專利名稱：一種耿氏二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波器件中二極管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耿氏二極管及其制備方法。
背景技術(shù)：
以耿氏二極管等非線性器件為核心的振蕩器常用作高頻本振源。耿氏二極管是毫米波段振蕩器的有源非線性器件，由于高質(zhì)量半導體材料的制造、加工工藝和裝配等技術(shù)的不斷發(fā)展，使得器件表現(xiàn)出卓越的性能。同時耿氏二極管制備過程簡單，結(jié)構(gòu)靈活，所以它們不僅作為各類接收機混頻器的本振源，而且在雷達、通信、空間技術(shù)等方面可以作為中小功率的信號源，是目前應(yīng)用最廣泛的半導體振蕩器。傳統(tǒng)的耿氏二極管，在N-型層上采用均勻摻雜，且主要采用垂直結(jié)構(gòu)。這種摻雜的雙端Gurm 二極管，不能利用直流電壓直接對輸出振蕩頻率調(diào)諧，不利于實現(xiàn)單片集成， 導致系統(tǒng)中需要大量的器件載體、外接偏置電路和金屬波導等體積較大的組件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種AWaAs梯度帶隙的GaAs平面耿氏二極管，能夠有效減小有源區(qū)的死區(qū)，提高直流到射頻的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的另一目的在于提供一種耿氏二極管的制備方法，其制備方法與集成電路工藝相兼容，便于制作毫米波、亞毫米波范圍內(nèi)的集成振蕩電路。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為—種耿氏二極管，所述耿氏二極管的外延片包括半導體絕緣GaAs襯底，位于所述半導體絕緣GaAs襯底上外延生長的高摻雜下底面n+GaAs層，位于所述高摻雜下底面 n+GaAs層上外延生長的有源區(qū)n—GaAs層，位于所述有源區(qū)n—GaAs層上外延生長的nsGaAs 層，位于所述IisGaAs層上外延生長的GaAs本征下隔離層，位于所述GaAs本征下隔離層上外延生長的Al摩爾含量線性梯度變化的AlxGai_xAs本征勢壘層，位于所述AlxGai_xAs本征勢壘層上外延生長的GaAs本征上隔離層，位于所述GaAs本征上隔離層上外延生長的高摻雜上表面n+GaAs層。上述方案中，所述高摻雜下底面n+GaAs層長700納米，摻雜濃度為4. 3 X IO18CnT3 ； 所述高摻雜上表面n+GaAs層長500納米，摻雜濃度為4. 3 X IO18CnT3 ；有源區(qū)n—GaAs層長1. 6 微米，摻雜濃度為1. IX IO16CnT3 ；所述IisGaAs層長5納米，摻雜濃度為1. 0 X 1018cm_3。上述方案中，所述GaAs本征上隔離層和GaAs本征下隔離層長為10納米；所述 AlxGa1^xAs本征勢壘層長50納米，在與所述GaAs本征上隔離層界面處，Al的摩爾含量為0， 在與所述GaAs本征下隔離層界面處，Al的摩爾含量為0. 32 ；在所述GaAs本征上隔離層界面和下隔離層界面間，Al的摩爾含量線性增加。一種耿氏二極管的制備方法，包括如下步驟A、在外延片上勻一層AZ5214光刻膠，然后前烘、曝光、反轉(zhuǎn)、泛暴和顯影，蒸發(fā)金屬、剝離，形成耿氏二極管上電極；B、在外延片上勻一層9912光刻膠，然后前烘、曝光、顯影和后烘，第一次臺面腐蝕，形成器件的下電極臺面；C、在外延片上勻一層AZ5214光刻膠，然后前烘、曝光、反轉(zhuǎn)、泛暴和顯影，蒸發(fā)金屬和剝離，形成耿氏二極管下電極；D、在小合金爐中合金，形成歐姆接觸的上下電極；E、在外延片上勻一層9912光刻膠，然后前烘，光刻，顯影和后烘，第二次臺面腐蝕，形成器件之間的電學隔離；F、在外延片上PECVD生長一層3000埃的Si3N4 ；G、在生長有Si3N4的外延片上勻一層9912膠，然后前烘，光刻，顯影和后烘，用RIE 刻蝕設(shè)備在Si3N4表面刻孔，露出上下電極的金屬層；H、在外延片上濺射鈦/金起鍍層；I、在外延片上勻一層9920光刻膠，然后前烘，光刻，顯影和后烘，經(jīng)打底膠和漂洗后電鍍3um的軟金，然后泛暴、顯影，去掉表面的9920厚膠；J、在外延片上勻一層AZ5214光刻膠，然后前烘，曝光、反轉(zhuǎn)、顯影和后烘，經(jīng)打底膠后用去金液漂洗40秒，用漂鈦液漂洗15秒，最后用丙酮浸泡，去除AZ5214光刻膠。上述方案中，所述步驟A、B、C、E、I和J之前進一步包括清洗外延片，在120度的真空烘箱內(nèi)，將六甲基二硅氨烷HMDS蒸發(fā)在清洗干凈的外延片上。