ВАРАКТОР Российский патент 1997 года по МПК H01L29/93 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к варакторам (варикапам) полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения.

Как известно [1] во всех трех базовых элементах полупроводниковой электроники (p-n переходе, барьере Шоттки и структуре металл-диэлектрик-полупроводник) при определенной полярности приложенного напряжения формируется слой полупроводника, обедненный основными носителями заряда, являющийся аналогом диэлектрической прослойки в обычном конденсаторе. Толщина обедненного слоя зависит от напряжения смещения, вследствие чего дифференциальная емкость C полупроводникового прибора может управляться электрическим напряжением U. Основными характеристиками варактора являются коэффициент перекрытия по емкости K C_max/C_min и вид зависимости C C(U).

Типичная конструкция варактора представляет собой плоскопараллельный сильнолегированный слой полупроводника с одним типом проводимости, сформированный на слаболегированной рабочей области с другим типом проводимости. Обе области снабжены омическими контактами для подачи управляющего напряжения. Задавая соответствующий закон распределения примеси в рабочей области варактора, можно реализовать различные зависимости C C(U). Так, если концентрация примеси в рабочей области меняется по закону N_i(x) Bx^m, то [1] C≈(U + U_k)^-s, где s 1/(m + 2), а U_k контактный потенциал.

Общим недостатком всех традиционных конструкций варакторов является то, что никаким законом распределения примеси невозможно реализовать линейную зависимость C C(U). Этот недостаток является наиболее существенным при использовании варакторов в качестве параметрических диодов.

Известно техническое решение [2] состоящее в том, что поверхность полупроводниковой пластины, на которой изготавливается p-n переход, выполнена рельефной в виде регулярной последовательности гребней прямоугольного сечения. На всей этой рифленой поверхности методом диффузии формируется p-n переход, после чего вся эта поверхность металлизируется и к ней изготавливается контакт. Таким образом удается на участке пластины заданной площади сформировать p-n переход гораздо большей площади.

Недостатком данного решения, помимо вышеуказанного, является то, что при определенном соотношении между концентрацией примеси в подложке, геометрическими параметрами гребня (шириной и высотой) и напряжением смещения запатентованный конденсатор большой емкости скачком превращается в обычный конденсатор а именно, в тот момент, когда обратное смещение полностью обедняет основными носителями объем гребня.

Техническим результатом изобретения является создание линейных варакторов, т.е. варакторов, у которых в определенном интервале напряжений смещения U_min < U < U_max зависимость C C(U) имеет вид C(U) aU + b(a < 0,b > 0), причем C_min= C(U_max) → 0.
Поставленная цель достигается тем, что в варакторе, состоящем из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован p-n переход и/или барьер Шоттки с другим контактом, эта рабочая область выполнена в форме усеченной призмы с треугольником (в том числе и криволинейным) или трапецией в основании. Две стороны треугольника L₁ и L₂ больше третьей D (две боковых стороны трапеции L₁ и L₂ больше большего из оснований D) и на боковых гранях рабочей области с основаниями L₁ и L₂ сформированы p-n переходы и/или барьеры Шоттки, имеющие общий контакт, а на боковой грани с основанием D изготовлен омический контакт к рабочей области, причем для получения в диапазоне обратных смещений U_min≅U≅U_max любой наперед заданной и, в частности, линейной зависимости C(U) емкости варактора C от обратного смещения U, удовлетворяющей условию:

где S₁ и S₂ геометрические площади граней с основаниями L₁ и L₂ соответственно;
R(U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике при обратном смещении U;
ε_o= 8,85•10^-12 Ф/м;
где ε относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;
концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S₁(U) и S₂(U); при этом необходимый закон изменения S(U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f(H) от расстояния H, измеренного вдоль L₁ и L₂ от точки пересечения сторон L₁ и L₂ со стороной D, либо при заданной f(H) выбором зависимости расстояния d между L₁ и L₂ от H. Для обеспечения предельно высокого коэффициента перекрытия по емкости размер стороны D должен удовлетворять условию:
2R(U_пр≥D>2R(O),
где
U_пр напряжение пробоя в данном полупроводнике при данной концентрации примеси.

