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 (Зи С. Физика полупроводниковых приборов, т.1, М. "Мир", 1984, с. 80-91, 260-262, 381, 384), 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, вследствии чего дифференциальная емкость C полупроводникового прибора может управляться напряжением U. Основными характеристиками варактора являются коэффициент перекрытия по емкости K=C_max/C_min, вид зависимости C(U) и добротность Q.

Типичная конструкция варактора представляет собой плоскопараллельный сильнолегированный слой полупроводника с одним типом проводимости, сформированный на слаболегированной рабочей области с другим типом проводимости. Обе обкладки снабжены омическими контактами для подачи управляющего напряжения. Задавая соответствующий закон распределения примеси в рабочей области варактора, можно реализовать различные зависимости C(U).

Известно техническое решение [1] состоящее в том, что поверхность полупроводниковой пластины выполнена в виде регулярной последовательности гребней прямоугольного сечения, на поверхности сформирован p-n переход. Таким образом удается на участке поверхности заданной площади сформировать p-n переход гораздо большей площади. Недостатком данного решения является то, что при определенном соотношении параметров запатентованного конденсатора большой емкости (ширина, высота гребня, степень легирования полупроводника) при некотором значении обратного смещения при полном обеднении гребня основными носителями заряда он скачком превращается в обычный варикап. Заметим также, что существенное превышение рабочей площади такой структуры возможно, если высота гребня много больше ширины. Однако в этом случае возрастают омические потери, связанные с увеличением сопротивления той части объемного сопротивления полупроводника, которая находится внутри гребня. Добротность такого прибора существенно ниже добротности обычных варакторов.

Известно решение, выбранное в качестве прототипа, по которому в пластине кремния за счет процессов сплавления и диффузии формируется p-n переход с концентрацией примеси, экспоненциально спадающей вглубь слаболегированной области. При этом получаются варакторы с коэффициентом покрытия по емкости до сотни.

Минимальное значение емкости традиционных конструкций варикапов, включая вышеупомянутые, определяется напряжением пробоя. Общим недостатком всех традиционных конструкций варакторов является также то, что никаким законом распределения примесей невозможно реализовать линейную зависимость C=C(U). Этот недостаток является наиболее существенным при использовании варакторов в качестве параметрических диодов. По той причине, что среднее значение емкости линейного варактора не меняется в зависимости от уровня гармонических сигналов на нем, не происходит расстройки избирательных контуров, в которые включены такие варакторы.

Задачей изобретения является создание варакторов, у которых коэффициент перекрытия по емкости не лимитируется напряжением пробоя, а зависимость C= f(U) является наперед заданной функцией напряжения, а также создание конструкций, обеспечивающих максимальную добротность варикапов.

Это достигается тем, что рабочая область варактора выполнена в виде полупроводниковой пленки электронного либо дырочного типа проводимости на изолирующей (полуизолирующей) подложке, вдоль рабочей области (в направлении x) создан либо неоднородный профиль распределения примеси N_i(x, y), либо неоднородный профиль толщины пленки D(x), либо неоднородный профиль распределения примеси и толщины пленки, барьер (p-n переход или барьер Шоттки) сформирован на участке, содержащем этот профиль, выбор толщины пленки и профиля легирования ограничены условием полного обеднения рабочей области пленки (участка пленки, на котором сформирован барьер) основными носителями заряда до пробоя барьера при подаче на него внешнего смещения:
,
где U_i(x) напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении xy; y координата, отсчитываемая от поверхности пленки вдоль ее толщины; q - элементарный заряд; ε_s диэлектрическая проницаемость полупроводниковой пленки. Омический контакт к пленке выполнен по периметру рабочей области пленки с зазором относительно последней, причем величина зазора больше расстояния, при котором происходит пробой p-n перехода при максимальном запирающем напряжении на переходе, которое равно минимальному запирающему напряжению, при котором рабочая область пленки полностью обеднена основными носителями заряда, при этом заданная зависимость емкости от напряжения C(U) в диапазоне внешних запирающих напряжений U_min≅U≅U_max обеспечивается либо выбором функциональной зависимости размера p-n перехода (барьера Шоттки) F(x) в направлении z, либо выбором D(x), либо N_i(x,y), где x, z криволинейные ортогональные координаты в плоскости поверхности пленки, в том числе и прямоугольные, где F(x) непрерывная или кусочно-непрерывная функция.

