ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 1999 года по МПК H01L29/86 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. Прибор может быть выполнен в виде управляемого напряжением конденсатора переменной емкости, варикапа, транзистора. На приборе могут быть изготовлены параметрические усилители и управляемые напряжением линии передачи.

Предшествующий уровень техники
Прибор наиболее близок по принципу работы варикапам (варакторам) - 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, 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. У подавляющего большинства конструкций существующих варакторов отношение величин максимальной емкости к минимальной ограничено напряжением пробоя.

Широко известен конденсатор переменной емкости (см., например, Э. Ред, Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике, М., Мир, 1990 г., стр. 219-220), представляющий собой механическое устройство, позволяющее перемещать относительно друг друга обкладки конденсатора. Очевидный недостаток такого прибора - инерционность механической перестройки.

Наиболее часто в СВЧ-микроэлектронике используется микрополосковая линия передачи, представляющая собой двухпроводную линию, содержащую две проводящие полоски, между которыми сформирован изолирующий либо полуизолирующий слой (см. , например, "Электроника", Энциклопедический словарь, Москва, Сов. Энциклопедия, 1991 г., стр. 253, 254, 491), М. Шур. Современные приборы на основе арсенида галлия. М., Мир, 1991, стр. 405).

К недостаткам всех линий передач относится то, что параметры линии передачи, такие как волновое сопротивление и длина, не регулируются внешним источником напряжения, что затрудняет микроминиатюризацию настройку и частотную перестройку большого числа СВЧ-устройств.

Под транзистором обычно понимают полупроводниковый прибор, имеющий три или более выводов для подачи управляющего напряжения, предназначенный для усиления генерирования и преобразования электрических колебаний (Энциклопедический словарь, Москва, Сов. Энциклопедия, 1991 г., стр. 557). Существенным недостатком существующих транзисторов, как полевых, так и биполярных транзисторов, является то, что выходная мощность обратно пропорциональна квадрату частоты, что является результатом ограничения, налагаемого напряжением лавинного пробоя достаточно узкой области пространственного заряда p-n - перехода и предельной скоростью носителей (Зи С. Физика полупроводниковых приборов, т. 1, М., Мир, 1984, с. 178-179).

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания полупроводникового прибора, не имеющего аналогов, позволяющего при изменении величины управляющего напряжения регулировать величину емкости конденсатора, образованного между проводящими пластинами, между которыми сформирован изолирующий (диэлектрический) или низкопроводящий (полупроводниковый) слой, а также регулировать величину сопротивления низкопроводящего (полупроводникового) слоя.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор, содержащий низкопроводящий или изолирующий слой, на одной поверхности которого сформирован проводящий участок, на другой поверхности которого сформирован полупроводниковый слой 1 электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом, на поверхности которого выполнен слой 2, выполненный из металла или (и) полупроводника с противоположным со слоем 1 типом проводимости, образующий с 1 p-n-переход либо (и) барьер Шоттки с другим омическим контактом, выбор профиля легирования и толщины слоя 1, ограничен условием полного обеднения слоя 1 либо его части основными носителями заряда до пробоя p-n-перехода либо барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения:

где U_i - напряжение пробоя полупроводникового слоя 1, y - координата, отсчитываемая от металлургической границы p-n-перехода или барьера Шоттки в направлении вдоль толщины слоя 1, q - элементарный заряд, N_i(x, y, z) - профиль распределения примеси в слое 1, d(x,z) - толщина слоя 1; z, x - координаты на поверхности слоя 1; ε_s - диэлектрическая проницаемость слоя 1, U_k - встроенный потенциал. Кроме того полупроводниковый прибор может отличаться тем, что p-n переход или (и) барьер Шоттки сформирован с неоднородным примесным профилем вдоль направления X, выбранного на поверхности слоя 1, на поверхности полупроводникового слоя 1 сформированы вдоль другого поверхностного направления Z проводящие полоски 3, образующие с 1 невыпрямляющий контакт, которые либо соединены с омическим контактом к 1, либо выполнены с зазором относительно омического контакта, полоски 3 либо соединены с проводящими участками 4, выполненными на свободной поверхности слоя 5, либо слой 5 сформирован поверх полосок 3. Кроме того полупроводниковый прибор может отличаться тем, что поверх свободной поверхности прибора сформирован изолирующий (диэлектрический или высокоомный полупроводниковый) слой.

