ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 2006 года по МПК H01L29/93 

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. Прибор может быть выполнен в виде управляемого напряжением конденсатора переменной емкости, варикапа, транзистора. На приборе могут быть изготовлены преобразователи частоты и управляемым 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 (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 напряжения смещения, вследствие чего дифференциальная емкость С полупроводникового прибора может управляться напряжением U.

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

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., с.557). Существенным недостатком существующих транзисторов как полевых, так и биполярных является то, что выходная мощность обратно пропорциональна квадрату частоты, что является результатом ограничения налагаемого напряжением лавинного пробоя достаточно узкой области пространственного заряда р-n-перехода и предельной скоростью носителей заряда (Зи С. Физика полупроводниковых приборов, т.1, -М.: Мир, 1984, с.178-179). Этот недостаток присущ также для преобразователей частоты на варакторах.

Известен полупроводниковый прибор (см. Иоффе В.М., Максутов А.И., патент РФ № 2139599, заявка № 96124161 от 24.12.96), содержащий низкопроводящий или изолирующий слой, на одной поверхности которого сформирован проводящий участок, на другой поверхности которого сформирован первый слой из полупроводника электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом, на поверхности которого выполнен второй слой, выполненный из металла или (и) полупроводника с противоположным с первым слоем типом проводимости, образующий с первым слоем р-n-переход либо (и) барьер Шоттки с другим омическим контактом, выбор профиля легирования и толщины первого слоя ограничен условием полного обеднения первого слоя либо его части основными носителями заряда до пробоя р-n-перехода либо барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения:

,

где Ui - напряжение пробоя первого слоя; у - координата, отсчитываемая от металлургической границы р-n-перехода или барьера Шоттки в направлении вдоль толщины первого слоя, q - элементарный заряд; Ni(x,у,z) - профиль распределения примеси в первом слое; d(x,z) - толщина первого слоя; z,x - координаты на поверхности первого слоя; ε_s - диэлектрическая проницаемость первого слоя; Uk - встроенный потенциал.

К недостаткам данного прибора относится то, что при изменении величины управляющего напряжения, поданного на омические контакты к полупроводниковому переходу (выполненному в виде р-n-перехода или барьера Шоттки), не удается регулировать в широких пределах величину емкости конденсатора, образованного между омическим контактом к первому полупроводниковому слою и проводящим участком, выполненным на изолирующем слое, а также регулировать в широких пределах величину сопротивления низкопроводящего (полупроводникового) слоя.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания полупроводникового прибора, не имеющего аналога, позволяющего при изменении величины управляющего напряжения, поданного на омические контакты к полупроводниковому переходу, регулировать в широких пределах величину емкости конденсатора, образованного между омическим контактом к первому слою и проводящим участком, выполненным на изолирующем слое, а также регулировать в широких пределах величину сопротивления изолирующего (полупроводникового) слоя.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор, содержащий изолирующий слой, на одной части поверхности которого сформирован проводящий участок, а на другой части поверхности - первый слой, выполненный из полупроводника электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом, на поверхности первого слоя выполнен второй слой, выполненный из полупроводника или металла, образующий с первым слоем полупроводниковый переход с другим омическим контактом, причем часть изолирующего слоя, контактирующая с первым слоем, сформирована из высокоомного полупроводника вследствие выполнения контактирующей части из высокоомного полупроводникового материала или вследствие образования между изолирующим слоем и первым слоем полупроводникового перехода, выбор профиля легирования и толщины первого слоя ограничен условием полного обеднения первого слоя или его части основными носителями заряда до пробоя полупроводникового перехода, в том числе выполненного в виде гетероперехода при подаче на него внешнего смещения:

,

где Ui - напряжение пробоя первого полупроводникового слоя; h - координата, отсчитываемая от металлургической границы полупроводникового перехода в направлении вдоль толщины первого слоя, q - элементарный заряд; Ni(x,h,z) - профиль распределения ионизированной примеси в первом слое; d(x,z) - толщина первого слоя; z,x - координаты на поверхности первого; ε_s - диэлектрическая проницаемость первого слоя; Uk - встроенный потенциал первого слоя. Кроме того, полупроводниковый прибор может отличаться тем, что контактные площадки выполнены на сформированном на внешней поверхности прибора втором изолирующем слое. Кроме того, полупроводниковый прибор может отличаться тем, что полупроводниковый переход сформирован с неоднородным примесным профилем вдоль направления X, выбранного на поверхности первого слоя, на поверхности первого слоя сформированы вдоль другого поверхностного направления Z проводящие полоски 3, образующие с первым слоем невыпремляющий контакт, которые выполнены с зазором относительно омического контакта к первому слою. Кроме того полупроводниковый прибор может отличаться тем, что проводящие полоски, выполненные на части поверхности изолирующего или низкопроводящего слоя, соединены с проводящими участками 4, выполненными на другой части поверхности изолирующего слоя. Кроме того, полупроводниковый прибор может отличаться тем, что поверх свободной поверхности прибора сформирован другой изолирующий слой 9 (защитный диэлектрический или/и высокоомный полупроводниковый слой).