上述方案中，所述清洗外延片的步驟還包括先用丙酮沖洗，再用乙醇沖洗，然后用去離子水沖洗，如此反復至少7次，最后用氮氣吹干。上述方案中，所述步驟B、E和G中，所述9912光刻膠厚1.5um;前烘條件為100°C 熱板烘90s ；后烘條件為115°C熱板烘2分鐘；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光時間；顯影條件為正膠顯影液60s。上述方案中，所述步驟A、C和J中，所述AZ5214光刻膠厚1. 6um ；前烘條件為 100°c熱板烘，90s ；反轉(zhuǎn)條件為115°C熱板烘90秒；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光時間；泛暴條件為5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴時間；顯影條件為AZ5214顯影液60s。上述方案中，所述步驟I中，所述9920光刻膠厚3.5um，前烘條件為100°C熱板， 90s ；堅膜條件為115°C熱板烘2分鐘；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，35秒的曝光時間；顯影條件為正膠顯影液60s。上述方案中，所述步驟B和E中，所述臺面腐蝕液中各成分的體積比為 H2SO4 H2O2 H2O = 1 8 160。上述方案中，所述步驟H中，所述濺射金屬由外延片表面向上依次為鈦Ti和金Au， 其厚度的典型值分別為300 A和800 A。上述方案中，所述步驟A和C中，所述蒸發(fā)金屬為在外延片上從下至上依次蒸發(fā)金屬Ni、Ge、Au、Ge、Ni和Au，所述蒸發(fā)金屬的厚度分別為40 A、40 A、660 A、80 A、30 A和2200A,步驟D中合金條件為375°C合金60秒。上述方案中，所述步驟I中，所述的漂洗條件為使用體積比為H3PO4 H2O = 1 15的漂洗液漂20秒，去離子水沖洗7遍。
上述方案中，所述步驟J中，所述的去金液中各成分的體積比為12 KI H2O = 1:4: 40，漂鈦液中各成分的體積比為HF H2O=I 15。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用的技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下本發(fā)明提供的耿氏二極管能夠有效減小有源區(qū)ITGaAs層中的死區(qū)，增加直流到射頻信號轉(zhuǎn)換效率和提高熱穩(wěn)定性，且可以利用直流電壓直接對輸出振蕩頻率和功率調(diào)諧；本發(fā)明提供的耿氏二極管的制備方法簡便，易于實現(xiàn)單片集成。


圖1為本發(fā)明提供的一種耿氏二極管的截面圖；圖2為本發(fā)明提供的一種耿氏二極管的俯視圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的一種耿氏二極管I-V曲線；圖4為本發(fā)明提供的一種耿氏二極管的制備流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細描述。如圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種耿氏二極管，包括半導體絕緣GaAs襯底1， 位于半導體絕緣GaAs襯底1上外延生長的高摻雜下底面n+GaAs層2，位于高摻雜下底面 n+GaAs層2上外延生長的有源區(qū)n—GaAs層3，位于有源區(qū)rTGaAs層3上外延生長的nsGaAs 層4，位于IisGaAs層4上外延生長的GaAs本征下隔離層5，位于GaAs本征下隔離層5上外延生長的Al摩爾含量線性梯度變化的AlxGai_xAs本征勢壘層6，位于AlxGai_xAs本征勢壘層 6上外延生長的GaAs本征上隔離層7，位于GaAs本征上隔離層7上外延生長的高摻雜上表面 n+GaAs 層 8。高摻雜下底面n+GaAs層2長700納米，摻雜濃度為4. 3 X 1018cm_3 ；高摻雜上表面 n+GaAs層8長500納米，摻雜濃度為4. 3 X 1018cm_3 ；有源區(qū)n_GaAs層3長1. 6微米，摻雜濃度為1. IX IO16CnT3 ;nsGaAs層4長5納米，摻雜濃度為LOXIOiW0GaAs本征上隔離層7和GaAs本征下隔離層5長為10納米；所述AlxGi^xAs本征勢壘層6長50納米，在與GaAs本征上隔離層7界面處，Al的摩爾含量為0，在與GaAs本征下隔離層5界面處，Al的摩爾含量為0. 32 ；在GaAs本征上隔離層7界面和GaAs本征下隔離層5界面間，Al的摩爾含量線性增加。如圖2所示，圖2為本發(fā)明實施例提供的該GaAs平面耿氏二極管的俯視圖。