CN105206684B - 一种平面耿氏二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种平面耿氏二极管及其制备方法，包括：由下至上依次设置的绝缘衬底、沟道层及设置在沟道层上的第一电极部分、第二电极部分，第一电极部分、第二电极部分及第一电极部分与第二电极部分形成的沟道中至少有一个是一体的，第一电极部分的电极边缘与第二电极部分的电极边缘不平行。第一电极部分的电极边缘与第二电极部分的电极边缘之间至少有两个间距，可以同时产生多个频率的信号，一方面可以应用在如多频雷达、彩色太赫兹成像等同时需要多个频率的信号源的领域；另一方面，利用本发明自身的混频效应，可以产生频率为这些信号频率之和的高频信号，从而大幅提高器件的发射频率。
Description
技术领域
本发明涉及一种平面耿氏二极管及其制备方法，属于微波器件中二极管技术领域。
背景技术
耿氏二极管最早于1963年由J.B.Gunn发现。耿氏二极管利用的是某些半导体材料(如GaAs、InP、GaN等)中电子在从低能谷向高能谷跃迁时，因为电子有效质量变大、饱和漂移速度降低而表现出来的微分负阻效应。
传统的耿氏器件是在块状材料的正反面形成电接触，电流垂直于电极平面流动，所以可以称其为垂直耿氏器件。垂直耿氏器件作为一种小型的高频信号源，在雷达、通信、宇宙探测等领域都有广泛的应用。但是，垂直耿氏器件又有诸多缺点，例如：散热困难、对封装要求严格、无法集成等，限制了它的应用。平面的耿氏器件则很好地解决了这些问题。平面器件电极在半导体衬底的同一侧，电流沿与电极平面平行的方向流动。平面器件除了具有散热好、可集成、频率易调的特点以外，最大的优势是振荡频率更高。例如，目前频率最高的平面耿氏器件的基频频率已经超过了300GHz。这使得平面耿氏器件有希望成为一种固态、低成本、可集成的太赫兹辐射源，推动未来对太赫兹(300～3000GHz)波的深入研究和广泛应用。但是，不论是垂直耿氏器件还是平面耿氏器件，它们的电极间距在整个器件内都相同，这造成一个耿氏器件只能产生单一频率的信号，如果同时需要多个频率的信号就需要使用多个器件，这样会增加设备的复杂程度和成本，降低可靠性。而且耿氏器件目前在制备工艺上已经趋近极限，要想继续提高工作频率非常困难，这不利于其未来在更高频率的太赫兹领域中的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种平面耿氏二极管；
本发明还提供了上述平面耿氏二极管的制备方法；
本发明可以同时产生两个或者多个频率的信号。一方面，可以同时产生多个频率的信号的耿氏器件可以用在如多频雷达、彩色太赫兹成像等同时需要多个频率的信号源的领域；另一方面，利用耿氏器件自身的混频效应，可以产生频率为这些信号频率之和的高频信号，从而大幅提高器件的发射频率。
术语解释
1、MOCVD，是金属有机化合物化学气相淀积(Metalorganic Chemical VaporDeposition)的缩写。
2、PMMA，是指聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明的技术方案为：
一种平面耿氏二极管，包括：由下至上依次设置的绝缘衬底、沟道层及设置在所述沟道层上的第一电极部分、第二电极部分，所述第一电极部分、所述第二电极部分及所述第一电极部分与所述第二电极部分形成的沟道中至少有一个是一体的，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘不平行。
所述第一电极部分的电极边缘是指，与所述第二电极部分相对的第一电极部分的面与所述沟道层之间的交线，同理，所述第二电极部分的电极边缘是指，与所述第一电极部分相对的第二电极部分的面与所述沟道层之间的交线。
此处设计的优势在于，第一电极部分的电极边缘与第二电极部分的电极边缘不平行，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘之间至少有两个间距，可以同时产生多个频率的信号，一方面可以应用在如多频雷达、彩色太赫兹成像等同时需要多个频率的信号源的领域；另一方面，利用本发明自身的混频效应，可以产生频率为这些信号频率之和的高频信号，从而大幅提高器件的发射频率；例如，一个平面耿氏器件中有三个间距，分别为1.2μm、1.0μm、0.8μm，则其可以同时产生160GHz、190GHz和240GHz三个频率的信号。在微波成像应用中，可以通过分析被测物体对这三个频率的微波的透过或反射情况获得更多的信息。同时，因为平面耿氏器件自身具有混频功能，还可以获得如190+240＝430GHz的信号，这样有利于实现耿氏器件在太赫兹领域的应用。