То есть суть изобретения заключается в использовании возможности изменения величин емкости или проводимости между первым омическим контактом к первому слою и проводящим участком, сформированным на изолирующем слое при помощи управляющего напряжения, поданного на омические контакты к полупроводниковому переходу в широких пределах.

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;

фиг.2 - один из вариантов полупроводникового прибора;

фиг.3 - иллюстрацию отсутствия поверхностного обеднения подвижными носителями заряда на границе изолирующий слой в виде диэлектрика - первый полупроводниковый слой;

фиг.4 - один из вариантов полупроводникового прибора;

фиг.5 - один из вариантов полупроводникового прибора;

фиг.6 - устройство полупроводникового прибора;

фиг.7 - вариант полупроводникового прибора с транзисторной структурой.

фиг.8 - устройство полупроводникового прибора с защитным изолирующим слоем;

фиг.9 - устройство полупроводникового прибора с контактными площадками.

фиг.10 - вариант конструкции транзистора;

фиг.11 - один из вариантов полупроводникового прибора;

фиг.12 - вариант полупроводникового прибора;

фиг.13 - один из вариантов полупроводникового прибора;

фиг.14 -один из вариантов полупроводникового прибора;

фиг.15 - один из вариантов полупроводникового прибора;

фиг.16 - схематичное устройство изготовленного прибора;

фиг.17 - экспериментальную зависимость управляемой емкости от напряжения при выполнении изолирующего слоя из диэлектрика на кривой А, экспериментальная зависимость управляемой емкости от напряжения при частичном выполнении изолирующего слоя из диэлектрика, за исключением части, контактирующей с первым слоем, сформированной из высокоомного полупроводника - на кривой В.

Для пояснения работы прибора заметим, что условие полного обеднения первого слоя либо его части основными носителями заряда до пробоя полупроводникового перехода, выполненного в виде р-n-перехода либо (и) барьера Шоттки при подаче на него внешнего смещения:

,

где Ui - напряжение пробоя первого слоя; h - координата, отсчитываемая от металлургической границы полупроводникового перехода в направлении вдоль толщины первого слоя, q - элементарный заряд; Ni(x,h,z) - профиль распределения примеси в первом слое; d(x,z) - толщина первого слоя; z,x - координаты на поверхности первого слоя; ε_s - диэлектрическая проницаемость первого слоя; Uk - встроенный потенциал первого слоя, всегда справедливо для полного обеднения части первого слоя подвижными носителями заряда.

Покажем что, для полного обеднения всего первого слоя, а также для создания управляемой напряжением емкости или сопротивления с большим диапазоном изменения величины емкости (сопротивления), это условие необходимо, но не всегда достаточно. Обратимся к фиг.1, на которой изображен полупроводниковый прибор, содержащий первый слой 1, для определенности выбранный с дырочным типом проводимости с первым омическим контактом 11, выполненным на части верхней поверхности означенного первого полупроводникового слоя, на другой части верхней поверхности сформирован изолирующий слой 5, на поверхности которого сформирован проводящий участок 6, второй слой 2, сформированный на нижней и (для удобства рассмотрения) правой боковой поверхности первого полупроводникового слоя с вторым омическим контактом 12, второй слой 2 для определенности в рассматриваемом случае выполнен в виде контакта Шоттки. Для наглядности, не нарушая общности рассуждении, рассматривается плоская задача (Ni(x,у,z)=Ni(x,у)). Полагая, что Е_у - нормальная к поверхности изолирующего слоя составляющая электрического поля; E_x - составляющая электрического поля, направленная вдоль касательной к поверхности изолирующего слоя; р - концентрация дырок; n - концентрация электронов в первом слое при Е_у=const на границе раздела между первым слоем и изолирующим слоем (что соответствует подаче постоянного напряжения в том числе и нулевого между омическим контактом к первому слою и проводящим участком на изолирующем слое) уравнение Пуассона вблизи поверхности dE_x/dx+dE_у/dy=q/ε_s(-Ni(x,у)+p-n) преобразуется к виду:

поскольку E_x=-dϕ/dx, имеем из (1) при полном обеднении первого слоя на границе раздела между изолирующим слоем и первым слоем (n,р≪Ni(x,у)): d²ϕ/dx²=q/ε_s Ni при у=d, 0≤x≤L,

ϕ - потенциал, L - размер первого слоя под изолирующим слоем вдоль направления x.

Решая это уравнение при ϕ(0,d)=0, при dϕ(x,d)/dx=0, получим

Здесь ϕ(L,d) - минимальное напряжение между контактами, при котором происходит обеднение подвижными носителями заряда первого слоя на границе раздела между изолирующим слоем и первым слоем;

ϕ(L,d) включает в себя встроенный потенциал Uk - напряжение на первом полупроводниковом слое при отсутствии внешнего смещения.

