专利名称：一种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及微波器件中二极管技术领域，尤其涉及一种线性梯度掺杂的GaAs平 面耿氏二极管及其制作方法。
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—型层上采用均勻掺杂，且主要采用垂直结构。这种掺杂 的双端Gurm 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， 导致系统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
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极 管，有源区的掺杂由传统的掺杂变为线性梯度掺杂，增强直流到射频信号的转换效率；器件 结构由垂直结构变为平面结构，减少系统中大量的器件载体、外接偏置电路和金属波导等 体积较大的组件，实现单片集成。本发明的另一个目的在于提供一种GaAs平面耿氏二极管的制作方法，其制作方 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。( 二 )技术方案为达到上述一个目的，本发明提供了一种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管， 该二极管包括用于支撑整个GaAs平面耿氏二极管的半导体绝缘衬底；在半导体绝缘衬底上外延生长的高掺杂的下底面N+层；在下底面N+层上继续外延生长的线性梯度掺杂的N—型层；在线性梯度掺杂的N—型层上外延生长重掺杂的上表面N+层；经过挖岛和隔离两个工艺步骤，在上表面N+层与下底面N+层上形成的台面结构；在上表面N+层上蒸发金属形成欧姆接触的上电极；以及在下底面N+层上蒸发金属形成欧姆接触的下电极。上述方案中，所述半导体绝缘衬底是半导体绝缘GaAs衬底。上述方案中，所述N—型层与所述下底面N+层交界处为高掺杂，所述N—型层与所述 上表面N+层交界处为低掺杂，从下底面N+层与N—型层之间界面到上表面N+层与N—型层界 面之间掺杂浓度满足线性梯度掺杂分布。
上述方案中，所述上表面N+层上的上电极采用的金属为Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。上述方案中，所述下底面N+层上的下电极采用的金属为Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。为达到上述的另一个目的，本发明提供了一种GaAs平面耿氏二极管的制作方法， 该方法包括A、在半绝缘衬底上外延生长高掺杂的下底面N+层；B、在N+层上生长线性梯度掺杂的N—型层；C、在线性梯度掺杂的N—型层上生长高掺杂的上表面N+层；D、采用湿法刻蚀减小上表面N+层和下底面N+层的面积，形成上表面N+层与下底 面N+层的台面结构；E、在上表面N+层和下底面N+层上分别蒸发上电极和下电极金属，形成欧姆接触；F、对上电极和下电极金属进行退火处理；G、采用湿法刻蚀，形成绝缘衬底的台面结构；在整个耿氏二极管器件表面淀积氮 化硅；在绝缘衬底的台面上蒸发金属形成上、下电极引线，把上、下底面N+型层上的两电极 引出。上述方案中，所述半导体绝缘衬底是半导体绝缘GaAs衬底。上述方案中，所述半导体绝缘衬底上的引线采用的金属为Ti/Pt/Au。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提供的这种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管，N—型层采用线性梯度 掺杂。这种结构的耿氏二极管，有利于用直流电压直接对输出振荡频率调谐，有利于提高毫 米波振荡电路直流到射频信号转换效率。2、本发明提供的这种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管，绝缘GaAs衬底与下 底面N+层形成台面结构，下底面N+层上蒸发金属形成下电极，上表面N+型层上蒸发金属形 成上电极。上、下电极通过半导体绝缘GaAs衬底上的电极引线分别引出。这种结构灵活， 易于应用在平面集成振荡电路中，且不需要额外的载体器件。3、本发明提供的这种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管，制作简便，易于实现 单片集成。
图1为本发明提供的线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管载流子浓度分布图；图2为本发明提供的线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管I_V仿真曲线；图3为本发明提供的线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管的截面图；图4为本发明提供的线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管的俯视图。图5为本发明提供的制作线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管的方法流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，图1为本发明提供的GaAs平面耿氏二极管的线性梯度掺杂载流子浓度分布图。如图2所示，图2为本发明提供的线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管材料结构 的直流仿真结果。