一种平面耿氏毫米波、太赫兹功率放大器及其制备方法与流程

本发明涉及一种平面耿氏毫米波、太赫兹功率放大器及其制备方法，尤其涉及一种高频、高增益、低成本平面耿氏二极管放大器，属于微波器件中二极管技术领域。

背景技术：

固态毫米波及太赫兹(30-3000ghz)功率放大器在许多的科技领域，如高速宽带通信、医学、雷达、天文及安检等，都有非常重要的应用。但是,目前能工作在如此高频率下的功率放大器主要还是基于高迁移率场效应晶体管(hemt)和双极型异质结场效应晶体管(hbt)等三端器件。hemt的工作频率与沟道长度成反比，为了实现hemt能工作在毫米波甚至太赫兹的频率下，其沟道长度不得不缩短到只有几十纳米。如此小的沟道尺寸对器件的制备来说是一个巨大的挑战,造成的后果就是高频hemt放大器价格居高不下，难以大规模应用，因此大家希望能找到hemt的替代品。hbt尽管不需要极短的沟道，但是它工作时发热较大，而其自身又对温度非常敏感，所以工作在较高功率下时其线性度和稳定性都会剧烈退化，导致其只能在小信号情况下使用。

具有微分负阻特性(ndr)的两端器件，如碰撞雪崩渡越时间二极管(impatt)，共振隧穿二极管(rtd)和耿氏二极管(gunndiode)，曾是最早用于微波产生和功率放大的固态器件。但是impatt和rtd都对电压非常敏感，所以在高功率下也会出现非线性的问题。

耿氏二极管最早于1963年由j.b.gunn发现，它利用的是某些半导体材料(如gaas、inp、gan等)中电子在从低能谷向高能谷跃迁时，因为电子有效质量变大、饱和漂移速度降低而表现出来的微分负阻效应。

相比于其它的两端器件，耿氏二极管对电压不敏感，因此在高功率下仍能保持良好的线性度。而且它还具有高工作频率、高增益、低噪音、结构简单、寿命长、成本低等优势，因此是受到广泛的重视。传统的耿氏器件是在半导体衬底的正反面形成电接触，电流垂直于电极平面流动，所以也称为垂直耿氏器件。目前已报道的垂直耿氏二极管放大器的工作频率达到了94ghz，功率增益为35db。但是对这种垂直耿氏二极管性能的提升已经遇到了瓶颈，这其中最大的困难就是焦耳热效应。因为耿氏器件的工作频率与沟道长度成反比，所以高频耿氏二极管的沟道长度通常需要缩短到1μm左右。于此同时，为了保证沟道长度和载流子浓度的乘积大于10¹²cm-²，沟道的载流子浓度也要随之提升。这样的结果就是器件工作时沟道中的功率密度极高，发热明显。过高的温度会引起沟道的击穿导致器件损坏。尽管为了给器件沟道降温已经采取包括衬底减薄到2μm和使用金刚石散热片的办法，但是目前耿氏二极管的基频最高只能够达到160ghz。除了频率的限制外，垂直耿氏器件同时还存在封装体积大、无法集成等缺点，限制了它在高频、集成化等领域的应用。

平面的耿氏器件则很好地解决了垂直耿氏器件存在的上述问题。平面的耿氏器件，电极在半导体衬底的同一侧，电流沿与电极平面平行的方向流动。由于其二维的沟道中电流密度远低于垂直器件中三维沟道的电流密度，所以平面耿氏器件不存在严重的发射问题。这就使得平面耿氏器件可以有更短的沟道，从而工作在更高的频率。目前频率最高的平面耿氏器件的基频频率已经达到了300ghz接近垂直器件的两倍。蒙特卡洛模拟证实平面耿氏器件甚至可以工作在1thz的频率下。除了频率更高，平面耿氏器件还具有可集成、频率可调的优点，非常适合应用于未来单片微波、太赫兹集成电路(mmic,mtic)中。但是，目前已报道的平面耿氏器件还仅限于振荡器。

