CN110993686A - 一种适用于奇次倍频的二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于奇次倍频的二极管，应用于平面肖特基二极管领域，针对现有的二极管奇次倍频效率低的问题，本发明的二极管，包括：衬底，制作于衬底上的金属凸台，金属凸台上形成左右两个靠近的下侧阳极金属柱，两个下侧阳极金属柱上各覆盖一层外延层，两外延层上各设有上侧阳极金属柱；还包括两个空气桥，分别连接两个上侧阳极金属柱至衬底电路；本发明的二极管为对称结构，适合于奇次倍频；其结构简单，消除了欧姆接触，有助于简化倍频器的设计过程并提高倍频效率。
Description
技术领域
本发明属于平面肖特基二极管领域，具体涉及一种毫米波及太赫兹频段平面肖特基二极管。
背景技术
太赫兹波在医学成像、安全检查、天文探测等领域有着巨大的应用价值，但是由于缺乏高效、经济的太赫兹源限制了太赫兹技术的发展。基于平面肖特基二极管的固态器件倍频技术是目前或者太赫兹波的主要方式，它具有高的频谱纯度、较高的效率、可以室温工作以及便于与平面集成等优势。平面肖特基二极管的核心是肖特基势垒即金属-半导体接触。肖特基结依靠多数载流子传导电流，电子迁移率高，高频特性优异，因而被广泛应用于太赫兹频段的电路设计之中。
平面肖特基二极管是由触须接触式二极管发展而来，相对于触须式二极管其一致性和稳定性都有很大提高，同时也便于平面集成，但是寄生参数有所增加。平面肖特基二极管本征部分包括了三个部分：Rj为肖特基结电阻，Cj为肖特基结电容、Rs为串联电阻。Rj和Cj随电压改变是呈非线性变化的，这是二极管能够实现非线性倍频、混频的根本原因。而Rs表征了二极管本身的损耗，该电阻主要有三个来源：一是外延层中未耗尽区域的传导电阻Repi，二是缓冲层的扩散电阻Rspreading，三是阴极的欧姆接触电阻Rcontact。传导电阻的大小在很大程度上取决于二极管的设计意图，因为它依赖于二极管的阳极面积、掺杂浓度以及外延层厚度，而这些参数通常需要根据该二极管是被设计成阻性管还是容性管而仔细选择的。剩下的因素，包括扩散电阻Rspreading和欧姆接触电阻Rcontact才是真正的寄生部分，因为他们除了将二极管引出到外部电路以外只会贡献损耗而没有其他功能。为了将二极管阴极引出，一个肖特基结需要一个欧姆接触。
为了适应不同的倍频器结构同时增大功率处理能力，一个二极管芯片上通常以同向串联或者反向串联的形式制作多个二极管管芯，使得总的I-V或者C-V曲线展现出对称特性，就可以实现平衡式倍频器(偶次输出而奇次被抑制或奇次输出而偶次被抑制)。采用平衡结构，输出频率更加纯净，同时可以简化电路的设计。但是，随着管芯数目的增加，欧姆接触的数目也在以相同的数量增加，这增大了二极管芯片的损耗和散热负担。
另一种在太赫兹频段常用的在器件层面展现出对称C-V特性的二极管是异质结势垒变容二极管HBV(Heterostructure Barrier Varactor)。HBV二极管的有源区域是由未掺杂的高带隙半导体材料(Barrier Layer)夹在两个适度掺杂的低带隙半导体材料(Modulation Layers)之间构成的。如果通过重复堆叠HBV的有源区域单元块，可以创建N势垒的HBV二极管，不仅提高了HBV二极管芯片的功率承受能力，而且不用增加欧姆接触的数目，但是HBV的复杂层结构导致了其制作比较复杂。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种适用于奇次倍频的二极管，由外延层与上下两侧金属柱形成的两个反向的肖特基接触构成。
本发明采用的技术方案为：一种适用于奇次倍频的二极管，包括衬底，制作于衬底上的金属凸台，金属凸台上形成左右两个下侧阳极金属柱，两个下侧阳极金属柱上各覆盖一层外延层，两外延层上各设有上侧阳极金属柱；还包括两个空气桥，所述两个空气桥分别连接两个上侧阳极金属柱至衬底电路。
进一步地，所述二极管为对称结构。
进一步地，所述外延层材料为GaAs、GaN、InP中的一种。
一种制备上述二极管的方法，包括：
S1、在半绝缘衬底上生长刻蚀阻止层与外延层，形成第一结构；
S2、将第一结构外延层朝下键合到已制作好阳极台面的晶圆上；阳极台面与外延层接触形成肖特基接触；
S3、对经步骤S2处理后的第一结构的背面进行酸蚀，去除半绝缘衬底与刻蚀阻止层，露出外延层的另外一侧；
S4、采用金属沉淀在外延层上形成上侧阳极；
S5、制作空气桥与衬底电路，通过空气桥将上侧阳极连接至衬底电路。
本发明的有益效果：本发明的二极管核心区域是由外延层与上下两侧金属柱形成的两个反向的肖特基接触构成；本发明的二极管具有偶对称的C-V特性曲线和奇对称的I-V特性曲线，适合于做奇次倍频器。而且，该二极管中的肖特基势垒通过两侧的金属柱和空气桥引出，故而消除了传统二极管缓冲的扩散电阻Rspreading和欧姆电阻Rcontact，只剩下了外延层的传导电阻Repi，因此二极管的串联电阻Rs大幅减小，有助于提高二极管的倍频效率；此外，外延层的材料也可以根据不同的要求选择不同的半导体材料，如GaAs、GaN、InP等，材料的不同从根本上决定了器件的高频性能；本发明的二极管器件，结构简单，有助于简化倍频器的设计过程并提高倍频效率，在太赫兹固态倍频源的设计中具有很好的实用性。
