下而上依次为Ti、Pt、Au。
其中，所述欧姆接触金属层自下而上依次为Ni、Au、 Ge、Ni、Au。
其中，所述金属加厚层具体为Au层。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了将用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管设计为包括：40个肖特基阳极结，倍频二极管采用4行结构，每行结构为10个肖特基结，每行结构采用射频同向并联，直流反向串联；其中，所述倍频二极管采用半绝缘GaAs层衬底，所述半绝缘GaAs层上设有重掺杂GaAs层和钝化层，所述重掺杂GaAs层上设有低掺杂GaAs层和欧姆接触金属层，所述低掺杂GaAs 层上有肖特基接触金属层和二氧化硅层，所述欧姆接触金属层上设有金属加厚层，所述金属加厚层与所述肖特基接触金属层通过空气桥相连的技术方案，即，由于采用多行结构，器件的整体长度较常规的一行结构相比，器件长度较少至原有器件长度的四分之一，由于一行结构的二极管，长宽比较大，导致器件在夹持过程中，很容易发生断裂，采用多行结构后，器件长度较小，同时长宽比减小，大大增加了二极管的可操作性，由于二极管的阳极结数目并没有减少，因此耐功率性较好，因而采用本专利，有效解决了现有的肖特基二极管存在承受大功率的使用过程中管芯容易发生断裂，导致器件作废的技术问题，进而实现了倍频二极管可承受较大的功率输入且不容易损坏，应用频率较高，制作工艺与现有的工艺兼容，实用性较强，既可以应用于二次倍频，也可以应用于三次倍频的技术效果。
附图说明
图1是本申请实施例一中用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管的结构示意图；
图2是本申请实施例一中附图1的局部放大图；
图3是本申请实施例一中附图2所示A-A’方向的截面示意图；
其中，01-钝化层，02-二氧化硅层，03-欧姆接触金属层，04-金属加厚层，05-半绝缘GaAs层，06-重掺杂GaAs层，07-低掺杂GaAs层，08-肖特基接触金属层。
具体实施方式
本发明提供了一种用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管，解决了现有的肖特基二极管存在承受大功率的使用过程中管芯容易发生断裂，导致器件作废的技术问题，实现了倍频二极管可承受较大的功率输入且不容易损坏，应用频率较高，制作工艺与现有的工艺兼容，实用性较强，既可以应用于二次倍频，也可以应用于三次倍频的技术效果。
本申请实施中的技术方案为解决上述技术问题。总体思路如下：
采用了将用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管设计为包括：40个肖特基阳极结，倍频二极管采用4行结构，每行结构为10个肖特基结，每行结构采用射频同向并联，直流反向串联；其中，所述倍频二极管采用半绝缘GaAs层衬底，所述半绝缘GaAs层上设有重掺杂GaAs层和钝化层，所述重掺杂GaAs层上设有低掺杂GaAs层和欧姆接触金属层，所述低掺杂GaAs 层上有肖特基接触金属层和二氧化硅层，所述欧姆接触金属层上设有金属加厚层，所述金属加厚层与所述肖特基接触金属层通过空气桥相连的技术方案，即，由于采用多行结构，器件的整体长度较常规的一行结构相比，器件长度较少至原有器件长度的四分之一，由于一行结构的二极管，长宽比较大，导致器件在夹持过程中，很容易发生断裂，采用多行结构后，器件长度较小，同时长宽比减小，大大增加了二极管的可操作性，由于二极管的阳极结数目并没有减少，因此耐功率性较好，因而采用本专利，有效解决了现有的肖特基二极管存在承受大功率的使用过程中管芯容易发生断裂，导致器件作废的技术问题，进而实现了倍频二极管可承受较大的功率输入且不容易损坏，应用频率较高，制作工艺与现有的工艺兼容，实用性较强，既可以应用于二次倍频，也可以应用于三次倍频的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一：
在实施例一中，提供了用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管，请参考图1-图3，所述倍频二极管包括：