То есть суть изобретения заключается в использовании возможности изменения емкости или проводимости между омическим контактом к полупроводнику 1 и проводящим участком 6, сформированным на изолирующем или низкопроводящем слое 5, к которым подключен источник питающего напряжения с большим номиналом при помощи относительно небольшого питающего напряжения, поданного на p-n переход.

Краткое описание чертежей и графиков. В последующем изобретение поясняется описанием примеров со ссылками на предлагаемые чертежи и графики, на которых:
фиг.1 изображает один из вариантов полупроводникового прибора с источником управляющего напряжения и с источником входного сигнала,
фиг.2 - полупроводниковый прибор, выполненный по планарной технологии;
фиг. 3 - полупроводниковый прибор в виде линии передачи с изменяемым волновым сопротивлением с источником входного сигнала и с источником управляющего напряжения;
фиг.4 - полупроводниковый прибор в виде линии передачи с изменяемой длиной с источником входного сигнала и с источником управляющего напряжения;
фиг. 5 - полупроводниковый прибор в виде линии передачи с изменяемым волновым сопротивлением, у которой p-n-переход (барьер Шоттки) сформирован на входе и выходе линии;
фиг. 6 - полупроводниковый прибор в виде линии передачи с изменяемым волновым сопротивлением, у которой барьер Шоттки сформирован между нижней полоской и полуизолирующей (слаболегированной) подложкой, на противоположной поверхности которой сформирована вторая полоска (с отверстиями), образующая с неоднородно легированной подложкой омический контакт;
фиг.7 - конструкция транзистора;
фиг 8 - управляемый напряжением конденсатор переменной емкости;
фиг.9 - усилитель на управляемом напряжением конденсаторе переменной емкости;
фиг. 10 - расчетная зависимость выходного сигнала на управляемой емкости от времени при различных степенях модуляции емкости;
фиг.11 - устройство управляемого напряжением конденсатора переменной емкости;
фиг.12 - расчетная форма рабочего участка управляемого конденсатора, используемого в идеальном частотном модуляторе;
фиг. 13 - управляемый напряжением конденсатор переменной емкости;
фиг. 14 - устройство изготовленного управляемого напряжением конденсатора;
фиг. 15 - зависимость величины емкости прибора от управляющего напряжения;
фиг.16 - расчетная зависимость волнового сопротивления линии передачи от напряжения;
фиг. 17 - расчетная и экспериментальная зависимости коэффициента стоячей волны линии передачи от напряжения;
фиг.18 - измеренная зависимость тока транзистора в цепи источника питания от величины управляющего напряжения.

фиг. 19 - устройство изготовленного управляемого напряжением конденсатора с однородным p-n переходом;
фиг. 20 - временная зависимость напряжения на управляемой емкости с однородным p-n-переходом изготовленного прибора с последовательно соединенными омической нагрузкой и индуктивной нагрузкой.

фиг. 21 - временные зависимости напряжения на управляемой емкости прибора с омической нагрузкой при величине нагрузки 1000, 200, 50 Ом.

Для пояснения работы предлагаемого прибора обратимся к фиг. 1, на которой приведен один из вариантов прибора, содержащий 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 управляющего напряжения 7, подключенный p-n-переходу, источник входного сигнала 8.

Поверх проводящих полосок 3 сформирован n-типа слой 1, образующий с полосками 3 невыпрямляющий (омический) контакт. Причем слой 1 неоднородно легирован (вдоль направления X). Причем степень легирования уменьшается с ростом X. Поверх слоя 1 сформирована область 2 с омическим контактом, которая образует с областью 1 p-n-переход либо барьер Шоттки. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 7) 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 ширине полоски 3, повторяет H(U), что приводит к пропорциональному уменьшению емкости между 6 и омическим контактом к области 1 (C ~ H(U)).