Кроме того, варактор может иметь неоднородно легированную рабочую область и она может быть выполнена в форме пирамиды или конуса. Кроме того, одна из граней рабочей области с основанием L₁ или L₂ может представлять собой границу раздела легированный полупроводник-изолирующая (полуизолирующая) подложка.

Изобретение заключается в выборе подходящей геометрии рабочей области, а именно такой, чтобы при изменении обратного смещения менялось не только расстояние между обкладками конденсатора, но и площадь обкладок.

На фиг.1 изображен варактор с рабочей областью в форме треугольной призмы ABCDEF для двух значений обратного смещения U₁ и U₂ > U₁. При этом действующая площадь обкладок уменьшается с увеличением обратного смещения; на фиг. 2 варактор с рабочей областью в форме усеченной треугольной призмы, в котором зависимость действующей площади обкладок от величины обратного смещения используется для получения заданной вольт-фарадной характеристики; на фиг. 3 представлена конкретная реализация линейного варактора с использованием p-n переходов на кремнии; на фиг.4 изображены зависимости f(H), описывающие геометрию рабочей области линейных варакторов, показанных на фиг.3,6 и 8;
на фиг.5 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.3; на фиг.6 конкретная реализация линейного варактора с использованием барьера Шоттки на арсениде галлия; на фиг.7 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.6; на фиг.8 линейный варактор, созданный на диффузионном слое в кремнии с использованием барьера Шоттки; на фиг.9 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.8.

Рассмотрим фиг. 1 на которой изображен варактор с рабочей областью 1 из однородно легированного полупроводника n- или p-типа в форме треугольной призмы ABCDEF с омическим контактом 2 на боковой грани ABFE. На двух других боковых гранях ABCD и EFCD сформирован p-n переход 3 с общим металлическим контактом 4. При использовании барьера Шоттки слой 3 отсутствует, и металл 4 наносится непосредственно на грани ABCD и EFCD рабочей области. На фиг.1 показаны также область пространственного заряда 5, нейтральная область 6 и клеммы 7 для подключения источника обратного смещения. При увеличении обратного смещения, приложенного одновременно к боковым граням ABCD и EFCD через общий для них контакт 4, области пространственного заряда 5 этих граней перекрываются, что и приводит к уменьшению действующей площади обкладок.

Действительно, емкость варактора при обратном смещении U (фиг.1а) равна сумме емкостей двух плоских конденсаторов с обкладками A'B'C'D' и E'F'C'D', площади которых зависят от величины обратного смещения (фиг.1б). Назовем площадь фигуры A'B'C'D' действующей площадью обкладки. Дополнительная степень свободы S(U) в формуле для плоского конденсатора:

где S(U) действующая площадь обкладок;
R(U) расстояние между ними;
ε относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;
ε_o= 8,85•10^-12 Ф/м;
и позволяет реализовать разнообразные функциональные зависимости C(U) и, в частности линейную.

Для вывода необходимых количественных соотношений, обратимся к фиг.2, на которой указаны все необходимые параметры.

На фиг. 2 изображен варактор с рабочей областью 1 в форме усеченной треугольной призмы A₁A₂A₃A₄A₅A₆, имеющей в основании равнобедренный треугольник A₁A₄A₅ с длиной основания A₁A₅, равной D, и длиной боковой стороны A₁A₄, равной L. На боковой грани A₁A₂A₆A₅ изготовлен омический контакт 2 к рабочей области, а на боковых гранях A₁A₂A₃A₄ и A₃A₄A₅A₆ сформирован барьер Шоттки с общим контактом 4. При подаче обратного смещения между контактами 2 и 4 под гранями A₁A₂A₃A₄ и A₃A₄A₅A₆ происходит обеднение рабочей области основными носителями заряда на глубину:

где R(U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в однородно легированном полупроводнике с концентрацией примеси N_i при обратном смещении U;
U_k контактный потенциал;
ε относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;
ε_o= 8,85•10^-12 Ф/м диэлектрическая проницаемость вакуума;
q 1,6•10^-19 Кл элементарный заряд.

