Терагерцовый планарный диод с барьером Шоттки с анодным электродом в форме зигзагообразного мостика

Полезная модель относится к области полупроводниковой электроники, а именно к конструкции диодов с барьером Шоттки, предназначенных для использования в составе радиотехнических приборов терагерцового диапазона частот.
Исследования Вальтера Шоттки в начале 20 века, направленные на изучение потенциального барьера на границе раздела металл/полупроводник, заложили основу отдельного класса полупроводниковых приборов - диодов с барьером Шоттки, активно используемых в современной электронике в силу высокого быстродействия. Активный переход от вискерной к планарной технологии диодов с барьером Шоттки начался в 90-е годы 20 века. На сегодняшний день существует несколько основных конструкций диода с барьером Шоттки, обеспечивающих возможность его эффективного использования для умножения субтерагерцовых частот и регистрации слабых терагерцовых сигналов.
Из патента РФ RU 2635853 C2 (ЭБД Google patents, выдан 16.11.2017; классификационный индекс H01L 24/05) и патента РФ 201610253 (ЭБД ФГУ ФИПС, опубликован 16.11.2017; классификационный индекс H01L 21/329) известен способ изготовления и базовая конструкция терагерцового диода с вискером "меза-подложка". Согласно способу перед травлением мезы и формированием воздушных мостов на анодном контакте микронных размеров формируется металлический вискер, представляющий собой перевернутый усеченный металлический конус с усеченным основанием, соединенным с анодным контактом, и с широким основанием, соединенным с нависающим над анодом концом воздушного моста, другой конец которого соединен с расположенной на полуизолирующем слое у основания мезы выводной контактной площадкой. В число недостатков предлагаемой способом конструкции диода входит необходимость формирования ребра жесткости на внешней стороне воздушного моста, а также необходимость гальванизации области низкоомного омического катодного контакта для последующего соединения с выводной металлической шиной, лежащей на боковой поверхности мезы.
Из патента США US 10075151 B2 (ЭБД Google patents, выдан 11.09.2018; классификационный индекс H03K 5/00006, H01L 21/8252, H01L 23/66, H01L 27/0207, H01L 27/0814, H01L 29/205, H01L 29/66143, H01L 29/872, Н03В 19/18, H03D 9/0608, Н04 В1/16, H01L 2223/6627, H01L 2223/6655, H01L 2223/6677, H01L 2223/6688, H01L 2924/0002, H01L 2924/12032, H01L 2924/14) и патента США US 8693973B2 (ЭБД Google patents, выдан 08.04.2014; классификационный индекс H03D 7/02, H03D 9/0633, H01L 29/20, H01L 29/66212, H01L 29/872) известна конструкция планарного диода Шоттки "диод с поверхностным каналом", эффективно используемая при создании субтерагерцовых волноводных умножителей частоты и смесителей. Основная идея данной конструкции диода состоит в том, что поверхностный канал на подложке n-GaAs / n+-GaAs / AlGaAs / SI-GaAs глубиной до стоп-слоя уменьшает паразитную емкость между анодом и катодом изготавливаемой структуры вследствие замены GaAs, обладающего высокой диэлектрической проницаемостью, под анодным мостиком на воздух. К числу недостатков "диода с поверхностным каналом" относится сложность интеграции диодного элемента с копланаром при квазиоптической реализации линии ввода электромагнитного излучения в силу сравнимости толщины мезы и зазоров между центральным полоском и землей копланара и сопряженными с этим сложностями травления сэндвича n-GaAs / n+-GaAs в процессе микроструктурирования, неоптимальная паразитная емкость.