Контактная площадка к p-n переходу или к барьеру Шоттки может быть вынесена в ту часть пленки, где область пространственного заряда (ОПЗ) распространяется на всю толщину пленки при минимальном внешнем смещении (U=U_min) на переходе или на подложку. Кроме того, варактор может отличаться от описанного тем, что на поверхности пленки, противоположной той, на которой сформирован p-n переход (барьер Шоттки), вдоль направления z сформировано большое число высокопроводящих полосок длиной F(x) (проводимость полосок в направлении z много больше проводимости пленки в том же направлении), полоски расположены под (над) p-n переходом по всей его площади за исключением той части, в которой ОПЗ распространяется на всю толщину пленки при минимальном внешнем смещении на переходе. Кроме того, варикап может иметь рабочую область в виде полупроводниковой пленки, на которой с двух сторон сформирован p-n переход (барьер Шоттки).

Изобретение заключается в таком подборе подходящей геометрии пленки либо профиля легирования в рабочей области, либо того и другого, чтобы при подаче обратного смещения на переход размер области нейтральности в полупроводниковой пленке уменьшался как в направлении y, что имеет место у обычных варикапов, так и в направлении x (что эквивалентно уменьшению площади обкладок в конденсаторе переменной емкости), и выборе конструкций с как можно меньшими омическими потерями.

На фиг. 1 изображен варактор, в котором зависимость размера ОПЗ вдоль х от величины обратного смещения используется для получения заданной вольт-фарадной характеристики; на фиг. 2 приведено схематичное изображение высокодобротного варактора на основе кремния с рабочей областью n-типа и высокопроводящими полосками n+типа; на фиг. 3 приведено схематичное изображение высокодобротного варикапа на основе арсенида галлия; на фиг. 4 приведены две формы профилей электродов (формы p-n переходов в плоскости поверхности пленки zx), обеспечивающие идентичную зависимость емкости от напряжения, если z, x прямоугольные координаты; на фиг. 5 приведены две формы профилей электродов (формы p-n переходов в плоскости поверхности пленки zx), обеспечивающие идентичную зависимость емкости от напряжения, если z, x - полярные координаты; на фиг. 6 приведены размеры электродов в направлении z для степенной зависимости емкости от напряжения C(U, U_max)-(U_max-U)ⁿ для однородно легированных пленок, толщина которых линейная функция координаты x; на фиг. 7 представлены вольт-фарадные характеристики (ВФХ) варакторов, изображенных на фиг. 6; на фиг. 8 приведена конкретная конструкция GaAs варикапа; на фиг. 9 приведены ВФХ, форма электрода и зависимость толщины пленки от координаты x варикапа, который изображен на фиг.8.

Рассмотрим фиг. 1, на которой изображен варактор, содержащий n+ область с омическим контактом к ней 1, пленку p+типа с омическим контактом на ней (электрод 2) 2, изолирующую подложку 3, пленку n-типа 4. В общем случае задача моделирования емкости с заданными параметрами с математической точки зрения весьма сложна. Однако, если D(x)<<F(x), то можно пренебречь краевыми эффектами и задача существенно упрощается

