CN107017310B - 一种高功率低噪音的平面耿氏二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高功率低噪音的平面耿氏二极管及其制备方法，包括绝缘衬底、沟道层及设置在所述沟道层上的共平面波导，所述共平面波导的谐振腔长度为二分之一谐振波长的整数倍，所述共平面波导在谐振频率下的特征阻抗与负载的阻抗(通常为50欧姆)相等。本发明所述平面耿氏二极管放在共平面波导谐振腔中，使得平面耿氏器件能够工作在谐振模式，极大提高了平面耿氏器件的发射功率、转换效率和频率稳定性，同时降低了相噪音。
Description
技术领域
本发明涉及一种高功率低噪音的平面耿氏二极管及其制备方法，尤其涉及一种高频、高功率、低相噪音平面耿氏二极管，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半导体衬底的正反面形成电接触，电流垂直于电极平面流动，所以也称为为垂直耿氏器件。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、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垂直耿氏器件存在的上述问题。平面的耿氏器件，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达到了300GHz。这使得平面耿氏器件有希望成为一种固态、低成本、可集成的太赫兹源。但是，目前已报道的平面耿氏器件普遍存在发射功率低、相噪音大的缺点。其主要原因是这些平面耿氏器件都没有使用具有高品质因素(Q值)的谐振腔。耿氏器件在使用高Q谐振腔后，其工作频率稳定性和相噪音性能都可以明显的提升。更重要的是，使用谐振腔后，耿氏器件的工作频率变成由谐振腔的自身谐振频率决定，因此耿氏器件的工作频率可以进一步提高。传统的垂直耿氏器件普遍使用矩形波导谐振腔，这种谐振腔具有极高的Q值(～1000)。但是如果平面耿氏器件放入矩形波导谐振腔中，就会失去其二维可集成的优势，所以最好的办法是将其放入具有二维平面结构的谐振腔中。但是目前对于适合于平面耿氏器件的谐振腔的研究报道还很少。已报道的平面谐振腔普遍存在因Q值低导致的器件相噪音大的问题，而且通常尺寸较大。本发明针对这些问题，通过改善平面耿氏二极管的微分负阻特性及平面谐振腔的谐振特性，大幅度降低了器件的相噪音，同时维持了器件较小的尺寸。这利于平面耿氏器件的集成和应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高功率低噪音的平面耿氏二极管；
本发明还提供了上述平面耿氏二极管的制备方法；
本发明所述平面耿氏二极管放在共平面波导谐振腔中，使得平面耿氏器件能够工作在谐振模式，极大提高了平面耿氏器件的发射功率、转换效率和频率稳定性，同时降低了相噪音。
本发明通过改善平面耿氏二极管的微分负阻特性及平面谐振腔的谐振特性，大幅度降低了器件的相噪音，同时维持了器件较小的尺寸。这利于平面耿氏器件的集成和应用。
术语解释
1、MBE，即分子束外延生长技术。
2、PMMA，即聚甲基丙烯酸甲酯。
3、趋肤深度，趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率(f)越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此导线的厚度，称为趋肤深度。
本发明的技术方案为：
一种高功率低噪音的平面耿氏二极管，包括绝缘衬底、沟道层及设置在所述沟道层上的共平面波导，所述共平面波导的谐振腔长度为二分之一谐振波长的整数倍，所述共平面波导在谐振频率下的特征阻抗与负载的阻抗(通常为50欧姆)相等。
共平面波导的中心导线宽度与其两边的电极间隙的宽度比应根据负载设定，确保在谐振频率下共平面波导阻抗与负载阻抗相匹配，例如，负载阻抗为50Ω，若谐振频率为100GHz，此时共平面波导的中心导线宽度与其两边的电极间隙的宽度约比3.3:2。
根据本发明优选的，所述共平面波导的材料为银、金、铜，并且所述共平面波导的厚度大于趋肤深度的三倍。
此处设计的优势在于，降低损耗，提高谐振腔Q值。
共平面波导传播电磁波，同时构成谐振腔，使得平面耿氏器件工作在谐振模式。此处设计的优势在于，利用结构简单的共平面波导构成谐振腔，使平面耿氏器件工作在谐振模式，共平面波导谐振腔和其下的半导体一起实现微波的介质模传输方式，从而降低谐振腔尺寸、提高Q值。
根据本发明优选的，所述绝缘衬底上外延生长有厚度为50～500nm的缓冲层。
根据本发明优选的，所述沟道层上外延生长有帽层，所述帽层为厚度为50～300nm的重掺杂的InGaAs，所述帽层的掺杂浓度不小于1×1018cm-3。
此处设计的优势在于，降低了电极接触电阻。
根据本发明优选的，所述绝缘衬底的材料为InP、GaAs、蓝宝石或高阻硅。