結(jié)合圖1可知，本發(fā)明提供的這種二極管是一種臺面結(jié)構(gòu)，下電極由引線引出。這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在電路中具有很大的靈活性，便于單片集成，節(jié)約成本。如圖3所示，圖3為本發(fā)明實施例提供的有源區(qū)面積分別為144um2、600um2、 1200um2AlGaAs梯度帶隙的GaAs平面耿氏二極管的直流測試結(jié)果，其陰極和陽極水平間距保持5um不變。從圖中可以看出當外加直流電壓分別為2. 8,2. 9和3. 0伏時，144um2、 600um2、1200um2三種有源區(qū)面積結(jié)構(gòu)的耿氏二極管均表現(xiàn)出負微分電阻特性，而且面積越大對應(yīng)電流也越大。如圖4所示，本發(fā)明提供的一種耿氏二極管的制備方法，該方法包括以下步驟A、清洗外延片，在120度的真空烘箱內(nèi)將六甲基二硅氨烷HMDS蒸發(fā)在清洗干凈的外延片上，用于增加外延片與膠的粘附性；在外延片上勻一層厚度為1.6um的AZ5214光刻膠，然后前烘、曝光、反轉(zhuǎn)、泛暴和顯影，蒸發(fā)金屬、剝離，形成耿氏二極管上電極；其中，前烘條件為100°C熱板烘，90s ；反轉(zhuǎn)條件為115°C熱板烘90秒；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光時間；泛暴條件為5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴時間；顯影條件為AZ5214顯影液60s ；蒸發(fā)金屬為在外延片上從下至上依次蒸發(fā)金屬Ni、Ge、Au、Ge、Ni和Au，蒸發(fā)金屬的厚度分別為40 A、40 A、660 A、80 A、30人和2200人；B、清洗外延片，在120度的真空烘箱內(nèi)將六甲基二硅氨烷HMDS蒸發(fā)在清洗干凈的外延片上，用于增加外延片與膠的粘附性；在清外延片上勻一層厚度為1. 5um的9912光刻膠，然后前烘、曝光、顯影和后烘，第一次臺面腐蝕，形成器件的下電極臺面；其中，前烘條件為100°C熱板烘，90s ；后烘條件為115°C熱板烘2分鐘；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光時間；顯影條件為正膠顯影液60s ；臺面腐蝕液中各成分的體積比為=H2SO4 H2O2 H2O = 1 8 160 ；C、清洗外延片，在120度的真空烘箱內(nèi)將六甲基二硅氨烷HMDS蒸發(fā)在清洗干凈的外延片上，用于增加外延片與膠的粘附性；在外延片上勻一層厚度為1.6um的AZ5214光刻膠，然后前烘、曝光、反轉(zhuǎn)、泛暴和顯影，蒸發(fā)金屬和剝離，形成耿氏二極管下電極；其中，前烘條件為100°C熱板烘，90s ；反轉(zhuǎn)條件為115°C熱板烘90秒；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光時間；泛暴條件為5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴時間；顯影條件為AZ5214顯影液60s ；蒸發(fā)金屬為在外延片上從下至上依次蒸發(fā)金屬Ni、Ge、Au、Ge、Ni和Au，所述蒸發(fā)金屬的厚度分別為40 A、40 A、660 A、80 A、30人和2200人；D、在小合金爐中合金，形成歐姆接觸的上下電極；其中合金條件為375°C合金60 秒；E、清洗外延片，在120度的真空烘箱內(nèi)將六甲基二硅氨烷HMDS蒸發(fā)在清洗干凈的外延片上，用于增加外延片與膠的粘附性；在外延片上勻一層厚度為1. 5um的9912光刻膠， 然后前烘，曝光，顯影和后烘，第二次臺面腐蝕，形成器件之間的電學隔離；其中，前烘條件為100°C熱板烘，90s ；后烘條件為115°C熱板烘2分鐘；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光時間；顯影條件為正膠顯影液60s ；臺面腐蝕液中各成分的體積比為=H2SO4 H2O2 H2O = 1 8 160 ；F、在外延片上PECVD生長一層3000埃的Si3N4 ；G、在生長有Si3N4的外延片上勻一層厚度為1. 5um的9912膠，然后前烘，曝光，顯影和后烘，用RIE刻蝕設(shè)備在Si3N4表面刻孔，露出上下電極的金屬層；其中，前烘條件為100°C熱板烘，90s ；后烘條件為115°C熱板烘2分鐘；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光時間；顯影條件為正膠顯影液60s。