超高速开关隧道二极管
编辑:管理员     发布时间: 2017-11-13

五十年代以来,快脉冲和超快脉冲技术有了极大的发展。脉冲的产生,显示、分析水平约提高了二个数量级。脉冲的显示已从毫微秒的水平提高到亚毫微秒和数十微微秒量级的水平,适用于快脉冲产生的专门半导体器件的出现,使得数十微微秒量级的脉冲发生器得以制备,随着显示装备和新型的脉冲发生器的产生,脉冲分析技木有了很大的发展。

p-n结的隧道负阻现象可由量子力学的粒子隧穿来加以阐明。在重掺杂窄p-n结隧道二极管中,电子隧道穿透的势垒是由p-n结处的空间电荷偶极层所产生的。隧道电流的大小取决于碰撞势垒的荷电粒子流密度,荷电粒子穿透隧道的几率以及可供荷电粒子透入的能态密度。三角形势垒能更接近隧道二极管的实际物理状况,考虑到电子能量的几率分布并作有关假设后,数字计算得到具有负阻的伏安特性并和实验有极好的符合。

制备隧道二极管的材料有锑化镓、锗、硅、砷化镓、锑化铟、砷化铟等。锑化铟和砷化铟因禁带宽度过窄只适于在低温下工作。硅因其能带结构、有效质量和迁移率的影响,只能制备成峰谷比小的二极管。砷化镓隧道二极管因具有不可逆的不稳定性和内阻较高也很难应用于脉冲讯号源,鉴于上述因素,我们选择了重掺镓锗单晶。由开关时间20微微秒所决定的二极管的优值应大于20。可以推算出折合掺杂浓度n*约为1×1020/cm3,为此,所需要求的重掺镓锗单晶的空穴浓度应在2×1020/cm3左右。

锗隧道二极管可用扩散、外延和合金方法制备,为获得较高的优值一般采用合金法。所有可能采用的工艺都必不可免地带来热扩散,而热扩散又必然的带来势垒的展宽,这就会在很大程度上影响隧道效应。

可用短电脉冲造成的局部高温制备隧道二极管,目前国际上上升时间最短的商品脉冲源HP1106B所采用的锗隧道二极管就是应用该方法制备的。但由于升降温时,温度梯度过大,晶格内应力大,对峰谷比和可靠性都较不利。为避免较大的晶格内应力,宜采用较低的合金温度和合适的合金时间。

为获得较高的可靠性可采用平面技术。即在锗表面淀积二氧化硅,然后光刻出合适尺寸的窗口,再在窗口中制备重接杂p-n结。

由于砷在锗中有较小的扩散系数,平面工艺中可用重掺镓锗单晶为基片,以锡作合金载体,以砷作形成N+层的掺杂剂。烧结形成p-n结的合金材料可选用掺有少砷的砷锡合金。为了避免表面层的影响,合金时要保持一定的熔入深度,即有一定量的锗熔入砷锡合金,为此要有一定的砷锡量和不太高的砷锡比例。

根据锗-锡和砷-锡二元合金相图。考虑合金时的熔入深度在100Å的量级,所需砷锡膜的厚度应在8000Å左右。考虑到扩散的影响应选择熔点低的砷锡合金,含砷百分比的合适的选取范围约在百分之一到百分之三之间。烧结温度可选择在400℃左右。

形成p-n结后,上电极的引出可采用蒸发钛金膜枝术,钛对金和二氧化硅都有极好的粘附,有较高的可靠性。

为了降低寄生参数带来的影响,封装宜采用小型的同轴管壳。当采用部标的外径为1.6毫米的陶瓷管壳并采用银网作内引线时,典型的引线电感值小于100微微享,管壳的寄生电容不大于0.15微微法。

平面工艺的实施和封装概要:

1. 基片准备  选用空穴浓度1.8-2.2×1020/cm3的重掺镓锗单晶,其位错密度应低于1000/cm2。沿111面将单晶切片以获得较高的优值)。磨抛平面成镜面,划道和斑点应分别小于每平方毫米二道和6-8点。

2. 二氧化硅淀积  将磨抛好的基片清洁处理后置于真空系统中,加温至650℃并通以徽量的正硅酸乙脂蒸汽,使其在基片上热分解以形成1-1.2微米均匀、平整的二氧化硅层。

3. 光刻窗口  此次光刻窗口的目的是大体上确定合金结的位置和面积。按照脉冲发生器的要求,所需隧道二极管的优值应大于20,峰流要大于30毫安小于60毫安,为此,等效掺杂浓度,峰电流密度和结面积应大致确定。所需二氧化硅窗口的直径约为6微米。图形的重复周期约为500×500微米,每组图形数选为3

4. 蒸发并保留所需的砷锡合金  将光刻后并经清处的锗片置于高真空系统中,将适最的砷锡合金置于铂舟中,待真空度高至2×10-5乇时快速背蒸砷锡,取片后去除二氧化硅膜上的砷锡合金膜,使在窗口中保留砷锡合金膜,蒸发合金膜的厚度略低于二氧化硅膜,约为0.8-1微米。砷锡合金中砷的含直接影响烧结温度和结特性,砷盘过高,烧结温度就得跟着提高,优值则下降。按合金相图和实验结果分析,表明较合适的砷浓度约为百分之1-3

5. 烧结  将基片置于通氮系统中迅速加温和降温,最高温度约为400℃,加热和冷却的总时间约为20秒,以获得极浅的折合掺杂浓度高的p-n结。

6. 蒸钛金膜  烧结完的基片经清处后置于高真空系统中,在高真空状态下蒸发一薄层钛膜作介质,随之即在同一系统中蒸上金膜。光刻的电极面积约为40×60微米2,复盖在p-n结之上,以作上电极引线用。

7. 封装  经分划和初测挑选的管芯,用锡或锡合金烧结于EM管壳的底部,上部以20×20微米2网格的银网作引线压焊于钛金膜上,最后盖帽封装成成品二极管。

按照上述工艺方案试制成一批超高速开关锗隧道二极管。用HP140A取样示波器测定了开关时间(示波器本身的上升时间为28ps)测得相当一部份样管已达或略小于20微微秒。上冲度小于百分之五。和当前最快速的成品脉冲讯号源HP1106B中使用的隧道二极管相比,主要电气指标分列如下:

试制样管          HP1106B用管

1)峰流        Ip30mA-60mA       同左

2)峰压          Vp200           同左

3)峰谷比Ip/Iv     3(一般为5  2-3

4)优值S          20mA/P5       同左

5)上升时间tr     20ps           同左

6)上冲量         5%            同左

所制备样管已通过部标SJ908-74所规定的环境试脸,并在有关工厂和单位的整机中使用,所制备的讯号源其上升时间和上冲度均符合整机的要求。

20ps(廿微微秒)超高速隧道二极管为上世纪七、八十年代最为快速的电子开关器件,是为现代国防和现代科技所迫切需要的时域反射仪上最为关键的器件。受电子工业部委托,山大物理系半导体教研室承担了该项目的研究,经克服重重困难后,终于在1979年成功应用了合理的超细微加工技术,研制出填补我国电子科技领域空白的自行研制的超高速隧道二极管。技术指标达当时国际最高水平,可靠性指标优于国际水平。此项研究成果不仅满足了相关部门的急需,同时每年还为国家节省了数十万美金的外汇。该成果荣获山东省科学技术研究成果一等奖(1981.3)(该奖为科技进步奖前身,与科技进步奖等同。)

在有关工作中,上海无线电21厂、上海无线电17厂、北京有色金属研究院、北京半导体所等有关部门提供了各方面的方便,借此机会谨致谢意。