CN102544113A - 一种耿氏二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波器件中二极管技术领域，具体涉及一种耿氏二极管及其制备方法。一种耿氏二极管的外延片从下至上依次包括半导体绝缘GaAs衬底，高掺杂下底面n+GaAs层，有源区n-GaAs层，nsGaAs层，GaAs本征下隔离层，AlxGa1-xAs本征势垒层，GaAs本征上隔离层，高掺杂上表面n+GaAs层。本发明提供的耿氏二极管能够有效减小有源区n-GaAs层中的死区，增加直流到射频信号转换效率和提高热稳定性，且可以利用直流电压直接对输出振荡频率和功率调谐；本发明提供的耿氏二极管的制备方法简便，易于实现单片集成。
Description
技术领域
本发明涉及微波器件中二极管技术领域，具体涉及一种耿氏二极管及其制备方法。
背景技术
以耿氏二极管等非线性器件为核心的振荡器常用作高频本振源。耿氏二极管是毫米波段振荡器的有源非线性器件，由于高质量半导体材料的制造、加工工艺和装配等技术的不断发展，使得器件表现出卓越的性能。同时耿氏二极管制备过程简单，结构灵活，所以它们不仅作为各类接收机混频器的本振源，而且在雷达、通信、空间技术等方面可以作为中小功率的信号源，是目前应用最广泛的半导体振荡器。
传统的耿氏二极管，在N-型层上采用均匀掺杂，且主要采用垂直结构。这种掺杂的双端Gunn二极管，不能利用直流电压直接对输出振荡频率调谐，不利于实现单片集成，导致***中需要大量的器件载体、外接偏置电路和金属波导等体积较大的组件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种AlGaAs梯度带隙的GaAs平面耿氏二极管，能够有效减小有源区的死区，提高直流到射频的转换效率。
本发明的另一目的在于提供一种耿氏二极管的制备方法，其制备方法与集成电路工艺相兼容，便于制作毫米波、亚毫米波范围内的集成振荡电路。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种耿氏二极管，所述耿氏二极管的外延片包括：半导体绝缘GaAs衬底，位于所述半导体绝缘GaAs衬底上外延生长的高掺杂下底面n+GaAs层，位于所述高掺杂下底面n+GaAs层上外延生长的有源区n-GaAs层，位于所述有源区n-GaAs层上外延生长的nsGaAs层，位于所述nsGaAs层上外延生长的GaAs本征下隔离层，位于所述GaAs本征下隔离层上外延生长的Al摩尔含量线性梯度变化的AlxGa1-xAs本征势垒层，位于所述AlxGa1-xAs本征势垒层上外延生长的GaAs本征上隔离层，位于所述GaAs本征上隔离层上外延生长的高掺杂上表面n+GaAs层。
上述方案中，所述高掺杂下底面n+GaAs层长700纳米，掺杂浓度为4.3×1018cm-3；所述高掺杂上表面n+GaAs层长500纳米，掺杂浓度为4.3×1018cm-3；有源区n-GaAs层长1.6微米，掺杂浓度为1.1×1016cm-3；所述nsGaAs层长5纳米，掺杂浓度为1.0×1018cm-3。
上述方案中，所述GaAs本征上隔离层和GaAs本征下隔离层长为10纳米；所述AlxGa1-xAs本征势垒层长50纳米，在与所述GaAs本征上隔离层界面处，Al的摩尔含量为0，在与所述GaAs本征下隔离层界面处，Al的摩尔含量为0.32；在所述GaAs本征上隔离层界面和下隔离层界面间，Al的摩尔含量线性增加。
一种耿氏二极管的制备方法，包括如下步骤：
A、在外延片上匀一层AZ5214光刻胶，然后前烘、曝光、反转、泛暴和显影，蒸发金属、剥离，形成耿氏二极管上电极；
B、在外延片上匀一层9912光刻胶，然后前烘、曝光、显影和后烘，第一次台面腐蚀，形成器件的下电极台面；
C、在外延片上匀一层AZ5214光刻胶，然后前烘、曝光、反转、泛暴和显影，蒸发金属和剥离，形成耿氏二极管下电极；
D、在小合金炉中合金，形成欧姆接触的上下电极；
E、在外延片上匀一层9912光刻胶，然后前烘，光刻，显影和后烘，第二次台面腐蚀，形成器件之间的电学隔离；
F、在外延片上PECVD生长一层3000埃的Si3N4；
G、在生长有Si3N4的外延片上匀一层9912胶，然后前烘，光刻，显影和后烘，用RIE刻蚀设备在Si3N4表面刻孔，露出上下电极的金属层；
