基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线的制备方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线的制备方法。

背景技术：

在天线技术发展迅猛的今天，新一代无线通信系统的发展趋势包括实现高速数据传输，实现多个无线系统之间的互联，实现有限的频谱资源的有效利用，获得对周围环境的自适应能力等。为突破传统天线固定不变的工作性能难以满足多样的系统需求和复杂多变的应用环境，可重构天线的概念得到重视并获得发展。可重构微带天线因其体积小，剖面低等优点成为可重构天线研究的热点。

随着无线系统向大容量、多功能、多频段/超宽带方向的发展，不同通信系统相互融合，使得在同一平台上搭载的信息子系统数量增加，天线数量也相应增加，但天线数量的增加对通信系统的电磁兼容性、成本、重量等方面有较大的负面影响。因此，无线通信系统要求天线能根据实际使用环境来改变其电特性，即实现天线特性的“可重构”。可重构天线具有多个天线的功能，减少了系统中天线的数量。其中，可重构微带天线因其体积较小，剖面低等优点受到可重构天线研究领域的关注。

目前的频率可重构微带天线的各部分有互耦影响，频率跳变慢，馈源结构复杂，隐身性能不佳，剖面高，集成加工的难度高等问题亟待解决。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的实施例提供了一种基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线的制备方法，其中，所述可重构偶极子天线包括：GeOI衬底、第一天线臂、第二天线臂、同轴馈线以及直流偏置线；所述制备方法包括：

选取GeOI衬底；

在所述GeOI衬底上制作AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管；

由多个所述AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管依次首尾相连形成SPiN二极管串；

由多个所述SPiN二极管串制作所述第一天线臂和第二天线臂；

在所述GeOI衬底上制作所述直流偏置线；在所述第一天线臂和第二天线臂上制作同轴馈线以形成所述可重构偶极子天线。

在本发明的一个实施例中，在所述GeOI衬底上制作AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管，包括：

(a)选取GeOI衬底，并在所述GeOI衬底内设置隔离区；

(b)刻蚀所述GeOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽；

(c)氧化所述P型沟槽和所述N型沟槽以使所述P型沟槽和所述N型沟槽的内壁形成氧化层；

(d)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的氧化层以完成所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的平整化；

(e)在所述P型沟槽和所述N型沟槽内淀积AlAs材料，并对所述P型沟槽和所述N型沟槽内的AlAs材料进行离子注入形成P型有源区和N型有源区；

(f)在整个衬底表面生成SiO₂材料；利用退火工艺激活所述P型有源区及所述N型有源区中的杂质；

(g)在所述P型有源区和所述N型有源区表面形成引线，以完成所述AlAs/Ge/AlAs结构的基等离子pin二极管的制备。

其中，步骤(a)包括：

(a1)在所述GeOI衬底表面形成第一保护层；

(a2)利用光刻工艺在所述第一保护层上形成第一隔离区图形；

(a3)利用干法刻蚀工艺，在所述第一隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第一保护层及所述GeOI衬底以形成隔离槽，且所述隔离槽的深度大于等于所述GeOI衬底的顶层Ge的厚度；

(a4)填充所述隔离槽以形成所述隔离区。

在上述实施例的基础上，步骤(b)包括：

(b1)在所述GeOI衬底表面形成第二保护层；

(b2)利用光刻工艺在所述第二保护层上形成第二隔离区图形；

(b3)利用干法刻蚀工艺在所述第二隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第二保护层及所述GeOI衬底的顶层Ge层以在所述顶层Ge层内形成所述P型沟槽和所述N型沟槽。

其中，步骤(e)包括：

(e1)利用MOCVD工艺，在所述P型沟槽和所述N型沟槽内及整个衬底表面淀积AlAs材料；

(e2)利用CMP工艺，平整化处理GeOI衬底后，在GeOI衬底上形成AlAs层；

(e3)光刻AlAs层，并采用带胶离子注入的方法对所述P型沟槽和所述N型沟槽所在位置分别注入P型杂质和N型杂质以形成所述P型有源区和所述N型有源区且同时形成P型接触区和N型接触区；

