专利名称：一种耿氏二极管、其制备方法及毫米波振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及到一致性很好的耿氏ニ极管、其制备方法和基于该耿氏ニ极管的功率耦合输出毫米波振荡器。
背景技术：
毫米波具有空间/时间分辨率高，频带大气窗ロ频带达几十THz，能够用于探索物质结构，信噪比高且穿透性好等特点。目前，毫米波已经在军事国防、国家安全、国民经济等诸多领域显现出重要的战略地位和和极好的应用前景。用于产生毫波的振荡器通常是耿氏ニ极管，耿氏ニ极管一般是由GaAs和InP等化合物半导体材料制备的。这些化合物半导体材料中的电子在弱场下迁移率高达数千cm2/V，在强场下被加速的电子迁移到有效质量大的卫星能谷，迁移率降低，体内产生负微分迁移率，从而出现负微分电导现象，进而导致热 力学上的不稳定性，即为通常所说的产生了畴，并且，电子从阴极向阳极迁移。畴的产生、传输、湮灭再生重复的结果得到振荡电流而形成射频输出。耿氏ニ极管的振荡频率是由畴迁移距离决定的，而且为了达到最佳振荡效果，畴迁移区域(渡越层)的掺杂浓度和渡越层厚度的乘积必须满足一定条件(如lX1012/cm2)。毫米波用的耿氏ニ极管必须使该迁移距离极短为1-2 μ m。所以在毫米波段渡越层的掺杂浓度相当高。另外，工作时的电流密度由渡越层掺杂浓度和饱和电子速率的乘积決定，在毫米波段由于电流密度増大，导致渡越层温度上升，振荡效率下降。为了解决该问题，通常将毫米波耿氏ニ极管设计成渡越层直径几十微米的台面型结构，并将它安装在直径几百微米的金或者金刚石散热器上。耿氏ニ极管的输出功率随着输出频率的増加急剧減少，比如InP基耿氏ニ极管在103GHz可输出200mW，而在152GHz仅能输出80mW，采用二次谐波形式功率输出只有3. 5mW@214GHz，采用三次谐波形式功率输出只有45 μ Wi409GHz, H. Eisele等人利用渐变掺杂结构，改进技术在2010年也只能实现85 μ Wi480GHzo对于特定的耿氏器件来说，它产生的功率输出是有限的，而在我们的现实生活中具体的需求对毫米波振荡器输出功率提出了切实的要求。比如在机场安检成像中射频振荡器的输出功率太低会使成像的清晰度降低，检测的灵敏度下降；低功率的通讯信号会很弱，难以辨析，失误率增加。两个以上的耿氏ニ极管只要设置的位子合适，使其功率耦合便可以得到大于单只管子功率的输出。在某种意义上讲，多管耦合输出射频器在很多情况下能够取代提高管子大功率输出性能的进ー步研发。将多只管子设置在同一共振腔中使其功率耦合时共振腔的结构必须确保每个提供能量的功率源管子振荡在同一频率，而且同相位输出。幸运的是使用耿氏ニ极管作为毫米波功率源能够避免复杂的电路结构。早在1971年Kaneko等人就提出了将多只耿氏ニ极管安置在同一微波振荡器中，通过这些管子的功率耦合实现大功率射频输出的设想，该文阜发表在 IEEE G-MTT International Microwave Symposium Proceedings. 1971, pp. 156,多只管子耦合在波导腔上下壁之间，管子产生的微波能量平行耦合到波导腔输出。虽然Kaneko等人提出的这ー结构通过使用多管功率耦合在单点频率展示了增大功率输出的可行性，但是，提供管子偏压的电路过于复杂；采用多波导腔结构过于复杂，而且占用空间太大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了ー种工作稳定性高的耿氏ニ极管；利用腐蚀出的深沟缓解应カ有效地减小材料加工易碎性，利用集成热沉散热改善耿氏ニ极管的散热性能，利用自对准干法刻蚀减小器件的性能差异的该耿氏ニ极管的制备方法；同时，基于该耿氏ニ极管，本发明还提出了多个耿氏ニ极管耦合后使输出功率増大的毫米波振荡器。