H(U) определяется из условия: D(H)=R(x,U). В свою очередь R(x,U) определяется из уравнения:
,
где C(U,U_max заданная зависимость емкости от напряжения; R(x,U) толщина ОПЗ, H(U) размер той части электрода 2 в направлении x, под которой ОПЗ не распространяется на всю толщину пленки; ε_s -диэлектрическая проницаемость полупроводника; q элементарный заряд; U_k контактный потенциал барьера. Т.е. емкость рассматриваемого прибора складывается из большого числа емкостей плоских конденсаторов, расстояние между обкладками каждого из которых зависит от локального легирования и внешнего напряжения. Число суммируемых конденсаторов определяется напряжением U, видом функциональной зависимости толщины пленки D(x) и законом, по которому пленка легируется N_i(x,y). Для того, чтобы выполнялось (1), можно варьировать 3 параметра: F(x), D(x), N_i(x,y), как каждый по отдельности, так и все вместе, в отличии от обычного варактора, у которого вид C(U) определяется только профилем легирования N_i(x,y). Это обстоятельство позволяет реализовывать самые различные зависимости емкости от напряжения. Рассмотрим наиболее простой для анализа случай, когда напряжение перекрытия U_p(x), даваемое соотношением:
,
монотонная функция координаты. По мере увеличения запирающего напряжения на переходе ОПЗ постепенно заполняет всю рабочую область, при этом H(U) и эффективная площадь пластин конденсатора S непрерывно уменьшаются
.

Просматривается аналогия между предложенным варикапом и конденсатором переменной емкости, у которого может изменяться как площадь пластин, образующих конденсатор, так и расстояние между ними.

Диапазон рабочих смещений U (U_max≥U≥U_min) определяется из условия:
,
где H_max размер той части электрода 2 в направлении x, под которой пленка неполностью обеднена основными носителями заряда при U=U_min.

Для существенного повышения добротности варикапа на изолирующей подложке перед нанесением пленки вдоль направления z формируется большое число высокопроводящих полосок длиной F(x). Полоски должны быть расположены под p-n переходом по всей его площади, за исключением той части, в которой ОПЗ распространяется на всю толщину пленки при минимальном внешнем смещении на переходе (U=U_min). Электрическая связь между полосками может осуществляться только через пленку. Полоски могут быть выполнены из металла, образующего с пленкой омический контакт, или из сильнолегированного полупроводникового материала того же типа проводимости, что и пленка. Проводимость полосок в направлении z много больше проводимости пленки под p-n переходом в том же направлении. Схематичное изображение такого варикапа на основе кремния, состоящего из пленки с p-n переходом, изолирующей подложки и высокопроводящих полосок, приведено на фиг. 2, на которой 1 n+область с омическим контактом к ней, 2 p+область с омическим контактом к ней, 3 - подложка из сапфира или SiO₂, 4 пленка n-типа. Полоски выполнены из кремния n+ типа и отделены друг от друга слоем SiO₂. Барьер может быть сформирован и на другой стороне пленки. На фиг. 3 приведено схематичное изображение такого варактора на основе GaAs, содержащего n+область с омическим контактом к ней 1, омический контакт к p+области 2, полуизолирующую подложку 3, пленку n-типа 4. Полоски выполнены из сильнолегированного арсенида галлия с поверхностной металлизацией. Простое изменение формы p-n перехода (барьера Шоттки) путем увеличения длины его геометрической границы в плоскости zx также приводит к значительному повышению добротности.

Произведем оценку добротности прибора при отсутствии высокопроводящих полосок, пренебрегая постоянной составляющей тока, который течет через запертый p-n переход. В этом случае добротность Q -есть отношение емкостного сопротивления варактора к сопротивлению растекания R, которое складывается из сопротивления той части пленки, которая находится между омическим контактом и геометрической границей p-n перехода (барьера Шоттки), обозначим его R₁, и сопротивления R₂ той части пленки, которая находится под p-n переходом.