При L≫d и внутри первого слоя в условиях обеднения N(x,у)≫n,p можно полагать, что потенциал меняется вдоль у значительно сильнее, чем по x и уравнение Пуассона dE_x/dx+dE_у/dy=q/ε_s(-Ni(x,у)+p-n) с учетом того, что E_x≡-dϕ/dx, E_у≡-dϕ/dy выглядит: d²ϕ/dy²=q/ε_s Ni(x,у), и при граничных условиях ϕ(х,0)=0, dϕ(x,у)/dy=0 имеет решение:

В трехмерном случае имеем:

Здесь ϕ₁(x,d), (ϕ₁(x,d,z)) - минимальное напряжение между контактами, при котором происходит обеднение р-области в объеме в x (x,z) сечение при 0<у<d. Причем ϕ₁(x,d) (ϕ₁(x,d,z)) включает в себя встроенный потенциал U_k.

При отсутствие второго слоя 2 на правой боковой поверхности первого слоя, см. фиг.2, на которой изображен полупроводниковый прибор, содержащий первый слой 1, для определенности выбранный с дырочным типом проводимости, с первым омическим контактом 11, выполненным на части верхней поверхности означенного первого слоя, на другой части верхней поверхности сформирован изолирующий слой 5, на поверхности которого сформирован проводящий участок 6, второй слой 2, сформированный на нижней первого слоя с омическим контактом 12, второй слой 2 (для определенности в рассматриваемом случае выполнен в виде контакта Шоттки). Минимальное напряжение между контактами, при котором происходит полное обеднение первого слоя на границе раздела между изолирующим слоем и первым слоем ϕ(L,d), дается соотношением

.

В трехмерном случае минимальное напряжение между контактами, при котором происходит полное обеднение первого слоя на границе раздела между изолирующим слоем и первым слоем ϕ(L,d), дается соотношением:

.

В общем случае L является функцией координаты z(L=L(z)), a d может зависеть от х и z (d=d(x,z)). Если ϕ₁(x,d,z)<U_k+U_i и ϕ(L,d,z)<U_k+U_i, то при внешнем напряжении U при условии, что U+U_k≥ϕ₁(x,d,z), U+U_k≥ϕ(L,d,z), область пространственного заряда (ОПЗ) распространяется на весь объем слоя 1.

Если ϕ₁(x,d,z)<U_k+U_i и ϕ(L,d,z)>U_k+U_i, то при внешнем напряжении U при условии, что ϕ(L,d,z)≥U+U_k≥ϕ₁(x,d,z) - U_k, ОПЗ распространяется на объем первого слоя 1, за исключением верхней поверхности первого слоя, часть которой, граничащая с изолирующем слоем и контактом, не обедняется. См. фиг.3, иллюстрирующую отсутствие поверхностного обеднения подвижными носителями заряда при объемном обеднении. На фиг.3 представлен полупроводниковый прибор, содержащий первый слой 1, для определенности выбранный с дырочным типом проводимости, с первым омическим контактом 11, выполненным на части верхней поверхности означенного первого полупроводникового слоя, на другой части верхней поверхности сформирован изолирующий слой 5, на поверхности которого сформирован проводящий участок 6, второй слой 2, сформированный на нижней части поверхности первого слоя с омическим контактом 12, внешнее смещение приложено между омическими контактами 11 и 12. Вблизи границы раздела 1 и 5 при любом внешнем смещении U (U<U_i) существует область нейтральности. Что подтверждается как численными расчетами в диффузионно-дрейфовом приближении, так и экспериментальными данными по измерению емкости р-n - перехода и управляемой емкости C(U) - емкости, образованной между омическим контактом к первому полупроводниковому слою и проводящим участком на изолирующем слое.

Для создания управляемой емкости (управляемого сопротивления) с широким изменением диапазона управления необходимо чтобы L>d при реализации условия поверхностного обеднения. В противном случае диапазон перестройки невелик. Однако при L>d, если не принять специальных мер по выполнению поверхностности границы раздела первый слой - изолирующий слой из высокоомного полупроводникового материала, то ϕ₁(x,d,z)<ϕ(L,d,z) и U_i<ϕ(L,d,z). И в этом случае не происходит поверхностного обеднения первого полупроводникового слоя. Поверхностное обеднение подвижными носителями заряда происходит в случае образования между изолирующим слоем и первым полупроводникового перехода вследствие образования высокоомной области пространственного заряда в первом слое и при непосредственном выполнении контактирующей части из высокоомного (слаболегированного) полупроводникового материала (Ni(x,d,z)⇒0 и первым слагаемым в (2) можно пренебречь) и условие обеднения первого слоя 1 основными носителями заряда до пробоя полупроводникового перехода, в том числе выполненного в виде гетероперехода при подаче на него внешнего смещения, в этих случаях выглядит:

.

Условия поверхностного обеднения не связаны с расположением проводящего участка относительно первого слоя. То есть работоспособность прибора не зависит от расположения первого слоя и проводящего участка на изолирующем слое, а также от формы изолирующего слоя. То есть изолирующий слой имеет поверхность, на одной части которой расположен первый слой, а на другой части поверхности изолирующего слоя, проводящий участок, между первым слоем и проводящим участком находится свободная часть поверхности изолирующего слоя. Заметим, что р-n-переход, образованный первым и вторым слоями, может быть выполнен с однородно легированным первым слоем при неоднородно легированном вдоль X(Z) втором слое.