本发明提供的耿氏ニ极管由下至上依次包括集成热沉、金属电极、渡越层、第二接触层、顶电极和金加厚电极。 作为优选，在所述金属电极和渡越层之间还包括第一接触层。基于本发明提供的耿氏ニ极管的制备方法包括以下步骤在半导体衬底上依次沉积腐蚀终止层、第二接触层、渡越层、第一接触层，形成第I中间产物；对所述第I中间产物表面进行腐蚀，直至所述腐蚀终止层，形成深沟，从而使所述第I中间产物从所述第一接触层开始直至所述腐蚀终止层的部分被所述深沟隔离，形成第II中间产物；在所述深沟和所述第一接触层的剩余部分表面蒸发电极，对所述电极进行退火，使所述电极层实现欧姆接触，之后，在所述沉积电极上镀金，所述镀金层即为集成热沉，形成第III中间产物；对所述半导体衬底进行腐蚀将所述衬底去除，之后,对所述腐蚀终止层进行腐蚀将所述腐蚀终止层去除，使所述第二接触层露出，形成所述第IV中间产物；在所述第二接触层上光刻出顶电极的位置，之后向所述第二接触层上蒸发顶电扱，再在所述顶电极上镀金，所述镀金层即为金加厚电极，形成第V中间产物；将所述第V中间产物处于顶电极覆盖的范围之外的部分进行腐蚀后去除，产物即为所述耿氏ニ极管终产物。作为优选，对所述半导体衬底进行腐蚀将所述衬底去除时,选择性腐蚀并去除衬底，或者完全腐蚀并去除衬底。作为优选，将所述第V中间产物处于顶电极覆盖的范围之外的部分进行腐蚀后去除时，所述腐蚀为顶电极自对准干法刻蚀或者以顶电极作为掩膜进行湿法腐蚀。基于本发明提供的耿氏ニ极管的毫米波振荡器，包括波导腔，其特征在于，在所述波导腔中每间隔Xg/2的距离封入一个所述耿氏ニ极管或者封入在同一共振帽下的两个所述耿氏ニ极管。作为优选，所述耿氏ニ极管是封入铜柱内再封入所述波导腔中的，或者使用陶瓷环材料通过热压金丝导线封入所述波导腔中的。作为优选，所述在同一共振帽下的两个所述耿氏ニ极管是将共振帽压焊在耿氏ニ极管顶电极上得到的。本发明利用腐蚀深沟缓解应カ减小材料的加工易碎性，利用集成热沉改善散热性能，利用自对准干法刻蚀减小器件性能差异，本发明提供的耿氏ニ极管工作稳定性高、一致性强；本发明提供的毫米波振荡器在多个该耿氏ニ极管耦合后输出功率増大，能够有效地解决耿氏ニ极管器件高频输出功率小的问题。
图I为本发明实施例提供的InP型耿氏ニ极管元件结构示意图；图2为本发明实施例提供的InP型耿氏ニ极管制备方法中第I中间产物结构示意图；
图3为本发明实施例提供的InP型耿氏ニ极管制备方法中第II中间产物结构示意图；图4为本发明实施例提供的InP型耿氏ニ极管制备方法中第III中间产物结构示意图；图5为本发明实施例提供的InP型耿氏ニ极管制备方法中第IV中间产物结构示意图；图6为本发明实施例提供的InP型耿氏ニ极管制备方法中第V中间产物结构示意图；图7为本发明实施例提供的InP型耿氏ニ极管制备方法中InP型耿氏ニ极管终产物结构示意图；图8为本发明实施例提供的毫米波振荡器多对耿氏ニ极管中的每对耿氏ニ极管分两列前后间隔，置于所述波导腔中的结构示意图；图9为本发明实施例提供的毫米波振荡器的每对耿氏ニ极管的顶电极被压焊于同一共振帽下的结构示意图。
具体实施例方式为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。本发明以InP型耿氏ニ极管、其制备方法及基于该耿氏ニ极管的毫米波振荡器为例进行详细说明。參见附图1，本发明提供的InP型耿氏ニ极管由下至上依次包括集成热沉7、沉积电极6、InP渡越层4、InP第二接触层3、顶电极2和金加厚电极I。其中，在金属电极和渡越层之间还包括InP第一接触层5。