В рассмотренном случае проводящие полоски сформированы на одной из поверхностей диэлектрической пластины. Очевидно, что если на другой поверхности диэлектрика также сформировать проводящие полоски, поверх которых сформировать неоднородно легированный (поперек полосок) p-n переход или барьер Шоттки, то при подаче на него напряжения можно также 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 (барьера 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, который содержит (фиг.2) проводящие полоски 3 (4), проводящую полоску 6, слой диэлектрика 5, неоднородно легированную вдоль ширины прибора 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 управляющего напряжения 7, подключенный p-n - переходу, источник входного сигнала 8. Причем полоски 3 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 3 либо вынесен за их пределы (соединен с продолжениями полосок 3 за пределами диэлектрического слоя 5).

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. Если требуется изменение емкости прибора в больших пределах, то в том случае, когда размер контактной площадки к области 1 соизмерим с размерами прибора, контактная площадка может быть вынесена на сформированный диэлектрический слой (фиг.2).

Если не требуется изменения емкости прибора между омическим контактом к области 1 и 6 в больших пределах, то проводящие участки 3, выполненные на поверхности области 1, непосредственно соединяются с омическим контактом к области 1. В этом случае эффективная площадь пластин управляемого конденсатора изменяется на величину, равную площади зазоров между участками 3.

Для пояснения работы прибора в качестве управляемой линии передачи обратимся к фиг.3, на которой приведен один из вариантов предлагаемой линии передачи, содержащий проводящие полоски 3, выполненные вдоль длины линии, 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 либо барьер Шоттки. На фиг. 3 изображены также источник управляющего напряжения 7, подключенный p-n-переходу через дроссель 10, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8.

Поверх проводящих полосок 3 сформирован n-типа слой 1, образующий с полосками 4 омический контакт. Причем слой 1 неоднородно легирован вдоль ширины линии (вдоль направления Z). Причем степень легирования уменьшается с ростом Z. Поверх слоя 1 сформирована область 2 с омическим контактом, которая образует с областью 1 p-n-переход либо барьер Шоттки. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 7) на переходе размер вдоль Z области нейтральности в полупроводнике n-типа H(U) непрерывно уменьшается. При этом эффективная ширина линии W с дискретностью, равной ширине одной из полосок 3, повторяет H(U), что приводит к пропорциональному увеличению волнового сопротивления линии ( ρ ~ 1/H(U)).

Для пояснения работы прибора в качестве линии передачи с изменяемой длиной обратимся к фиг.4, которая содержит проводящие полоски 4, выполненные вдоль ширины линии, проводящую полоску 6, слой диэлектрика 5, неоднородно легированную вдоль длины линии примесями n-типа область-1 с омическим контактом, область 2 с омическим контактом, которая образует с областью 1 p-n-переход либо барьер Шоттки. На фиг.4 изображены также источник управляющего напряжения 7, подключенный p-n - переходу через дроссель 10, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8. Поверх проводящих полосок 3 сформирован n-типа слой 1, образующий с полосками 4 омический контакт. Причем слой 1 неоднородно легирован вдоль длины линии (вдоль направления X). Причем степень легирования уменьшается с ростом X. Поверх слоя 1 сформирована область 2 с омическим контактом, которая образует с областью 1 p-n- переход либо барьер Шоттки. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 7) на переходе размер вдоль X области нейтральности (в полупроводнике n-типа) H(U) уменьшается. При этом эффективная длина линии L повторяет H(U) с дискретностью, равной ширине одной из полосок 3.

Очевидно, что, если в верхней полоске обычной микрополосковой линии выполнены отверстия в направлении вдоль длины линии, а в нижней полоске выполнены отверстия в направлении поперек длины линии, на поверхности полосок с отверстиями сформированы p-n - переходы (барьеры Шоттки) с неоднородным вдоль ширины верхней полоски либо вдоль длины нижней полоски профилем легирования, при этом параметры линии передачи (волновое сопротивление и длина) определяются величинами управляющих внешних смещений, поданных на p-n - переходы (барьеры Шоттки).