附图说明
图1为本发明适合于奇次倍频的二极管的横截面示意图；
图2为本实施实例中通过外延转移和晶圆键合技术实现GaAs基奇次倍频二极管的工艺过程示意图；
其中，图2(a)为生长外延示意图；图2(b)为晶圆键合示意图；图2(c)为台面刻蚀示意图；图2(d)为阳极形成示意图；
附图标记：1为衬底，2为金属凸台，3为下侧阳极金属，4为外延层，5为上侧阳极金属，6为空气桥。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-2对本发明内容进一步阐释。
如图1所述，本发明将轻掺杂的外延层夹在两层金属之间，利用两侧形成的反向势垒构成一种适合于奇次倍频的二极管。本发明的内一种适合于奇次倍频二极管，从下往上依次由衬底1、金属凸台2、下侧阳极金属柱3、外延层4、上侧阳极金属柱5和空气桥6等构成；
其中，金属凸台制作于衬底上；
其中，金属凸台上形成两个小的凸起，为两个下侧阳极金属柱；
其中，金属阳极之上覆盖一层轻掺杂外延层；
其中，外延层之上为上侧阳极金属柱；
其中，两个空气桥结构连接上侧阳极金属柱到衬底电路；
其中，外延层夹在上、下两侧的金属柱之间且整个二极管左右对称；
其中，外延层材料可以砷化镓GaAs、氮化镓GaN、磷化铟InP等；
由于外延层一般是直接生产在半导体材料上的，而本发明的核心是需要将半导体的外延层夹在两层金属之间，因此本发明还给出了一种制备适合奇次倍频二极管结构的方法，本实施实例以GaAs材料为例提供了一种通过晶圆键合与外延转移工艺来实现适合奇次倍频二极管结构的方法，其制作的工艺过程如附图2(a)～(d)所示。
首先，在半绝缘衬底GaAs(Semi-Insulating GaAs)上生长AlGaAs刻蚀阻止层和n-GaAs外延，如图2(a)所示；
然后将该GaAs晶圆外延层朝下键合到另一个制作好阳极台面的GaAs晶圆上，底部的阳极台面和外延层形成肖特基接触，如图2(b)所示,制作好阳极台面的GaAs晶圆具体为半绝缘衬底上制作的Ge/Pt/Au Anode(Bottem)，即上述的下侧阳极金属柱；
生长有外延层的晶圆键合到衬底上之后，半绝缘的衬底在柠檬酸中(CitricAcid)刻蚀掉，随后AlGaAs刻蚀阻止层在氢氟酸(Hydrofluoric)中被刻蚀掉，露出外延层另一面；具体的柠檬酸、氢氟酸浓度及具体刻蚀时间为现有技术，以将半绝缘的衬底、刻蚀阻止层去掉露出外延层的另一侧为最终效果，具体柠檬酸、氢氟酸浓度及具体刻蚀时间可以参考文献“Design and Characterization of Integrated Submillimeter-Wave Quasi-Vertical Schottky Diodes Naser Alijabbari,Student Member,IEEE,MatthewF.Bauwens,”，本发明此处不做详细说明。
最后的器件台面通过光刻定义，所有不需要的GaAs通过第二次腐蚀被移除，如图2(c)所示；
剩下的制造步骤如光刻、金属沉淀、刻蚀等均为MMIC(单片微波集成电路)常用的工艺，主要包括形成上侧阳极(Anode Finger(Up))、制作空气桥和其他的电路结构，最后形成的结构如图2(d)所示的奇次倍频二极管结构。
综上，本发明将轻掺杂的半导体材料夹在两层金属之间，构成“金属-半导体-金属”结构，中间的轻掺杂半导体与两侧金属形成极性相反的两个肖特基接触(金属-半导体接触)。本发明创新性地在于从器件层面实现了基于肖特基接触的反向串联型二极管管对结构，具有奇对称的I-V特性和偶对称的C-V特性；所以，对于基于本发明的二极管的倍频器而言，其输出只有奇次谐波，而没有偶次谐波；另一方面，由于器件的有源区域只有金属和外延层，因此消除了由缓冲层和欧姆接触带来的损耗，有助于提高器件的倍频效率。本发明提供的二极管器件方案，结构简单，有助于简化倍频器的设计并提高倍频效率，在太赫兹固态倍频源的设计中具有很好的实用性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (3)
1.一种适用于奇次倍频的二极管，其特征在于，包括衬底，制作于衬底上的金属凸台，金属凸台上形成左右两个下侧阳极金属柱，两个下侧阳极金属柱上各覆盖一层外延层，两外延层上各设有上侧阳极金属柱；还包括两个空气桥，所述两个空气桥分别连接两个上侧阳极金属柱至衬底电路。
2.根据权利要求1所述的一种适用于奇次倍频的二极管，其特征在于，所述二极管为对称结构。
3.根据权利要求2所述的一种适用于奇次倍频的二极管，其特征在于，所述外延层材料为GaAs、GaN、InP中的一种。
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