根据本发明优选的，所述第一电极部分为第一电极，所述第二电极部分为第二电极。
根据本发明优选的，所述第一电极部分包括第一电极及第一帽层，所述第一帽层设置在所述第一电极与所述沟道层之间，所述第二电极部分包括第二电极及第二帽层，所述第二帽层设置在所述第二电极与所述沟道层之间。
根据本发明优选的，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘的间距的最小值dmin与最大值dmax之间满足以下条件：
根据本发明优选的，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘的间距的取值范围为0.6-10μm。
根据本发明优选的，所述沟道层上，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘的间距不等的沟道分别隔离。
此处设计的优势在于，减少相互干扰，提高器件性能；间距不等的沟道通过刻槽或者离子注入实现隔离。
根据本发明优选的，所述第一电极部分的电极边缘、所述第二电极部分的电极边缘为直线型、折线型或弧线型中的任一种。
根据本发明优选的，所述第一电极与所述第二电极均为金属电极，所述金属电极的材料为Au、Ge、Ni、Ti、Al、Pd、Pt、Mo、In、Ga、Ag中的一种或者多种；所述沟道层为一层均匀的半导体材料或多层半导体材料中的任一种；所述半导体材料为III-V族二元化合物、多元化合物中的一种或者多种，所述III-V族二元化合物包括：InP、GaAs、InAs、GaN、InN；所述多元化合物包括：InxGa(1-x)As、InxAl(1-x)As、AlxGa(1-x)As、InxGa(1-x)N、InxAl(1-x)N、AlxGa(1-x)N、InxGa(1-x)As(y)P(1-y)。
此处设计的优势在于，沟道层为多层半导体材料，提高了沟道层的性能，例如，在InxGa(1-x)As层上生长InxAl(1-x)As形成二维电子气，提高了电子的迁移率。
当平面耿氏二极管不生长第一帽层及第二帽层时，平面耿氏二极管的制备方法，具体步骤包括：
(1)在绝缘衬底上外延生长沟道层；
(2)根据设计的电极层图形，通过微纳加工技术形成第一电极及第二电极；
(3)第一电极与沟道层之间形成欧姆接触，第二电极与沟道之间形成欧姆接触，形成所述平面耿氏二极管。
当平面耿氏二极管生长第一帽层及第二帽层时，平面耿氏二极管的制备方法，具体步骤包括：
a、在绝缘衬底上外延生长沟道层、帽层；
b、根据设计的沟道层图形，通过微纳加工技术除去部分帽层，露出器件沟道层，形成第一帽层和第二帽层；
c、根据设计的电极层图形，通过微纳加工技术形成第一电极及第二电极；
d、第一电极与第一帽层之间形成欧姆接触，第二电极与第二帽层之间形成欧姆接触，形成所述平面耿氏二极管。
根据本发明优选的，步骤(3)之前进行如下操作：300-500℃下快速退火20-90s，进一步优选的，400℃下快速退火30s。
根据本发明优选的，步骤d之前进行如下操作：300-500℃下快速退火20-90s，进一步优选的，400℃下快速退火30s。
根据本发明优选的，所述微纳加工技术包括：紫外、激光或电子束曝光技术，聚焦离子束沉积和刻蚀(FIB)，纳米压印(nanoimprint)，扫描探针加工(scanning probelithography)，喷墨打印(inkjet printing)，模板法(shadow mask)，激光微加工，电火花微加工(electrodischarge machining)。
本发明的有益效果为：
本发明第一电极部分的电极边缘与第二电极部分的电极边缘不平行，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘之间至少有两个间距，可以同时产生多个频率的信号，一方面可以应用在如多频雷达、彩色太赫兹成像等同时需要多个频率的信号源的领域；另一方面，利用本发明自身的混频效应，可以产生频率为这些信号频率之和的高频信号，从而大幅提高器件的发射频率。
附图说明
图1为现有的平面耿氏二极管的结构示意图；
图2为本发明所述平面耿氏二极管的俯视图；
图3为本发明实施例2所述平面耿氏二极管的结构示意图；
图4为本发明实施例3所述平面耿氏二极管的结构示意图；
图5为本发明实施例4所述平面耿氏二极管的结构示意图；
其中，1、绝缘衬底，2、沟道层，3、第一帽层，4、第二帽层，5、第一电极，6、第二电极，7、电极边缘。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种平面耿氏二极管，包括：由下至上依次设置的绝缘衬底1、沟道层2及设置在所述沟道层2上的第一电极部分、第二电极部分，所述第一电极部分、所述第二电极部分及所述第一电极部分与所述第二电极部分形成的沟道中至少有一个是一体的，所述第一电极部分的电极边缘7与所述第二电极部分的电极边缘7不平行。