(e4)去除光刻胶；

(e5)利用湿法刻蚀去除P型接触区和N型接触区以外的AlAs材料。

其中，步骤(g)包括：

(g1)利用各向异性刻蚀工艺刻蚀掉所述P型接触区和所述N型接触区表面指定位置的SiO₂材料以形成所述引线孔；

(g2)向所述引线孔内淀积金属材料，对整个衬底材料进行钝化处理并光刻PAD以形成所述AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，所述直流偏置线包括第一直流偏置线(5)、第二直流偏置线(6)、第三直流偏置线(7)、第四直流偏置线(8)、第五直流偏置线(9)、第六直流偏置线(10)、第七直流偏置线(11)、第八直流偏置线(12)，所述直流偏置线采用化学气相淀积的方法固定于所述GeOI衬底(1)上。

在本发明的一个实施例中，其特征在于，

所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)分别设置于所述同轴馈线(4)的两侧，第一天线臂(2)包括依次串接的第一SPiN二极管串(w1)、第二SPiN二极管串(w2)及第三SPiN二极管串(w3)，所述第二天线臂(3)包括依次串接的第四SPiN二极管串(w4)、第五SPiN二极管串(w5)及第六SPiN二极管串(w6)；

其中，所述第一SPiN二极管串(w1)的长度等于所述第六SPiN二极管串(w6)的长度，所述第二SPiN二极管串(w2)的长度等于所述第五SPiN二极管串(w5)的长度，所述第三SPiN二极管串(w3)的长度等于所述第四SPiN二极管串(w4)的长度；所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)的长度为其 接收或发送的电磁波波长的四分之一。

在本发明的一个实施例中，所述SPiN二极管串中的SPiN二极管包括P+区(27)、N+区(26)和本征区(22)，且还包括第一金属接触区(23)和第二金属接触区(24)；其中，

所述第一金属接触区(23)分别电连接所述P+区(27)与所述直流偏置电压的正极，所述第二金属接触区(24)分别电连接所述N+区(26)与所述直流偏置电压的负极，以使对应SPiN二极管串被施加直流偏置电压后其所有SPiN二极管处于正向导通状态。

在本发明的一个实施例中，所述同轴馈线(4)的内芯线焊接于所述第一天线臂(2)的金属片，所述第一天线臂(2)的金属片与直流偏置线(5)相连；所述同轴馈线(4)的屏蔽层焊接于所述第二天线臂(3)的金属片，所述第二天线臂(3)的金属片与第二直流偏置线(6)相连；所述第一直流偏置线(5)、第二直流偏置线(6)均与直流偏置电压的负极相连，以形成公共负极；

由第三直流偏置线(7)和第八直流偏置线(12)形成第一直流偏置线组(7、12)，由第四直流偏置线(8)和第七直流偏置线(11)形成第二直流偏置线组(8、11)，由第五直流偏置线(9)和第六直流偏置线(10)形成第三直流偏置线组(9、10)，在天线工作中仅选择所述第一直流偏置线组(7、12)、所述第二直流偏置线组(8、11)及所述第三直流偏置线组(9、10)中的一组与所述直流偏置电压的正极相连，以使不同长度的所述二极管串处于导通状态，所述二极管在本征区(22)产生具有类金属特性的固态等离子体以用于天线的辐射结构，以形成不同长度的天线臂进而实现天线工作频率的可重构。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明制备的AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线，体积小、 剖面低，结构简单、易于加工、无复杂馈源结构、频率可快速跳变，且天线关闭时将处于电磁波隐身状态，可用于各种跳频电台或设备；由于其所有组成部分均在半导体基片一侧，为平面结构，易于组阵，可用作相控阵天线的基本组成单元。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线的制备方法示意图；

图3为本发明实施例提供的一种SPiN二极管的制备方法示意图；

图4a-图4r为本发明实施例的一种AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管的制备方法示意图；

图5为本发明实施例提供的一种AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管串的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线结构示意图，其中，所述可重构偶极子天线包括：GeOI衬底、第一天线臂、第二天线臂、同轴馈线以及直流偏置线；请参见 图2，图2为所述基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线制备方法流程图：

选取GeOI衬底；

在所述GeOI衬底上制作AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管；

由多个所述AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管依次首尾相连形成SPiN二极管串；

由多个所述SPiN二极管串制作所述第一天线臂和第二天线臂；

在所述GeOI衬底上制作所述直流偏置线；在所述第一天线臂和第二天线臂上制作同轴馈线以形成所述可重构偶极子天线。

请参见图3，图3为所述GeOI衬底上制作AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管制备方法流程图：包括：

(a)选取GeOI衬底，并在所述GeOI衬底内设置隔离区；

(b)刻蚀所述GeOI衬底形成P型沟槽和N型沟槽；

(c)氧化所述P型沟槽和所述N型沟槽以使所述P型沟槽和所述N型沟槽的内壁形成氧化层；

(d)利用湿法刻蚀工艺刻蚀所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的氧化层以完成所述P型沟槽和所述N型沟槽内壁的平整化；

