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。
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。