根据本发明优选的，所述沟道层的厚度为10～300nm，所述沟道层的载流子浓度范围为1×1014～1×1019cm-3，所述沟道长度为0.6～10μm，所述沟道层的载流子浓度与沟道长度的乘积大于1012cm-2；所述沟道层为一层均匀的半导体材料或多层半导体材料；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InGaAs、InAlAs、AlGaAs、InGaN、InAlN、AlGaN、InGaAsP。
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InGaAs层上生长InAlAs形成二维电子气，提高了电子的迁移率。
上述平面耿氏二极管的制备方法，具体步骤包括：
(1)在绝缘衬底上依次外延生长沟道层、帽层；
(2)在步骤(1)生成的样品上利用微纳加工方法形成台面；实现器件之间的电气隔离；
(3)在步骤(2)生成的样品上利用微纳加工方法去掉部分帽层，露出沟道；
(4)在步骤(3)生成的样品上利用微纳加工方法依次制备欧姆接触电极和共平面波导。
根据本发明优选的，所述步骤(1)，具体是指：所述绝缘衬底的表面外延生长厚度为50～500nm缓冲层。
此处设计的优势在于，减少了绝缘衬底中晶格缺陷和来自绝缘衬底的杂质对沟道层的影响，提高了沟道层的质量。
根据本发明优选的，所述步骤(3)，具体是指：利用微纳加工方法自上而下除去沟道上方的帽层，以及部分沟道层，形成一定厚度的沟道。
根据本发明优选的，所述步骤(4)，具体是指：
a、利用微纳加工方法制备具有图形的欧姆接触电极，并在所述欧姆接触电极上沉积金属；
b、利用微纳加工方法制备具有图形的共平面波导，并在所述共平面波导上沉积金属；所述金属包括Au、Ge、Ni、Ti、Al、Pd、Pt、Mo、In、Ga、Ag中的一种或者多种。
本发明的有益效果为：
本发明利用共平面波导形成的谐振腔使平面耿氏器件工作在谐振模式，从而提高器件发射功率、转换效率和频率稳定性，同时降低相噪音。有利于平面耿氏器件作为微波或太赫兹源在通信、雷达、成像等领域的应用。
附图说明
图1为本发明所述平面耿氏二极管的结构示意图；
图2为本发明所述共平面波导形成的谐振腔结构示意图；
1、绝缘衬底，2、沟道层，3、帽层，4、欧姆接触电极，5、共平面波导，6、谐振腔，7、耿氏二极管。
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
一种高功率低噪音的平面耿氏二极管，包括绝缘衬底1、沟道层2及设置在沟道层2上的共平面波导5，共平面波导5的谐振腔长度为二分之一谐振波长的整数倍，共平面波导5在谐振频率下的特征阻抗与负载的阻抗50Ω相等。
负载阻抗为50Ω，谐振频率为100GHz，此时共平面波导5的中心导线宽度与其两边的电极间隙的宽度约比3.3:2。
共平面波导5的材料为银、金、铜，并且共平面波导5的厚度大于趋肤深度的三倍。此处设计的优势在于，降低损耗，提高谐振腔Q值。
如图2所示，共平面波导5传播电磁波，同时构成谐振腔6，使得耿氏二极管7工作在谐振模式。此处设计的优势在于，利用结构简单的共平面波导5构成谐振腔6，使耿氏二极管7工作在谐振模式，共平面波导5和其下的半导体一起实现微波的介质模传输方式，从而降低谐振腔6的尺寸、提高Q值。
绝缘衬底1上外延生长有厚度为300nm的缓冲层。
沟道层2上外延生长有帽层3，帽层3为厚度为200nm的重掺杂的InGaAs，帽层3的掺杂浓度为1×1018cm-3。帽层3上设有欧姆接触电极4，此处设计的优势在于，降低了欧姆接触电极4电阻。如图1所示。
绝缘衬底1的材料为半绝缘的InP。
沟道层2的厚度为300nm，沟道层2的掺杂浓度为1×1016cm-3，沟道层2的载流子浓度范围为1×1014～1×1019cm-3，沟道长度为4μm，沟道层2的载流子浓度与沟道长度的乘积大于1012cm-2；沟道层2为一层均匀的半导体材料或多层半导体材料；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，III-V族二元化合物包括InP、GaAs、InAs、GaN、InN；多元化合物包括InGaAs、InAlAs、AlGaAs、InGaN、InAlN、AlGaN、InGaAsP。
此处设计的优势在于，沟道层2为多层半导体材料，提高了沟道层2的性能，例如，在InGaAs层上生长InAlAs形成二维电子气，提高了电子的迁移率。
利用共平面波导形成的谐振腔使平面耿氏器件工作在谐振模式，从而提高器件发射功率、转换效率和频率稳定性，同时降低相噪音。有利于平面耿氏器件作为微波或太赫兹源在通信、雷达、成像等领域的应用。本实施例平面耿氏二极管与背景技术中已报道的类似结构的器件的各性能参数的对比如表1所示。
表1
| 项目名称 | 本实施例平面耿氏二极管 | 已报道的类似结构的器件 |
| 工作频率(GHz) | 106.2 | 116 |
| 发射功率(dBm) | -0.88 | -24 |