В рассмотренных примерах для определенности первый слой сформирован с дырочным типом проводимости. Очевидно, что первый слой может выполнен также с электронным типом проводимости, при этом второй слой должен быть выполнен из полупроводника либо металла, образующего с первым слоем 1 р-n-переход либо барьер Шоттки, или полупроводника, образующего с первым полупроводниковым слоем полупроводниковый переход вследствие различия величин энергетических зон первого и второго полупроводниковых слоев, кроме того, изолирующий слой может быть из полупроводника, с которым проводящий участок образует р-n-переход либо (и) барьер Шоттки, или полуизолирующего полупроводника. Очевидно, что первый слой может иметь как однородную, так и неоднородную по площади толщину. Причем второй слой при выполнении его из полупроводника может быть легирован как однородно, так и неоднородно вдоль Х (Z), где X,Z - два различных направления в плоскости поверхности слоя, в том числе и криволинейные. Для уменьшения емкостной связи между вторым слоем и проводящим участком следует обеспечить совместное обеднение первого и второго слоев основными носителями заряда при подаче напряжения путем приблизительно одинаковой степени легирования первого и второго слоев. Очевидно, что барьер на поверхности первого слоя, контактирующей со вторым слоем, может быть сформирован составным (на части поверхности слоя выполнен р-n-переход, а на другой части той же поверхности - барьер Шоттки), а полупроводниковый переход, образованный между первым и вторым слоями выполнен в виде гетероперехода. В общем случае диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала может зависеть от координат, и поэтому ε_s внесена под знак интеграла.

Работоспособность прибора во всех случаях очевидна: при приложении управляющего напряжения к полупроводниковому переходу, образованному между первым и вторым слоями, изменяется размер области нейтральности в первом слое, вследствие чего емкость между областью нейтральности и также изменяется. Либо при выполнении изолирующего слоя из низкопроводящего материала меняется величина сопротивления между первым слоем и проводящим участком, в том случае если величина сопротивления изолирующего слоя меньше емкостного сопротивления, в противном случае прибор работает как управляемая напряжением емкость и при выполнении изолирующего слоя из низкопроводящего материала. Поверхностное обеднение подвижными носителями заряда происходит вследствие образования между изолирующим слоем и первым полупроводниковым слоем полупроводникового перехода или вследствие выполнения контактирующей части из высокоомного полупроводникового материала. Если напряжение перекрытия U_p (минимальное внешнее напряжение, при котором наступает объемное обеднение первого слоя подвижными зарядами) меньше напряжения пробоя:

то существует внешнее напряжение U>U_p, причем U<U_i, при котором происходит полное объемное и поверхностное обеднение слоя 1 подвижными носителями заряда. С целью уточнения используемой в настоящем изобретении терминологии заметим также, что изолирующий слой - слой, сопротивление которого между первым слоем и проводящим участком достаточно большое - сопоставимо с сопротивлением изолятора или изолирующего р-n-перехода. Внутреннее устройство и форма изолирующего слоя могут быть достаточно произвольными. В частности, изолирующий слой может включать в себя в том числе и проводящие участки, которые не соединяют те части поверхности слоя, на которых сформированы первый слой и проводящий участок. Любой материал, в том числе и диэлектрик, имеет проводимость по постоянному току. То есть один и тот же материал может считаться как изолирующим, так и проводящим (низкопроводящим) в зависимости от частоты сигнала. Под примесным профилем Ni(x,h,z) имеется в виду объемная концентрация ионизированных примесей. То есть, например, при Nd(x,h,z)>Na(x,h,z). Ni(x,h,z)=Nd(x,h,z)-Na(x,h,z), где Nd(x,h,z) - концентрация мелкой донорной примеси, Na(x,h,z) - концентрация акцепторной примеси (в том числе и глубоких акцепторов). Часть изолирующего слоя, контактирующая с первым полупроводниковым слоем, сформированная из высокоомного полупроводника вследствие выполнения контактирующей части из высокоомного полупроводникового материала или вследствие образования между изолирующим слоем и первым слоем полупроводникового перехода, - часть, изолирующего слоя, имеющая общую с первым слоем границу, сформированная из полупроводника с высоким удельным сопротивлением (т.е. с низкой концентрацией свободных носителей заряда). В свою очередь, первый слой имеет, условно говоря, часть внешней поверхности - общую со вторым слоем и другую часть внешней поверхности общую с контактирующей частью изолирующего слоя. Под свободной поверхностью прибора имеется внешняя поверхность прибора или ее часть. При выполнении прибора с контактными площадками, последние не являются свободной поверхностью прибора. Контактные площадки - часть контактов, предназначенная для соединения прибора с объемными проводниками, которые соединяют прибор с внешними устройствами (источники питания, нагрузки, другие элементы схемы, в которую включен полупроводниковый прибор). Полупроводниковый переход - область пространственного заряда в полупроводнике (ОПЗ), примыкающая к границе раздела между металлом и полупроводником или между двумя полупроводниками (с различной величиной энергетических зон), или двумя областями в объеме одного полупроводника с различной величиной или типом электропроводности (см. "Электроника", Энциклопедический словарь, Москва, Сов. энциклопедия, 1991 г., с.419). Встроенный потенциал полупроводникового перехода - потенциал на между омическими контактами к полупроводниковому переходу при отсутствии внешнего смещения. Встроенный потенциал первого слоя (Uk) - часть встроенного потенциала полупроводникового перехода, сосредоточенная на первом слое.