Из патента США US 9349881 B2 (ЭБД Google patents, выдан 24.05.2016; классификационный индекс H01L 29/872, H01L 27/14, H01L 27/14612, H01L 29/0619, H01L 29/456, H01L 31/022408, H01L 31/108, H01L 27/14643) известна конструкция латерального диодного элемента. Диодный элемент включает в себя слой с низкой концентрацией носителей первого проводящего типа, слой с высокой концентрацией носителей первого проводящего типа, и электрод Шоттки и омический электрод, которые сформированы на поверхности полупроводника. Слаболегированный слой имеет концентрацию носителей ниже концентрации высоколегированного слоя. Диодный элемент включает в себя область с примесью первого проводящего типа, сформированную под омическим электродом, и область с примесью второго проводящего типа, сформированную так чтобы не иметь электрического контакта с электродом Шоттки на поверхности полупроводника между Шоттки и омическим электродами. Область второго проводящего типа находится в контакте с областью первого проводящего типа. Недостатком предлагаемой конструкции латерального диодного элемента является технологическая сложность изготовления.
Из патента РФ 2014106480/28 (ЭБД ФГУ ФИПС, опубликован 10.05.2015; классификационный индекс H01L 29/872, H01L 21/329) известны конструкция и способ изготовления кремниевого диода с барьером Шоттки, позволяющие получить диод с уменьшенным значением токов утечки и высоким значением обратного напряжения при высоких значениях температуры окружающей среды с одновременным улучшением качества защитного диэлектрического покрытия меза-структуры диода. В выполненном в виде меза-структуры кремниевом диоде с барьером Шоттки периферийная часть барьерного контакта защищена слоем оксида кремния, а толщина меза-структуры превышает толщину эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности, при этом защитное диэлектрическое покрытие, толщина которого превышает толщину меза-структуры, выполнено из алюмосиликатного стекла и расположено на боковой поверхности меза-структуры и на поверхности кремниевой подложки n+-типа электропроводности. К недостаткам предлагаемой конструкции диода относится увеличенное значение паразиткой емкости, связанное с использованием защитного диэлектрического покрытия, что является критичным при работе в терагерцовой области электромагнитного спектра.
Из патента РФ 2014100144/28 (ЭБД ФГУ ФИПС, опубликован 10.04.2015; классификационный индекс H01L 21/268) известен способ изготовления и базовая конструкция детекторов терагерцового диапазона электромагнитных волн с поверхностно-барьерными диодами. Способ включает формирование на поверхности полупроводниковой пластины слоя изолятора с отверстиями, лазерно-пиролитическое нанесение металла анода и формирование антенны, слой изолятора напыляют в вакууме на полупроводниковую пластину с предварительно осажденным на ее поверхность слоем не соприкасающихся между собой наносфер, после чего получают отверстия удалением наносфер и затем формируют анодный электрод адресуемым лазерно-пиролитическим нанесением металла в атмосфере, содержащей пары летучего химического соединения металла, на участок изолятора с перекрытием краев отверстия, продолжая нанесение до образования антенны. Основной недостаток предлагаемой способом конструкции детектора терагерцового диапазона связан с необходимостью использования лазерно-пиролитической технологии осаждения металлической пленки анодного электрода поверхностно-барьерного диода, обладающей недостаточной разрешающей способностью.
Из патента РФ 122204 (ЭБД e-library, опубликован 2012; классификационный индекс H01L 2900) известна конструкция выпрямительных диодов с барьером Шоттки на рельефной структуре с улучшенными технико-экономическими показателями из-за исключения из технологического процесса трудоемких операций, повышенным пробивным напряжением, меньшими обратными токами утечек. Сущность конструкции диодного элемента заключается в том, что: - изолирующий слой на боковых стенках и нижней части канавок создается в едином окислительном процессе; - формирование канавок активной и охранной области выполняется в едином технологическом цикле; - охранная область включает как минимум одно первое ограничительное кольцо, ширина которого должна быть не менее ширины внутренней канавки активной области и не более половины ширины области пространственного заряда при напряжении лавинного пробоя диода, и полевой электрод, длина которого должна быть не менее ширины области пространственного заряда в полупроводниковом слое при напряжении лавинного пробоя; - ширина гребней подобрана оптимально для обеспечения минимальных обратных токов утечек. К недостаткам предлагаемой конструкции диода относится увеличенное значение паразиткой емкости и последовательного сопротивления, что является критичным при работе в терагерцовой области электромагнитного спектра.
