CN102468345B - 一种异质结势垒变容管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种异质结势垒变容管及其制备方法，属于微波器件中变容管技术领域。所述变容管包括从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的两个台阶结构，以及从重掺杂GaAs帽层到重掺杂GaAs沟道层的一个台阶结构，三个台阶结构上覆盖有介质层，介质层上设有引线和PAD。本发明异质结势垒变容管中PAD处在衬底层与接触金属形成台阶上，连接引线采用爬坡形式将PAD与阴阳极分别连接，避免了复杂的空气桥结构，制作简便，易于实现。

Description

一种异质结势垒变容管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种异质结势垒变容管及其制备方法，属于微波器件中变容管技术领域。

背景技术

变容管是一种常用的微波器件。因为其C-V的非线性关系，被广泛应用于微波非线性电路设计中，如压控振荡器、移相器、混频器，倍频器等。

相比于传统的肖特基变容管，异质结变容管具有对称的C-V特性和非对称的I-V特性，这一特性使得异质结变容管被广泛应用于倍频器等电路中。异质结变容管一般采用背对背结构，这种结构使得异质结势垒加倍，补偿了结构上的不对称性。

图1为传统的异质结变容管的结构示意图。如图1所示，传统的异质结变容管PAD，变容管的阴阳极金属，及它们的连接线处在同一平面上。通过刻蚀引线下方区域的材料来形成沟道隔离。这样连接引线像桥身一样架在PAD与接触金属之间。然而这种结构中桥身会由于长时间重力作用出现桥身断裂现象导致器件短路，若增加桥身的刚度，无疑会大大增加制作成本。

发明内容

本发明针对传统的异质结变容管结构中桥身会由于长时间重力作用出线桥身断裂现象导致器件短路，而增加桥身的刚度会大大增加制作成本的不足，提供一种异质结势垒变容管及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种异质结势垒变容管包括GaAs衬底，位于所述GaAs衬底上的重掺杂GaAs沟道层，位于所述重掺杂GaAs沟道层上的至少一个异质结势垒结构，位于所述至少一个异质结势垒结构上的重掺杂GaAs帽层，位于所述重掺杂GaAs帽层上的阳极和阴极，所述变容管在靠近阳极远离阴极的一端具有一从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的第一台阶结构，所述变容管在阳极和阴极之间具有一从重掺杂GaAs帽层到重掺杂GaAs沟道层的第二台阶结构，所述变容管在靠近阴极远离阳极的一端具有一从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的第三台阶结构，所述第一台阶结构、第二台阶结构和第三台阶结构上覆盖有介质层，所述第一台阶结构和第三台阶结构的上台阶阶面和侧壁处的介质层上设有引线，所述第一台阶结构和第三台阶结构的下台阶阶面处的介质层上设有PAD。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述重掺杂GaAs沟道层为重掺杂N型GaAs沟道层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3；所述重掺杂GaAs帽层为重掺杂N型GaAs帽层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3。

进一步，所述异质结势垒结构包括第一轻掺杂GaAs调制层，位于所述第一轻掺杂GaAs调制层上的第一未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第一未掺杂的GaAs缓冲层上的未掺杂的AlGaAs势垒层，位于所述未掺杂的AlGaAs势垒层上的第二未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第二未掺杂的GaAs缓冲层上的第二轻掺杂GaAs调制层。

进一步，所述第一轻掺杂GaAs调制层为第一轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3；所述第二轻掺杂GaAs调制层为第二轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3。

本发明还提供一种异质结势垒变容管的制备方法，包括如下步骤：

1)在GaAs衬底上依次生长重掺杂GaAs沟道层、至少一个异质结势垒结构和重掺杂GaAs帽层；

2)在所述重掺杂GaAs帽层上形成欧姆接触金属，从而制成变容管的阳极和阴极；

3)将变容管阳极和阴极之间从重掺杂GaAs帽层到至少一个异质结势垒结构之间的结构去除，使阳极和阴极之间的重掺杂GaAs沟道层暴露出来，从而形成从重掺杂GaAs帽层到重掺杂GaAs沟道层的第二台阶结构；

4)将变容管两端从重掺杂GaAs帽层到重掺杂GaAs沟道层之间的结构去除，使变容管两端的GaAs衬底暴露出来，从而形成从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的第一台阶结构和第三台阶结构；

5)在形成第一台阶结构、第二台阶结构和第三台阶结构的器件表面形成介质层，同时将欧姆接触区的介质层去除，形成第一引线窗口和第二引线窗口；

6)在所述第一引线窗口、第二引线窗口以及第一台阶结构和第三台阶结构的上台阶阶面和侧壁处的介质层上形成引线，在所述第一台阶结构和第三台阶结构的下台阶阶面处的介质层上形成PAD。

进一步，所述重掺杂GaAs沟道层为重掺杂N型GaAs沟道层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3；所述重掺杂GaAs帽层为重掺杂N型GaAs帽层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3。