Для решения поставленной задачи изобретения не всегда требуется выдерживать условие полного обеднения для всего объема первого полупроводникового слоя. Если выдерживается условие поверхностного обеднения, часть изолирующего слоя, контактирующая с первым полупроводниковым слоем, сформирована из высокоомного полупроводника вследствие выполнения контактирующей части из высокоомного полупроводникового материала или вследствие образования между изолирующим слоем и первым полупроводниковым слоем полупроводникового перехода, то широких пределов изменения управляемой емкости или управляемого сопротивления можно добиться при объемном обеднении основными носителями заряда части объема первого полупроводникового слоя.

На фиг.4 и 5 приведен управляемый конденсатор, содержащий первый слой 1, для определенности выбранный с дырочным типом проводимости с первым омическим контактом 11, выполненным на части верхней поверхности означенного первого полупроводникового слоя, на другой части верхней поверхности сформирован изолирующий слой 5 с входящим в состав изолирующего слоя 5 высокоомным полупроводниковым слоем 14, имеющим общую границу с первым слоем 1, на верхней поверхности изолирующего слоя 5 сформирован проводящий участок 6, второй слой 2, имеющий общую поверхность с первым слоем с омическим контактом 12. Внешнее смещение приложено между омическими контактами 11 и 12. На фиг.4 представлен полупроводниковый прибор в виде управляемого конденсатора, у которого при подаче управляющего напряжения обедняется подавляющая часть первого полупроводникового слоя. В качестве иллюстрации на фиг.5 приведен пример управляемого конденсатора, у которого при подаче управляющего напряжения обедняется часть первого полупроводникового слоя между омическим контактом к первому полупроводниковому слою и вторым слоем. В обоих случаях управляемая емкость может изменяться в широких пределах. Схематичное устройство управляемой емкости приведено на фиг.6, содержащей слои 2, 1, 5 и проводящий участок 6, последовательно сформированные один над другим, и омические контакты 11 к первому слою 1 и 12 к второму слою 2, причем 14 - часть изолирующего слоя 5, выполненная из высокоомного полупроводника, имеющая общую границу с первым слоем. Второй слой 2 выполнен из полупроводника n(р) типа проводимости или металла образующего с первым слоем 1 контакт Шоттки. Первый слой 1 выполнен из полупроводника р(n) типа проводимости, проводящий 6 из проводящего материала. Часть изолирующего слоя 5 (кроме 14) может быть выполнена из любого материала.

На фиг.7 представлен прибор в виде транзисторной структуры, в которой первый слой 1 - база, выполненная из полупроводника n(p) - типа, второй слой 2 - коллектор, выполненный из полупроводника р(n) типа или металла, образующего с 1 контакт Шоттки, изолирующий слой 5, включающий в себя эмиттер, выполненный из полупроводника р(n) типа или металла, образующего с 1 контакт Шоттки (в этом случае 14 - это ОПЗ между эмиттером и базой), на поверхности эмиттера выполнен слой диэлектрика, на слое диэлектрика выполнен проводящий участок 6, слои 2, 1, 5 и проводящий участок 6 последовательно сформированы один над другим, по крайней мере, два слоя снабжены омическими контактами: 11 - к первому слою 1 и 12 - к второму слою 2. Такая структура может быть реализована также с общим омическим контактом для эмиттера и коллектора (эмиттер снабжен омическим контактом, который соединен с омическим контактом к коллектору).

При выполнении полупроводниковых приборов в дискретном исполнении обычно вся поверхность прибора, за исключением контактных площадок, покрывается защитным как, правило, изолирующим слоем (наиболее часто из резиста или двуокиси кремния). Это относится и к описываемым приборам. При выполнении приборов в интегральном исполнении контактные площадки отсутствуют и вся поверхность прибора или ее часть (необходимая для защиты) покрывается защитным слоем. Изолирующий (защитный) слой выполняет функцию защиты прибора от пыли и от пробоя по поверхности.

Устройство прибора с защитным слоем приведено на фиг.8, содержащее второй слой 2, первый слой 1, изолирующий слой 5, проводящий участок 6. Причем слои 2, 1, 5 и проводящий участок 6, последовательно сформированные один над другим и омические контакты 11 - к первому слою 1 и 12 - к второму слою 2, причем часть изолирующего слоя 5 -14, имеющая общую границу с первым слоем, выполнена из высокоомного полупроводника. Второй слой 2 выполнен из полупроводника n(р) типа проводимости или металла, образующего с первым слоем 1 контакт Шоттки. Первый слой 1 выполнен из полупроводника р(n) типа проводимости, проводящий 6 - из проводящего материала. Часть изолирующего слоя 5 (кроме 14) может быть выполнена из любого материала с изолирующими свойствами. Причем напряжение перекрытия первого полупроводникового слоя (минимальное внешнее напряжение на первом слое, при котором происходит объемное обеднение части первого слоя подвижными носителями заряда) меньше его пробойного напряжения. На свободной поверхности прибора выполнен другой изолирующий слой 9. То есть другой изолирующий слой сформирован на внешней поверхности прибора, за исключением контактных площадок - частей контактов (первого и второго омических контактов и проводящего участка), необходимых для соединения прибора с внешними устройствами. Поскольку изолирующий слой соединен с другим изолирующим слоем, упомянутые слои можно рассматривать как один изолирующий слой 5.