Из представленных в открытой печати научно-технических статей (В.Т. Bulcha, J.L. Hesler, V. Drakinskiy, J. Stake, and N.S. Barker, "1.9-3.2 THz Schottky based harmonic mixer design and characterization", in Proc. Eur. Microw. Conf., Sep. 2015, pp. 837-840. DOI: 10.1109/EuMC2015.7345894; T.W. Crowe, J.L. Hesler, C. Pouzou, W.L. Bishop, and G.S. Schoenthan, "Development and characterization of a 2.7 THz LO source", in Proc. 22nd Int. Symp. Space THz Technol., 2011. https://www.vadiodes.com/en/news/16-2011-news/43 7-isstt-2011) известно об использовании конструкции диода с барьером Шоттки "диод с поверхностным каналом" с субмикронным размером анода при создании смесителя на 3,2 ТГц и умножителя частоты на 2,7 ТГц. Основная идея данной конструкции диода состоит в том, что поверхностный канал на подложке n-GaAs / n+-GaAs / AlGaAs / SI-GaAs глубиной до стоп-слоя уменьшает паразитную емкость между анодом и катодом изготавливаемой структуры вследствие замены GaAs, обладающего высокой диэлектрической проницаемостью, под анодным мостиком на воздух. Субмикронный размер анода способствует снижению паразитной емкости диодного элемента. К числу недостатков "диода с поверхностным каналом" относится сложность интеграции диодного элемента с копланаром при квазиоптической реализации линии ввода электромагнитного излучения в силу сравнимости толщины мезы и зазоров между центральным полоском и землей копланара и сопряженными с этим сложностями травления сэндвича n-GaAs / n+-GaAs в процессе микроструктурирования, неоптимальная паразитная емкость.
Из представленных в открытой печати научно-технических статей (В. Thomas et al., "Submillimetre-wave receiver developments for ICI onboard MetOP-SG and ice cloud remote sensing instruments", in Proc. IEEE Int. Geosci. Remote Sens. Symp., Jul. 2012, pp. 1278-1281. DOI: 10.1109AGARSS.2012.6351306; N. Alijabbari, M.F. Bauwens, and R.M. Weikle, "Design and characterization of integrated submillimeter-wave quasi-vertical Schottky diodes", IEEE Trans. THz Sci. Technol., vol. 5, no. 1, pp. 73-80, Jan. 2015. DOI: 10.1109/TTHZ.2014.2361434; N. Alijabbari, M.F. Bauwens, and R.M. Weikle, "160 GHz balanced frequency quadruplers based on quasi-vertical Schottky varactors integrated on micromachined silicon", IEEE Trans. THz Sci. Technol., vol. 4, no. 6, pp. 678-685, Nov. 2015. DOI: 10.1109/TTHZ.2014.2360983) известно об использовании конструкции диода с барьером Шоттки "квази-вертикальный диод" при создании смесителя и умножителей частоты субтерагерцового диапазона. В рамках данной конструкции диода контакт Шоттки (анод) формируется на лицевой стороне эпитаксиального слоя, в то время как омический контакт (катод) формируется на его оборотной стороне, непосредственно под областью анодного контакта для обеспечения вертикального течения тока. Катодный электрод проходит в итоге сквозь подложку SI-GaAs. Недостатком предлагаемой конструкции диодного элемента является технологическая сложность изготовления.
