ВАРАКТОР Российский патент 1998 года по МПК H01L29/93 

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

Как известно [1] во всех трех базовых элементах полупроводниковой электроники (р-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 величины приложенного напряжения, вследствие чего дифференциальная емкость С полупроводникового устройства может управляться электрическим напряжением U. Наиболее важными характеристиками варактора являются коэффициент перекрытия по емкости K=C_max/C_min и вид зависимости C= f(U).

Типичная конструкция варактора представляет собой плоскопараллельный сильнолегированный слой полупроводника с одним типом проводимости или металла), 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 С=f(U). Так, если концентрация примеси в рабочей области меняется по закону N_i(x)=B x^m, то (см. Зи С."Физика полупроводниковых приборов", т.1. М. Мир, 1984, с. 123-124) C≈(U+U_к)^-s, где s=1/(m+2), а U_к контактный потенциал. P-n переходы, у которых m<0, называются сверхрезкими и характеризуются максимальным коэффициентом перекрытия, а также максимальной величиной чувствительности:

Известно решение [2] по которому в пластине кремния за счет процессов сплавления и диффузии формируется р-n переход с концентрацией примеси, экспоненциально спадающей вглубь слаболегированной рабочей области. При этом получаются варакторы с рекордными значениями К и S (величина К составляет 100 при изменении U от 0 до 20 В, а S ≈ 7).

Известно также решение [3] по которому варактор, имеющий сверхрезкий р-n переход, создается в планарном исполнении с использованием имплантации ионов сфокусированным ионным пучком постоянной энергии. Предварительно в эпитаксиальном слое формируют сильно легированные участки n⁺ и p⁺ с контактной металлизацией. В промежуток между n⁺ и p⁺ областями имплантируют ионы донорной примеси, причем пучок ионов развертывают таким образом, чтобы получить нарастающую дозу в направлении от n⁺ к p⁺.

Общим недостатком всех традиционных конструкций варакторов, включая и только что упомянутые, является то, что значение С_min (а тем самым и максимальное значение К) ограничивается напряжением пробоя. Вторым существенным недостатком описанных варакторов является то, что никаким законом распределения примеси невозможно реализовать линейную зависимость С= f(U).

Целью изобретения является создание планарного варактора, у которого коэффициент перекрытия по емкости не лимитируется напряжением пробоя, а зависимость С=f(U) является наперед заданной убывающей функцией напряжения, в том числе и линейной. Поставленная цель достигается тем, что в варакторе, состоящем из рабочей области в виде плоскопараллельной пластины из полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован р-n переход и/или барьер Шоттки с другим контактом, в рабочей области вдоль поверхности в направлении x создан неоднородный профиль распределения примеси N_i(х) (N_max<N_i(x)<N_min), а p-n переход и/или барьер Шоттки сформирован с одной или двух сторон пластины на участке, содержащем этот профиль, и толщина пластины t удовлетворяет условию:
R(0, N_min) < t ≤ R(Uminпр

)
при одностороннем расположении p-n перехода и/или барьера Шоттки, причем на другой стороне пластины сформирован диэлектрический или полуизолирующий полупроводниковый слой, и условию
2R(0, N_min) < t ≤ 2R(Uminпр)
при двустороннем расположении p-n перехода и/или барьера Шоттки, где R(Uminпр) толщина пространственного заряда при минимальном напряжении пробоя Uminпр соответствующем максимальной концентрации примеси N_max, R(O,N_min) толщина ОПЗ при нулевом смещении (U=0) в сечении рабочей области с минимальной концентрацией примеси, при этом заданный закон изменения емкости варактора от напряжения С(U), обеспечивают выбором функциональной зависимости у(х) размера р-n перехода и/или барьера Шоттки в направлении у, перпендикулярном x. Линейный закон C(U) обеспечивают выбором функциональной зависимости у(х) размера p-n перехода и/или барьера Шоттки в направлении у, перпендикулярном х.

На фиг. 1 изображена конструкция варактора; на фиг.2 приведены в нормированном виде зависимости у(х) для линейного (кривая а ) и экспоненциального (кривая б) профилей распределения примеси N_i(х); на фиг.3,4 вольт-фарадные характеристики.