В результате перекрытия ОПЗ от граней A₁A₂A₃A₄ и A₃A₄A₅A₆ нейтральная часть рабочей области представляет собой усеченную треугольную призму , имеющую в основании равнобедренный треугольник , длины всех сторон которого зависят от приложенного обратного смещения. На фиг.2 через H(U) обозначена длина боковой стороны этого треугольника; через f(H) обозначена высота грани A₁A₂A₃A₄ в точке О, отстоящей на величину H(U) от вершины A₁, а через d(U) обозначено расстояние между гранями A₁A₂A₃A₄ и A₃A₄A₅ A₆, измеренное вдоль прямой, проходящей через точку О параллельно основанию A₁A₅.

В общем случае величины H и d связаны однозначной функциональной зависимостью H F(d), которая задается геометрией рабочей области. Для случая, изображенного на фиг. 2, основание рабочей области представляет собой равнобедренный треугольник с основанием D и боковой стороной L. Здесь зависимость H F(d) имеет вид:

Если d(U)<H(U) и d(U)<f(H), то применимо приближение плоского конденсатора, и на основании (1) можно записать:

где R(U) дается соотношением (2), а величина H(U) верхнего предела в интеграле находится из условия:
d(U) 2R(U) (5)
при подстановке его в уравнение H F(d).

Подставляя (5) в (3), получим:

Для линейного варактора мы должны иметь в некотором диапазоне обратных смещений U_min≅U≅U_max:

Здесь принято, что C_min C(U_max)≈0.

Указанное соотношение может быть выполнено при произвольном законе H F(d) за счет соответствующего выбора функции f(H). И наоборот при заданной f(H) можно обеспечить выполнение соотношение (7) путем соответствующего выбора функции H F(d). Для выполнения условия C_min≈0 необходимо потребовать, чтобы
2R(U_пр)≥D, (8)
где R(U_пр) толщина ОПЗ при напряжении пробоя U_пр.

С другой стороны, размер стороны D должен быть больше, чем 2R(O), так как в противном случае вся рабочая область будет полностью обеднена основными носителями заряда уже при нулевом смещении и варактор будет неработоспособен. Для линейных варакторов имеет место совершенно общая связь между U_min и U_max:

Таким образом, если принять U_min 0, то U_max 2U_k, и минимальный диапазон смещений для линейного варактора составляет 0≅U≅2U_k.

Если же принять, что U_max U_пр, где U_пр - напряжение пробоя данного полупроводника при данной концентрации примеси N_i, то получим максимальный диапазон смещений для линейного варактора
0,33U_пр≅U≅U_пр
Из соотношения (4) видно, что выбирая функцию f(H) можно обеспечить любую, наперед заданную спадающую зависимость C=C(U), удовлетворяющую ограничению:

До сих пор мы считали, что рабочая область изготовлена из однородно легированного полупроводника. Однако, это требование не является обязательным. Пусть в каждом сечении H const концентрация примеси зависит от расстояния x, отсчитываемого от поверхности вглубь рабочей области N_i(x,H). Обозначим через R₁(H,U) и R₂(H,U) толщины областей обеднения, формирующихся у граней A₃A₄A₅A₆ и A₁A₂A₃A₄ соответственно (фиг.2). Уравнения, определяющие величины R₁(H,U) и R₂(H,U) имеют вид:


где d расстояние между гранями, измеренное вдоль прямой, параллельной A₁A₅ при данном значении H.