| 转换效率 | 0.42％ | 0.0045％ |
| 相噪音(dBc/Hz@10MHz) | -107.1 | -71 |
实施例2
实施例1所述的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MBE外延生长300nm n型In0.53Al0.47As做缓冲层，300nm n型InGaAs做沟道层2，沟道层2的掺杂浓度为1×1016cm-3。沟道层2上外延生长200nm重掺杂的InGaAs做帽层3，帽层3的掺杂浓度为1×1018cm-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3:1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3的图形。使用柠檬酸、双氧水3:1的混合溶液刻蚀掉帽层，露出器件沟道层2。沟道长度为4μm。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Ge、Au、Ti、Au金属电极，电极厚度为100nm。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，形成欧姆接触电极4。
(5)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，形成器件的共平面波导图形。利用电子束蒸发设备依次沉积金属Ti、Au，金属总厚度为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，形成耿氏二极管7。
Claims (10)
1.一种高功率低噪音的平面耿氏二极管，其特征在于，包括绝缘衬底、沟道层及设置在所述沟道层上的共平面波导，所述共平面波导的谐振腔长度为二分之一谐振波长的整数倍，所述共平面波导在谐振频率下的特征阻抗与负载的阻抗相等。
2.根据权利要求1所述的一种高功率低噪音的平面耿氏二极管，其特征在于，所述共平面波导的材料为银、金、铜，并且所述共平面波导的厚度大于趋肤深度的三倍。
3.根据权利要求1所述的一种高功率低噪音的平面耿氏二极管，其特征在于，所述绝缘衬底上外延生长有厚度为50～500nm的缓冲层。
4.根据权利要求3所述的一种高功率低噪音的平面耿氏二极管，其特征在于，所述沟道层上外延生长有帽层，所述帽层上制备有欧姆接触电极，所述欧姆接触电极上制备有所述共平面波导，所述帽层为厚度为50～300nm的重掺杂的InGaAs，所述帽层的掺杂浓度不小于1×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种高功率低噪音的平面耿氏二极管，其特征在于，所述绝缘衬底的材料为InP、GaAs、蓝宝石或高阻硅。
6.根据权利要求1所述的一种高功率低噪音的平面耿氏二极管，其特征在于，所述沟道层的厚度为10～300nm，所述沟道层的载流子浓度范围为1×1014～1×1019cm-3，所述沟道长度为0.6～10μm，所述沟道层的载流子浓度与沟道长度的乘积大于1012cm-2；所述沟道层为一层均匀的半导体材料或多层半导体材料；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InGaAs、InAlAs、AlGaAs、InGaN、InAlN、AlGaN、InGaAsP。
7.权利要求4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)在绝缘衬底上依次外延生长沟道层、帽层；
(2)在步骤(1)生成的样品上利用微纳加工方法形成台面；实现器件之间的电气隔离；
(3)在步骤(2)生成的样品上利用微纳加工方法去掉部分帽层，露出沟道；
(4)在步骤(3)生成的样品上利用微纳加工方法依次制备欧姆接触电极和共平面波导。
8.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，所述步骤(1)，具体是指：所述绝缘衬底的表面外延生长厚度为50～500nm缓冲层。
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，所述步骤(3)，具体是指：利用微纳加工方法自上而下除去沟道上方的帽层，以及部分沟道层，形成沟道。
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，所述步骤(4)，具体是指：
a、利用微纳加工方法制备具有图形的欧姆接触电极；
b、利用微纳加工方法制备具有图形的共平面波导；
具有图形的欧姆接触电极及具有图形的共平面波导均为金属材质，所述金属材质包括Au、Ge、Ni、Ti、Al、Pd、Pt、Mo、In、Ga、Ag中的一种或者多种。
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