Для исключения нежелательного влияния емкостной связи между областями 6 и 2 p-n-переход (барьер Шоттки) может быть сформирован над частью полосок 3. На фиг. 5 приведен один из вариантов предлагаемой линии передачи. Линия передачи содержит проводящие полоски 4 (3), выполненные вдоль длины линии, 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 либо барьер Шоттки На фиг.5 изображены также источник управляющего напряжения 7, подключенный p-n - переходу через дроссель - 10, служащий для развязки цепей источника входного сигнала и управляющего напряжения по переменному току, источник входного сигнала 8, сопротивление нагрузки 11, подключенное к выходу линии. Причем p-n - переход (барьер Шоттки) выполнен в начале и в конце линии.

Заметим также, что p-n- переход либо барьер Шоттки может быть сформирован на продолжении проводящих участков 4, за пределами диэлектрической прослойки 5.

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

Заметим также, что p-n-переход, образованный 1 и 2, может быть выполнен с однородно легированным слоем 1 при неоднородно легированном вдоль X(Z) слое 2. В рассмотренных и рассматриваемых далее примерах для определенности слой 1 сформирован с электронным типом проводимости. Очевидно, что слой 1 может выполнен также с дырочным типом проводимости, при этом слой 2 должен быть выполнен из полупроводника электронного типа либо металла, образующего со слоем 1 p-n-переход либо барьер Шоттки, кроме того слой 5 может быть выполнен из диэлектрика или из полупроводника, с которым слой 6 образует p-n-переход либо (и) барьер Шоттки, или полуизолирующего полупроводника. Очевидно, что слой 1 может иметь как однородную, так и неоднородную по площади толщину, выбор профиля легирования и толщины слоя 1 ограничен условием полного обеднения слоя 1 либо его части основными носителями заряда до пробоя p-n-перехода либо барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения:

где U_i - напряжение пробоя полупроводникового слоя 1, y - координата, отсчитываемая от металлургической границы p-n-перехода или барьера Шоттки в направлении вдоль толщины слоя 1, q - элементарный заряд, N_i(x, y, z) - профиль распределения примеси в пленке; d(x,z) - толщина слоя 1; z, x - координаты на поверхности слоя 1; ε_s - диэлектрическая проницаемость слоя 1; U_k - встроенный потенциал. Причем область 2 может быть легирована как однородно, так и неоднородно вдоль X (Z), где X,Z - два различных направления в плоскости поверхности слоя 1, в том числе и криволинейные. Очевидно, что барьер на поверхности слоя 1 может быть сформирован составным (на части поверхности слоя 1 выполнен p-n-переход, а на другой части той же поверхности барьер Шоттки), а p-n-переход выполнен в виде гетероперехода.

Полупроводниковый прибор может быть использован в качестве переключателя, при соединении каждой из полосок 3 (4) через отдельную нагрузку с источником входного сигнала, который соединен с омическим контактом к 1. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника управляющего напряжения 7) на p-n-переходе (барьере Шоттки) размер вдоль направления, пересекающего полоски 3(4) области нейтральности, в полупроводнике 1 непрерывно уменьшается, вследствие чего число нагрузок, которые соединены с источником входного сигнала (в том числе и постоянным) через область нейтральности полупроводниковой пленки 1 и полоски 3 (4) также уменьшается.

Область 1 полупроводниковой пленки может быть использована в качестве низкопроводящего материала 5, а область 2 в качестве проводящей пластины 6. На фиг.6 приведен такой полупроводниковый прибор в виде линии передачи с изменяемым волновым сопротивлением, у которой барьер Шоттки сформирован между нижней полоской 2 (6) и полуизолирующей (слаболегированной) подложкой 1 (5), на противоположной поверхности которой сформирована вторая полоска (с отверстиями), образующая с неоднородно легированной подложкой омический контакт. На фиг.6 изображены также последовательно соединенные источник управляющего напряжения 7 и источник входного сигнала 8, поверх проводящих полосок 3 сформирован защитный диэлектрический слой 9.

