余蔣平 李少甫 唐穎穎

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院, 綿陽 621010）

0 引 言

太赫茲波是一種存在于微波和紅外頻率之間的電磁頻譜，頻譜為100 GHz～10 THz.隨著光學(xué)和微波技術(shù)以及微納米制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，太赫茲波有了眾多新的應(yīng)用，如太赫茲探測與成像[1]、太赫茲輻射的生物效應(yīng)[2]、安全檢測[3]以及太赫茲通信[4].在眾多相關(guān)技術(shù)中，太赫茲信號的產(chǎn)生和檢測是推動其發(fā)展非常重要的一步.因此，研究如何實現(xiàn)太赫茲信號產(chǎn)生及檢測的固態(tài)學(xué)方法是近年來微波亞毫米波領(lǐng)域的研究熱點.其中，太赫茲肖特基二極管是這些太赫茲固態(tài)器件的關(guān)鍵組件，其性能在一定程度上決定了太赫茲倍頻器、混頻器及檢波器的性能優(yōu)劣.

自1937 年肖特基二極管概念提出以來[5]，肖特基二極管取得了極大的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)上發(fā)展為觸須接觸式二極管和平面式二極管.隨著微制造技術(shù)和工藝的發(fā)展，平面式二極管因其緊湊、易于集成和性能穩(wěn)定逐漸成為太赫茲肖特基二極管的主流結(jié)構(gòu).國外擁有成熟肖特基二極管工藝的有VDI 公司、JPL 和RAL 實驗室，可實現(xiàn)工作頻率1 THz 以上微瓦數(shù)量級的輸出.國內(nèi)研究單位有南京電子器件研究所、中國電科十三所等，工作頻率在0.5 THz 以下的肖特基二極管的工藝研究較為成熟，但1 THz 以上的肖特基二極管的研究較少.本文基于肖特基二極管的平面結(jié)構(gòu)，設(shè)計了垂直表面溝道長跨度空氣橋結(jié)構(gòu)的肖特基二極管模型，其具有較低的寄生電容，可實現(xiàn)提高二極管截止頻率的目的.

1 肖特基二極管設(shè)計

1.1 基本原理

肖特基二極管是一種金屬-半導(dǎo)體接觸，其中金屬的功函數(shù)高于半導(dǎo)體的功函數(shù).為使器件能夠傳輸電流，需要另一個連接點作為第二個端口，因此需要另一個歐姆模式的金屬-半導(dǎo)體觸點.二極管的核心是金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基結(jié).肖特基結(jié)存在于半導(dǎo)體的耗盡層中，耗盡區(qū)寬度WD取決于結(jié)內(nèi)建電勢φbi、結(jié)電壓偏置Vj、外延層摻雜濃度ND,epi及其介電常數(shù) εs，如下式所示[6]：

式中，q為元電荷.

由于肖特基二極管的主要電流傳輸機(jī)制是熱電子發(fā)射，當(dāng)施加正向偏置時，二極管內(nèi)的電流可通過下式獲得[7]：

1.2 理論設(shè)計

本文采用的平面肖特基二極管基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，陽極金屬與低摻雜GaAs 層形成肖特基接觸，陰極金屬與高摻雜GaAs 層形成歐姆接觸，采用表面溝道空氣橋結(jié)構(gòu)以減小高頻寄生參量對二極管性能的影響.

圖1 表面溝道型肖特基二極管橫截面示意圖Fig.1 Cross section diagram of surface channel Schottky diode

肖特基二極管核心電參數(shù)包括截止頻率、功率容量、各層摻雜濃度和尺寸參數(shù)等.在進(jìn)行肖特基二極管仿真設(shè)計前，須對二極管的各層摻雜濃度和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計.