Из представленных в открытой печати научно-технических статей (I. Mehdi et al., "Local oscillator sub-systems for array receivers in the 1-3 THz range", Proc. SPIE vol. 8452, p. 845212, Sep. 2012. DOI: 10.1117/12.925256; A. Maestrini et al., "A 2.5-2.7 THz room temperature electronic source", in Proc. 22nd Int. Symp. Space THz Technol., Tucson, AZ, USA, Apr. 2011; J. C. Pearson et al., "Demonstration of a room temperature 2.48-2.75 THz coherent spectroscopy source", Rev. Sci. Instrum., vol. 82, no. 9, p. 093105, 2011. DOI: 10.1063/1.3617420) известно об использовании конструкции диода с барьером Шоттки "диод с вывешенным мостиком" при создании умножителей частоты на 2,7 ТГц. В отличие от конструкции "диод с поверхностным каналом", анодная меза стравлена до стоп-слоя AlGaAs. Для формирования анодного мостика и компенсации перепада высот между поверхностями контакта Шоттки и стоп-слоя применяется метод оплавления специализированного фоторезиста. К недостаткам предлагаемой конструкции диодного элемента относится дискретизация значений толщины мезы, обусловленная свойствами используемых фоторезистов. Предложенное техническое решение наиболее близко по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемой полезной модели.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является добавление новых качеств к известному аналогу - "диоду с вывешенным мостиком", обеспечивающих возможность изготовления диодного элемента с мезой заданной толщины, его миниатюризацию, а также интеграцию с согласованной по импедансу копланарной линией на подложке GaAs в рамках квазиоптической схемы ввода электромагнитного излучения.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупности существенных признаков полезной модели, состоит в обеспечении возможности двукратного уменьшения длины диодного элемента без увеличения значений его паразитных параметров: шунтирующей емкости и последовательного сопротивления, а также упрощении технической реализации терагерцового приемника на базе диода предлагаемой конструкции. Это достигается благодаря возможности одновременного выбора толщины мезы диодного элемента равной глубине скин-слоя в n+-GaAs, обеспечивающей минимизацию потерь на переменном токе, и формирования металлизации выводных контактов с толщиной в несколько раз меньшей толщины мезы у ее подножия.
x
1-x
2
2
2
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1, где показана слоевая структура планарного диода с барьером Шоттки с анодным электродом в форме зигзагообразного мостика. В качестве слоя-основы выступает полуизолирующая подложка GaAs толщиной 350 мкм (1). Наличие стоп-слоя AlGaAs, где х=0,8±0,04, толщиной 50 нм (2) способствует формированию полупроводниковой мезы n-GaAs/n+-GaAs (60/2000 нм) (3.1/3.2) с убывающим в направлении роста двухуровневым профилем легирования без понижения уровня поверхности полуизолирующей подложки относительно подножия мезы вокруг нее. Металлический электрод контакта Шоттки (4) сформирован на поверхности мезы через окно диаметром 1,5 мкм в диэлектрике - SiO толщиной 250 нм (5) с использованием трехслойной системы металлизации Ti/Pt/Au (60/20/20 нм). Омический контакт к сильнолегированному слою n+-GaAs (6) сформирован на верней стороне мезы через окно в слаболегированном слое n-GaAs с использованием пятислойной системы металлизации Ni/Ge/Au/Ni/Au (5/55/25/5/200 нм) площадью 100 мкм. Зигзагообразный анодный мостик (7) и катодная шина (8) представляют собой двухслойную систему металлизации Ti/Au (5/500 нм), их толщина должна быть не менее суммарной толщины n-GaAs и SiO. Вертикальный профиль зигзага определяется геометрией полупроводниковой мезы, имеющей форму цилиндра с трапецией в основании, перпендикулярном линии базового среза полуизолирующей подложки; а угол изгиба зигзага ф) совпадает с двугранным углом, образованным боковой гранью полупроводниковой мезы и поверхностью сто-слоя у ее подножия с внешней стороны, и составляет 135° при ориентации плоскости симметрии анодного мостика вдоль линии базового среза подложки. Ширина зигзага не превышает толщины мезы. Длина участка анодного мостика между зигзагом и контактом Шоттки может варьироваться в диапазоне от одной до нескольких десятков толщин мез. При формировании металлизации выводных контактов в форме копланарной линии к диодному элементу предлагаемой конструкции достигается пространственное разрешение, определяемое разрешением электронной литографии.