Рассмотрим работу полупроводникового прибора в качестве транзистора. В этом случае слой 5 должен обладать проводимостью. То есть либо слой 5 выполнен из диэлектрика с малой толщиной, через который может протекать туннельный ток, либо выполнен из проводящего, в том числе полупроводникового, материала с одинаковым со слоем 1 типом проводимости. Проводимость проводящего материала должна быть достаточно низкой, чтобы не шунтировать область 1 p-n-перехода (барьера Шоттки). Для пояснения работы предлагаемого прибора обратимся к фиг.7, на которой приведен транзистор, содержащий 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 являются одновременно полосками 4), низкопроводящий слой 5, выполненный из слаболегированного полупроводника n-типа, проводящую полоску 6. На фиг.7 изображены также источник управляющего напряжения 7, подключенный p-n переходу, источник постоянного напряжения 12. Поверх проводящих полосок 3 сформирован n-типа слой 1, образующий с полосками 3 омический контакт. Причем слой 1 неоднородно легирован (вдоль направления X). Причем степень легирования уменьшается с ростом X. Поверх слоя 1 сформирована область 2 с омическим контактом, которая образует с областью 1 p-n-переход либо барьер Шоттки. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 7) на переходе размер вдоль X области нейтральности в полупроводнике n-типа (H(U)) непрерывно уменьшается. При этом эффективная ширина контакта между областями 5 и 1 (W) с дискретностью, равной ширине одной полоски 3, повторяет H(U). Вследствие чего изменяется выходное сопротивление транзистора, которое обратно пропорционально эффективной площади омического контакта.

Заметим, что зависимость сопротивления прибора (между омическим контактом к области 1 и областью 6) от величины управляющего напряжения определяется выбором формы области, на которой выполнены проводящие полоски 3 и профилем легирования p-n-перехода (барьера Шоттки).

В рассмотренном случае проводящие полоски сформированы на одной из поверхностей низкопроводящей пластины 5. Очевидно, что если на другой поверхности низкопроводящего материала также сформировать полоски, поверх которых сформировать неоднородно легированный (поперек полосок) p-n-переход, то при подаче на него напряжения можно также варьировать эффективную площадь контакта.

Если требуется изменение величины сопротивления прибора в больших пределах, то в том случае, когда размер контактной площадки к области 1 соизмерим с размерами прибора, контактная площадка может быть вынесена на сформированный диэлектрический слой. Если не требуется изменения величины сопротивления прибора между омическим контактом к области 1 и 6 в больших пределах, то проводящие участки 3, выполненные на поверхности области 1, непосредственно соединяются с омическим контактом к области 1. В этом случае эффективная площадь контактов управляемого резистора изменяется на величину, равную площади зазоров между полосками 3.

Рассмотрим управляемый конденсатор, который содержит p-n-переход (барьер Шоттки) с неоднородным вдоль направления x профилем легирования. На поверхности p-n-перехода (барьера Шоттки) сформирован слой диэлектрика 5, на поверхности которого нанесен проводящий слой 6 (фиг. 8). p-n-Переход, содержащий сильнолегированную область 2 p⁺ - типа с омическим контактом, на которой выполнена пленка n-тира с другим омическим контактом. В пленке (0≤x≤X_max, 0≤z≤F(x), y≤D) сформирован неоднородный профиль распределения донорной примеси Ni(x,y), причем степень легирования возрастает от X_max к 0. По мере увеличения запирающего напряжения на переходе область пространственного заряда (ОПЗ) постепенно заполняет всю пленку, при этом размер области нейтральности H(U) и эффективная площадь пластин управляемого конденсатора, образованного между областью нейтральности пленки и металлическим слоем 6, непрерывно уменьшаются. Если C(t) - зависимость величины управляемой емкости от времени, Q - заряд на управляемой емкости, то напряжение на управляемой емкости U₂ = Q/C(t).