申请人于2017年3月17日申请了发明名称为“一种高功率低噪音的平面耿氏二极管及其制备方法”，包括绝缘衬底、沟道层及设置在所述沟道层上的共平面波导，所述共平面波导的谐振腔长度为二分之一谐振波长的整数倍，所述共平面波导在谐振频率下的特征阻抗与负载的阻抗(通常为50欧姆)相等。本发明所述平面耿氏二极管放在共平面波导谐振腔中，使得平面耿氏器件能够工作在谐振模式，极大提高了平面耿氏器件的发射功率、转换效率和频率稳定性，同时降低了相噪音。但是，该专利涉及的是一种振荡器，其工作时会产生某一特定频率的电磁波信号，而无法实现对信号的放大功能。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种平面耿氏毫米波、太赫兹功率放大器；

本发明还提供了上述功率放大器的制备方法；

本发明所述功率放大器具有高频率、高增益、结构简单的特点。

本发明的技术方案为：

一种平面耿氏毫米波、太赫兹功率放大器，由下至上依次包括衬底、沟道层及共平面波导电极，所述沟道层的载流子浓度为1×10¹⁴～1×10¹⁷cm^-3，所述沟道层的长度为1～10μm，所述沟道层的载流子浓度与沟道层的长度的乘积n的取值范围为1×10¹¹cm^-2＜n＜1×10¹⁴cm^-2。

平面耿氏功率放大器的工作原理是耿氏效应中的微分负阻对交流信号的放大作用。器件沟道层载流子浓度、沟道层的长度和的载流子浓度与沟道层的长度的乘积n都对器件功率放大性能有影响。沟道层载流子浓度过低会导致器件内阻增大和负阻特性降低，输出功率和转换效率降低。而浓度过高会导致电流密度过大，发热严重，器件寿命降低。同时，载流子浓度过高往往意味着掺杂浓度较高，过多的杂质会影响耿氏效应的出现，导致负阻特性消失，器件失效。沟道层的载流子浓度与沟道层的长度的乘积n影响耿氏放大器的工作模式，乘积超过限定范围会导致功率放大性力下降甚至消失。

平面耿氏器件与现有的功率放大器相比，具有工作频率高、输出功率大、制备工艺简单、成本低、可集成的优势。

根据本发明优选的，所述共平面波导电极的特征阻抗为50ω。

50欧姆是微波电路中最广泛使用的阻抗值。共平面波导电极的特征阻抗取50ω，是为了实现和前端及后端器件的阻抗匹配，提供微波功率传输效率。

根据本发明优选的，所述衬底上外延生长有厚度为50nm～5μm的缓冲层，所述缓冲层材料为未掺杂的inp、gaas、alas、gan、aln、inaln、algan、inalas或algaas。

此处设计的优势在于，减少了衬底中晶格缺陷和来自衬底的杂质对沟道层的影响，提高了沟道层的质量。缓冲层的选取要求是与其下衬底和其上的外延材料有良好的晶格匹配度，而且自身是高阻的。

根据本发明优选的，所述沟道层上外延生长有厚度为5～300nm的帽层，所述帽层上设有欧姆接触电极，所述帽层的材质为重掺杂的半导体材料，所述重掺杂的半导体材料包括inp、gaas、ingaas、inas、ingaasp、gan、ingan、inaln，所述帽层室温下(25℃)载流子浓度大于1×10¹⁸cm^-3。

此处设计的优势在于，降低电极接触电阻、保护沟道层。帽层载流子浓度大于1×10¹⁸cm^-3时，电极金属与帽层内的载流子可以很容易的通过隧穿的方式越过表面势垒，因此接触电阻远小于帽层载流子浓度较低的情况。

根据本发明优选的，所述衬底的材料为半绝缘inp、半绝缘gaas、sic、蓝宝石或高阻硅；

所述沟道层为一层均匀的半导体材料或多层半导体材料；所述半导体材料为iii-v族二元化合物、多元化合物中的一种或者多种，所述iii-v族二元化合物包括inp、gaas、inas、gan、inn；所述多元化合物包括ingaas、inalas、algaas、ingan、inaln、algan、ingaasp；所述沟道层的厚度为10nm～1um。