40个肖特基阳极结，倍频二极管采用4行结构，每行结构为10个肖特基结，每行结构采用射频同向并联，直流反向串联；采用该种拓扑结构，由于对射频端是同向并联结构，可以增加射频输出功率，采用该结构，可以应用于平衡式二次倍频和非平衡式的二次倍频和三次倍频，既可以实现频率的二次谐波输出，也可以设计合适的电路，输出三次谐波，其中，所述倍频二极管采用半绝缘GaAs层05衬底，所述半绝缘GaAs层05上设有重掺杂GaAs层06和钝化层01，所述重掺杂GaAs层06上设有低掺杂GaAs层07和欧姆接触金属层03，所述低掺杂GaAs 层07上有肖特基接触金属层08和二氧化硅层02，所述欧姆接触金属层03上设有金属加厚层04，所述金属加厚层04与所述肖特基接触金属层08通过空气桥相连。
其中，在本申请实施例中，所述倍频二极管尺寸为：长560微米，宽260微米，高30微米，应用频率范围为100GHz到120GHz，每个肖特基阳极面积为36平方微米，结电容40fF，电阻为3欧姆，截止频率1.3THz，击穿电压为每个肖特基结为6V，每个肖特基阳极结能够承受输入功率30mW，所述的倍频二极管能够承受最大输入功率为1.2W。
二极管的长度和宽度均是考虑到实际加工工艺，器件不能太短，太短导致工艺无法实现，器件也不能太长，太长还会出现器件断裂等问题；因此在工艺兼容的基础上，设计出了二极管的尺寸；由于要承受大功率的输入功率，因此需要多个阳极结；每个阳极结的承受功率为30mW，在该功率注入时，二极管可以保持较好的非线性倍频特性；当输入功率大于该输入功率时，由于二极管的饱和效应，单个二极管的输出功率不再增加；考虑到目前在太赫兹的低频段，获得大功率的源，必须需要大功率的输入功率，因此采用40阳极结，可以承受1.2W的输入功率，实际使用过程中，可降低至1W输入，倍频效率在10%是比较常规的，因此可预计得到100mW左右的太赫兹源；由于采用了大阳极结，导致二极管的频率特性不会太高，但是由于其截止频率较高，工作频率可以响应至截止频率的十分之一，因此在100GHz-120GHz,可以有效应用，超越此应用频率，二极管频率特性响应将会恶化。该二极管的截止频率为1.3THz，考虑到加工过程以及电路设计能力，我们将二极管的最高频率范围降为120GHz。
其中，在本申请实施例中，所述倍频二极管采用N-/N+的GaAs掺杂结构，由于二极管的应用频率较高，大于100GHz，考虑到在高效倍频的时候，需要二极管有较小的串联电阻，我们将设计的掺杂结构设计为，低掺杂GaAs层N-外延层掺杂浓度采用2e17cm-3，重掺杂GaAs层N+采用掺杂浓度为5e18cm-3。
其中，在本申请实施例中，所述肖特基接触金属层自下而上依次为Ti、Pt、Au。
其中，在本申请实施例中，所述欧姆接触金属层自下而上依次为Ni、Au、 Ge、Ni、Au。
其中，在本申请实施例中，所述金属加厚层具体为Au层。
本发明所涉及的可用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管具有以下优点：
1、可以承受大功率输入，可承受功率达到1.2W；
2、应用频率高，100GHz-120GHz；
3、制作工艺与现有的太赫兹肖特基二极管工艺兼容；
4、长宽比小，仅为2.15:1，大大增加了二极管的可操作性，提高了二极管的使用性；
5、既可以应用于二次倍频，也可以应用于三次倍频。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
衬底05处在太赫兹肖特基二极管的最下方，用以支撑整个肖特基二极管；在衬底05上有外延生长的重掺杂GaAs 06，在重掺杂GaAs 06上有外延生长的低掺杂GaAs 07，低掺杂GaAs 07上有肖特基接触金属层08,肖特基接触金属自下而上为Ti/Pt/Au；03为欧姆接触金属层，金属自下而上为Ni/Au/ Ge/Ni/Au,制作在06 重掺杂GaAs之上；04为金属加厚层，金属为Au，制作在欧姆接触金属层 03之上，并和肖特基接触金属 08通过空气桥相连；02为二氧化硅层，在低掺杂GaAs 07上方；01为钝化层，具体为氮化硅，在整个半绝缘衬底05之上，具体可参考附图1和附图2。