где D1 расстояние от омического контакта до геометрической границы p-n перехода, D средняя толщина пленки, H_max размер в направлении x необедненной основными носителями части p-n перехода, F среднее значение F(x) на промежутке H_max, ρ среднее удельное сопротивление пленки в необедненной ее части, P геометрическая длина границы p-n перехода в плоскости zx в необедненной его части, w угловая частота, K постоянная величина, зависящая от геометрической формы p-n перехода. Для любых простых форм K приблизительно 10 (Бардин и др. Влияние сопротивления растекания на нагрузочную характеристику фотоэлементов с различными вариантами токоотводов, Радиотехника и электроника. т.10, N 4, 1965, с. 726-735). Рассмотрим случай, когда H_max>>F:
C ≈ ε_sFH_max/D
Поскольку F>>D, а D1≈D, то R₁<<R₂;

Аналогично, если F>>H_max Q ≈ K(D/H_max)²/(ε_sρω).
Добротность лимитируется размером p-n перехода. Поэтому, с точки зрения повышения добротности, необходимо выносить контактную площадку, имеющую относительно D очень большие размеры, в ту часть пленки, которая полностью обеднена основными носителями заряда, или на подложку (фиг.1, 2 и 3). В этом случае можно использовать контактные площадки большой площади, что облегчает технологию изготовления прибора. Поскольку F/D>>1, то добротность, даваемую (4), нельзя признать высокой. Способ резкого уменьшения R₂ и, следовательно, многократного повышения добротности, заключается в том, чтобы под p-n переходом подложка обладала очень большой проводимостью в направлении z и отсутствием проводимости в направлении x, что практически реализуется формированием на поверхности пленки вдоль направления z на стороне, противоположной той, на которой выполнен p-n переход или барьер Шоттки, большого числа высокопроводящих полосок длиной F(x). Полоски должны быть расположены под p-n переходом по всей его площади, за исключением той части, в которой ОПЗ распространяется на всю толщину пленки при минимальном внешнем смещении на переходе (U=U_min). Электрическая связь между полосками может осуществляться только через пленку. Полоски могут быть выполнены из металла, образующего с пленкой омический контакт, или из сильнолегированного полупроводникового материала того же типа проводимости, что и пленка. Проводимость полосок в направлении z много больше проводимости пленки под p-n переходом в том же направлении.

Рассмотрим случай, когда H_max>>F:
D1≈2D, P≈2H_max,

аналогично:
Q ≈ (D/H_max)/(ρωε_s) если H_max≪ F
Дальнейшее увеличение добротности связано с уменьшением R₁. Способ резкого уменьшения R₁ заключается в увеличении размера границы p-n перехода в плоскости zx. Что реализуется, если размер p-n перехода (барьера Шоттки) в направлении z кусочно-непрерывная функция. Для того, чтобы можно было пренебречь краевыми эффектами, необходимо значительное превышение интервалов непрерывности над толщиной пленки. Заметим, что такое изменение формы приводит и к уменьшению R₂, если оно предварительно не было уменьшено.

На фиг. 4, на которой представлены два профиля электродов (две формы p-n переходов или барьеров Шоттки в плоскости поверхности пленки zx) одинаковой длины в направлении x, обеспечивающие идентичную зависимость емкости от напряжения, (D(x), N₁(x, y) в обоих случаях одинаковы: а) размер p-n перехода (барьера Шоттки) в направлении z кусочно-непрерывная функция от x; б) размер p-n перехода (барьера Шоттки) в направлении z непрерывная функция от x. На фиг. 5 представлены аналогичные две формы электродов в случае, если x и z координаты в полярной системе координат, в которой x расстояние от начала координат до рассматриваемой точки, z угол.

Таким образом:

Заметим, однако, что при полном обеднении пленки неучтенное (паразитное) значение емкости пропорционально периметру (C_minприблизительно ε_sP). Поэтому при конструировании варакторов большой добротности со сверхбольшим коэффициентом перекрытия по емкости не следует увлекаться созданием структур с большим периметром, а следует стремиться максимально уменьшать расстояние между омическим контактом к пленке и высокопроводящими полосками, тем самым уменьшая R₁, но так, чтобы при полном обеднении пленки основными носителями заряда не было закоротки между полосками. Это расстояние определяется разрешающей способностью и точностью совмещения реперных знаков, достижимых в процессе литографии, и составляет величину порядка одного мкм при фотолитографии и величину порядка 0,1 мкм при электронолитографии. В этом случае омический контакт к пленке формируется на одной стороне пленки с высокопроводящими полосками (во избежании электрического пробоя пленки между омическим контактом и p-n переходом). Представленные функциональные варакторы можно изготовить таким образом, что они по добротности не будут уступать обычным.