沟道厚度过薄会导致其内阻过大，而且沟道内载流子迁移会受沟道层界面的影响，导致迁移率降低，高频性能下降等。沟道层过厚会导致内阻过小，器件发热严重，寿命降低。

所述共平面波导电极或欧姆接触电极的材料为au、ge、ni、ti、al、pd、pt、mo、in、ga、ag中的一种或者多种，所述共平面波导电极的厚度大于三倍的趋肤深度。所述共平面波导电极的厚度大于0.2μm。

交流信号在电极中传播时集中于电极的表面，当电极的厚度等于三倍的趋肤深度时，继续增大电极的厚度对于降低电极的内阻作用不大，但降低电极的厚度则会明显提高电极的电阻，导致交流信号传输损耗增大。不同频率的交流信号的趋肤深度不同，频率越高趋肤深度越小。因此对于平面耿氏功率放大器，其共平面波导电极的厚度应大于其工作频率下限的三倍。

上述平面耿氏毫米波、太赫兹功率放大器的工作过程，包括步骤如下：

a、给平面耿氏放大器通过直流偏置网络加一直流偏压，使其工作点位于微分负阻区域内；

b、通过平面耿氏放大器输入端输入一定频率的微波信号；

c、在平面耿氏放大器的输出端输出频率不变、功率变大的微波信号。

上述平面耿氏功率放大器的制备方法，具体步骤包括：

(1)在衬底上依次外延生长缓冲层、沟道层、帽层；

(2)在步骤(1)生成的样品上利用微纳加工方法形成台面；实现器件之间的电气隔离；

(3)在步骤(2)生成的样品上利用微纳加工方法去掉帽层，露出沟道；

(4)在步骤(3)生成的样品上利用微纳加工方法依次制备欧姆接触电极和共平面波导电极。

根据本发明优选的，所述步骤(3)，具体是指：利用微纳加工方法除去沟道部分的帽层，剩余全部或部分作为沟道层。

根据本发明优选的，所述步骤(4)，具体是指：

a、利用微纳加工方法制备具有图形的欧姆接触电极；

b、利用微纳加工方法制备具有图形的共平面波导电极。

本发明的有益效果为：

本发明设计平面结构的耿氏功率放大器，器件具有明显的负微分电阻效应，能够实现微波到太赫兹频率的功率放大。有利于平面耿氏器件作为微波或太赫兹放大器在微波及太赫兹通信、雷达、成像等领域的应用。

附图说明

图1为本发明所述功率放大器的结构示意图；

图2为沟道层长度分别为2、4和6μm的功率放大器在6～67ghz频率下的功率增益测试结果曲线示意图；

图3为沟道层长度分别为2、4和6μm的功率放大器在75～110ghz频率下的功率增益测试结果曲线示意图；

图4为沟道层长度为4μm的功率放大器分别在2.9v、4.0v直流偏置电压下的功率增益随输入信号功率变化的测试结果曲线示意图；

1、衬底，2、缓冲层，3、沟道层，4、帽层，5、欧姆接触电极，6、共平面波导电极。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种平面耿氏毫米波、太赫兹功率放大器，如图1所示，由下至上依次包括衬底1、缓冲层2、沟道层3、帽层4、欧姆接触电极5、共平面波导电极6，沟道层3的载流子浓度为8×10¹⁶cm^-3，沟道层3的长度为4μm，沟道层3的载流子浓度与沟道层3的长度的乘积n的取值为3.2×10¹³cm^-2。

平面耿氏功率放大器的工作原理是耿氏效应中的微分负阻对交流信号的放大作用。器件沟道层3载流子浓度、沟道层3的长度和载流子浓度与沟道层3的长度的乘积n都对器件功率放大性能有影响。沟道层3载流子浓度过低会导致器件内阻增大和负阻特性降低，输出功率和转换效率降低。而浓度过高会导致电流密度过大，发热严重，器件寿命降低。同时，载流子浓度过高往往意味着掺杂浓度较高，过多的杂质会影响耿氏效应的出现，导致负阻特性消失，器件失效。沟道层3的载流子浓度与沟道层3的长度的乘积n影响耿氏放大器的工作模式，乘积超过限定范围会导致功率放大性力下降甚至消失。