Если требуется изменение величины сопротивления или величины управляемой 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 изолирующий слой, имеющий под контактной площадкой большую толщину.

В микроэлектронике контактные площадки, как правило, формируются на сформированном изолирующем слое (см. фиг 9, на которой представлен полупроводниковый прибор, содержащий второй слой 2, первый слой 1, изолирующий слой 5, проводящий участок 6, причем слои 2, 1, 5, 6 последовательно сформированы один над другим. Часть изолирующего слоя 5, контактирующая с первым слоем, выполнена из высокоомного полупроводника. Полупроводниковый прибор содержит второй изолирующий слой 13, на котором сформированы контактные площадки, соединенные с внешними проводниками. Причем слои 2 и 1 снабжены омическими контактами. Причем напряжение перекрытия первого полупроводникового слоя (минимальное внешнее напряжение на первом слое, при котором происходит объемное обеднение части первого слоя подвижными носителями заряда) меньше его пробойного напряжения. Поскольку изолирующий слой соединен с вторым изолирующим слоем, упомянутые слои можно рассматривать как один изолирующий слой.

Рассмотрим работу полупроводникового прибора в качестве транзистора. В этом случае изолирующий слой должен обладать проводимостью. В данном случае изолирующий слой выполнен из сильнолегированного р+ типа полупроводникового материала, который образует с первым слоем туннельный полупроводниковый переход. Для пояснения работы предлагаемого прибора обратимся к фиг.10, на которой приведен транзистор, содержащий первый слой 1 n+ -типа, неоднородно легированный вдоль X, с омическим контактом 11, второй слой 2 с омическим контактом, который образует с первым слоем барьер Шоттки, низкопроводящий слой р+ типа 5. На фиг.10 изображены также источник управляющего напряжения 7, подключенный к полупроводниковому переходу, источник постоянного напряжения 8, соединенный через нагрузку 10 с первым омическим контактом 11 и проводящим участком 6. На свободной поверхности прибора выполнен другой изолирующий слой 9. Первый слой неоднородно легирован (вдоль направления X). Степень легирования первого слоя уменьшается с ростом X. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 7) на переходе размер вдоль Х области нейтральности в полупроводнике n-типа (H(U)) непрерывно уменьшается. При этом эффективная площадь контакта между изолирующим слоем 5 и первым слоем также уменьшается. Вследствие чего изменяется выходное сопротивление транзистора, которое обратно пропорционально эффективной площади омического контакта.

Рассмотрим управляемый конденсатор (фиг.11), который содержит р-n-переход (барьер Шоттки) с неоднородным вдоль направления Х профилем легирования. На поверхности р-n-перехода (барьера Шоттки) сформирован изолирующий слой 5, выполненный из высокоомного (полуизолирующего) полупроводника, на поверхности которого нанесен проводящий участок 6. Р-n-переход, содержащий второй слой 2 р-типа с омическим контактом, на которой выполнен первый слой 1 n-типа с другим омическим контактом. Во втором слое 2 сформирован неоднородный профиль распределения акцепторной примеси Na(x,у), причем степень легирования уменьшается от Xmax к 0. Там, где слой 2 слабо легирован, ОПЗ проникает во второй слой 2 на большую толщину и на меньшую толщину в первый слой 1 (в том числе и однородно легированный). 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 второй слой 2 может быть выполнен n-типа при изготовлении первого слоя 1 с дырочным типом проводимости.

Заметим, что при непосредственном соединении или разъединении второго слоя 2 с проводящим участком 6 полупроводниковый прибор, используемый в качестве управляемой емкости, может быть использован в качестве варикапа.

Для пояснения работы предлагаемого прибора с проводящими полосками обратимся к фиг.12, на которой приведен один из вариантов прибора, содержащий первый слой 1, неоднородно легированный вдоль Х, с омическим контактом 11, второй слой 2 с омическим контактом 12, который образует с областью 1 р-n-переход либо барьер Шоттки, проводящие полоски 3, изолирующий слой 5, проводящий участок 6. Часть изолирующего слоя 5, контактирующая с первым слоем, выполнена из высокоомного полупроводникового материала. Причем напряжение перекрытия первого полупроводникового слоя (минимальное внешнее напряжение на первом слое, при котором происходит его объемное обеднение подвижными носителями заряда) первого слоя меньше его пробойного напряжения. На фиг.12 изображен также источник напряжения 7, подключенный к контактам полупроводникового перехода.