Варактор, изображенный на фиг.1, представляет собой плоскопараллельную пластину 1 из полупроводника определенного типа проводимости, в которой создана сильно легированная область 2 того же типа проводимости с омическим контактом 3, а вдоль пластины сформирован спадающий примесный профиль N_i(х). На поверхностях пластины в области неоднородного легирования изготовлены р-n переходы (барьеры Шоттки) 4 и 5 с общим электрическим контактом 6.

При подаче обратного смещения между контактами 3 и 6 под электродами формируются области обеднения 7, толщины которых зависят от локальной концентрации примеси N_i(x)

Здесь ε относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;
U_к контактный потенциал;
U напряжение обратного смещения;
e_o8,85•10^-12 Ф/м; q=1,6•10^-19 Кл.

Напряжение пробоя в полупроводнике зависит от концентрации примеси, причем минимальной концентрации примеси N_min. соответствует максимальное напряжение пробоя Umaxпр

и наоборот (при N=N_max, U_пр = Uminпр Если толщина пластины удовлетворяет условию
2R(0, N_min) < t ≤ 2R(Uminпр), (2)
где R(O, N_min)-толщина ОПЗ при нулевом смещении (U=0) в сечении рабочей области с минимальной концентрацией примеси, то по мере возрастания обратного смещения сначала произойдет полное обеднение пластины основными носителями заряда в области N_m.

Ограничение на толщину пластины сверху обусловлено тем, что при t > 2R(Uminпр

) электрический пробой в приборе произойдет раньше, чем будет достигнуто полное обеднение в области N_min и варактор не будет работоспособен. Ограничение на толщину пластины снизу обусловлено тем, что при t<2R(О,N_min) часть рабочей области будет полностью обеднена еще до подачи обратного смещения и тем самым неоправдано уменьшается рабочий диапазон обратных смещений.

При выполнении условия (2), с увеличением обратного смещения область полного обеднения распространится на все межэлектродное пространство и дифференциальная емкость варактора станет минимальной. Необходимый закон изменения емкости С(U) достигается выбором формы электродов (функции у(х)).

Обозначим через L максимальную длину электрода вдоль оси x (L= x_min-x_max), у(х) размер электрода вдоль оси у при данном значении x. Пусть один из электродов имеет контактный потенциал U_к1 и соответствующую ширину области обеднения R₁(U,х), а другой U_к2 и R₂(U,х).

Пренебрегая краевыми эффектами, можно записать уравнение для вольт-фарадной характеристики варактора:

Условие R₁(U, х)+R₂(U, х)<t, (R₁(U,х)+R₂(U,х)>t) выполняется для всех x<х₀(х>х₀) на фиг.1, где х₀ координата точки смыкания областей пространственного заряда от противолежащих электродов.

Уравнение (3) с учетом (1) позволяет найти зависимость С(U) при любых заданных N_i(х) и у(х). И наоборот, с помощью этого уравнения, задавшись С(U) и N_i(х), найдем у(х).

Для линейного варактора с С_min=0 мы должны иметь в некотором диапазоне напряжений обратного смещения 0<U<U_max, где U_max< Uminпр

Таким образом, создав в полупроводниковой пластине определенное распределение примесных атомов N_i(х), с использованием соотношений (1)-(4) найдем форму электродов у(х), обеспечивающих вольт-фарадную характеристику вида (4).

Если в качестве рабочей области используется полупроводниковый слой толщиной t на изолирующей (полуизолирующей) подложке, то все вышеизложенное остается в силе. Так как нижний электрод при этом отсутствует, то соотношение (2) примет вид:
R(0, N_min) < t ≤ R(Uminпр

) (5)
а функция F(x) в уравнении (3) перепишется в виде:

Пример 1. На пластине кремния КДБ-0,03 выращен эпитаксиальный слой толщиной 0,8 мкм с концентрацией электронов 5•10¹⁵ см^-3, в котором методом ионной имплантации фосфора был сформирован неоднородный профиль распределения примеси вдоль пластины: концентрация примеси линейно спадала от 3•10¹⁶ до 1•10¹⁶ см^-3 на длине L=5 мм. Затем на имплантированном участке проводилась диффузия бора через маску, в результате чего создавался p-n переход определенной формы. Геометрия окна в диффузионной маске приведена на фиг.2 (кривая а, x_min-x_max=5 мм; у_max=0,88 мм). Вольт-фарадная характеристика варактора приведена на фиг.3. Как видно из этого рисунка, зависимость С(U) является линейной в диапазоне смещений 3<U<10 В. Минимальная емкость варактора составляла 4 пФ при U=10 В и определялась емкостью контактной площадки к n-слою. Коэффициент перекрытия по емкости у данного прибора составил К=95.