H、在外延片上由外延片表面向上依次濺射鈦Ti和金Au起鍍層，其厚度的典型值分別為300 A和800 A;I、清洗外延片，在120度的真空烘箱內(nèi)將六甲基二硅氨烷HMDS蒸發(fā)在清洗干凈的外延片上，用于增加外延片與膠的粘附性；在外延片上勻一層厚度為3. 5um的9920光刻膠，然后前烘，光刻，顯影和后烘，經(jīng)打底膠和漂洗后電鍍3um的軟金，然后泛暴、顯影，去掉表面的9920厚膠；其中，前烘條件為100°C熱板烘90s ；堅膜條件為115°C熱板烘2分鐘；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，35秒的曝光時間；顯影條件為正膠顯影液60s ；漂洗條件為使用體積比為H3PO4 H2O = 1 15的漂洗液漂20秒，去離子水沖洗7遍；J、清洗外延片，在120度的真空烘箱內(nèi)將六甲基二硅氨烷HMDS蒸發(fā)在清洗干凈的外延片上，用于增加外延片與膠的粘附性；在外延片上勻一層厚度為1. 6um的AZ5214光刻膠，然后前烘、曝光、反轉(zhuǎn)、泛暴和顯影，經(jīng)打底膠后用去金液漂洗40秒，用漂鈦液漂洗15 秒，最后用丙酮浸泡，去除AZ5214光刻膠；其中，前烘條件為100°C熱板烘，90s ；反轉(zhuǎn)條件為115°C熱板烘90秒；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光時間；泛暴條件為5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴時間；顯影條件為AZ5214顯影液60s ；去金液中各成分的體積比為I2 KI H2O=I 4 40，漂鈦液中各成分的體積比為HF H2O = 1 15。上述步驟A、B、C、E、I和J中，清洗外延片的步驟具體包括先用丙酮沖洗，再用乙醇沖洗，然后用去離子水沖洗，如此反復至少7次，最后用氮氣吹干。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種耿氏二極管，其特征在于，所述耿氏二極管的外延片包括半導體絕緣GaAs襯底，位于所述半導體絕緣GaAs襯底上外延生長的高摻雜下底面n+GaAs層，位于所述高摻雜下底面n+GaAs層上外延生長的有源區(qū)rTGaAs層，位于所述有源區(qū)rTGaAs層上外延生長的 HsGaAs層，位于所述IisGaAs層上外延生長的GaAs本征下隔離層，位于所述GaAs本征下隔離層上外延生長的Al摩爾含量線性梯度變化的AlxGai_xAs本征勢壘層，位于所述AlxGai_xAs 本征勢壘層上外延生長的GaAs本征上隔離層，位于所述GaAs本征上隔離層上外延生長的高摻雜上表面n+GaAs層。
2.如權(quán)利要求1所述的耿氏二極管，其特征在于所述高摻雜下底面n+GaAs層長700 納米，摻雜濃度為4. 3X IO1W3 ；所述高摻雜上表面n+GaAs層長500納米，摻雜濃度為 4. 3 X IO18CnT3 ；有源區(qū)n_GaAs層長1. 6微米，摻雜濃度為1. 1 X 1016cm_3 ；所述nsGaAs層長5 納米，摻雜濃度為1.0X1018cm_3。
3.如權(quán)利要求2所述的耿氏二極管，其特征在于所述GaAs本征上隔離層和GaAs本征下隔離層長為10納米；所述AlxGai_xAs本征勢壘層長50納米，在與所述GaAs本征上隔離層界面處，Al的摩爾含量為0，在與所述GaAs本征下隔離層界面處，Al的摩爾含量為0. 32 ；在所述GaAs本征上隔離層界面和所述GaAs本征下隔離層界面間，Al的摩爾含量線性增加。
4.一種耿氏二極管的制備方法，其特征在于，所述制備方法基于權(quán)利要求1所述的外延片，包括如下步驟A、在外延片上勻一層AZ5214光刻膠，然后前烘、曝光、反轉(zhuǎn)、泛暴和顯影，蒸發(fā)金屬、剝離，形成耿氏二極管上電極；B、在外延片上勻一層9912光刻膠，然后前烘、曝光、顯影和后烘，第一次臺面腐蝕，形成器件的下電極臺面；C、在外延片上勻一層AZ5214光刻膠，然后前烘、曝光、反轉(zhuǎn)、泛暴和顯影，蒸發(fā)金屬和剝離，形成耿氏二極管下電極；D、在小合金爐中合金，形成歐姆接觸的上下電極；E、在外延片上勻一層9912光刻膠，然后前烘，曝光，顯影和后烘，第二次臺面腐蝕，形成器件之間的電學隔離；F、在外延片上PECVD生長一層3000埃的Si3N4；G、在生長有Si3N4的外延片上勻一層9912膠，然后前烘，曝光，顯影和后烘，用RIE刻蝕設(shè)備在Si3N4表面刻孔，露出上下電極的金屬層；H、在外延片上濺射鈦/金起鍍層；I、在外延片上勻一層9920光刻膠，然后前烘，光刻，顯影和后烘，經(jīng)打底膠和漂洗后電鍍3um的軟金，然后泛暴、顯影，去掉表面的9920厚膠；J、在外延片上勻一層AZ5214光刻膠，然后前烘，曝光、反轉(zhuǎn)、顯影和后烘，經(jīng)打底膠后用去金液漂洗40秒，用漂鈦液漂洗15秒，最后用丙酮浸泡，去除AZ5214光刻膠。