1）截止頻率

肖特基二極管工作頻率設(shè)計指標(biāo)要求為0.85～1.1 THz，根據(jù)經(jīng)驗公式，二極管的截止頻率須為其工作頻率的8 倍以上[8].截止頻率fc可由下式計算得到：

式中，Rs和Cj0分別為二極管的總級聯(lián)電阻和零偏置結(jié)電容.

2）功率容量

當(dāng)肖特基二極管在較大輸入功率下，肖特基結(jié)溫度會升高，二極管電參數(shù)也隨之變化，導(dǎo)致倍頻效率下降的同時過大的輸入功率可能會導(dǎo)致二極管被擊穿不能正常工作.為了增大肖特基二極管的功率容量，主要可以通過減小外延層摻雜濃度ND,epi和增加管芯數(shù)量兩種方案實現(xiàn).

3）陽極直徑

外延層電阻Repi和零偏置結(jié)電容Cj0[9]分別為

式中： μepi為外延層電子遷移率；D為陽極直徑.

陽極面積A與總級聯(lián)電阻Rs和零偏置結(jié)電容Cj0密切相關(guān)，陽極面積過小會使Rs過大，產(chǎn)生更多的實功率損耗，同時還會使Cj0過小弱化二極管的非線性效應(yīng)；過大的陽極面積雖然顯著降低了Rs并增大了Cj0，但不利于二極管的阻抗匹配，還增大了陽極與陰極焊盤間的寄生電容，兩者變化均會導(dǎo)致最佳倍頻效率降低.

根據(jù)文獻(xiàn)[10]可確定外延層厚度tepi=0.1 μm 和緩沖層厚度tbuf=2 μm.為了獲得最佳陽極面積，將陽極直徑D和外延層摻雜濃度ND,epi作為自變量分析Repi、Cj0和Repi×Cj0在不同摻雜濃度下隨陽極直徑的變化，結(jié)果如圖2 所示.可以看出，當(dāng)ND,epi=1×1018cm?3、D=1.0μm 時，取得最小值，此時二極管的截止頻率最大，但綜合考慮合作加工單位可實現(xiàn)的GaAs 摻雜工藝，肖特基二極管外延層摻雜濃度最終確定為3×1017cm?3.

圖2 不同摻雜濃度下Repi、Cj0與Repi×Cj0隨陽極直徑變化Fig.2 (a) Repi and Cj0 change with anode diameter at different doping concentrations (b) Repi×Cj0 changes with anode diameter at different doping concentrations

1.3 仿真設(shè)計

串聯(lián)電阻和寄生電容是影響肖特基二極管非線性特性的兩個重要參數(shù)，總寄生電容由陽極與陰極焊盤之間的耦合電容和空氣橋與GaAs 各摻雜層之間的耦合電容組成.由于空氣橋尺寸較小，通過空氣橋引入的寄生電容小于通過兩個焊盤引入的寄生電容，本文通過采用垂直溝道減小耦合面積進(jìn)而降低寄生電容，如圖3 所示.基于寬垂直溝道的設(shè)計，采用長跨度空氣橋以連接二極管陽極和陰極.同時為了保證仿真模型的準(zhǔn)確性，對肖特基二極管模型進(jìn)行切角處理，將矩形焊盤切角變?yōu)殄F形焊盤以減小陽極和陰極之間的耦合電容，降低總寄生電容以提高二極管的截止頻率，如圖4 所示.

圖3 表面溝道形狀優(yōu)化Fig.3 Surface channel shape optimization

圖4 焊盤切角示意圖Fig.4 Schematic diagram of pad corner cutting

由于肖特基二極管非線性特性的核心是由金屬陽極和外延層相接觸形成的肖特基結(jié)，需要在肖特基結(jié)的位置設(shè)置波端口.但HFSS 軟件并不支持在封閉空間內(nèi)部設(shè)置波端口，需要將陽極柱增長穿過外延層與緩沖層接觸，形成金屬材料接觸的平面，如圖5所示.