平面耿氏器件与现有的功率放大器相比，具有工作频率高、输出功率大、制备工艺简单、成本低、可集成的优势。

共平面波导电极6的特征阻抗为50ω。

50欧姆是微波电路中最广泛使用的阻抗值。共平面波导电极6的特征阻抗取50ω，是为了实现和前端及后端器件的阻抗匹配，提供微波功率传输效率。

缓冲层2的厚度为50nm～5μm，缓冲层2材料为未掺杂的inp、gaas、alas、gan、aln、inaln、algan、inalas或algaas。

帽层4的厚度为5～300nm，帽层4的材质为重掺杂的半导体材料，重掺杂的半导体材料包括inp、gaas、ingaas、inas、ingaasp、gan、ingan、inaln，帽层425℃下载流子浓度大于1×10¹⁸cm^-3。降低电极接触电阻、保护沟道层3。

此处设计的优势在于，降低电极接触电阻、保护沟道层3。帽层4载流子浓度大于1×10¹⁸cm^-3时，电极金属与帽4层内的载流子可以很容易的通过隧穿的方式越过表面势垒，因此接触电阻远小于帽层4载流子浓度较低的情况。

衬底1的材料为半绝缘inp、半绝缘gaas、sic、蓝宝石或高阻硅；

沟道层3为一层均匀的半导体材料或多层半导体材料；半导体材料为iii-v族二元化合物、多元化合物中的一种或者多种，iii-v族二元化合物包括inp、gaas、inas、gan、inn；多元化合物包括ingaas、inalas、algaas、ingan、inaln、algan、ingaasp；沟道层3的厚度为300nm。沟道层3厚度过薄会导致其内阻过大，而且沟道内载流子迁移会受沟道层3界面的影响，导致迁移率降低，高频性能下降等。沟道层3过厚会导致内阻过小，器件发热严重，寿命降低。

共平面波导电极6或欧姆接触电极5的材料为au、ge、ni、ti、al、pd、pt、mo、in、ga、ag中的一种或者多种，共平面波导电极6的厚度为2μm。

图4为实施例1所述的功率放大器分别在2.9v、4.0v直流偏置电压下的功率增益随输入信号功率变化的测试结果曲线示意图；器件1db压缩点分别为0dbm和-4dbm。这反映了平面耿氏功率放大器在大信号情况下仍然保持良好的线性度的特征。

实施例2

根据实施例1所述的一种平面耿氏毫米波、太赫兹功率放大器，其区别在于，沟道层3的长度为2μm，沟道层3的载流子浓度与沟道层3的长度的乘积n的取值为1.6×10¹³cm^-2。

实施例3

根据实施例1所述的一种平面耿氏毫米波、太赫兹功率放大器，其区别在于，沟道层3的长度为6μm，沟道层3的载流子浓度与沟道层3的长度的乘积n的取值为4.8×10¹³cm^-2。

图2为沟道层长度分别为2、4和6μm的功率放大器在6～67ghz频率下的功率增益测试结果曲线示意图；图3为沟道层长度分别为2、4和6μm的功率放大器在75～110ghz频率下的功率增益测试结果曲线示意图；峰值增益达到17db，最高工作频率超过110ghz。反映了功率放大器的高频率、高增益的特征。

实施例4

实施例1-3任一所述平面耿氏功率放大器的制备方法，具体步骤包括：

(1)在衬底1上依次外延生长缓冲层2、沟道层3、帽层4；

(2)在步骤(1)生成的样品上利用微纳加工方法形成台面；实现器件之间的电气隔离；

(3)在步骤(2)生成的样品上利用微纳加工方法去掉帽层4，露出沟道；具体是指：利用微纳加工方法除去沟道部分的帽层4，剩余全部或部分作为沟道层3。

(4)在步骤(3)生成的样品上利用微纳加工方法依次制备欧姆接触电极5和共平面波导电极6。具体是指：

a、利用微纳加工方法制备具有图形的欧姆接触电极5；

b、利用微纳加工方法制备具有图形的共平面波导电极6。