5.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于，所述步驟A、B、C、Ε、I和 J之前進一步包括清洗外延片，在120度的真空烘箱內(nèi)，將六甲基二硅氨烷HMDS蒸發(fā)在清洗干凈的外延片上。
6.如權(quán)利要求5所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于，所述清洗外延片的步驟具體包括先用丙酮沖洗，再用乙醇沖洗，然后用去離子水沖洗，如此反復至少7次，最后用氮氣吹干。
7.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于所述步驟B、E和G中，所述9912光刻膠厚1.5um;前烘條件為100°C熱板烘90s ；后烘條件為115°C熱板烘2分鐘； 曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光時間；顯影條件為正膠顯影液60s。
8.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于所述步驟A、C和J中， 所述AZ5214光刻膠厚1. 6um ；前烘條件為100°C熱板烘，90s ；反轉(zhuǎn)條件為115°C熱板烘90 秒；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光時間；泛暴條件為5mW/cm2的曝光功率， 60秒的泛暴時間；顯影條件為AZ5214顯影液60s。
9.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于所述步驟I中，所述9920 光刻膠厚3. 5um，前烘條件為100°C熱板，90s ；堅膜條件為115°C熱板烘2分鐘；曝光條件為5mW/cm2的曝光功率，35秒的曝光時間；顯影條件為正膠顯影液60s。
10.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于所述步驟B和E中，所述臺面腐蝕液中各成分的體積比為=H2SO4 H2O2 H2O=I 8 160。
11.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于所述步驟H中，所述濺射金屬由外延片表面向上依次為鈦Ti和金Au，其厚度的典型值分別為300 A和800 A。
12.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于所述步驟A和C中，所述蒸發(fā)金屬為在外延片上從下至上依次蒸發(fā)金屬Ni、Ge、Au、Ge、Ni和Au，所述蒸發(fā)金屬的厚度分別為40 A、40 A、660 A、80 A、30 A和2200A,步驟D中合金條件為375°C合金60秒。
13.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于所述步驟I中，所述的漂洗條件為使用體積比為H3PO4 H2O = 1 15的漂洗液漂20秒，去離子水沖洗7遍。
14.如權(quán)利要求4所述的耿氏二極管的制備方法，其特征在于所述步驟J中，所述的去金液中各成分的體積比為I2 KI H2O=I 4 40，漂鈦液中各成分的體積比為 HF H2O = 1 15。
全文摘要
本發(fā)明涉及微波器件中二極管技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耿氏二極管及其制備方法。一種耿氏二極管的外延片從下至上依次包括半導體絕緣GaAs襯底，高摻雜下底面n+GaAs層，有源區(qū)n-GaAs層，nsGaAs層，GaAs本征下隔離層，AlxGa1-xAs本征勢壘層，GaAs本征上隔離層，高摻雜上表面n+GaAs層。本發(fā)明提供的耿氏二極管能夠有效減小有源區(qū)n-GaAs層中的死區(qū)，增加直流到射頻信號轉(zhuǎn)換效率和提高熱穩(wěn)定性，且可以利用直流電壓直接對輸出振蕩頻率和功率調(diào)諧；本發(fā)明提供的耿氏二極管的制備方法簡便，易于實現(xiàn)單片集成。
文檔編號H01L29/06GK102544113SQ20101058073
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者張海英, 楊浩, 田超, 董軍榮, 黃杰 申請人:中國科學院微電子研究所