H、在外延片上溅射钛/金起镀层；
I、在外延片上匀一层9920光刻胶，然后前烘，光刻，显影和后烘，经打底胶和漂洗后电镀3um的软金，然后泛暴、显影，去掉表面的9920厚胶；
J、在外延片上匀一层AZ5214光刻胶，然后前烘，曝光、反转、显影和后烘，经打底胶后用去金液漂洗40秒，用漂钛液漂洗15秒，最后用丙酮浸泡，去除AZ5214光刻胶。
上述方案中，所述步骤A、B、C、E、I和J之前进一步包括：清洗外延片，在120度的真空烘箱内，将六甲基二硅氨烷HMDS蒸发在清洗干净的外延片上。
上述方案中，所述清洗外延片的步骤还包括：先用丙酮冲洗，再用乙醇冲洗，然后用去离子水冲洗，如此反复至少7次，最后用氮气吹干。
上述方案中，所述步骤B、E和G中，所述9912光刻胶厚1.5um；前烘条件为：100℃热板烘90s；后烘条件为：115℃热板烘2分钟；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光时间；显影条件为：正胶显影液60s。
上述方案中，所述步骤A、C和J中，所述AZ5214光刻胶厚1.6um；前烘条件为：100℃热板烘，90s；反转条件为：115℃热板烘90秒；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光时间；泛暴条件为：5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴时间；显影条件为：AZ5214显影液60s。
上述方案中，所述步骤I中，所述9920光刻胶厚3.5um，前烘条件为：100℃热板，90s；坚膜条件为：115℃热板烘2分钟；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，35秒的曝光时间；显影条件为：正胶显影液60s。
上述方案中，所述步骤B和E中，所述台面腐蚀液中各成分的体积比为：H2SO4∶H2O2∶H2O＝1∶8∶160。
上述方案中，所述步骤H中，所述溅射金属由外延片表面向上依次为钛Ti和金Au，其厚度的典型值分别为
和
上述方案中，所述步骤A和C中，所述蒸发金属为在外延片上从下至上依次蒸发金属Ni、Ge、Au、Ge、Ni和Au，所述蒸发金属的厚度分别为
和步骤D中合金条件为：375℃合金60秒。
上述方案中，所述步骤I中，所述的漂洗条件为：使用体积比为H3PO4∶H2O＝1∶15的漂洗液漂20秒，去离子水冲洗7遍。
上述方案中，所述步骤J中，所述的去金液中各成分的体积比为：I2∶KI∶H2O＝1∶4∶40，漂钛液中各成分的体积比为：HF∶H2O＝1∶15。
与现有技术相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
本发明提供的耿氏二极管能够有效减小有源区n-GaAs层中的死区，增加直流到射频信号转换效率和提高热稳定性，且可以利用直流电压直接对输出振荡频率和功率调谐；
本发明提供的耿氏二极管的制备方法简便，易于实现单片集成。
附图说明
图1为本发明提供的一种耿氏二极管的截面图；
图2为本发明提供的一种耿氏二极管的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种耿氏二极管I-V曲线；
图4为本发明提供的一种耿氏二极管的制备流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种耿氏二极管，包括：半导体绝缘GaAs衬底1，位于半导体绝缘GaAs衬底1上外延生长的高掺杂下底面n+GaAs层2，位于高掺杂下底面n+GaAs层2上外延生长的有源区n-GaAs层3，位于有源区n-GaAs层3上外延生长的nsGaAs层4，位于nsGaAs层4上外延生长的GaAs本征下隔离层5，位于GaAs本征下隔离层5上外延生长的Al摩尔含量线性梯度变化的AlxGa1-xAs本征势垒层6，位于AlxGa1-xAs本征势垒层6上外延生长的GaAs本征上隔离层7，位于GaAs本征上隔离层7上外延生长的高掺杂上表面n+GaAs层8。
高掺杂下底面n+GaAs层2长700纳米，掺杂浓度为4.3×1018cm-3；高掺杂上表面n+GaAs层8长500纳米，掺杂浓度为4.3×1018cm-3；有源区n-GaAs层3长1.6微米，掺杂浓度为1.1×1016cm-3；nsGaAs层4长5纳米，掺杂浓度为1.0×1018cm-3。