进一步，所述异质结势垒结构包括第一轻掺杂GaAs调制层，位于所述第一轻掺杂GaAs调制层上的第一未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第一未掺杂的GaAs缓冲层上的未掺杂的AlGaAs势垒层，位于所述未掺杂的AlGaAs势垒层上的第二未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第二未掺杂的GaAs缓冲层上的第二轻掺杂GaAs调制层。

进一步，所述第一轻掺杂GaAs调制层为第一轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3；所述第二轻掺杂GaAs调制层为第二轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3。

本发明的有益效果是：本发明异质结势垒变容管中PAD与阴阳极接触金属不再在一个平面上，而是处在衬底层与接触金属形成台阶上，连接引线采用爬坡形式将PAD与阴阳极分别连接，避免了复杂的空气桥结构，制作简便，易于实现；引线与地之间的寄生电容小，同时C-V特性具有很好的对称行，可以大大的简化倍频电路的设计；同时为了避免连接引线和坡壁材料直接接触而形成短路，在电镀PAD和引线之前在整个器件表面淀积一介质层，在阴阳极区域通过刻蚀方法开个窗口，使得引线与坡壁之间有一层介质进行隔离。

附图说明

图1为传统的异质结变容管的结构示意图；

图2为本发明实施例异质结势垒变容管在衬底上形成沟道层、双势垒异质结结构和帽层的结构示意图；

图3为本发明实施例异质结势垒变容管形成阳极和阴极的结构示意图；

图4为本发明实施例异质结势垒变容管在帽层和沟道层之间形成第二台阶结构的结构示意图；

图5为本发明实施例异质结势垒变容管在帽层和衬底之间形成第一台阶结构和第三台阶结构的结构示意图；

图6为本发明实施例异质结势垒变容管形成介质层的结构示意图；

图7为本发明实施例异质结势垒变容管形成引线和PAD的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明异质结势垒变容管包括至少一个异质结势垒结构，在本实施例中，本发明异质结势垒变容管包括两个异质结势垒结构。

所述异质结势垒变容管包括GaAs衬底，位于所述GaAs衬底上的重掺杂GaAs沟道层，位于所述重掺杂GaAs沟道层上的两个异质结势垒结构，位于所述两个异质结势垒结构上的重掺杂GaAs帽层，位于所述重掺杂GaAs帽层上的阳极和阴极，所述变容管在靠近阳极远离阴极的一端具有一从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的第一台阶结构，所述变容管在阳极和阴极之间具有一从重掺杂GaAs帽层到重掺杂GaAs沟道层的第二台阶结构，所述变容管在靠近阴极远离阳极的一端具有一从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的第三台阶结构，所述第一台阶结构和第三台阶结构的上台阶阶面和侧壁处的介质层上设有引线，所述第一台阶结构和第三台阶结构的下台阶阶面处的介质层上设有PAD。

所述重掺杂GaAs沟道层为重掺杂N型GaAs沟道层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3；所述重掺杂GaAs帽层为重掺杂N型GaAs帽层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3。所述两个异质结势垒结构分别为114和115，两个串联在一起，每个异质结势垒结构包括第一轻掺杂GaAs调制层，位于所述第一轻掺杂GaAs调制层上的第一未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第一未掺杂的GaAs缓冲层上的未掺杂的AlGaAs势垒层，位于所述未掺杂的AlGaAs势垒层上的第二未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第二未掺杂的GaAs缓冲层上的第二轻掺杂GaAs调制层。所述第一轻掺杂GaAs调制层为第一轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3；所述第二轻掺杂GaAs调制层为第二轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3。

本发明包括两个异质结势垒结构的异质结势垒变容管的制备方法包括：

步骤1)：结合图2，在GaAs衬底100上依次外延生长重掺杂GaAs沟道层101、轻掺杂的GaAs调制层102、未掺杂的GaAs缓冲层103、未掺杂的AlGaAs势垒层104、未掺杂的GaAs缓冲层105、轻掺杂的GaAs调制层106、未掺杂的GaAs缓冲层107、未掺杂的AlGaAs势垒层108、未掺杂的GaAs缓冲层109、轻掺杂的GaAs调制层110和重掺杂GaAs帽层111。

步骤2)：结合图3，在所述重掺杂GaAs帽层111上通过蒸发金属的方法形成欧姆接触金属，从而制成变容管的阳极112和阴极113。

在本实施例中，所述欧姆接触金属为Ni/Ge/Au/Ge/Ni/Au。

步骤3)：结合图4，将变容管阳极112和阴极113之间从重掺杂GaAs帽层111到轻掺杂的GaAs调制层102之间的结构通过湿法腐蚀的方法去除，使阳极112和阴极113之间的重掺杂GaAs沟道层101暴露出来，从而形成从重掺杂GaAs帽层111到重掺杂GaAs沟道层101的第二台阶结构。

步骤4)：结合图5，将变容管两端从重掺杂GaAs帽层111到重掺杂GaAs沟道层101之间的结构通过湿法腐蚀的方法去除，使变容管两端的GaAs衬底100暴露出来，从而形成从重掺杂GaAs帽层111到GaAs衬底100的第一台阶结构和第三台阶结构。