(e)在所述P型沟槽和所述N型沟槽内淀积AlAs材料，并对所述P型沟槽和所述N型沟槽内的AlAs材料进行离子注入形成P型有源区和N型有源区；

(f)在整个衬底表面生成SiO₂材料；利用退火工艺激活所述P型有源区及所述N型有源区中的杂质；

(g)在所述P型有源区和所述N型有源区表面形成引线，以完成所述AlAs/Ge/AlAs结构的基等离子pin二极管的制备。

其中，对于步骤(a)，采用GeOI衬底的原因在于，对于固态等离子天线由于其需要良好的微波特性，而固态等离子pin二极管为了满足这个需求，需要具备良好的隔离特性和载流子即固态等离子体的限定能力，而GeOI衬底由于其具有能够与隔离槽方便的形成pin隔离区域、二氧化硅(SiO₂)也能够将载流子即固态等离子体限定在顶层Ge中，所以优选采用GeOI作为固态等离子pin二极管的衬底。并且，由于锗材料的载流子迁移率比较大，故可在I区内形成较高的等离子体浓度，提高器件的性能。

在本发明的一个实施例中，步骤(a)包括：

(a1)在所述GeOI衬底表面形成第一保护层；

(a2)利用光刻工艺在所述第一保护层上形成第一隔离区图形；

(a3)利用干法刻蚀工艺，在所述第一隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第一保护层及所述GeOI衬底以形成隔离槽，且所述隔离槽的深度大于等于所述GeOI衬底的顶层Ge的厚度；

(a4)填充所述隔离槽以形成所述隔离区。

具体地，第一保护层包括第一二氧化硅(SiO₂)层和第一氮化硅(SiN)层；则第一保护层的形成包括：在GeOI衬底表面生成二氧化硅(SiO₂)以形成第一二氧化硅(SiO₂)层；在第一二氧化硅(SiO₂)层表面生成氮化硅(SiN)以形成第一氮化硅(SiN)层。这样做的好处在于，利用二氧化硅(SiO₂)的疏松特性，将氮化硅(SiN)的应力隔离，使其不能传导进顶层Ge，保证了顶层Ge性能的稳定；基于氮化硅(SiN)与Ge在干法刻蚀时的高选择比，利用氮化硅(SiN)作为干法刻蚀的掩蔽膜，易于工艺实现。当然，可以理解的是，保护层的层数以及保护层的材料此处不做限制，只要能够形成保护层即可。

其中，隔离槽的深度大于等于顶层Ge的厚度，保证了后续槽中二氧化硅(SiO₂)与GeOI衬底的氧化层的连接，形成完整的绝缘隔离。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)包括：

(b1)在所述GeOI衬底表面形成第二保护层；

(b2)利用光刻工艺在所述第二保护层上形成第二隔离区图形；

(b3)利用干法刻蚀工艺在所述第二隔离区图形的指定位置处刻蚀所述第二保护层及所述GeOI衬底的顶层Ge层以在所述顶层Ge层内形成所述P型沟槽和所述N型沟槽。

具体地，第二保护层包括第二二氧化硅(SiO₂)层和第二氮化硅(SiN)层；则第二保护层的形成包括：在GeOI衬底表面生成二氧化硅(SiO₂)以形成第二二氧化硅(SiO₂)层；在第二二氧化硅(SiO₂)层表面生成氮化硅(SiN)以形成第二氮化硅(SiN)层。这样做的好处类似于第一保护层的作用，此处不再赘述。

其中，P型沟槽和N型沟槽的深度大于第二保护层厚度且小于第二保护层与GeOI衬底顶层Ge厚度之和。优选地，该P型沟槽和N型沟槽的底部距GeOI衬底的顶层Ge底部的距离为0.5微米～30微米，形成一般认为的深槽，这样在形成P型和N型有源区时可以形成杂质分布均匀、且高掺杂浓度的P、N区和和陡峭的Pi与Ni结，以利于提高i区等离子体浓度。

在本发明的一个实施例中，步骤(e)包括：

(e1)利用MOCVD工艺，在所述P型沟槽和所述N型沟槽内及整个衬底表面淀积AlAs材料；

(e2)利用CMP工艺，平整化处理GeOI衬底后，在GeOI衬底上形成AlAs层；

(e3)光刻AlAs层，并采用带胶离子注入的方法对所述P型沟槽和所述N型沟槽所在位置分别注入P型杂质和N型杂质以形成所述P型有源区和所述N型有源区且同时形成P型接触区和N型接触区；