GaAs本征上隔离层7和GaAs本征下隔离层5长为10纳米；所述AlxGa1-xAs本征势垒层6长50纳米，在与GaAs本征上隔离层7界面处，Al的摩尔含量为0，在与GaAs本征下隔离层5界面处，Al的摩尔含量为0.32；在GaAs本征上隔离层7界面和GaAs本征下隔离层5界面间，Al的摩尔含量线性增加。
如图2所示，图2为本发明实施例提供的该GaAs平面耿氏二极管的俯视图。结合图1可知，本发明提供的这种二极管是一种台面结构，下电极由引线引出。这种结构应用在电路中具有很大的灵活性，便于单片集成，节约成本。
如图3所示，图3为本发明实施例提供的有源区面积分别为144um2、600um2、1200um2AlGaAs梯度带隙的GaAs平面耿氏二极管的直流测试结果，其阴极和阳极水平间距保持5um不变。从图中可以看出当外加直流电压分别为2.8，2.9和3.0伏时，144um2、600um2、1200um2三种有源区面积结构的耿氏二极管均表现出负微分电阻特性，而且面积越大对应电流也越大。
如图4所示，本发明提供的一种耿氏二极管的制备方法，该方法包括以下步骤：
A、清洗外延片，在120度的真空烘箱内将六甲基二硅氨烷HMDS蒸发在清洗干净的外延片上，用于增加外延片与胶的粘附性；在外延片上匀一层厚度为1.6um的AZ5214光刻胶，然后前烘、曝光、反转、泛暴和显影，蒸发金属、剥离，形成耿氏二极管上电极；
其中，前烘条件为：100℃热板烘，90s；反转条件为：115℃热板烘90秒；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光时间；泛暴条件为：5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴时间；显影条件为：AZ5214显影液60s；
蒸发金属为在外延片上从下至上依次蒸发金属Ni、Ge、Au、Ge、Ni和Au，蒸发金属的厚度分别为
和
B、清洗外延片，在120度的真空烘箱内将六甲基二硅氨烷HMDS蒸发在清洗干净的外延片上，用于增加外延片与胶的粘附性；在清外延片上匀一层厚度为1.5um的9912光刻胶，然后前烘、曝光、显影和后烘，第一次台面腐蚀，形成器件的下电极台面；
其中，前烘条件为：100℃热板烘，90s；后烘条件为：115℃热板烘2分钟；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光时间；显影条件为：正胶显影液60s；台面腐蚀液中各成分的体积比为：H2SO4∶H2O2∶H2O＝1∶8∶160；
C、清洗外延片，在120度的真空烘箱内将六甲基二硅氨烷HMDS蒸发在清洗干净的外延片上，用于增加外延片与胶的粘附性；在外延片上匀一层厚度为1.6um的AZ5214光刻胶，然后前烘、曝光、反转、泛暴和显影，蒸发金属和剥离，形成耿氏二极管下电极；
其中，前烘条件为：100℃热板烘，90s；反转条件为：115℃热板烘90秒；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光时间；泛暴条件为：5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴时间；显影条件为：AZ5214显影液60s；
蒸发金属为在外延片上从下至上依次蒸发金属Ni、Ge、Au、Ge、Ni和Au，所述蒸发金属的厚度分别为
和
D、在小合金炉中合金，形成欧姆接触的上下电极；其中合金条件为：375℃合金60秒；
E、清洗外延片，在120度的真空烘箱内将六甲基二硅氨烷HMDS蒸发在清洗干净的外延片上，用于增加外延片与胶的粘附性；在外延片上匀一层厚度为1.5um的9912光刻胶，然后前烘，曝光，显影和后烘，第二次台面腐蚀，形成器件之间的电学隔离；
其中，前烘条件为：100℃热板烘，90s；后烘条件为：115℃热板烘2分钟；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光时间；显影条件为：正胶显影液60s；台面腐蚀液中各成分的体积比为：H2SO4∶H2O2∶H2O＝1∶8∶160；
F、在外延片上PECVD生长一层3000埃的Si3N4；