圖5 肖特基二極管三維模型陽極設(shè)置Fig.5 Anode setting of Schottky diode 3D model

同時，當(dāng)肖特基二極管工作在較高的輸入功率狀態(tài)下，管芯的自熱效應(yīng)會使二極管的工作溫度升高，導(dǎo)致二極管電參數(shù)發(fā)生改變，因此須對二極管管芯自熱效應(yīng)進(jìn)行分析.在HFSS 軟件中建立了肖特基二極管的熱耦合模型，如圖6 所示.

圖6 肖特基二極管熱場分布Fig.6 Thermal field distribution of Schottky diode

由GaAs 0.15 μm 偽高電子遷移率晶體管(pseudomorphic high electron mobility transistors,pHEMT)工藝文檔給定的焊盤最小間距≥5 μm，將二極管陽極與陰極焊盤間距d從5 μm 以1 μm 為步長遞增至10 μm，如圖7 所示.優(yōu)化不同焊盤間距下二極管模型的S 參數(shù)仿真結(jié)果確定最佳焊盤間距值.

圖7 焊盤間距示意圖Fig.7 Schematic diagram of pad spacing

2 仿真結(jié)果分析

二極管熱仿真模型中，通過有限元方法提取二極管的熱阻矩陣，得到二極管陽極肖特基結(jié)處對應(yīng)的熱阻隨結(jié)溫的變化，如圖8 所示.從仿真結(jié)果可知，二極管的熱阻隨溫度的上升呈線性增大.在后續(xù)對二極管I-V特性進(jìn)行本征參數(shù)提取時將得到的熱阻代入進(jìn)行修正.

不同焊盤形狀的肖特基二極管仿真結(jié)果如圖9所示.可以看出，垂直焊盤的肖特基二極管的回波損耗比梯形焊盤大5 dB 以上，表明垂直焊盤在輸入端口被反射的能量更少，且垂直焊盤的傳輸損耗略優(yōu)于梯形焊盤.仿真結(jié)果表明不同形狀焊盤對二極管的回波損耗影響較大，對二極管的傳輸損耗影響較小，其傳輸損耗受二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大.相比梯形焊盤，垂直焊盤二極管性能略好，但為了讓設(shè)計的二極管更接近實際真實情況，本文采用梯形焊盤進(jìn)行后續(xù)加工.

圖9 不同焊盤形狀S 參數(shù)對比Fig.9 Comparison of S parameters of different pad shapes

不同焊盤間距的二極管仿真結(jié)果如圖10 所示.仿真結(jié)果表明，焊盤間距越大，二極管輸入端口回波損耗S11越大，說明焊盤間產(chǎn)生的寄生電容越小，肖特基二極管倍頻效率越好.綜合考慮空氣橋加工工藝和成本，結(jié)合二極管倍頻性能，最終取焊盤間距d=9 μm 進(jìn)行后續(xù)管芯參數(shù)提取.

圖10 不同焊盤間距下S 參數(shù)對比Fig.10 Comparison of diode S parameters under different pad spacing

使用TCAD Silvaco 軟件平臺進(jìn)行仿真設(shè)計，調(diào)用二極管的物理模型和隧穿模型[11]等，得到肖特基二極管I-V和C-V特性的仿真結(jié)果如圖11 所示.圖11(b)為肖特基二極管的I-V特性曲線，根據(jù)文獻(xiàn)[12]以及前文得到的熱阻仿真結(jié)果，提取得到二極管的理想因子n=1.15，反向飽和電流Is=77 fA，結(jié)電壓Vj=0.8 V，總級聯(lián)電阻Rs=13.3 Ω.圖11(c)為在1 THz下肖特基二極管的C-V特性曲線，提取得到二極管的零偏置結(jié)電容Cj0=1.174 fF.根據(jù)二極管截止頻率計算公式得到該二極管的本征截止頻率fc=10.19 THz，肖特基二極管截止頻率大于8 THz，且具有極低的零偏置結(jié)電容.