Поверх проводящих полосок 3 сформирован первый слой, образующий с полосками 3 невыпремляющий (омический) контакт. Причем первый слой неоднородно легирован (вдоль направления X). Причем степень легирования уменьшается с ростом X. Поверх первого слоя 1 сформирован второй слой 2 с омическим контактом, который образует с первым слоем 1 полупроводниковый переход. По мере увеличения величины запирающего напряжения U источника 7 на переходе размер вдоль Х области нейтральности в первом слое (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 (С˜H(U)). To обстоятельство, что часть слоя 5, контактирующая с первым слоем, выполнена из высокоомного полупроводника, позволяет выполнить условие поверхностного обеднения и реализовать максимальный диапазон изменения емкости как полупроводникового перехода, так и управляемой емкости между контактом 11 и проводящим участком 6. Заметим, что часть изолирующего слоя 5, контактирующая с первым полупроводниковым слоем, может быть выполнена из полупроводника с противоположным типом проводимости по отношению к первому слою. В общем случае для реализации условия поверхностного обеднения необходимо, чтобы часть изолирующего слоя, контактирующая с первым полупроводниковым слоем, была сформирована из высокоомного полупроводника вследствие выполнения контактирующей части из высокоомного полупроводникового материала или вследствие образования между изолирующим слоем и первым полупроводниковым слоем полупроводникового перехода. Очевидно, что при выполнении проводящих полосок из сильнолегированного полупроводникового материала с одинаковым типом проводимости с первым слоем проводящие полоски можно рассматривать как часть первого слоя.

Для пояснения работы предлагаемого прибора с проводящими полосками и защитным слоем обратимся к фиг.13, на которой приведен один из вариантов прибора, содержащий первый слой 1, неоднородно легированный вдоль X, с омическим контактом 11, второй слой 2 с омическим контактом 12, который образует с областью 1 р-n-переход либо барьер Шоттки, проводящие полоски 3, изолирующий слой 5, проводящий участок 6, другой изолирующий слой 9. Часть изолирующего слоя 5, контактирующая с первым слоем, выполнена из высокоомного полупроводникового материала. Причем напряжение перекрытия первого полупроводникового слоя (минимальное внешнее напряжение на первом слое, при котором происходит его объемное обеднение подвижными носителями заряда) первого слоя меньше его пробойного напряжения. Поверх проводящих полосок 3 сформирован первый слой, образующий с полосками 3 невыпремляющий (омический) контакт. Причем первый слой неоднородно легирован (вдоль направления X). Причем степень легирования уменьшается с ростом X. Поверх первого слоя 1 сформирован второй слой 2 с омическим контактом, который образует с первым слоем 1 полупроводниковый переход. То обстоятельство, что часть слоя 5, контактирующая с первым слоем, выполнена из высокоомного полупроводника, позволяет выполнить условие поверхностного обеднения и реализовать максимальный диапазон изменения емкости как полупроводникового перехода, так и управляемой емкости между контактом 11 и проводящим участком 6. Заметим, что часть изолирующего слоя 5, контактирующая с первым полупроводниковым слоем, может быть выполнена из полупроводника с противоположным типом проводимости по отношению к первому слою. В общем случае для реализации условия поверхностного обеднения необходимо, чтобы часть изолирующего слоя, контактирующая с первым полупроводниковым слоем, была сформирована из высокоомного полупроводника вследствие выполнения контактирующей части из высокоомного полупроводникового материала или вследствие образования между изолирующим слоем и первым полупроводниковым слоем полупроводникового перехода. Очевидно, что при выполнении проводящих полосок из сильнолегированного полупроводникового материала с одинаковым типом проводимости с первым слоем проводящие полоски можно рассматривать как часть первого слоя. На свободной поверхности прибора выполнен другой изолирующий слой 9. То есть другой изолирующий слой сформирован на внешней поверхности первого и второго слоев, изолирующего слоя и части поверхности первого и второго омического контакта и проводящего участка, за исключением контактных площадок - частей контактов (первого и второго омических контактов и проводящего участка), необходимых для соединения прибора с внешними устройствами. Поскольку изолирующий слой соединен с другим изолирующим слоем, упомянутые слои можно рассматривать как один изолирующий слой 5.

Для пояснения работы предлагаемого прибора с проводящими полосками обратимся к фиг.14, на которой приведен один из вариантов прибора, содержащий n(р)-типа первый слой 1, неоднородно легированный вдоль направления X, с первым омическим контактом 11, второй слой 2 с омическим контактом 12, который образует с первым слоем р-n-переход либо барьер Шоттки, изолирующий слой 5, проводящий участок 6, проводящие полоски 3(4), выполненные на поверхности первого слоя и образующие с ним невыпремляющий контакт. Слои 2, 1, 5 и проводящий участок 6 последовательно сформированы один над другим. На фиг.14 изображен также источник управляющего напряжения 7, подключенный к полупроводниковому переходу. Причем часть изолирующего слой 5 (14), контактирующая с первым слоем, выполнена из высокоомного полупроводникового материала. Причем напряжение перекрытия первого полупроводникового слоя (минимальное внешнее напряжение на слое 1, при котором происходит объемное обеднение слоя 1 подвижными носителями заряда) меньше его пробойного напряжения.