从图中可以看出当外加直流电压大于1.8伏时，耿氏二极管表现出负阻 特性。如图3所示，图3为本发明提供的线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管的截面 图。所述截面图是沿线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管上、下电极两端的垂直于衬底的 截面图。该GaAs平面耿氏二极管包括用于支撑整个GaAs平面耿氏二极管的半导体绝缘衬底；在半导体绝缘衬底上外延生长的高掺杂的下底面N+层；在下底面N+层上继续外延生长的线性梯度掺杂的N—型层；在线性梯度掺杂的N—型层上外延生长重掺杂的上表面N+层；经过挖岛和隔离两个工艺步骤，在上表面N+层与下底面N+层上形成的台面结构；在上表面N+层上蒸发金属形成欧姆接触的上电极；以及在下底面N+层上蒸发金属形成欧姆接触的下电极。如图4所示，图4为本发明提供的该GaAs平面耿氏二极管的俯视图。结合图3和 图4可知，本发明提供的这种二极管是一种台面结构，上、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。基于图3和图4所示的GaAs平面耿氏二极管示意图，图5示出了本发明提供的制 作GaAs平面耿氏二极管的方法流程图，该方法包括以下步骤步骤1 在半绝缘衬底上外延生长高掺杂下底面N+层；步骤2 在高掺杂下底面N+层上生长线性梯度掺杂的N—型层；步骤3 在线性梯度掺杂的N—型层上生长高掺杂的上表面N+层；步骤4 采用湿法刻蚀减小上表面N+型层的面积，形成上表面N+型层和下底面的 台面结构；步骤5 在上表面N+型层，下底面N+层蒸发金属形成上、下电极欧姆接触；步骤6 对上、下电极金属进行退火处理；步骤7 采用湿法刻蚀形成绝缘衬底的台面结构；步骤8 在整个耿氏二极管器件表面淀积氮化硅；在绝缘衬底的台面上蒸发金属 形成上、下电极引线，把上、下底面N+型层上的两电极引出。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管，其特征在于，该二极管包括用于支撑整个GaAs平面耿氏二极管的半导体绝缘衬底；在半导体绝缘衬底上外延生长的高掺杂的下底面N+层；在下底面N+层上继续外延生长的线性梯度掺杂的N—型层；在线性梯度掺杂的N—型层上外延生长重掺杂的上表面N+层；经过挖岛和隔离两个工艺步骤，在上表面N+层与下底面N+层上形成的台面结构；在上表面N+层上蒸发金属形成欧姆接触的上电极；以及在下底面N+层上蒸发金属形成欧姆接触的下电极。
2.根据权利要求1所述的GaAs平面耿氏二极管，其特征在于，所述半导体绝缘衬底是 半导体绝缘GaAs衬底。
3.根据权利要求1所述的GaAs平面耿氏二极管，其特征在于，所述N—型层与所述下底 面N+层交界处为高掺杂，所述N—型层与所述上表面N+层交界处为低掺杂，从下底面N+层与 N—型层之间界面到上表面N+层与N—型层界面之间掺杂浓度满足线性梯度掺杂分布。
4.根据权利要求1所述的GaAs平面耿氏二极管，其特征在于，所述上表面N+层上的上 电极采用的金属为Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。
5.根据权利要求1所述的GaAs平面耿氏二极管，其特征在于，所述下底面N+层上的下 电极采用的金属为Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。
6.一种GaAs平面耿氏二极管的制作方法，其特征在于，该方法包括A、在半绝缘衬底上外延生长高掺杂的下底面N+层；B、在N+层上生长线性梯度掺杂的N—型层；C、在线性梯度掺杂的N—型层上生长高掺杂的上表面N+层；D、采用湿法刻蚀减小上表面N+层和下底面N+层的面积，形成上表面N+层与下底面N+ 层的台面结构；E、在上表面N+层和下底面N+层上分别蒸发上电极和下电极金属，形成欧姆接触；F、对上电极和下电极金属进行退火处理；G、采用湿法刻蚀，形成绝缘衬底的台面结构；在整个耿氏二极管器件表面淀积氮化硅； 在绝缘衬底的台面上蒸发金属形成上、下电极引线，把上、下底面N+型层上的两电极引出。
7.根据权利要求6所述的GaAs平面耿氏二极管的制作方法，其特征在于，所述半导体 绝缘衬底是半导体绝缘GaAs衬底。
8.根据权利要求6所述的GaAs平面耿氏二极管的制作方法，其特征在于，所述半导体 绝缘衬底上的引线采用的金属为Ti/Pt/Au。
全文摘要
本发明公开了一种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管，包括用于支撑整个GaAs平面耿氏二极管的半导体绝缘衬底；在半导体绝缘衬底上外延生长的高掺杂的下底面N+层；在下底面N+层上继续外延生长的线性梯度掺杂的N-型层；在线性梯度掺杂的N-型层上外延生长重掺杂的上表面N+层；经过挖岛和隔离两个工艺步骤，在上表面N+层与下底面N+层上形成的台面结构；在上表面N+层上蒸发金属形成欧姆接触的上电极；以及在下底面N+层上蒸发金属形成欧姆接触的下电极。本发明公开了一种线性梯度掺杂的GaAs平面耿氏二极管的制作方法。利用本发明，提高了毫米波、亚毫米波范围振荡电路的工作频率，增强了直流到射频的转换效率。
文档编号H01L47/02GK102074652SQ20091023876
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者吴茹菲, 张海英, 杨浩, 董军荣, 黄杰 申请人:中国科学院微电子研究所