專利名稱：高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管及其制作方法
技術領域：
本發明涉及微波器件中二極管技術領域，尤其涉及一種高斯摻雜的砷化鎵肖特基 變容二極管及其制作方法。
背景技術：
肖特基二極管是貴金屬為正極，以N型半導體為負極，利用二者接觸面上形成的 勢壘具有整流特性而制成的金屬-半導體器件。因為N型半導體中存在著大量的電子，貴 金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的負極中向濃度低的正極中擴散。隨 著電子不斷從負極擴散到正極，負極表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形 成勢壘。但在該電場作用之下，正極中的電子也會產生從正極向負極的漂移運動，從而消弱 了由于擴散運動而形成的電場。當建立起一定寬度的空間電荷區后，電場引起的電子漂移 運動和濃度不同引起的電子擴散運動達到相對的平衡，便形成了肖特基勢壘。典型的肖特基整流管的內部電路結構是以N型半導體為基片，在上面形成用砷作 摻雜劑的N外延層。陽極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。用二氧化硅來消除邊緣區域的電 場，提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態電阻，其摻雜濃度較層要高100%倍。 在基片下邊形成N+陰極層，其作用是減小陰極的接觸電阻。通過調整結構參數，N型基片和 陽極金屬之間便形成肖特基勢壘。當在肖特基勢壘兩端加上正向偏壓(陽極金屬接電源正 極，N型基片接電源負極)時，肖特基勢壘層變窄，其內阻變小；反之，若在肖特基勢壘兩端 加上反向偏壓時，肖特基勢壘層則變寬，其內阻變大。肖特基勢壘二極管是微波倍頻電路中的常用非線性器件，由于肖特基勢壘二極管 制備過程簡單，結構靈活，所以多用于毫米波、亞毫米波范圍內的倍頻電路上。傳統的肖特基勢壘二極管在N型層采用均勻摻雜，而這種摻雜的肖特基變容二極 管的變容比小、非線性弱，嚴重限制了毫米波、亞毫米波范圍內倍頻電路的工作頻率和輸出 功率。
發明內容
為改善傳統肖特基變容二極管的變容比小、非線性弱的缺陷，進而提高倍頻電路 的輸出功率和工作頻率，本發明提供一種高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，該變容二 極管在不改變現有的肖特基二極管基本結構的前提下，通過改變其N型層的摻雜濃度，提 高了肖特基變容二極管的變容比，進而增強了變容二極管的非線性，提高了毫米波、亞毫米 波范圍內倍頻電路的工作頻率和輸出功率。本發明提供的技術方案具體如下本發明的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，包括半導體絕緣砷化鎵襯底，在 所述半導體絕緣砷化鎵襯底上部的高摻雜的N+型層，以及在所述N+型層上部的N型層；在 所述N+型層上部生長有歐姆接觸下電極以及與所述歐姆接觸下電極相連的下電極引線；在 所述N型層的上部生長有肖特基接觸上電極以及與所述肖特基接觸上電極相連的上電極 引線。
本發明的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，在所述N型層內，從與所述N+型 層的交界面至與所述肖特基接觸上電極的交界面之間的摻雜濃度由低至高且符合高斯分布。本發明的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，所述肖特基接觸上電極包括由下 至上依次排列的鈦金屬層、鉬金屬層和金金屬層。本發明的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，所述歐姆接觸下電極包括由下至 上依次排列的鎳金屬層、鍺金屬層、金金屬層、鍺金屬層、鎳金屬層和金金屬層。本發明的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，所述高摻雜的N+型層內的摻元素 為IVA族元素，其摻雜濃度為108/Cm3量級。本發明的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，所述N型層內的摻雜元素為IVA 族元素；所述N型層與肖特基接觸上電極交界面處的摻雜濃度為IO1Vcm3量級；所述N型與 N+型層交界面處的摻雜濃度為IOlfVcm3量級。本發明的一種高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的制作方法，包括下列步驟步驟A 在半導體絕緣砷化鎵襯底上外延生長高摻雜的N+型層；步驟B 在所述N+型層的上部通過分子束外延法生長N型層，使其摻雜濃度由低至 高且符合高斯分布；步驟C 采用濕法刻蝕減小所述N型層的面積，形成所述N型層至所述N+型層的臺 面階梯結構；步驟D 在所述N+型層和N型層上蒸發金屬分別形成歐姆接觸下電極和肖特基接 觸上電極；步驟E 采用濕法刻蝕減小所述N+型層的面積，形成所述N+層至所述半導體絕緣 砷化鎵襯底的臺面階梯結構；步驟F 在上述步驟已制作完成的所述高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管器件 表面淀積氮化硅；步驟G 采用干法刻蝕分別在所述歐姆接觸下電極和肖特基接觸上電極的表面打 開引線天窗，并在所述歐姆接觸下電極和肖特基接觸上電極上連接下電極弓I線和上電極弓I 線。