В качестве иллюстрации изобретения на фиг. 6 приведены формы электродов, полученные при решении системы (1), (2), (3), для степенной зависимости емкости от напряжения C(U,U_max)-(U_max-U)ⁿ в случае однородно легированной пленки с линейной зависимостью толщины D(x) для n=1, 2, 3, 4, 5, при D(0)=0,8 мкм, D(X_max)= 0,24 мкм, N_i= 2,1•10¹⁶/см³ для GaAS варакторов. На фиг.7 представлены вольт-фарадные характеристики приборов. Кривые представлены в нормированном виде.

На подложке из полуизолирующего GaAs была выращена структура, состоящая из буферного полуизолирующего слоя толщиной 0,8 мкм и активного слоя n-GaAs с концентрацией 2,1•10¹⁶/см³ толщиной 1 мкм. Химическим травлением на структуре был изготовлен клин. Вид прибора показан на фиг.8, на которой 1 омический контакт к пленке, 2 барьер Шоттки, 3 подложка из полуизолирующего GaAs, 4 активный слой n-типа, 5 буферный полуизолирующий слой. Вольт-фарадная характеристика прибора практически совпала с расчетной. Форма барьера Шоттки и вид расчитанной ВФХ приведены на фиг. 9, где X_max=1000 мкм, F_max= 1000 мкм, D(0)=0,8 мкм, D(X_max)=0,46 мкм. Коэффициент перекрытия по емкости у отдельных образцов достигал значений 800. Добротность прибора, как и следовало ожидать, оказалась низкой, на частоте 40 МГц Q приблизительно 0,1. Был изготовлен на этой структуре прибор с формой барьера Шоттки, образованной двумя кусочно-непрерывными кривыми Y₁(x), Y₂(x) на промежутке 0<x<X_max:

L= 40 мкм, F(x) приведена на фиг.9. Размер барьера Шоттки вдоль z равен и является кусочно-непрерывной функцией координаты x, контакт наносился по периметру барьера Шоттки на расстоянии 2,5 мкм от последнего, контактная площадка выносилась в область, где пленка полностью обеднена основными носителями заряда. Добротность этого прибора на частоте 40 МГц превышала сотню. Вольт-фарадная характеристика с точностью приблизительно 2,5% повторяла ВФХ фиг. 9, но коэффициент перекрытия по емкости равнялся 78 при C_max=225 пФ, U_max=8,4 В.