圖11 二極管仿真結(jié)果Fig.11 Diode simulation results

3 實驗測試

3.1 直流測試

最終制備出的肖特基二極管如圖12 所示.完成流片后，對二極管進(jìn)行直流測試和射頻測試.

圖12 肖特基二極管電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.12 Schottky diode electron micrograph

采用半導(dǎo)體表征平臺對制備出的倍頻肖特基二極管進(jìn)行直流參數(shù)提取，該測試平臺包括探針臺、可調(diào)衰減器、信號源、傳輸波導(dǎo)和功率計，系統(tǒng)框圖如圖13 所示.

圖13 測試平臺系統(tǒng)框圖Fig.13 Test platform system block diagram

正向偏壓下的肖特基二極管實測I-V曲線如圖14所示.從測試曲線中可以提取到二極管的反向飽和電流Is、理想因子n以及總級聯(lián)電阻Rs，直流測試提取結(jié)果如表1 所示.

表1 直流測試提取結(jié)果Tab.1 DC test extraction results

圖14 I-V 實測與仿真結(jié)果對比Fig.14 Comparison of I-V measured and simulated results

3.2 射頻測試

由于工作頻率對二極管寄生電容影響較大，因此通過射頻測試提取零偏置結(jié)電容比直流測試更可靠.二極管高頻寄生參數(shù)提取步驟如圖15 所示，其中Cpad、Lpad分別為焊盤與重?fù)诫s層之間的耦合電容和焊盤表面寄生電感，Cpp為焊盤間的耦合電容，Lf、Cf分別為空氣橋電感、空氣橋金屬手指與各層之間的耦合電容之和，Rs為信號從二極管金屬陽極輸入經(jīng)過外延層和緩沖層產(chǎn)生的總寄生電阻，Rj為二極管結(jié)電阻，Cj0為二極管零偏置結(jié)電容.先建立每一步驟中模型的等效電路，通過S 參數(shù)測試結(jié)果提取每一部分等效電路的寄生參數(shù)，從而提取出二極管的零偏置結(jié)電容.各子電路模型對應(yīng)的等效電路如圖16 所示.

圖15 二極管寄生電容提取步驟Fig.15 Extraction steps of diode parasitic capacitance

圖16 二極管模型及其等效電路Fig.16 Diode model and its equivalent circuit

通過上述步驟提取得到二極管的寄生參數(shù)如表2所示.可以看出，實測提取的零偏置結(jié)電容為1.21 fF，與仿真結(jié)果略有差別，可能是加工時金屬焊盤的形狀與仿真模型的形狀未能做到完全一致，只有通過更先進(jìn)更精細(xì)的加工工藝來降低該誤差.

表2 射頻測試提取結(jié)果Tab.2 RF test extraction results

表3 為本文設(shè)計的肖特基二極管與其他學(xué)者的工作對比.可以看出，本文設(shè)計的肖特基二極管零偏置結(jié)電容較低，截止頻率較高，其他各項性能參數(shù)良好.

表3 本文與已有設(shè)計的對比Tab.3 Comparison between this article and the existing designs

4 結(jié) 論

本文基于GaAs 0.15 μm pHEMT 工藝，提出了基于垂直表面溝道的長跨度空氣橋結(jié)構(gòu)的肖特基二極管模型，仿真對比了不同焊盤間距下的二極管參數(shù)，并在軟件中建立了最優(yōu)焊盤間距下二極管管芯肖特基結(jié)模型.經(jīng)實驗測試，設(shè)計的肖特基二極管總級聯(lián)電阻為14.6 Ω，零偏置結(jié)電容為1.21 fF，本征截止頻率高達(dá)9 THz 以上，滿足工作頻率為850～1 100 GHz 的二極管的應(yīng)用需求，仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合度較高，證明該二極管模型是有效的.下一步將把二極管與其他無源器件集成進(jìn)行倍頻器整體電路性能研究.