本發明提供的技術方案的有益效果是1、本發明提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，其N型層內部的摻雜濃度 符合高斯分布，使得這種結構的變容二極管的變容比高、非線性強，有利于毫米波倍頻電路 輸出功率的提高，且有很好的高頻特性。2、本發明提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，其N型層與N+型層采用臺 面結構，N+型層上利用蒸發金屬形成歐姆接觸下電極，N型層上利用蒸發金屬形成肖特基接 觸上電極，并且上電極與下電極可以從同一側引出，相比于傳統的垂直結構的肖特基變容 二極管，這種結構非常靈活，易于應用在倍頻電路中，且不需要大體積的載體器件。3、本發明提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的制作方法操作簡便，易于 實現
圖1是本發明實施例提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的俯視結構示 意圖；圖2是本發明實施例提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的截面結構示 意圖；圖3是本發明實施例提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的制作方法流 程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方 式作進一步地詳細描述。參見圖1和圖2，本發明實施例提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管包括半導體絕緣砷化鎵襯底1，該半導體絕緣砷化鎵襯底1在變容二極管的最下部，用 于支撐整個砷化鎵肖特基變容二極管；在半導體絕緣砷化鎵襯底1上外延生長有高摻雜的N+型層2，N+型層2的面積比 半導體絕緣砷化鎵襯底1小，形成半導體絕緣砷化鎵襯底1至N+型層2的臺面階梯結構，在 N+型層2內的摻雜元素為IVA族元素，如Si元素等，IVA族元素在N+型層2內的摻雜濃度 在IOVcm3量級；在N+型層2上部是外延生長的N型層3，N型層3的面積比N+層2小，形成N+型 層2至N型層3的臺面階梯結構；N型層3內的參雜元素為IVA族元素，如Si元素等；IVA 族元素在N型層3內的摻雜濃度由低到高且滿足高斯分布；在N型層3內部，其與N+型層2 交界面處的摻雜濃度最低，為IOlfVcm3量級；在N型層3內部、遠離與N+型層2交界面處的 摻雜濃度為濃度峰值，可以達到IO1Vcm3量級；在N+型層2上未被N型層3覆蓋的部分，還設置有兩片歐姆接觸下電極5 ；該歐姆 接觸下電極5為復合層結構，從與N+型層2接觸的底端至頂端依次分為鈦金屬層、鉬金屬 層和金金屬層；在N型層3的上部設置有肖特基接觸上電極4，該肖特基接觸上電極4為復合層結 構，從與N型層3接觸的底端至頂端依次分為鎳金屬層、鍺金屬層、金金屬層、鍺金屬層、鎳 金屬層和金金屬層；在歐姆接觸下電極5的上部連接有下電極引線7 ；在肖特基接觸上電極4的上部 連接有上電極引線6 ；下電極引線7和上電極引線6皆從半導體絕緣砷化鎵襯底1的同一 側引出；在本發明實施例的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管表面未被肖特基接觸上 電極4和歐姆接觸下電極5覆蓋的部分沉積氮化硅層8，該氮化硅層8對高斯摻雜的砷化鎵 肖特基變容二極管起到絕緣和保護的作用。參見圖3，本發明實施例還提供了一種高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的制 作方法，包括以下步驟步驟10 在半導體絕緣砷化鎵襯底1上通過分子束外延的方法生長高摻雜N+型層 2。其摻雜元素為硅等IVA族元素，摻雜濃度控制在108/Cm3量級。
步驟20 在N+型層2上通過分子束外延的方法生長高斯摻雜的N型層3。N型層 3的摻雜元素為Si等IVA族元素。控制N型層3內元素的摻雜濃度，使其在與N+層2交界 面處摻雜濃度最低，為IOlfVcm3量級；而在遠離N+層2的上表面處摻雜濃度最高，達到IO17/ cm3量級。在N型層3內部，摻雜濃度由低到高的變化滿足高斯分布規律。步驟30 采用濕法刻蝕減小N型層3的面積，使N型層3與N+型層2之間形成上 小下大的臺面階梯結構；步驟40 在N型層3上蒸發形成肖特基接觸上電極4 ；在N+型層2上未被N型層 覆蓋的部分通過蒸發形成歐姆接觸下電極5。步驟50 采用濕法刻蝕減小N+型層2的面積，使N+型層2與半導體絕緣砷化鎵襯 底1之間形成上小下大的臺面階梯結構。這樣，由N型層3至半導體絕緣砷化鎵襯底1之 間形成了從上至下、面積由小變大的三層臺面階梯結構。步驟60 在整個高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管器件表面淀積氮化硅層8， 將變容二極管封裝在其中。