(e4)去除光刻胶；

(e5)利用湿法刻蚀去除P型接触区和N型接触区以外的AlAs材料。

在本发明的一个实施例中，步骤(g)包括：

(g1)利用各向异性刻蚀工艺刻蚀掉所述P型接触区和所述N型接触区表面指定位置的SiO₂材料以形成所述引线孔；

(g2)向所述引线孔内淀积金属材料，对整个衬底材料进行钝化处理并光刻PAD以形成所述AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基SPiN二极管。

在本发明的一个实施例中，所述直流偏置线包括第一直流偏置线(5)、第二直流偏置线(6)、第三直流偏置线(7)、第四直流偏置线(8)、第五直流偏置线(9)、第六直流偏置线(10)、第七直流偏置线(11)、第八直流偏置线(12)，所述直流偏置线采用化学气相淀积的方法固定于所述GeOI衬底(1)上。

在本发明的一个实施例中，所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)分别设置于所述同轴馈线(4)的两侧，第一天线臂(2)包括依次串接的第一SPiN二极管串(w1)、第二SPiN二极管串(w2)及第三SPiN二极管串(w3)，所述第二天线臂(3)包括依次串接的第四SPiN二极管串(w4)、第五SPiN二极管串(w5)及第六SPiN二极管串(w6)；

其中，所述第一SPiN二极管串(w1)的长度等于所述第六SPiN二极管串(w6)的长度，所述第二SPiN二极管串(w2)的长度等于所述第五SPiN二极管串(w5)的长度，所述第三SPiN二极管串(w3)的长度等于所述第四SPiN二极管串(w4)的长度；所述第一天线臂(2)和所述第二天线臂(3)的长度为其 接收或发送的电磁波波长的四分之一。

在本发明的一个实施例中，请一并参见图4及图5，图4为本发明提供的SPiN二极管的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种SPiN二极管串的结构示意图。所述SPiN二极管串中的SPiN二极管包括P+区(27)、N+区(26)和本征区(22)，且还包括第一金属接触区(23)和第二金属接触区(24)；其中，

所述第一金属接触区(23)分别电连接所述P+区(27)与所述直流偏置电压的正极，所述第二金属接触区(24)分别电连接所述N+区(26)与所述直流偏置电压的负极，以使对应SPiN二极管串被施加直流偏置电压后其所有SPiN二极管处于正向导通状态。

在本发明的一个实施例中，所述同轴馈线(4)的内芯线焊接于所述第一天线臂(2)的金属片，所述第一天线臂(2)的金属片与直流偏置线(5)相连；所述同轴馈线(4)的屏蔽层焊接于所述第二天线臂(3)的金属片，所述第二天线臂(3)的金属片与第二直流偏置线(6)相连；所述第一直流偏置线(5)、第二直流偏置线(6)均与直流偏置电压的负极相连，以形成公共负极；

由第三直流偏置线(7)和第八直流偏置线(12)形成第一直流偏置线组(7、12)，由第四直流偏置线(8)和第七直流偏置线(11)形成第二直流偏置线组(8、11)，由第五直流偏置线(9)和第六直流偏置线(10)形成第三直流偏置线组(9、10)，在天线工作中仅选择所述第一直流偏置线组(7、12)、所述第二直流偏置线组(8、11)及所述第三直流偏置线组(9、10)中的一组与所述直流偏置电压的正极相连，以使不同长度的所述二极管串处于导通状态，所述二极管在本征区(22)产生具有类金属特性的固态等离子体以用于天线的辐射结构，以形成不同长度的天线臂进而实现天线工作频率的可重构。

本发明提供的基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线的制备方法具备如下优点：

1、体积小、剖面低，结构简单、易于加工。

2、采用同轴电缆作为馈源，无复杂馈源结构。

3、采用SPiN二极管作为天线的基本组成单元，只需通过控制其导通或断开，即可实现频率的可重构。

4、所有组成部分均在半导体基片一侧，易于制版加工。

实施例二

请参见图4a-图4r，图4a-图4r为本发明实施例的一种AlAs/Ge/AlAs结构的基等离子pin二极管的制备方法示意图，在上述实施例一的基础上，以制备沟道长度为22nm(固态等离子区域长度为100微米)的AlAs/Ge/AlAs结构的基等离子pin二极管为例进行详细说明，具体步骤如下：