Уравнение (4) при этом перепишется в виде:

где R₁(H, U) и R₂(H, U) даются соотношениями (11) и (12), а величина верхнего предела в интеграле (13) находится из условия:
d(U) R₁₁(H,U) + R₂(H,U)
при подстановке его в уравнение H=F(d).

Для линейного варактора мы должны иметь в некотором диапазоне обратных смещений U_min≅U≅U_max:

Здесь, как и в (7), принято, что C_min C(U_max)≈0.

При заданных зависимостях N_i(x,H) и H F(d) из уравнения (15) может быть найдена функция f(H). Если же заданы N_i(x, H) и f(H), то из уравнения (14) можно определить функцию F(d).

Для выполнения условия C_min≈0 необходимо, чтобы в любом сечении рабочей области достигался режим полного обеднения основными носителями заряда.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. На подложке кремния КДБ-0,01 была выращена эпитаксиальная пленка n-типа с концентрацией электронов n 1•10¹⁵ см^-3. Стандартными методами фотолитографии, химического травления, диффузии и металлизацией была изготовлена структура, показанная на фиг.3, где 1 рабочая область из n-Si, 2 p⁺-Si с концентрацией дырок p≈10¹⁸ см^-3, 3 омический контакт к p⁺-Si, 4 омический контакт к рабочей области, d 4,4 мкм, D 7,6 мкм. Вид на рабочую область сверху (профиль шаблона f(H) в нормированном виде) приведен на фиг.4 (кривая 1, H_max 5 мм; f_max 1,4 мм). На фиг.5 представлена вольт-фарадная характеристика этого варактора. Как видно из графика, начиная с обратных смещений примерно 3 В емкость варактора изменяется линейно. Минимальная емкость прибора была примерно 1 пФ при U 10,5 В, так что коэффициент перекрытия по емкости составил K≈600.

Пример 2. На подложке из полуизолирующего арсенида галлия была выращена структура, состоящая из высокоомного буферного слоя толщиной 0,8 мкм и активного слоя n-GaAs с концентрацией n 2•10¹⁶ см^-3 толщиной 1 мкм. Методом фотохимического травления производилось неоднородное по площади утонение активного слоя, причем толщина спадала примерно по экспоненциальному закону. Вид прибора показан на фиг.6, где 1 подложка из полуизолирующего GaAs, 2 буферный высокоомный слой, 3 активный слой n-GaAs, 4 омический контакт к рабочей области, 5 барьер Шоттки, d 0,4 мкм, D 0,6 мкм. Форма барьера Шоттки приведена в нормированном виде на фиг.4 (кривая 2, H_max 1000 мкм, f_max 300 мкм). Вольт-Фарадная характеристика варактора представлена на фиг.7, из которой видно, что емкость уменьшается с ростом обратного смещения в диапазоне 0≅U≅1,4 В примерно по линейному закону.

Пример 3. Путем диффузии фосфора в подложку, из высокоомного кремния был сформирован профиль распределения примеси вида:

где N_O 1•10¹⁶ см^-3 поверхностная концентрация донорной примеси, а x_O 0,6 мкм. На диффузионном слое изготавливался косой шлиф, на поверхность которого наносился барьер Шоттки с конфигурацией, рассчитанной по уравнению (15) при R₂(H, U)→ ∞. Вид прибора показан на фиг.8, где 1 подложка с диффузионным слоем, 2 барьер Шоттки, 3 омический контакт к диффузионному слою, d 0,54 мкм. Форма барьера Шоттки приведена на фиг.4 (кривая 3, H_max 1 мм, f_max 58 мкм). Вольт-Фарадная характеристика варактора показана на фиг.9, из которой видно, что в диапазоне обратных смещений 0,4≅U≅2 В емкость линейно падает с напряжением.

При осуществлении изобретения получены варакторы, обладающие следующими преимуществами:
1. В определенном диапазоне обратных смещений U_min ≅U≅U_max, который может изменяться в широких пределах (от 2U_k до примерно 0,6 U_пр, где U_k контактный потенциал, U_пр напряжение пробоя), емкость варактора линейно уменьшается с приложенным напряжением, что резко упрощает построение схем параметрического усиления, умножения и смещения частот.

