ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 1998 года по МПК H01L29/93 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов и может быть использовано при создании параметрических усилителей и генераторов и безинерционных конденсаторов переменной емкости.

Прибор наиболее близок по принципу работы варикапам (варакторам) полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения. Как известно (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. -М.: Мир, т. 1, 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, вследствие чего дифференциальная емкость C полупроводникового прибора может управляться напряжением U.

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). К недостаткам всех без исключения варикапов относится то, что область используемых напряжений ограничена напряжением пробоя обедненного слоя.

Широко известен конденсатор переменной емкости (см., например, Э. Ред, Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике, -М.: Мир, с. 219 - 220), представляющий из себя механическое устройство, позволяющее перемещать относительно друг друга обкладки конденсатора. Очевидный недостаток такого прибора - инерционность механической перестройки.

Задачей данного изобретения является создание полупроводникового прибора, не имеющего аналогов, позволяющего при изменении величины управляющего напряжения регулировать величину емкости конденсатора, образованного между проводящими пластинами, между которыми сформирован диэлектрический или высокоомный полупроводниковый слой.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор, содержащий полупроводник в виде либо одной, либо двух пленок со сформированным в ней (них) p-n-переходом (барьером Шоттки), причем p-n-переход (барьер Шоттки), содержащий область 1 и область 2 с противоположным типом проводимости (у барьера Шоттки область 2 выполнена из металла) и омическими контактами к ним, сформирован с неоднородным вдоль поверхностной координаты x примесным профилем, на поверхности полупроводника сформированы вдоль поверхностной координаты y проводящие полоски 3, выполненные с зазором относительно друг друга и омического контакта, причем проводящие полоски либо соединены с проводящими участками 4, сформированными на слое диэлектрика 5 (высокоомного полупроводника), либо диэлектрик 5 сформирован поверх полосок 3, на другой поверхности диэлектрика 5, либо сформирована проводящая площадка 6, либо выполнены проводящие участки 7 (не показаны), которые либо соединены с проводящими полосками 3, выполненными либо в первой, либо во второй пленке, либо сформированы поверх проводящих участков 3 второй полупроводниковой пленки. Кроме того, полупроводниковый прибор может отличаться тем, что на свободной поверхности прибора сформирован диэлектрический (высокоомный полупроводниковый) слой 8.

То есть суть изобретения заключается в использовании возможности изменения емкости между площадкой 6 и проводящими участками 4 (или 3), к которым подключен источник питающего напряжения с большим номиналом при помощи относительно небольшого питающего напряжения, поданного на p-n-переход.

На фиг. 1 приведен один из вариантов полупроводникового прибора с источником 9 управляющего напряжения и с источником 10 входного сигнала. На фиг. 2 приведен полупроводниковый прибор, выполненный по планарной технологии. На фиг. 3 приведена конструкция изготовленного полупроводникового прибора. На фиг. 4 - вольт-фарадная характеристика прибора.

Для пояснения работы предлагаемого прибора обратимся к фиг. 1, на которой приведен один из вариантов, содержащий (см. фиг. 1) n-типа область 1, неоднородно легированную вдоль X, с омическим контактом, область 2 с омическим контактом, которая образует с областью 1 p-n-переход, либо барьер Шоттки, проводящие полоски 3, которые непосредственно соединены с полосками 4, слой диэлектрика 5, проводящую полоску 6. На фиг. 1 изображены также источник 9 управляющего напряжения, подключенный к p-n-переходу, источник 10 входного сигнала.

Поверх проводящих полосок 3 сформирован эпитаксиальный n-типа слой поликремния 1, образующий с полосками 3 омический контакт. Причем слой поликремния 1 неоднородно легирован (вдоль направления X). Причем степень легирования уменьшается с ростом X. Поверх слоя поликремния сформирована область 2 с омическим контактом, которая образует с областью 1 p-n-переход либо барьер Шоттки. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 9) на переходе размер вдоль X области нейтральности в полупроводнике n-типа (H(U)) непрерывно уменьшается. При этом эффективная ширина пластин конденсатора W с дискретностью, равной расстоянию между полосками 4, повторяет H(U), что приводит к пропорциональному уменьшению емкости между 6 и 4 (C≈H(U)).

В рассмотренном случае проводящие полоски сформированы на одной из поверхностей диэлектрической пластины. Очевидно, что если на другой поверхности диэлектрика также сформировать полоски 4, поверх которых сформировать неоднородно легированный (поперек полосок) p-n-переход, то при подаче на него напряжения можно варьировать эффективную площадь пластин конденсатора.

Заметим, что зависимость емкости от управляющего напряжения определяется выбором формы области, на которой выполнены проводящие полоски 4, и профилем легирования p-n-перехода (барьер Шоттки).

При производстве полупроводниковых приборов посредством планарно-эпитаксиальной технологии все контакты, как правило, формируются на одной из поверхностей полупроводниковой пластины, причем контакты отделены друг от друга диэлектрической прослойкой (SiO₂). На фиг. 2 представлен управляемый конденсатор переменной емкости, выполненный посредством планарно-эпитаксиальной технологии, содержащий (см. фиг. 2) проводящие полоски 4, проводящую полоску 6, слой диэлектрика 5, неоднородно легированную вдоль ширины линии примесями n-типа область 1 с омическим контактом, область 2 с омическим контактом, которая образует с областью 1 p-n-переход. На фиг. 2 изображены также источник 9 управляющего напряжения, подключенные к p-n-переходу, источник 10 входного сигнала. Причем полоски 4 выполнены из сплава золота и сурьмы (для формирования омического контакта с полупроводником n-типа). В качестве диэлектрика использована двуокись кремния. Омический контакт к p-области 2 выполнен из алюминия Омический контакт к n-области 1 (сильнолегированной в районе контакта) выполнен также из алюминия, полоска 6 выполнена также из алюминия. Все контакты друг от друга отделены защитным слоем двуокиси кремния 9.