步骤1，衬底材料制备步骤：

(1a)如图4a所示，选取(100)晶向，掺杂类型为p型，掺杂浓度为10¹⁴cm^-3的GeOI衬底片101，顶层Ge的厚度为50μm；

(1b)如图4b所示，采用化学气相沉积(Chemical vapor deposition,简称CVD)的方法，在GeOI衬底上淀积一层40nm厚度的第一SiO₂层201；

(1c)采用化学气相淀积的方法，在衬底上淀积一层2μm厚度的第一Si₃N₄/SiN层202；

步骤2，隔离制备步骤：

(2a)如图4c所示，通过光刻工艺在上述保护层上形成隔离区，湿法刻蚀隔离区第一Si₃N₄/SiN层202，形成隔离区图形；采用干法刻蚀，在隔离区形成宽5μm，深为50μm的深隔离槽301；

(2b)如图4d所示，采用CVD的方法，淀积SiO₂401将该深隔离槽填满；

(2c)如图4e所示，采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,简称CMP)方法，去除表面第一Si₃N₄/SiN层202和第一SiO₂层201，使GeOI衬底表面平整；

步骤3，P、N区深槽制备步骤：

(3a)如图4f所示，采用CVD方法，在衬底上连续淀积延二层材料，第一层为300nm厚度的第二SiO₂层601，第二层为500nm厚度的第二Si₃N₄/SiN层602；

(3b)如图4g所示，光刻P、N区深槽，湿法刻蚀P、N区第二Si₃N₄/SiN层602和第二SiO₂层601，形成P、N区图形；采用干法刻蚀，在P、N区形成宽4μm，深5μm的深槽701，P、N区槽的长度根据在所制备的天线中的应用情况而确定；

(3c)如图4h所示，在850℃下，高温处理10分钟，氧化槽内壁形成氧化层801，以使P、N区槽内壁平整；

(3d)如图4i所示，利用湿法刻蚀工艺去除P、N区槽内壁的氧化层801。

步骤4，P、N接触区制备步骤：

(4a)如图4j所示，利用有机金属化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,简称MOCVD)工艺，在P、N区槽中淀积多晶AlAs1001，并将沟槽填满；

(4b)如图4k所示，采用CMP，去除表面多晶AlAs1001与第二Si₃N₄/SiN层602，使表面平整；

(4c)如图4l所示，采用CVD的方法，在表面淀积一层多晶AlAs1201，厚度为200～500nm；

(4d)如图4m所示，光刻P区有源区，采用带胶离子注入方法进行P⁺注入，使P区有源区掺杂浓度达到0.5×10²⁰cm^-3，去除光刻胶，形成P接触1301；

(4e)光刻N区有源区，采用带胶离子注入方法进行N⁺注入，使N区有源区掺杂浓度为0.5×10²⁰cm^-3，去除光刻胶，形成N接触1302；

(4f)如图4n所示，采用湿法刻蚀，刻蚀掉P、N接触区以外的多晶AlAs1201，形成P、N接触区；

(4g)如图4o所示，采用CVD的方法，在表面淀积SiO₂1501，厚度为800nm；

(4h)在1000℃，退火1分钟，使离子注入的杂质激活、并且推进AlAs中杂质；

步骤5，构成PIN二极管步骤：

(5a)如图4p所示，在P、N接触区光刻引线孔1601；

(5b)如图4q所示，衬底表面溅射金属，在750℃合金形成金属硅化物1701，并刻蚀掉表面的金属；

(5c)衬底表面溅射金属，光刻引线；

(5d)如图4r所示，淀积Si₃N₄/SiN形成钝化层1801，光刻PAD，形成PIN二极管，作为制备固态等离子天线材料。

本实施例中，上述各种工艺参数均为举例说明，依据本领域技术人员的常规手段所做的变换均为本申请之保护范围。

本发明制备的应用于基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线，首先，所使用的锗材料，由于其高迁移率和大载流子寿命的特性，提高了pin二极管的固态等离子体浓度；其次，锗材料由于其氧化物GeO热 稳定性差的特性，P区和N区深槽侧壁平整化的处理可在高温环境自动完成，简化了材料的制备方法；再次，本发明制备的应用于固态等离子可重构天线的GeOI基pin二极管采用了一种基于刻蚀的深槽介质隔离工艺，有效地提高了器件的击穿电压，抑制了漏电流对器件性能的影响。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于AlAs/Ge/AlAs结构的Ge基可重构偶极子天线的制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。