其中，集成热沉7的材料可以为金，厚度可以为25 μ m ;沉积电极6中各组分及其比例可以为 Ni Ge Au Ge Ni Au=40 40 660 80 30 2200 A; InP 第一接触层5的厚度可以为500nm,掺杂浓度可以为2 X 1018atom/cm3 ；InP渡越层4的厚度可以为1300nm,掺杂浓度可以为I X 1016atom/cm3 ;InP第二接触层3的厚度可以为500nm,掺杂浓度可以为2X 1018atom/cm3 ;顶电极2的直径可以为20 65 μ m ;金加厚电极I的厚度可以为25 μ m。基于本发明提供的InP型耿氏ニ极管的制备方法包括以下步骤參见附图2，在InP衬底8上依次沉积InGaAs腐蚀终止层9、InP第二接触层3、InP渡越层4、InP第一接触层5，形成第I中间产物。參见附图3，在InP第一接触5上进行光刻后从InP第一接触层5开始对第I中间产物进行腐蚀直至InGaAs腐蚀终止层9，被腐蚀去除的部位形成深沟10，从而使第I中间产物从InP第一接触层5开始直至InGaAs腐蚀终止层9的部分被深沟10隔离，形成第II中间产物。本实施例中，深沟10的宽度为100 μ m，第I中间产物从InP第一接触层5开始直至InGaAs腐蚀终止层 9的部分被深沟10隔离成400 μ mX400 μ m的方块。參见附图4，在深沟10和InP第一接触层5的剰余部分表面蒸发沉积电极，对沉积电极进行退火，使沉积电极实现欧姆接触，之后，在沉积电极上镀金，镀金层即为集成热沉，沉积电极和集成热沉的总编号为11，形成第III中间产物。本实施例中，退火温度为370°C，退火持续时间为80s。參见附图5，对InP衬底8进行腐蚀将InP衬底8去除，之后，对InGaAs腐蚀终止层9进行腐蚀将InGaAs腐蚀终止层9去除，使InP第二接触层3露出，形成第IV中间产物。參见附图6，在InP第二接触层3上光刻出顶电极的位置之后向InP第二接触层3上蒸发顶电极，之后，在顶电极上镀金，镀金层即为金加厚电极，顶电极和金加厚电极的总编号为12，形成第V中间产物。參见附图7，将第V中间产物处于顶电极覆盖的范围之外的部分进行腐蚀后去除，产物即为InP型耿氏ニ极管终产物。其中，集成热沉7的材料可以为金，厚度可以为25 μ m ;沉积电极6中各组分及其比例可以为 Ni Ge Au Ge Ni Au=40 40 660 80 30 2200 A: InP 第一接触层5的厚度可以为500nm,掺杂浓度可以为2 X 1018atom/cm3 ；InP渡越层4的厚度可以为1300nm,掺杂浓度可以为I X 1016atom/cm3 ;InP第二接触层3的厚度可以为500nm,掺杂浓度可以为2X 1018atom/cm3 ;顶电极2的直径可以为20 65 μ m ;金加厚电极I的厚度可以为25 μ m。其中，沉积是采用MOCVD法实现的。其中，在对InP衬底8进行腐蚀时，可以选择性腐蚀并去除衬底，或者完全腐蚀并去除衬底。腐蚀液中组分及配比为HCl H20=3 I。其中，在对InGaAs腐蚀终止层9进行腐蚀时，腐蚀液中组分及配比为H3PO4 H2O2 H20=3 : I : 50。其中，将第V中间产物处于顶电极覆盖的范围之外的部分进行腐蚀后去除时，腐蚀为顶电极自对准干法刻蚀或者以顶电极作为掩膜进行湿法腐蚀。參见附图8，基于本发明提供的耿氏ニ极管的毫米波振荡器，包括波导腔，在波导腔中每间隔Xg/2的距离封入一个耿氏ニ极管或者封入在同一共振帽下的两个耿氏ニ极管，在图中的编号为14。其中，耿氏ニ极管可以是封入铜柱内再封入波导腔中的，或者使用陶瓷环等材料通过热压金丝导线封入波导腔中的。其中，參见附图9，在同一共振帽下的两个耿氏ニ极管是将共振帽13压焊在耿氏ニ极管顶电极2上得到的。应用本发明提供的毫米波振荡器时，输出频率可以达到200GHz。本发明提供的InP型耿氏ニ极管工作稳定性高；本发明提供的InP型耿氏ニ极管的制备方法利用腐蚀出的深沟缓解应カ从而有效地减小了材料加工易碎性；本发明提供的毫米波振荡器在多个该InP型耿氏ニ极管耦合后输出功率増大。本发明的技术方案也适用于其他类型耿氏ニ极管、其制备方法及毫米波振荡器，但相关參数需要做相应调整。以上所述的具体实施方式