G、在生长有Si3N4的外延片上匀一层厚度为1.5um的9912胶，然后前烘，曝光，显影和后烘，用RIE刻蚀设备在Si3N4表面刻孔，露出上下电极的金属层；
其中，前烘条件为：100℃热板烘，90s；后烘条件为：115℃热板烘2分钟；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光时间；显影条件为：正胶显影液60s。
H、在外延片上由外延片表面向上依次溅射钛Ti和金Au起镀层，其厚度的典型值分别为
和
I、清洗外延片，在120度的真空烘箱内将六甲基二硅氨烷HMDS蒸发在清洗干净的外延片上，用于增加外延片与胶的粘附性；在外延片上匀一层厚度为3.5um的9920光刻胶，然后前烘，光刻，显影和后烘，经打底胶和漂洗后电镀3um的软金，然后泛暴、显影，去掉表面的9920厚胶；
其中，前烘条件为：100℃热板烘90s；坚膜条件为：115℃热板烘2分钟；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，35秒的曝光时间；显影条件为：正胶显影液60s；
漂洗条件为：使用体积比为H3PO4∶H2O＝1∶15的漂洗液漂20秒，去离子水冲洗7遍；
J、清洗外延片，在120度的真空烘箱内将六甲基二硅氨烷HMDS蒸发在清洗干净的外延片上，用于增加外延片与胶的粘附性；在外延片上匀一层厚度为1.6um的AZ5214光刻胶，然后前烘、曝光、反转、泛暴和显影，经打底胶后用去金液漂洗40秒，用漂钛液漂洗15秒，最后用丙酮浸泡，去除AZ5214光刻胶；
其中，前烘条件为：100℃热板烘，90s；反转条件为：115℃热板烘90秒；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光时间；泛暴条件为：5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴时间；显影条件为：AZ5214显影液60s；
去金液中各成分的体积比为：I2∶KI∶H2O＝1∶4∶40，漂钛液中各成分的体积比为：HF∶H2O＝1∶15。
上述步骤A、B、C、E、I和J中，清洗外延片的步骤具体包括：先用丙酮冲洗，再用乙醇冲洗，然后用去离子水冲洗，如此反复至少7次，最后用氮气吹干。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。
Claims (14)
1.一种耿氏二极管，其特征在于，所述耿氏二极管的外延片包括：半导体绝缘GaAs衬底，位于所述半导体绝缘GaAs衬底上外延生长的高掺杂下底面n+GaAs层，位于所述高掺杂下底面n+GaAs层上外延生长的有源区n-GaAs层，位于所述有源区n-GaAs层上外延生长的nsGaAs层，位于所述nsGaAs层上外延生长的GaAs本征下隔离层，位于所述GaAs本征下隔离层上外延生长的Al摩尔含量线性梯度变化的AlxGa1-xAs本征势垒层，位于所述AlxGa1-xAs本征势垒层上外延生长的GaAs本征上隔离层，位于所述GaAs本征上隔离层上外延生长的高掺杂上表面n+GaAs层。
2.如权利要求1所述的耿氏二极管，其特征在于：所述高掺杂下底面n+GaAs层长700纳米，掺杂浓度为4.3×1018cm-3；所述高掺杂上表面n+GaAs层长500纳米，掺杂浓度为4.3×1018cm-3；有源区n-GaAs层长1.6微米，掺杂浓度为1.1×1016cm-3；所述nsGaAs层长5纳米，掺杂浓度为1.0×1018cm-3。
3.如权利要求2所述的耿氏二极管，其特征在于：所述GaAs本征上隔离层和GaAs本征下隔离层长为10纳米；所述AlxGa1-xAs本征势垒层长50纳米，在与所述GaAs本征上隔离层界面处，Al的摩尔含量为0，在与所述GaAs本征下隔离层界面处，Al的摩尔含量为0.32；在所述GaAs本征上隔离层界面和所述GaAs本征下隔离层界面间，Al的摩尔含量线性增加。
4.一种耿氏二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法基于权利要求1所述的外延片，包括如下步骤：
A、在外延片上匀一层AZ5214光刻胶，然后前烘、曝光、反转、泛暴和显影，蒸发金属、剥离，形成耿氏二极管上电极；
B、在外延片上匀一层9912光刻胶，然后前烘、曝光、显影和后烘，第一 次台面腐蚀，形成器件的下电极台面；