2. Коэффициент перекрытия по емкости K C_max/C_min достигает значений, превышающих 100.

3. Для создания таких варакторов не требуется каких-либо специальных материалов или сложных технологических приемов.

Приведенные примеры показывают, что практическая реализация линейных варакторов возможна с использованием различных полупроводников, как однородно, так и неоднородно легированных, с применением как p-n переходов, так и барьеров Шоттки. Все это открывает широкие возможности для применения указанных приборов.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, реактивностью которых управляют с помощью напряжения. Сущность изобретения: варактор состоит из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован p-n переход с другим контактом. Рабочая область выполнена в форме усеченной треугольной призмы: стороны основания L₁, L₂ и D. На боковых гранях рабочей области с основаниями L₁ и L₂ сформированы p-n переходы и/или барьеры Шоттки с общим контактом, а на грани с основанием D изготовлен омический контакт. Емкость варактора C от обратного смещения U в диапазоне обратных смещений U_min≅U≅U_max удовлетворяет условию:
,
где S₁ и S₂ - геометрические площади граней с основаниями L₁ и L₂ соответственно; R(U) - толщина области пространственного заряда в полупроводнике при обратном смещении U; ε_o = 8,85•10^-12 Ф/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника. Концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S₁(U) и S₂(U); при этом необходимый закон изменения S(U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f(H) от расстояния H, измеренного вдоль L₁ и L₂ от точки пересечения сторон L₁ и L₂ со стороной D, либо - при заданной f(H) - выбором зависимости расстояния между L₁ и L₂ от H, причем размер стороны D удовлетворяет условию: 2R(U_пр)≥_2R(O), где U_пр - напряжение пробоя. Рабочая область может быть легирована неоднородно. Одна из граней варактора с основанием L₁ и L₂ представляет собой границу раздела легированный полупроводник - изолирующая подложка. 2 з.п. ф-лы. 9 ил.

1. Варактор, состоящий из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован р n-переход и/или барьер Шоттки с другим контактом, отличающийся тем, что рабочая область выполнена в форме усеченной призмы, имеющей в основании треугольник, в том числе и криволинейный, две стороны которого L₁ и L₂ больше третьей D, или трапецию, две боковые стороны которой L₁ и L₂ больше большего из оснований D, на боковых гранях рабочей области с основаниями L₁ и L₂ сформированы р-n- переходы и/или барьеры Шоттки, имеющие общий контакт, а на боковой грани с основанием D изготовлен омический контакт к рабочей области, причем для получения любой наперед заданной и, в частности, линейной зависимости С (U) емкости варактора С от обратного смещения U в диапазоне обратных смещений U_m i n ≅ U ≅ U_m a x, удовлетворяющей условию

где S₁ и S₂ геометрические площади граней с основаниями L₁ и L₂ соответственно;
R (U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике при обратном смешении U;
ε_o= 8,85•10^-12 Ф/м;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника,
концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S₁ (U) и S₂ (U), при этом необходимый закон изменения S (U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f (H) от расстояния Н, измеренного вдоль L₁ и L₂ от точки пересечения сторон L₁ и L₂ со стороной D, либо, при заданной f (H) выбором зависимости расстояния d между L₁ и L₂ от Н, при этом для обеспечения предельно высокого коэффициента перекрытия по емкости размер стороны D удовлетворяет условию
2R (U_п р) ≥ D > 2R (О),
где U_п р напряжение пробоя в данном полупроводнике при данной концентрации примеси. 2. Варактор по п.1, отличающийся тем, что одна из граней с основанием L₁ или L₂ представляет собой границу раздела легированный полупроводник изолирующая (высокоомная) подложка. 3. Варактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочая область легирована неоднородно.