Рассмотрим работу прибора в качестве параметрического усилителя с постоянным источником питающего напряжения, в котором используется возможность изменения емкости между омическим контактом к пленке n-типа и проводящим участком 6, к которым подключен через нагрузку источник питающего напряжения с большим номиналом при помощи относительно небольшого питающего напряжения, поданного на p-n-переход (фиг. 9). Прибор содержит неоднородно легированный вдоль координаты X p-n-переход, на поверхности n-области 1 которого выполнен диэлектрический слой 5 с проводящим слоем 6. Слой 6 через нагрузку и источник постоянного напряжения 12 соединен с областью 1 p-n-перехода. К p-n-переходу подключен источник напряжения 7 с напряжением U= U₀ + U_mSin Ω_t, где U_o, U_m - постоянные величины. Расчетная зависимость величины напряжения на управляемой емкости от времени при различных степенях модуляции емкости представлена на фиг. 10. Очевидно, что слой 5 может быть выполнен из полупроводника, с которым проводящий участок 6 образует барьер Шоттки или p-n-переход. Рассмотрим управляемый конденсатор, который содержит p-n-переход (барьер Шоттки) с неоднородным вдоль направления x профилем легирования. Причем p-n-переход, содержащий сильнолегированную область 2 p⁺ - типа с омическим контактом, на которой выполнена пленка n-тира с другим омическим контактом, выполнен поверх проводящих полосок 3. Проводящие полоски сформированы на поверхности диэлектрика. На другой поверхности диэлектрика сформирован металлический слой 6 (фиг. 11). Проводящие полоски выполнены на рабочем участке (0≤x≤X_max, 0≤z≤F(x)). В пленке ионным легированием создан неоднородный профиль распределения донорной примеси N_i(x,y), причем имплантационная доза возрастает от X_max к 0. По мере увеличения запирающего напряжения на переходе область пространственного заряда (ОПЗ) постепенно заполняет рабочий участок пленки, при этом размер области нейтральности H(U) и эффективная площадь пластин управляемого конденсатора, образованного между проводящими полосками 3 и металлическим слоем 2, непрерывно уменьшаются. Для исключения нежелательного влияния емкостной связи между областями 2 и p⁺ - областью p-n-переход (барьер Шоттки) сформирован над незначительной частью полосок 3 (за пределами p-n-перехода полоски 3 в соответствие с принятой терминологией называются полосками 4). Выбором формы рабочего участка F(x) можно обеспечить необходимую зависимость емкости от напряжения, которая определяется уравнением:

где величина C_min определяется размерами омического контакта к пленке n-типа. На фиг. 12 приведена расчетная форма рабочего участка управляемого конденсатора, который в LC контуре может быть использован в качестве идеального частотного модулятора (C(U)=C₁/(C₂+U)²) при отношении C_max/C_min=5, причем при линейно спадающей вдоль направления x степени легирования n-области (H(U) ~ X_max (1-U/U_max)). Заметим, что проводящие участки 4 могут иметь форму, отличающуюся от прямоугольной. Рассмотрим управляемый конденсатор (фиг. 13), который содержит p-n-переход (барьер Шоттки) с неоднородным вдоль направления x профилем легирования. На поверхности p-n-перехода (барьера Шоттки) сформирован слой диэлектрика 5, на поверхности которого нанесен проводящий слой 6. P-n-переход, содержащий область 2 p - типа с омическим контактом, на которой выполнена пленка n-тира с другим омическим контактом. В области 2 сформирован неоднородный профиль распределения акцепторной примеси N_a(x,y), причем степень легирования уменьшается от X_max к 0. Там, где слой 2 слабо легирован, ОПЗ проникает в область 2 на большую толщину и на меньшую толщину в пленку 1 (в том числе и однородно легированную). По мере увеличения запирающего напряжения на переходе область пространственного заряда (ОПЗ) постепенно заполняет всю пленку, при этом размер области нейтральности H(U) и эффективная площадь пластин управляемого конденсатора, образованного между областью нейтральности пленки и металлическим слоем 6, непрерывно уменьшаются. Очевидно, что область 2 может быть выполнена n-типа при изготовлении области 1 с дырочным типом проводимости.

Заметим, что при непосредственном соединении или разъединении областей 2 и 6 полупроводниковый прибор, используемый в качестве управляемой емкости, может быть использован в качестве варикапа.

Пленка 1 с толщиной d может быть однородно легирована вдоль поверхности при однородном слое 2. В этом случае напряжение перекрытия должно быть меньше напряжения пробоя :

U_p - напряжение перекрытия, N_i(y) - распределение примеси по толщине пленки.

При превышении управляющего напряжения величины, равной напряжению перекрытия, область нейтральности скачком уменьшается до размеров омического контакта к пленке. Вследствие чего скачком меняется емкость p-n-перехода и управляемая емкость.