Изобретение позволяет обычными технологическими средствами создавать варакторы со сверхбольшими коэффициентами перекрытия с любой наперед заданной зависимостью C(U), заменяет достаточно сложную проблему формирования заданного примесного профиля простой задачей формирования электрода заданной формы, либо пленки заданной толщины, что существенно упрощает технологию изготовления прибора.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к варакторам, полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения. Сущность изобретения: варактор, состоит из рабочей области, выполненной в виде полупроводника электронного либо дырочного типа проводимости, с омическим контактом, на поверхности которого сформирован p-n переход или барьер Шоттки с другим контактом, причем рабочая область выполнена в виде полупроводниковой пленки, размещенной на изолирующей или полуизолирующей подложке. Вдоль рабочей области создан либо неоднородный профиль распределения примеси Ni(х, y), либо неоднородный профиль толщины пленки D(х), либо неоднородный профиль распределения примеси и толщины пленки, p-n переход или барьер Шоттки сформирован на участке, содержащем этот профиль, выбор толщины пленки и профиля легирования ограничены условием полного обеднения рабочей области пленки основными носителями заряда до пробоя барьера при подаче на него внешнего смещения:
,
где U_i(X) - напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении xy; y - координата, отсчитываемая от поверхности пленки вдоль ее толщины; q - элементарный заряд; ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводниковой пленки. Кроме того омический контакт к пленке выполнен по периметру ее рабочей области с зазором относительно последней, причем величина зазора больше расстояния, при котором происходит пробой p-n перехода при максимальном запирающем напряжении на переходе, которое равно минимальному запирающему напряжению, при котором рабочая область пленки полностью обеднена основными носителями заряда, при этом заданная зависимость емкости от напряжения C(U) в диапазоне внешних запирающих напряжений U_min≅U≅U_max обеспечивается либо выбором функциональной зависимости размера p-n перехода или барьера Шоттки F(x) в направлении Z, либо выбором D(x), либо Ni(x, y), где x, z - криволинейные ортогональные координаты в плоскости поверхности пленки в том числе и прямоугольные, причем F(x) непрерывная или кусочно-непрерывная функция координаты x. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Варактор, состоящий из рабочей области в виде полупроводника электронного либо дырочного типа проводимости, с омическим контактом, на поверхности которого сформирован p-n переход или барьер Шоттки с другим контактом, выбор функциональной зависимости емкости от напряжения которого определен только выбором примесного профиля, отличающийся тем, что рабочая область выполнена в виде полупроводниковой пленки электронного либо дырочного типа проводимости, размещенной на изолирующей или полуизолирующей подложке, вдоль рабочей области в направлении х создан либо неоднородный профиль распределения примеси Ni(x, y), либо неоднородный профиль толщины пленки D(x), либо неоднородный профиль распределения примеси и толщины пленки, p-n переход или барьер Шоттки сформирован на участке, содержащем этот профиль, путем формирования по крайней мере на одной из поверхностей пленки либо сильнолегированного полупроводникового слоя противоположного с пленкой типа проводимости, либо металлического слоя, который образует с пленкой барьер Шоттки, выбор толщины пленки и профиля легирования ограничены условием полного обеднения пленки основными носителями заряда до пробоя p-n перехода или барьера Шоттки при подаче внешнего смещения на p-n переход или барьер Шоттки

где U_i(x) напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении хy;
y координата, отсчитываемая от поверхности пленки в направлении вдоль толщины пленки;
q элементарный заряд;
ε_s- диэлектрическая проницаемость полупроводниковой пленки,
омический контакт к пленке выполнен по периметру сильнолегированного полупроводникового или металлического слоя с зазором относительно последнего, причем величина зазора больше расстояния, при котором происходит пробой p-n перехода при максимальном запирающем напряжении на переходе, которое равно минимальному запирающему напряжению, при котором пленка полностью обеднена основными носителями заряда, при этом выбор зависимости емкости от напряжения С(U) в диапазоне внешних запирающих напряжений U_m i n ≅ U ≅ U_m a x обеспечивается либо выбором функциональной зависимости размера p-n перехода или барьера Шоттки F(x) в направлении z, либо выбором D(x) функциональной зависимости толщины пленки от координаты x, где х, z криволинейные ортогональные координаты в плоскости поверхности пленки, в том числе и прямоугольные, причем F(x) непрерывная или кусочно-непрерывная функция координаты х. 2. Варактор по п.1, отличающийся тем, что на поверхности пленки противоположной той, на которой сформирован p-n переход или барьер Шоттки вдоль направления z сформированы высокопроводящие полоски длиной F(x), полоски расположены под или над p-n переходом по всей его площади за исключением той части, в которой область пространственного заряда распространяется на всю толщину пленки при минимальном внешнем смещении на переходе. 3. Варактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что контактная площадка для p-n перехода или барьера Шоттки сформирована либо в той части пленки, которая полностью обеднена основными носителями заряда при минимальном внешнем смещении на p-n переходе либо барьере Шоттки, либо на подложке.