所述第一电极部分的电极边缘7是指，与所述第二电极部分相对的第一电极部分的面与所述沟道层2之间的交线，同理，所述第二电极部分的电极边缘7是指，与所述第一电极部分相对的第二电极部分的面与所述沟道层2之间的交线。
此处设计的优势在于，第一电极部分的电极边缘7与第二电极部分的电极边缘7不平行，所述第一电极部分的电极边缘7与所述第二电极部分的电极边缘7之间至少有两个间距，可以同时产生多个频率的信号，一方面可以应用在如多频雷达、彩色太赫兹成像等同时需要多个频率的信号源的领域；另一方面，利用本发明自身的混频效应，可以产生频率为这些信号频率之和的高频信号，从而大幅提高器件的发射频率。
所述第一电极部分为第一电极5，所述第二电极部分为第二电极6。
所述第一电极部分的电极边缘7与所述第二电极部分的电极边缘7的间距的取值分别为：d3＝1.2μm、d2＝1.0μm、d1＝0.8μm，如图2所示，
所述沟道层2上，所述第一电极部分的电极边缘7与所述第二电极部分的电极边缘7的间距不等的沟道分别隔离。
此处设计的优势在于，减少相互干扰，提高器件性能；电极间距不等的沟道通过刻槽或者离子注入实现隔离。
所述第一电极部分的电极边缘7为折线型，所述第二电极部分的电极边缘7为直线型。
所述第一电极5与所述第二电极6均为金属电极，所述金属电极的材料为依次生长的Au、Ge、Au、Ni、Ti、Au。
所述沟道层2为In0.53Ga0.47As。
实施例2
根据实施例1所述的一种平面耿氏二极管，其区别在于，所述第一电极部分包括第一电极5及第一帽层3，所述第一帽层3设置在所述第一电极5与所述沟道层2之间，所述第二电极部分包括第二电极6及第二帽层4，所述第二帽层4设置在所述第二电极6与所述沟道层2之间，所述第一电极5未覆盖所述第一帽层3，所述第二电极6未覆盖所述第二帽层4，如图3所示。
实施例3
根据实施例1所述的一种平面耿氏二极管，其区别在于，所述第一电极部分包括第一电极5及第一帽层3，所述第一帽层3设置在所述第一电极5与所述沟道层2之间，所述第二电极部分包括第二电极6及第二帽层4，所述第二帽层4设置在所述第二电极与6所述沟道层2之间，所述第一电极5未覆盖所述第一帽层3，所述第二电极6覆盖所述第二帽层4至接触所述沟道层2，如图4所示。
实施例4
根据实施例1所述的一种平面耿氏二极管，其区别在于，所述第一电极部分包括第一电极5及第一帽层3，所述第一帽层3设置在所述第一电极5与所述沟道层2之间，所述第二电极部分包括第二电极6及第二帽层4，所述第二帽层4设置在所述第二电极6与所述沟道层2之间，所述第一电极5覆盖所述第一帽层3至接触所述沟道层2，所述第二电极6覆盖所述第二帽层4至接触所述沟道层2，如图5所示。
实施例5
上述实施例2-4任一所述平面耿氏二极管的制备方法，具体步骤包括：
(1)采用半绝缘的InP做绝缘衬底1，在绝缘衬底1上用MOCVD外延生长300nm n型In0.53Ga0.47As做沟道层2，沟道层2的掺杂浓度为8×1016cm-3。沟道层2上外延生长200nm重掺杂的In0.53Ga0.47As做第一帽层3及第二帽层4，第一帽层3及第二帽层4的掺杂浓度为2×1018cm-3。
(2)在样品上旋涂PMMA电子束胶做刻蚀掩膜，利用电子束曝光设备曝光PMMA电子束胶，形成台面图形。使用磷酸、双氧水的混合溶液刻蚀台面，形成器件之间的电气隔离。除去残留的PMMA电子束胶。
(3)在样品上旋涂PMMA电子束胶做刻蚀掩膜，利用电子束曝光设备曝光PMMA电子束胶，形成器件的帽层的图形。使用柠檬酸、双氧水的混合溶液刻蚀掉帽层，露出器件沟道层2。第一帽层3及第二帽层4的间距分别为1.2μm、1.0μm、0.8μm，宽度分别为27μm、33μm、40μm。除去残留的PMMA电子束胶。
(4)在样品上旋涂PMMA电子束胶做刻蚀掩膜，利用电子束曝光设备曝光PMMA电子束胶，形成器件的金属电极图形。利用电子束蒸发设备依次沉积Au、Ge、Au、Ni、Ti、Au金属电极，厚度为300nm。将样品放入丙酮溶液中浸泡，除去未曝光的PMMA电子束胶和附着在其上的金属，形成第一电极5和第二电极6，第一电极5和第二电极6的间距比其下的第一帽层3和第二帽层4的间距大0.2μm，宽度与其下的第一帽层3和第二帽层4宽度相同。
(5)400℃下使用快速退火炉将样品在氮气气氛中快速退火30s，使第一电极5或第二电极6与第一帽层3或第二帽层4之间形成欧姆接触；形成所述平面耿氏二极管。
在得到的平面耿氏二极管加3V以上脉冲电压，用频谱仪可以观测到器件有多个频率的信号产生。
Claims (12)