Примеры осуществления изобретения.

На подложке с толщиной 0.5 мм (D=0.5мм) 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 (фиг.14). 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) 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 9 (SiO₂).

Волновое сопротивление линии передачи (Zc) определялось по формулам (см. К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха. "Машинное проектирование СВЧ-устройств". М., Радио и связь, 1987 г., стр. 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 N_i(x,y) основными носителями заряда в сечении H(U), y при минимальном запирающем напряжении на барьере Шоттки:

y - координата, отсчитываемая от поверхности пленки, на которой сформирован барьер Шоттки, вдоль ее толщины, q- элементарный заряд, ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника, U_k - встроенный потенциал перехода, ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость SiO₂, C=120 π 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. 15. При расчете использовалась формула: C(U) = L/(Z_cC_v), где C_v - скорость света в двуокиси кремния. Расчетная зависимость Z_c(U) представлена на фиг. 16. Измеренная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) в измерительной линии с характеристическим сопротивлением 50 Ом, один конец которой подключен к источнику входного сигнала с частотой 3,2 гГц и внутренним сопротивлением 50 Ом, а второй соединен с линией передачи, нагруженной на нагрузку в 50 Ом, представлена на фиг. 17, которая качественно совпала с расчетной при предположении отсутствия потерь в линии передачи.

На подложке толщиной 0,4 мм (D=0,4 мм) (фиг. 7) из слаболегированного кремния n-типа с удельным сопротивлением 12,5 Ом см на прямоугольном участке с размерами 4 х 1 мм были сформированы из сплава золота и сурьмы проводящие участки 3 (4) в виде полосок, выполненных вдоль ширины прямоугольника, с шириной каждой полоски 10 мкм и величиной зазора между полосками 5 мкм. Поверх прямоугольного участка был сформирован слой поликремния толщиной 0,6 мкм (d= 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 длины прибора (вдоль X) на промежутке в 4 мм 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 вдоль периметра прямоугольного участка сильнолегированный участок слоя поликремния. Второй контакт 6 к подложке был сформирован из сплава золота и сурьмы на ее нижней поверхности. После изготовления проволочных контактов поверхность прибора (см. фиг.7) покрывалась защитным слоем 9 (SiO₂). Источник управляющего напряжения 7 был подключен между барьером Шоттки и омическим контактом к поликремнию. Источник питания 12 величиной 10 В через нагрузку 11 с номиналом 33 Ома был включен между контактом 6 и омическим контактом к поликремнию. Измеренная зависимость тока в цепи источника питания от величины управляющего напряжения представлена на фиг. 18.

Пример прибора со скачкообразным изменением управляемой емкости (фиг. 19). На подложке 2 p⁺-типа была выращена пленка 1 толщиной 0.5 мкм (d=0.5 мкм) и донорной концентрацией примеси ~ 2,5•10¹⁷ см^-3. На поверхности пленки был выполнен из сплава золота и сурьмы омический контакт 13 в виде пересекающихся полосок (в виде сетки с шагом 20 мкм). Ширина полосок составляла 10 мкм. После изготовления проволочных контактов поверхность прибора покрывалась слоем 5 двуокиси кремния толщиной 10 мкм (D=10 мкм). Контакт 6 формировался поверх слоя SiO₂ нанесением металлизации из алюминия. Величина источника питающего напряжения составляла 50 В (E=50 В). Источник управляющего напряжения величиной U (U = U_o + U_mSin2 π Ft, U_o = 4,3 В, U_m = 0,5 B, F = 9,6 МГц) последовательно соединялся с нагрузкой и p-n-переходом. На фиг.20 представлена временная зависимость напряжения на управляемой емкости, образованной между 6 и 1, изготовленного прибора размером 7 х 7 мм с последовательно соединенными омической нагрузкой 11 и индуктивной нагрузкой 14 (R_n = 20 Ом, L_n = 10^-6 Гн.).

На фиг. 21 представлены временные зависимости напряжения на управляемой емкости прибора размером 7 х 7 мм с омической нагрузкой при величине нагрузки 1000, 200, 50 Ом.