Для исключения нежелательного влияния емкостной связи между областями 2 и 6 p-n-переход (барьер Шоттки) может быть сформирован над незначительной частью полосок 4 либо вынесен за их пределы.

Второй способ исключения нежелательного влияния емкостной связи между областями 2 и 6 заключается в том, что у p-n-перехода неоднородно вдоль X легируются как n-область так и p-область. При этом по мере роста управляющего напряжения размер области нейтральности вдоль X в p-области уменьшается так же, как и в n-области.

На подложке с толщиной 0,5 мм (D=0,5 мм) из двуокиси кремния была сформирована микрополосковая линия длиной 50 мм (L=50 мм), с шириной верхней полоски 4 мм (W= 4 мм), с шириной нижней полоски 16 мм (см. фиг. 3). В верхней полоске, выполненной из сплава золота и сурьмы, были вытравлены вдоль длины линии отверстия шириной 4 мкм с шагом 40 мкм, поверх которых в начале и в конце линии был сформирован слой поликремния толщиной 0,6 мкм с донорной концентрацией примесей ≈10¹⁵ 1/см³. В слое посредством ионной имплантации фосфора при энергии 200 КЭВ сформирован неоднородно легированный примесный профиль, причем имплантационная доза линейно изменялась вдоль ширины линии (вдоль X), спадала от 1•10¹² ион/см² до 2,5•10¹¹ ион/см². Барьер Шоттки формировался поверх слоя поликремния нанесением металлизации из алюминия. Омический контакт к поликремнию был выполнен также из алюминия путем нанесения последнего на предварительно сформованный сильнолегированный участок слоя поликремния. После изготовления проволочных контактов поверхность прибора покрывалась защитным слоем 8 (SiO₂).

Волновое сопротивление линии передачи (Zc) определялось по формулам (см. К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха. Машинное проектирование СВЧ-устройств. - М.: Радио и связь, с. 41 - 42) при W=H(U):

В свою очередь H(U) определялось из условия полного обеднения полупроводникового слоя поликремния толщиной d (d=0,6 мкм) с неоднородным профилем легирования Ni(x, z) основными носителями заряда в сечении H(U),z при минимальном запирающем напряжении на барьере Шоттки:

z - координата, отсчитываемая от поверхности пленки, на которой сформирован барьер Шоттки, вдоль ее толщины, q - элементарный заряд, ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника, Uk - встроенный потенциал перехода, ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость SiO₂, C=120π Ом. В диапазоне радиочастот линия передачи выглядит как обычная емкость, управляемая напряжением.

Расчетная и экспериментальная (на частоте 500 кГц) зависимость C(U) представлена на фиг. 4. При расчете использовалась формула: C(U) = ε₀ε^3/2 L / (Zc / C), ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Изобретение позволяет создать полупроводниковые приборы, позволяющие при изменении величины управляющего напряжения регулировать величину емкости конденсатора, образованного между проводящими пластинами, между которыми сформирован диэлектрический или высокоомный полупроводниковый слой.

Промышленная применимость: изобретение может быть использовано в электронной промышленности.

Использование: микроэлектроника, при создании параметрических усилителей и генераторов и безинерционных конденсаторов переменной емкости. Сущность изобретения: полупроводниковый прибор содержит полупроводник в виде пленки с полупроводниковым переходом, сформированным с неоднородным вдоль поверхностной координаты x примесным профилем. На поверхности полупроводника сформированы вдоль поверхностной координаты y проводящие полоски, выполненные с зазором относительно друг друга и омического контакта, причем проводящие полоски соединены с проводящими участками, сформированными на слое диэлектрика или высокоомного полупроводника, на другой поверхности диэлектрика или высокоомного полупроводника сформирована проводящая площадка. Поверх свободной поверхности прибора сформирован диэлектрический или высокоомный слой. Техническим результатом изобретения является создание полупроводникового прибора, позволяющего при измерении величины управляющего напряжения регулировать величину емкости конденсатора, образованного между проводящими пластинами. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Полупроводниковый прибор, содержащий полупроводник (1) в виде пленки со сформированным в ней полупроводниковым переходом в виде p-n-перехода или барьера Шоттки, причем полупроводниковый переход с неоднородным вдоль поверхностной координаты х примесным профилем, содержащий полупроводниковую область (1) и вторую область (2), выполненную из металла или полупроводникового материала противоположного с (1) типа проводимости, выполнен с омическими контактами к областям (1) и (2), на поверхности полупроводника (1) сформированы вдоль поверхностной координаты y проводящие полоски (3), выполненные с зазором относительно друг друга и омического контакта, причем проводящие полоски (3) соединены с проводящими участками (4), сформированными на слое диэлектрика или высокоомного полупроводника (5), на другой поверхности диэлектрика или высокоомного полупроводника (5) сформирована проводящая площадка (6). 2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что поверх свободной поверхности прибора сформирован диэлектрический или высокоомный полупроводниковый слой.