碳化硅變?nèi)荻O管

  變?nèi)荻O管是一種非線性響應(yīng)器件，用于諧波的產(chǎn)生、參數(shù)擴(kuò)增、混合、檢測(cè)和可變電壓的微調(diào)?，F(xiàn)在變?nèi)荻O管主要用于毫米和亞毫米波頻率的產(chǎn)生及各種微波應(yīng)用中的調(diào)制。通常，利用適度摻雜的肖特基或p+n二極管電壓依賴電容的特性制作變?nèi)荻O管。式(1)給出了眾所周知的關(guān)系，即對(duì)于均勻摻雜耗盡區(qū)，肖特基二極管和非對(duì)稱突變p+n結(jié)電容隨電壓V的變化關(guān)系為

式中，€0為真空介電常數(shù)；q為基本電荷；A為二極管面積；N_D是耗盡區(qū)摻雜量；Ф_bi是結(jié)內(nèi)建電勢(shì)。變?nèi)荻O管的品質(zhì)因子(Q因子)可以定義為 式中，f₁為工作頻率；靜態(tài)截止頻率定義為二極管零偏時(shí)容抗(X_C)等于串聯(lián)電阻(R_S)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，即   當(dāng)變?nèi)荻O管工作在特征頻率時(shí)，Q因子必須至少為10才合適。f_C的值表示變?nèi)荻O管與工作頻率無關(guān)的損失和效率。二極管的串聯(lián)電阻來自于襯底、歐姆接觸和外延層。設(shè)計(jì)的變?nèi)萜鲬?yīng)當(dāng)忽略襯底和歐姆接觸電阻。為了盡量減少外延層電阻，其厚度d應(yīng)該等于外加最大反向電壓時(shí)空間電荷區(qū)(w_SRC)的寬度?？紤]外延層串聯(lián)電阻[d-w_SRC(0)]/Aqµ_eN_D，并且假設(shè)d》w_SRC(0)，式(3)中的f_C可以改寫為 式中，γ=C_max/C_min≈d/w_SRC(0)，是大多數(shù)變?nèi)荻O管發(fā)揮最大應(yīng)用的另一個(gè)參數(shù)。由于SIC載流子遷移率較低，從式(4)可以清楚地看出，如果不限制N_D值，如應(yīng)用在參數(shù)放大器中，那么SIC將是一種制造變?nèi)荻O管不可替代的材料。
 
  然而，在調(diào)諧應(yīng)用和諧波振蕩器中，變?nèi)荻O管必須按照偏置電壓(V₀)特殊設(shè)計(jì)。關(guān)于高壓和高功率SIC變?nèi)荻O管的理論已經(jīng)得到Tager和Wright等人的驗(yàn)證。這種二極管的最大外加電壓受擊穿電壓(V_M=F_Md/2)和應(yīng)用頻率的限制，即   式(5)表明，對(duì)于給定的額定電壓V₀,SIC是制造變?nèi)荻O管的一種非常適合的材料。表1比較了SIC與常規(guī)半導(dǎo)體材料的值。4H-SIC的值是GaAs的14倍，因此，對(duì)于工作在同樣的電壓下，氮化鎵變?nèi)荻O管比GaAs的工作頻率高。 式(7)和式(10)表明，考慮熱學(xué)和電學(xué)極限情況，氮化鎵是一種制造變?nèi)荻O管的更好材料。
 
  然而實(shí)際中，由于材料性能的限制，氮化鎵器件主要受相對(duì)較高的接觸電阻和襯底電阻影響。唯一證明SIC變?nèi)荻O管優(yōu)越性的實(shí)驗(yàn)由Vassilevski和Zorenko報(bào)道。p+n結(jié)構(gòu)變?nèi)荻O管通過在n型6H-SIC Lely晶體的Si表面液相外延生長而成。二極管通過適當(dāng)摻雜(N_D-N_A)約為4×10¹⁷cm^-3,p+層厚度約為1.0µm和0.5µm,未補(bǔ)償施主濃度為(N_A-N_D)約為2×10¹⁹cm^-3。生長100µm的外延層，干法刻蝕出高2µm和直徑60µm的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，并在p層上蒸鍍1.5µm厚的A1形成接觸，晶片兩面的n層形成鉻接觸，保持銅與Au-Ge合金焊接間的紅寶石環(huán)隔離，金的交叉連接通過A1接觸熱壓焊形成。
   
  已經(jīng)成功制造了雪崩擊穿電壓為140V、零偏電容C(0)為2.5～3.0pF、γ(8)的二極管。用于調(diào)整壓控Si IMPATT振蕩器的振蕩頻率，使其工作在頻率為140GHz的連續(xù)波模式。如圖1所示，二極管可以得到約100MHz的頻率調(diào)整，但相對(duì)高的電阻會(huì)引起很大的功率損耗。隨著SIC材料生長和器件工藝的進(jìn)步，4H-SIC外延結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，并且在n型和p型已經(jīng)開發(fā)出了R_C約為10^-5?cm²的低阻歐姆接觸工藝，但盡管如此，微波應(yīng)用的高功率氮化鎵變?nèi)萜鞑]有得到進(jìn)一步的發(fā)展。



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