专利名称：一种耿氏二极管及其制备方法
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
本发明的目的在于提供一种AWaAs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—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IisGaAs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AlxGai_xAs本征势垒层，位于所述AlxGai_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 X IO18CnT3 ； 所述高掺杂上表面n+GaAs层长500纳米，掺杂浓度为4. 3 X IO18CnT3 ；有源区n—GaAs层长1. 6 微米，掺杂浓度为1. IX IO16CnT3 ；所述IisGaAs层长5纳米，掺杂浓度为1. 0 X 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、在外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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的外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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°C 热板烘90s ；后烘条件为115°C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°c热板烘，90s ；反转条件为115°C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°C热板， 90s ；坚膜条件为115°C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300 A和800 A。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40 A、40 A、660 A、80 A、30 A和2200A,步骤D中合金条件为375°C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12 KI H2O = 1:4: 40，漂钛液中各成分的体积比为HF H2O=I 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ITGaAs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。
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。
具体实施例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rTGaAs层3上外延生长的nsGaAs 层4，位于IisGaAs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AlxGai_xAs本征势垒层6，位于AlxGai_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 X 1018cm_3 ；高掺杂上表面 n+GaAs层8长500纳米，掺杂浓度为4. 3 X 1018cm_3 ；有源区n_GaAs层3长1. 6微米，掺杂浓度为1. IX IO16CnT3 ;nsGaAs层4长5纳米，掺杂浓度为LOXIOiW0GaAs本征上隔离层7和GaAs本征下隔离层5长为10纳米；所述AlxGi^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；在外延片上勻一层厚度为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°C热板烘，90s ；反转条件为115°C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；在清外延片上勻一层厚度为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°C热板烘，90s ；后烘条件为115°C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；在外延片上勻一层厚度为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°C热板烘，90s ；反转条件为115°C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40 A、40 A、660 A、80 A、30人和2200人；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°C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；在外延片上勻一层厚度为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°C热板烘，90s ；后烘条件为115°C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的外延片上勻一层厚度为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°C热板烘，90s ；后烘条件为115°C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300 A和800 A;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；在外延片上勻一层厚度为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°C热板烘90s ；坚膜条件为115°C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；在外延片上勻一层厚度为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°C热板烘，90s ；反转条件为115°C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=I 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。
权利要求
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rTGaAs层，位于所述有源区rTGaAs层上外延生长的 HsGaAs层，位于所述IisGaAs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AlxGai_xAs本征势垒层，位于所述AlxGai_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. 3X IO1W3 ；所述高掺杂上表面n+GaAs层长500纳米，掺杂浓度为 4. 3 X IO18CnT3 ；有源区n_GaAs层长1. 6微米，掺杂浓度为1. 1 X 1016cm_3 ；所述nsGaAs层长5 纳米，掺杂浓度为1.0X1018cm_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AlxGai_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、在外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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的外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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、在外延片上勻一层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、Ε、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°C热板烘90s ；后烘条件为115°C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°C热板烘，90s ；反转条件为115°C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°C热板，90s ；坚膜条件为115°C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=I 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300 A和800 A。
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40 A、40 A、660 A、80 A、30 A和2200A,步骤D中合金条件为375°C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=I 4 40，漂钛液中各成分的体积比为 HF H2O = 1 15。
全文摘要
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。
文档编号H01L29/06GK102544113SQ20101058073
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者张海英, 杨浩, 田超, 董军荣, 黄杰 申请人:中国科学院微电子研究所