本发明所述二极管采用N-/N+的GaAs掺杂结构，其中N-外延层掺杂浓度采用2e17cm-3，N+采用掺杂浓度为5e18cm-3，肖特基结阳极面积为36平方微米，
本发明所述的太赫兹肖特基二极管可通过成熟的肖特基二极管加工工艺实现，目前肖特基二极管的制造技术在国内外均已成熟，包括阴极欧姆接触、阳极肖特基金属蒸发，空气桥连接以及隔离槽腐蚀，制作钝化层；正面加工工艺完成后，进行背面的减薄及分片，制作出太赫兹肖特基二极管。
其中，在实际应用中，对于具体的二极管结构，可以参考CN201420714337中的相应描述，本申请在此处不做赘述。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
由于采用了将用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管设计为包括：40个肖特基阳极结，倍频二极管采用4行结构，每行结构为10个肖特基结，每行结构采用射频同向并联，直流反向串联；其中，所述倍频二极管采用半绝缘GaAs层衬底，所述半绝缘GaAs层上设有重掺杂GaAs层和钝化层，所述重掺杂GaAs层上设有低掺杂GaAs层和欧姆接触金属层，所述低掺杂GaAs 层上有肖特基接触金属层和二氧化硅层，所述欧姆接触金属层上设有金属加厚层，所述金属加厚层与所述肖特基接触金属层通过空气桥相连的技术方案，即，由于采用多行结构，器件的整体长度较常规的一行结构相比，器件长度较少至原有器件长度的四分之一，由于一行结构的二极管，长宽比较大，导致器件在夹持过程中，很容易发生断裂，采用多行结构后，器件长度较小，同时长宽比减小，大大增加了二极管的可操作性，由于二极管的阳极结数目并没有减少，因此耐功率性较好，因而采用本专利，有效解决了现有的肖特基二极管存在承受大功率的使用过程中管芯容易发生断裂，导致器件作废的技术问题，进而实现了倍频二极管可承受较大的功率输入且不容易损坏，应用频率较高，制作工艺与现有的工艺兼容，实用性较强，既可以应用于二次倍频，也可以应用于三次倍频的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.用于太赫兹低频段GaAs基大功率肖特基倍频二极管，其特征在于，所述倍频二极管包括：
40个肖特基阳极结，倍频二极管采用4行结构，每行结构为10个肖特基结，每行结构左半部分5个肖特基结依次串联，每行结构右半部分5个肖特基结依次串联；4行结构采用并联的方式，4行结构的左半部分并联方向相同，4行结构的右半部分并联方向相同，每行结构的左半部分与每行结构的右半部分串联方向相反；其中，所述倍频二极管采用半绝缘GaAs层衬底，所述半绝缘GaAs层上设有重掺杂GaAs层和钝化层，所述重掺杂GaAs层上设有低掺杂GaAs层和欧姆接触金属层，所述低掺杂GaAs 层上有肖特基接触金属层和二氧化硅层，所述欧姆接触金属层上设有金属加厚层，所述金属加厚层与所述肖特基接触金属层通过空气桥相连。
2.根据权利要求1所述的倍频二极管，其特征在于，所述倍频二极管尺寸为：长560微米，宽260微米，高30微米，应用频率范围为100GHz到120GHz，每个肖特基阳极面积为36平方微米，结电容40fF，电阻为3欧姆，截止频率1.3THz，击穿电压为每个肖特基结为6V，每个肖特基阳极结能够承受输入功率30mW，所述的倍频二极管能够承受最大输入功率为1.2W。
3.根据权利要求1所述的倍频二极管，其特征在于，所述倍频二极管采用N-/N+的GaAs掺杂结构，其中，低掺杂GaAs层N-外延层掺杂浓度采用2e17cm-3，重掺杂GaAs层N+采用掺杂浓度为5e18cm-3。
4.根据权利要求1所述的倍频二极管，其特征在于，所述肖特基接触金属层自下而上依次为Ti、Pt、Au。
5.根据权利要求1所述的倍频二极管，其特征在于，所述欧姆接触金属层自下而上依次为Ni、Au、 Ge、Ni、Au。
6.根据权利要求1所述的倍频二极管，其特征在于，所述金属加厚层具体为Au层。
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