Изобретение позволяет создать безынерционные конденсаторы переменной емкости, варикапы, транзисторы и управляемые линии передачи.

Изобретение может быть использовано в электронной промышленности.

Использование: микроэлектроника. Прибор может быть выполнен в виде управляемого напряжением конденсатора переменной емкости, варикапа, транзистора. На приборе могут быть выполнены управляемые напряжением линии передачи. Полупроводниковый прибор содержит низкопроводящий или изолирующий слой (5), на одной поверхности которого сформирован проводящий участок (6), на другой поверхности которого сформирован полупроводниковый слой электронного либо дырочного типа проводимости (1) с омическим контактом, на поверхности которого выполнен слой (2) из полупроводника или (и) металла, образующий с (1) p - n-переход либо (и) барьер Шоттки с другим омическим контактом, выбор профиля легирования и толщины слоя (1) ограничен условием полного обеднения слоя (1) либо его части основными носителями заряда до пробоя р - n-перехода либо (и) барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения

где U_i - напряжение пробоя полупроводникового слоя (1); y - координата, отсчитываемая от металлургической границы р - n-перехода или барьера Шоттки вдоль толщины слоя (1); q - элементарный заряд; N_i(x,y,z)-профиль распределения примеси в слое (1); d(x, z) - толщина слоя (1); z, х - координаты на поверхности пленки; ε_s - диэлектрическая проницаемость слоя (1); U_k - встроенный потенциал. Р - n-переход или (и) барьер Шоттки может быть сформирован с неоднородным примесным профилем вдоль направления X, выбранного на поверхности слоя (1). На поверхности полупроводникового слоя (1) сформированы вдоль другого поверхностного направления Z проводящие полоски (3), образующие с (1) невыпрямляющий контакт, которые либо соединены с омическим контактом к (1), либо выполнены с зазором относительно омического контакта, полоски (3) либо соединены с проводящими участками (4), выполненными на свободной поверхности слоя (5), либо слой (5) сформирован поверх полосок (3). Техническим результатом изобретения является создание полупроводникового прибора, позволяющего при изменении величины управляющего напряжения регулировать величину емкости конденсатора, образованного между проводящими пластинами, а также регулировать величину сопротивления низкопроводящего полупроводникового слоя. 2 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Полупроводниковый прибор, содержащий низкопроводящий или изолирующий слой (5), на одной поверхности которого сформирован проводящий участок (6), а на другой поверхности-полупроводниковый слой (1) электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом, на поверхности слоя (1) выполнен металлический или (и) полупроводниковый слой (2) противоположного со слоем (1) типа проводимости, образующий со слоем (1) p-n-переход либо (и) барьер Шоттки с другим омическим контактом, выбор профиля легирования и толщины слоя (1) ограничен условием полного обеднения слоя (1) либо его части основными носителями заряда до пробоя p-n-перехода либо барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения;

где U_i - напряжение пробоя полупроводникового слоя (1);
y - координата, отсчитываемая от металлургической границы p-n-перехода или барьера Шоттки в направлении вдоль толщины слоя (1);
q - элементарный заряд;
N_i(x,y,z) - профиль распределения примеси в слое (1);
d(x,z) - толщина слоя (1);
z, x - координаты на поверхности слоя (1);
ε_s - диэлектрическая проницаемость слоя (1);
U_k - встроенный потенциал. 2. Полупроводниковый прибор по п.1, отличающийся тем, что p-n-переход или (и) барьер Шоттки сформирован с неоднородным примесным профилем вдоль направления Х, выбранного на поверхности слоя (1), на поверхности полупроводникового слоя (1) сформированы вдоль другого поверхностного направления Z проводящие полоски (3), образующие со слоем (1) невыпрямляющий контакт, которые либо соединены с омическим контактом к слою (1), либо выполнены с зазором относительно омического контакта, полоски (3) либо соединены с проводящими участками (4), выполненными на сводной поверхности слоя (5), либо слой (5) сформирован поверх полосок (3). 3. Полупроводниковый прибор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на свободной поверхности прибора сформирован изолирующий слой (9), отделяющий контакты к слоям (1) и (2) друг от друга.