C、在外延片上匀一层AZ5214光刻胶，然后前烘、曝光、反转、泛暴和显影，蒸发金属和剥离，形成耿氏二极管下电极；
D、在小合金炉中合金，形成欧姆接触的上下电极；
E、在外延片上匀一层9912光刻胶，然后前烘，曝光，显影和后烘，第二次台面腐蚀，形成器件之间的电学隔离；
F、在外延片上PECVD生长一层3000埃的Si3N4；
G、在生长有Si3N4的外延片上匀一层9912胶，然后前烘，曝光，显影和后烘，用RIE刻蚀设备在Si3N4表面刻孔，露出上下电极的金属层；
H、在外延片上溅射钛/金起镀层；
I、在外延片上匀一层9920光刻胶，然后前烘，光刻，显影和后烘，经打底胶和漂洗后电镀3um的软金，然后泛暴、显影，去掉表面的9920厚胶；
J、在外延片上匀一层AZ5214光刻胶，然后前烘，曝光、反转、显影和后烘，经打底胶后用去金液漂洗40秒，用漂钛液漂洗15秒，最后用丙酮浸泡，去除AZ5214光刻胶。
5.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤A、B、C、E、I和J之前进一步包括：
清洗外延片，在120度的真空烘箱内，将六甲基二硅氨烷HMDS蒸发在清洗干净的外延片上。
6.如权利要求5所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于，所述清洗外延片的步骤具体包括：
先用丙酮冲洗，再用乙醇冲洗，然后用去离子水冲洗，如此反复至少7次，最后用氮气吹干。
7.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤B、E和G中，所述9912光刻胶厚1.5um；前烘条件为：100℃热板烘90s；后烘条件为：115℃热板烘2分钟；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，12秒的曝光时间；显影条件为：正胶显影液60s。
8.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤A、C和J中，所述AZ5214光刻胶厚1.6um；前烘条件为：100℃热板烘，90s；反转条件为：115℃热板烘90秒；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，6秒的曝光时间；泛暴条件为：5mW/cm2的曝光功率，60秒的泛暴时间；显影条件为：AZ5214显影液60s。
9.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤I中，所述9920光刻胶厚3.5um，前烘条件为：100℃热板，90s；坚膜条件为：115℃热板烘2分钟；曝光条件为：5mW/cm2的曝光功率，35秒的曝光时间；显影条件为：正胶显影液60s。
10.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤B和E中，所述台面腐蚀液中各成分的体积比为：H2SO4∶H2O2∶H2O＝1∶8∶160。
11.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤H中，所述溅射金属由外延片表面向上依次为钛Ti和金Au，其厚度的典型值分别为 和
12.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤A和C中，所述蒸发金属为在外延片上从下至上依次蒸发金属Ni、Ge、Au、Ge、Ni和Au，所述蒸发金属的厚度分别为 
和 
步骤D中合金条件为：375℃合金60秒。
13.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤I 中，所述的漂洗条件为：使用体积比为H3PO4∶H2O＝1∶15的漂洗液漂20秒，去离子水冲洗7遍。
14.如权利要求4所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤J中，所述的去金液中各成分的体积比为：I2∶KI∶H2O＝1∶4∶40，漂钛液中各成分的体积比为：HF∶H2O＝1∶15。
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