Пример 2. На подложке из сапфира осаждался слой кремния, легированного галлием, толщиной 1,5 мкм. При перекристаллизации узкой расплавленной зоной в слое был сформирован неоднородный профиль распределения акцепторной примеси вдоль пластины. Концентрация примеси спадала примерно по экспоненциальному закону от 1,5•10¹⁶ см^-3 до 5•10¹⁵см^-3 на длине L=5 мм. На этом участке изготавливался барьер Шоттки, форма электрода которого показана на фиг.2 (кривая б). Вольт-фарадная характеристика варактора представлена на фиг.4. Как видно из рисунка, зависимость С(U) является линейной в диапазоне смещений 1<U<4,5 В, а коэффициент перекрытия по емкости К= 200.

Преимущества изобретения заключаются в том, что оно:
позволяет средствами обычной планарной технологии создавать варакторы с большими коэффициентами перекрытия по емкости, которые не лимитируются напряжением пробоя;
позволяет создавать функциональные варакторы, т.е. варакторы с наперед заданной убывающей зависимостью С(U), в том числе и линейной;
достаточно сложную проблему формирования заданного примесного профиля заменяет гораздо более простой задачей формирования электрода заданной формы, что существенно упрощает технологию изготовления приборов.

Использование: изобретение относится к области полупроводниковых приборов, реактивностью которых управляют, с помощью напряжения, а именно к варакторам. Сущность: в варакторе, состоящем из рабочей области с омическим контактом, на которой сформирован р-n переход или барьер Шоттки с другим контактом, рабочая область выполнена в виде плоскопараллельной пластины из полупроводника, в котором вдоль поверхности, в направлении x, создан неоднородный профиль распределения примеси N_i(x) (N_max<N_i(x)<N_min). P-n переход сформирован с двух сторон пластины на участке, содержащем этот профиль, а толщина пластины t удовлетворяет условию: 2R(0,N_min)<t≤2R(Uminпр

), где R( Uminпр ) - толщина области пространственного заряда при минимальном напряжении пробоя U_пр, R(0,N_min) - толщина области пространственного заряда при нулевом смещении. Заданный закон изменения емкости варактора от напряжения обеспечивают выбором функциональной зависимости y(x), размера p-n перехода в направлении y. Рабочая область варактора также может быть полупроводниковой пленкой толщиной d на подложке, p-n переход сформирован на одной стороне, а толщина пленки удовлетворяет условию: R(0, N_min)<d≤R( Uminпр ). Получены варакторы с наперед заданной убывающей зависимостью C(U), в том числе и линейной, с большими коэффициентами перекрытия по емкости, которые не лимитируются напряжением пробоя. Существенно упрощена технология изготовления приборов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Варактор, состоящий из рабочей области в виде плоскопараллельной пластины из полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован p-n-переход и/или барьер Шоттки, с другим контактом, отличающийся тем, что в рабочей области вдоль поверхности в направлении Х создан неоднородный профиль распределения примеси N_i(X)(N_m a x < N_i(X) < N_m i n), p-n-переход и/или барьер Шоттки сформирован с одной или двух сторон пластины на участке, содержащем этот профиль, и толщина пластины t удовлетворяет условию
R(0, N_min) < t ≤ R(Uminпр

),
при одностороннем расположении p-n-перехода и/или барьер Шоттки, причем на другой стороне пластины сформирован диэлектрический или полуизолирующий полупроводниковый слой, и условию
2R(0, N_min) < t ≤ 2R(Uminпр),
при двустороннем расположении этих элементов,
где R(Uminпр) - толщина области пространственного заряда при минимальном напряжении пробоя U_п р, соответствующем максимальной концентрации примеси N_m a x, R(0,N_m i n) толщина области пространственного заряда при нулевом смещении (U 0) в сечении рабочей области с минимальной концентрацией примеси, при этом заданный закон изменения емкости варактора от напряжения C(U) обеспечивают выбором функциональной зависимости Y(X) размера p-n-перехода и/или барьера Шоттки в направлении Y, перпендикулярном X. 2. Варактор по п.1, отличающийся тем, что линейный закон изменения емкости варактора от напряжения C(U) обеспечивают выбором функциональной зависимости Y(X) размер p-n-перехода и/или барьера Шоттки в направлении Y, перпендикулярном X.