1.一种平面耿氏二极管，包括：由下至上依次设置的绝缘衬底、沟道层及设置在所述沟道层上的第一电极部分、第二电极部分，其特征在于，所述第一电极部分、所述第二电极部分及所述第一电极部分与所述第二电极部分形成的沟道中至少有一个是一体的，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘不平行。
2.根据权利要求1所述的一种平面耿氏二极管，其特征在于，所述第一电极部分为第一电极，所述第二电极部分为第二电极。
3.根据权利要求1所述的一种平面耿氏二极管，其特征在于，所述第一电极部分包括第一电极及第一帽层，所述第一帽层设置在所述第一电极与所述沟道层之间，所述第二电极部分包括第二电极及第二帽层，所述第二帽层设置在所述第二电极与所述沟道层之间。
4.根据权利要求1所述的一种平面耿氏二极管，其特征在于，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘的间距的最小值dmin与最大值dmax之间满足以下条件：所述第一电极部分的电极边缘、所述第二电极部分的电极边缘为直线型、折线型或弧线型中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种平面耿氏二极管，其特征在于，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘的间距的取值范围为0.6-10μm；所述沟道层上，所述第一电极部分的电极边缘与所述第二电极部分的电极边缘的间距不等的沟道分别隔离。
6.根据权利要求2或3所述的一种平面耿氏二极管，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极均为金属电极，所述金属电极的材料为Au、Ge、Ni、Ti、Al、Pd、Pt、Mo、In、Ga、Ag中的一种或者多种；所述沟道层为一层均匀的半导体材料或多层半导体材料中的任一种；所述半导体材料为III-V族二元化合物、多元化合物中的一种或者多种，所述III-V族二元化合物包括：InP、GaAs、InAs、GaN、InN；所述多元化合物包括：InxGa(1-x)As、InxAl(1-x)As、AlxGa(1-x)As、InxGa(1-x)N、InxAl(1-x)N、AlxGa(1-x)N、InxGa(1-x)As(y)P(1-y)。
7.权利要求2所述的平面耿氏二极管的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
(1)在绝缘衬底上外延生长沟道层；
(2)根据设计的电极层图形，通过微纳加工技术形成第一电极及第二电极；
(3)第一电极与沟道层之间形成欧姆接触，第二电极与沟道之间形成欧姆接触，形成所述平面耿氏二极管。
8.权利要求3所述的平面耿氏二极管的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：
a、在绝缘衬底上外延生长沟道层、帽层；
b、根据设计的沟道层图形，通过微纳加工技术除去部分帽层，露出器件沟道层，形成第一帽层和第二帽层；
c、根据设计的电极层图形，通过微纳加工技术形成第一电极及第二电极；
d、第一电极与第一帽层之间形成欧姆接触，第二电极与第二帽层之间形成欧姆接触，形成所述平面耿氏二极管。
9.根据权利要求7所述的平面耿氏二极管的制备方法，其特征在于，步骤(3)之前进行如下操作：300-500℃下快速退火20-90s；
所述微纳加工技术包括：紫外、激光或电子束曝光技术，聚焦离子束沉积和刻蚀，纳米压印，扫描探针加工，喷墨打印，模板法，激光微加工，电火花微加工。
10.根据权利要求7所述的平面耿氏二极管的制备方法，其特征在于，步骤(3)之前进行如下操作：400℃下快速退火30s；
所述微纳加工技术包括：紫外、激光或电子束曝光技术，聚焦离子束沉积和刻蚀，纳米压印，扫描探针加工，喷墨打印，模板法，激光微加工，电火花微加工。
11.根据权利要求8所述的平面耿氏二极管的制备方法，其特征在于，步骤d之前进行如下操作：300-500℃下快速退火20-90s；
所述微纳加工技术包括：紫外、激光或电子束曝光技术，聚焦离子束沉积和刻蚀，纳米压印，扫描探针加工，喷墨打印，模板法，激光微加工，电火花微加工。
12.根据权利要求8所述的平面耿氏二极管的制备方法，其特征在于，步骤d之前进行如下操作：400℃下快速退火30s；
所述微纳加工技术包括：紫外、激光或电子束曝光技术，聚焦离子束沉积和刻蚀，纳米压印，扫描探针加工，喷墨打印，模板法，激光微加工，电火花微加工。
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