步驟70 采用干法刻蝕氮化硅層8，分別在所述歐姆接觸下電極5和所述肖特基接 觸上電極4表面打開引線天窗，并在歐姆接觸下電極5上連接下電極引線7，在肖特基接觸 上電極4上連接上電極引線6。本發明實施例提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管為臺面結構，其肖特基 接觸上電極4和歐姆接觸下電極5從同一側被引線引出，這種結構應用在電路中具有很大 的靈活性，便于單片集成，節約成本。本發明實施例提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管變容比高、非線性強， 有利于毫米波倍頻電路輸出功率的提高，且有很好的高頻特性。該種變容二極管相比于傳 統的垂直結構的肖特基變容二極管，這種結構非常靈活，易于應用在倍頻電路中，且不需要 大體積的載體器件。同時，本發明提供的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的制作方法操作簡便， 易于實現。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，其特征在于，所述變容二極管包括半導 體絕緣砷化鎵襯底，在所述半導體絕緣砷化鎵襯底上部的高摻雜的N+型層，以及在所述N+ 型層上部的N型層；在所述N+型層上部生長有歐姆接觸下電極以及與所述歐姆接觸下電極 相連的下電極引線；在所述N型層的上部生長有肖特基接觸上電極以及與所述肖特基接觸 上電極相連的上電極引線。
2.根據權利要求1所述的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，其特征在于，在所述 N型層內，從與所述N+型層的交界面至與所述肖特基接觸上電極的交界面之間的摻雜濃度 由低至高且符合高斯分布。
3.根據權利要求1所述的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，其特征在于，所述肖 特基接觸上電極包括由下至上依次排列的鈦金屬層、鉬金屬層和金金屬層。
4.根據權利要求1所述的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，其特征在于，所述歐 姆接觸下電極包括由下至上依次排列的鎳金屬層、鍺金屬層、金金屬層、鍺金屬層、鎳金屬 層和金金屬層。
5.根據權利要求1所述的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，其特征在于，所述高 摻雜的N+型層內的摻元素為IVA族元素，其摻雜濃度為108/cm3量級。
6.根據權利要求1或2所述的高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管，其特征在于，所 述N型層內的摻雜元素為IVA族元素；所述N型層與肖特基接觸上電極交界面處的摻雜濃 度為1017/cm3量級；所述N型與N+型層交界面處的摻雜濃度為1016/cm3量級。
7.一種高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的制作方法，其特征在于，所述方法包括步驟A 在半導體絕緣砷化鎵襯底上外延生長高摻雜的N+型層；步驟B 在所述N+型層的上部通過分子束外延法生長N型層，使其摻雜濃度由低至高 且符合高斯分布；步驟C 采用濕法刻蝕減小所述N型層的面積，形成所述N型層至所述N+型層的臺面 階梯結構；步驟D 在所述N+型層和N型層上蒸發金屬分別形成歐姆接觸下電極和肖特基接觸上 電極；步驟E 采用濕法刻蝕減小所述N+型層的面積，形成所述N+層至所述半導體絕緣砷化 鎵襯底的臺面階梯結構；步驟F:在上述步驟已制作完成的所述高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管器件表面 淀積氮化硅；步驟G 采用干法刻蝕分別在所述歐姆接觸下電極和肖特基接觸上電極的表面打開引 線天窗，并在所述歐姆接觸下電極和肖特基接觸上電極上連接下電極弓丨線和上電極引線。
全文摘要
本發明公開了一種高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管及其制作方法，屬于微波器件中二極管技術領域。所述變容二極管包括半導體絕緣砷化鎵襯底，在半導體絕緣砷化鎵襯底上部的高摻雜的N+型層，以及在N+型層上部的N型層；在N+型層上部生長有歐姆接觸下電極以及與歐姆接觸下電極相連的下電極引線；在N型層的上部生長有肖特基接觸上電極以及與肖特基接觸上電極相連的上電極引線。本發明還提供了一種高斯摻雜的砷化鎵肖特基變容二極管的制作方法。本發明的變容二極管的變容比高、非線性強，有利于毫米波倍頻電路輸出功率的提高，且有很好的高頻特性；本發明的變容二極管的結構靈活，易于應用在倍頻電路中，且不需要大體積的載體器件。
文檔編號H01L21/329GK102110720SQ20091031239
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月28日 優先權日2009年12月28日
發明者張海英, 楊浩, 田超, 董軍榮, 黃杰 申請人:中國科學院微電子研究所