Design, fabrication and characterization of terahertz planar Schottky diode

• Main Author: Jenabi, Sarvenaz
• Other Authors: Boone, François
• Language: English
• Published: Université de Sherbrooke 2017
• Subjects: Schottky diode; Terahertz; Micro-fabrication; Cut-off frequency
• Online Access: http://hdl.handle.net/11143/11299

Dans cette thèse, les diodes Schottky pour des applications en ondes millimétriques et aux fréquences térahertz sont étudiées. Une méthodologie de conception et d'optimisation est proposée pour améliorer la performance de telles diodes. La conception et les simulations sont effectuées à l'aide d'un programme basé sur un modèle analytique. Les différentes méthodes de calcul de la fréquence de coupure de la diode sont définies, étudiées et classifiées selon les applications potentielles. En utilisant un modèle de diode générique et général, une nouvelle approche pour calculer la fréquence de coupure est suggérée pour les applications de mélangeur / multiplicateur. Cette approche permet d'évaluer la tension seuil avec une précision beaucoup plus grande et proche de la réalité. En outre, la conception d’une diode Schottky en tenant compte dès le départ l’application visée (détecteur direct, mélangeur ou multiplicateur) est étudiée. Cette thèse montre que l'ingénierie de la structure épitaxiale a un impact important lorsque l’on utilise une conception de diode basée sur l’application finale comme proposée. Un procédé de microfabrication a été entièrement développé et caractérisé. Une méthode de planarisation unique est introduite pour permettre de connecter la diode par des ponts à air en minimisant les effets parasites. Afin d'éviter une coûteuse lithographie par faisceau électronique, une anode en forme de T est produite en utilisant une technique de photolithographie. Ce procédé est fiable et répétitif, est de faible coût et offre une grande souplesse en matière de conception en plus de répondre au besoin d‘une production de masse, pour laquelle la lithographie par faisceau d’électrons n’est guère possible. Le procédé final nécessite simplement deux étapes de métallisation, nombre minimal possible que nous avons atteint. En raison des exigences de recuit du contact ohmique, il est impossible d’avoir moins de deux étapes de métallisation. Le processus de planarisation proposé repose sur l'utilisation de différents taux de gravure plasma de deux résines couramment utilisées. Pour les travaux réalisés dans cette thèse, une épitaxie GaAs HBT disponible au sein du laboratoire a été utilisée. Les résultats de caractérisation de diodes réalisés dérivés des mesures DC et RF sont rapportés et comparés avec les résultats de la simulation. Les résultats de mesure montrent une réduction significative de la capacité parasite de la diode à moins de 20% de sa capacité totale. Par conséquent, le procédé de conception et de fabrication de ce travail peut fournir des diodes qui peuvent fonctionner au-delà du térahertz avec des dimensions pour l’anode plus grandes que les diodes trouvées dans la littérature et qui peuvent donc être fabriquées uniquement par des techniques de photolithographie optique. === Abstract: In this thesis, Schottky diodes for millimeter waves and terahertz application are scrutinized. A design and optimization methodology is proposed to improve the diode performance. Design and simulations are performed by using an analytical model based code. Diode cut-off frequency calculation methods are studied and classified for different applications. Considering general diode equivalent circuit model, a new approach for calculating the cut-off frequency is suggested for mixer/multiplier applications. This approach provides cut-off much closer to its practical value. Also, the diode design based on its application, direct detector and mixer/multiplier, is studied. It is shown that the epitaxial structure engineering has impact on diode application based design. For diode realization a microfabrication process is developed. Unique planarization method is introduced which provides necessary substruction for the airbridges. In order to avoid expensive e-beam lithography, a T-shaped anode is produced by employing photolithography technique. This process is repeatable, reliable, low cost, gives high flexibility in design terms, and suitable for mass production. The final process merely requires two metallization steps which is minimum possible number due to annealing requirement of ohmic contact. The proposed planarization process is based on using different plasma etching rates of two common resists. In the diode fabrication an available GaAs HBT epitaxial wafer is used. The realized diode characterization results derived from DC and RF measurements are reported and compared with the simulation results. The measurement results showed significant reduction in parasitic capacitance of the diode to under twenty percent of its total capacitance. Therefore, the design and fabrication method of this work can provide diodes to operate over one terahertz with larger anode area (that can be produced by photolithography techniques).