步骤5)：结合图6，在形成第一台阶结构、第二台阶结构和第三台阶结构的器件表面通过气相淀积的方法形成介质层121，同时将欧姆接触区的介质层通过有源离子刻蚀的方法去除，形成第一引线窗口116和第二引线窗口117。

在本实施例中，所述介质层为Si₃N₄层。

步骤6)：结合图7，在所述第一引线窗口116、第二引线窗口117以及第一台阶结构和第三台阶结构的上台阶阶面和侧壁处的介质层上形成引线118，在所述第一台阶结构和第三台阶结构的下台阶阶面处的介质层上形成PAD119，从而将阳极和阴极的金属引出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种异质结势垒变容管，其特征在于，所述变容管包括GaAs衬底，位于所述GaAs衬底上的重掺杂GaAs沟道层，位于所述重掺杂GaAs沟道层上的至少一个异质结势垒结构，位于所述至少一个异质结势垒结构上的重掺杂GaAs帽层，位于所述重掺杂GaAs帽层上的阳极和阴极，所述变容管在靠近阳极远离阴极的一端具有一从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的第一台阶结构，所述变容管在阳极和阴极之间具有一从重掺杂GaAs帽层到重掺杂GaAs沟道层的第二台阶结构，所述变容管在靠近阴极远离阳极的一端具有一从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的第三台阶结构，所述第一台阶结构、第二台阶结构和第三台阶结构上覆盖有介质层，所述第一台阶结构和第三台阶结构的上台阶阶面和侧壁处的介质层上设有引线，所述第一台阶结构和第三台阶结构的下台阶阶面处的介质层上设有焊盘。

2.根据权利要求1所述的异质结势垒变容管，其特征在于，所述重掺杂GaAs沟道层为重掺杂N型GaAs沟道层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3；所述重掺杂GaAs帽层为重掺杂N型GaAs帽层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3。

3.根据权利要求1所述的异质结势垒变容管，其特征在于，所述异质结势垒结构包括第一轻掺杂GaAs调制层，位于所述第一轻掺杂GaAs调制层上的第一未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第一未掺杂的GaAs缓冲层上的未掺杂的AlGaAs势垒层，位于所述未掺杂的AlGaAs势垒层上的第二未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第二未掺杂的GaAs缓冲层上的第二轻掺杂GaAs调制层。

4.根据权利要求3所述的异质结势垒变容管，其特征在于，所述第一轻掺杂GaAs调制层为第一轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3；所述第二轻掺杂GaAs调制层为第二轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3。

5.一种异质结势垒变容管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

1）在GaAs衬底上依次生长重掺杂GaAs沟道层、至少一个异质结势垒结构和重掺杂GaAs帽层；

2）在所述重掺杂GaAs帽层上形成欧姆接触金属，从而制成变容管的阳极和阴极；

3）将变容管阳极和阴极之间从重掺杂GaAs帽层到至少一个异质结势垒结构之间的结构去除，使阳极和阴极之间的重掺杂GaAs沟道层暴露出来，从而形成从重掺杂GaAs帽层到重掺杂GaAs沟道层的第二台阶结构；

4）将变容管两端从重掺杂GaAs帽层到重掺杂GaAs沟道层之间的结构去除，使变容管两端的GaAs衬底暴露出来，从而形成从重掺杂GaAs帽层到GaAs衬底的第一台阶结构和第三台阶结构；

5）在形成第一台阶结构、第二台阶结构和第三台阶结构的器件表面形成介质层，同时将欧姆接触区的介质层去除，形成第一引线窗口和第二引线窗口；

6）在所述第一引线窗口、第二引线窗口以及第一台阶结构和第三台阶结构的上台阶阶面和侧壁处的介质层上形成引线，在所述第一台阶结构和第三台阶结构的下台阶阶面处的介质层上形成焊盘。

6.根据权利要求5所述的异质结势垒变容管的制备方法，其特征在于，所述重掺杂GaAs沟道层为重掺杂N型GaAs沟道层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3；所述重掺杂GaAs帽层为重掺杂N型GaAs帽层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3。

7.根据权利要求5所述的异质结势垒变容管的制备方法，其特征在于，所述异质结势垒结构包括第一轻掺杂GaAs调制层，位于所述第一轻掺杂GaAs调制层上的第一未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第一未掺杂的GaAs缓冲层上的未掺杂的AlGaAs势垒层，位于所述未掺杂的AlGaAs势垒层上的第二未掺杂的GaAs缓冲层，位于所述第二未掺杂的GaAs缓冲层上的第二轻掺杂GaAs调制层。

8.根据权利要求7所述的异质结势垒变容管的制备方法，其特征在于，所述第一轻掺杂GaAs调制层为第一轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3；所述第二轻掺杂GaAs调制层为第二轻掺杂N型GaAs调制层，掺杂的离子Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁶厘米^-3。

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