，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进ー步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式
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
1.一种耿氏二极管，其特征在于，由下至上依次包括集成热沉、金属电极、渡越层、第二接触层、顶电极和金加厚电极。
2.根据权利要求I所述的耿氏二极管，其特征在于，在所述金属电极和渡越层之间还包括第一接触层。
3.基于权利要求2所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 在半导体衬底上依次沉积腐蚀终止层、第二接触层、渡越层、第一接触层，形成第I中间产物； 对所述第I中间产物表面进行腐蚀，直至所述腐蚀终止层，形成深沟，从而使所述第I中间产物从所述第一接触层开始直至所述腐蚀终止层的部分被所述深沟隔离，形成第II中间产物； 在所述深沟和所述第一接触层的剩余部分表面蒸发电极，对所述电极进行退火，使所述电极层实现欧姆接触，之后，在所述沉积电极上镀金，所述镀金层即为集成热沉，形成第III中间产物； 对所述半导体衬底进行腐蚀将所述衬底去除，之后，对所述腐蚀终止层进行腐蚀将所述腐蚀终止层去除，使所述第二接触层露出，形成所述第IV中间产物； 在所述第二接触层上光刻出顶电极的位置，之后向所述第二接触层上蒸发顶电极，再在所述顶电极上镀金，所述镀金层即为金加厚电极，形成第V中间产物； 将所述第V中间产物处于顶电极覆盖的范围之外的部分进行腐蚀后去除，产物即为所述耿氏二极管终产物。
4.根据权利要求3所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于，对所述半导体衬底进行腐蚀将所述衬底去除时，选择性腐蚀并去除衬底，或者完全腐蚀并去除衬底。
5.根据权利要求3所述的耿氏二极管的制备方法，其特征在于，将所述第V中间产物处于顶电极覆盖的范围之外的部分进行腐蚀后去除时，所述腐蚀为顶电极自对准干法刻蚀或者以顶电极作为掩膜进行湿法腐蚀。
6.基于权利要求I或2所述的耿氏二极管的毫米波振荡器，包括波导腔，其特征在于，在所述波导腔中每间隔Xg/2的距离封入一个所述耿氏二极管或者封入在同一共振帽下的两个所述耿氏二极管。
7.根据权利要求6所述的毫米波振荡器，其特征在于，所述耿氏二极管是封入铜柱内再封入所述波导腔中的，或者使用陶瓷环材料通过热压金丝导线封入所述波导腔中的。
8.根据权利要求7所述的毫米波振荡器，其特征在于，所述在同一共振帽下的两个所述耿氏二极管是将共振帽压焊在耿氏二极管顶电极上得到的。
全文摘要
本发明公开了一种耿氏二极管、其制备方法及功率合成毫米波振荡器，属于半导体器件技术领域。该耿氏二极管由下至上依次包括集成热沉、金属电极、渡越层、第二接触层、顶电极和金加厚电极。该制备方法包括在半导体衬底上依次生长第一接触层、渡越层及第二接触层，在样品表面腐蚀深槽，蒸发电极并电镀热沉，去除衬底，蒸发顶电极，干法刻蚀形成耿氏二极管。该毫米波振荡源将上述制备的一致性很好的耿氏二极管成对封于波导腔内的共振帽下、间隔λg/2前后排开。该方法减小了材料加工易碎性；改善了器件的散热性能；减少了器件性能差异。该毫米波振荡器是多个耿氏二极管耦合后射频输出，成倍增大输出功率。
文档编号H01L47/02GK102738392SQ20121023391
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者刘新宇, 叶甜春, 武德起, 贾锐, 金智 申请人:中国科学院微电子研究所