По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 7) на переходе размер вдоль Х 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 проводящим участком и омическим контактом к первому слою (С ˜ H(U)). To обстоятельство, что часть изолирующего слоя выполнена из высокоомного полупроводника, позволяет выполнить условие поверхностного соединения и реализовать максимальный диапазон изменения емкости как р-n-перехода, так и управляемой емкости между омическим контактом к первому слою 11 и проводящим участком 6. Заметим, что изолирующий слой 5 (или часть слоя 5, контактирующая с первым полупроводниковым слоем) может быть выполнен (выполнена) из полупроводника с противоположным типом проводимости по отношению к первому слою. В общем случае для реализации условия поверхностного обеднения необходимо, чтобы часть изолирующего слоя, контактирующая с первым полупроводниковым слоем, была сформирована из высокоомного полупроводника вследствие выполнения контактирующей части из высокоомного полупроводникового материала или вследствие образования между изолирующим слоем и первым полупроводниковым слоем полупроводникового перехода. Наличие проводящих полосок позволяет использовать прибор в качестве линии передачи с изменяемым волновым сопротивлением. Ширина линии W с дискретностью, равной ширине одной из полосок, повторяет H(U), что приводит к пропорциональному увеличению волнового сопротивления линии (р˜1/H(U)). Очевидно, что при выполнении проводящих полосок из сильнолегированного полупроводникового материала с одинаковым типом проводимости с первым слоем проводящие полоски можно рассматривать как часть первого слоя.

Для исключения нежелательного влияния емкостной связи между проводящим участком и вторым слоем р-n-переход (барьер Шоттки) может быть сформирован над частью полосок. Заметим также, что полупроводниковый переход может быть сформирован на продолжении полосок, за пределами изолирующего слоя.

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

Рассмотрим управляемый конденсатор, который содержит полупроводниковый переход (барьер Шоттки) с неоднородным вдоль направления X профилем легирования. См. фиг.15, на которой приведен один из вариантов прибора, содержащий n(р)-типа первый слой 1, неоднородно легированный вдоль направления X, с первым омическим контактом 11, второй слой 2 с омическим контактом 12, который образует с первым слоем р-n-переход либо барьер Шоттки, изолирующий слой 5, проводящий участок 6, проводящие полоски 3(4), выполненные на поверхности первого слоя и образующие с ним невыпрямляющий контакт. Слои 2, 1, 5 и проводящий участок 6 последовательно сформированы один над другим. На фиг.15 изображен также источник управляющего напряжения 7, подключенный к полупроводниковому переходу. Причем часть изолирующего слой 5 (14), контактирующая с первым слоем, выполнена из высокоомного полупроводникового материала. Причем напряжение перекрытия первого полупроводникового слоя (минимальное внешнее напряжение на слое 1, при котором происходит объемное обеднение слоя 1 подвижными носителями заряда) первого полупроводникового слоя меньше его пробойного напряжения. По мере увеличения запирающего напряжения U (источника 7) на переходе размер вдоль Х 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 проводящим участком и омическим контактом к первому слою (С˜H(U)). To обстоятельство, что часть изолирующего слоя выполнена из высокоомного полупроводника, позволяет выполнить условие поверхностного обеднения и реализовать максимальный диапазон изменения емкости как р-n-перехода, так и управляемой емкости между омическим контактом к первому слою 11 и проводящим участком 6. Заметим, что изолирующий слой 5 (или часть слоя 5, контактирующая с первым полупроводниковым слоем) может быть выполнен (выполнена) из полупроводника с противоположным типом проводимости по отношению к первому слою.

Проводящие полоски выполнены на рабочем участке (0≤х≤Xmax, 0≤z≤F(x)). В первом слое ионным легированием создан неоднородный профиль распределения донорной примеси Ni(x,у), причем имплантационная доза возрастает от Xmax к 0. Выбором формы рабочего участка F(x) можно обеспечить необходимую зависимость емкости от напряжения. Заметим, что проводящие участки 4 могут иметь форму, отличающуюся от прямоугольной. Очевидно, что при выполнении проводящих полосок из сильнолегированного полупроводникового материала с одинаковым типом проводимости с первым слоем проводящие полоски можно рассматривать как часть первого слоя. Одним из преимуществ управляемой емкости является то, что в отличие от других полупроводниковых приборов снимается так называемое электронное ограничение по мощности, связанное с электрическим пробоем полупроводника и ограничениями, налагаемыми на размер рабочей области полупроводникового прибора величиной скорости перемещения подвижных носителей заряда (с управляемой емкости можно снимать большие мощности, в том числе и на больших частотах при параметрическом усилении генерации и преобразовании частоты). Однако чтобы на практике воспользоваться этим, следует учитывать, что параллельно управляемой емкости всегда включен полупроводниковый переход, последовательно соединенный с емкостью, образованной между проводящим участком и вторым слоем. Для уменьшения напряжения на полупроводниковом переходе следует параллельно ему включать емкость большого наминала или (и) увеличивать толщину изолирующего слоя.

Примеры осуществления изобретения.

На сильнолегированной подложке n+ типа была сформирована эпитаксиальная пленка с донорной концентрацией примесей ˜ 10¹⁴ 1/см³, толщиной 2 мкм (d=2 мкм), в которой на площади 1 мм² был сформирован акцепторный примесный профиль длиной 50 мм и меняющийся вдоль ширины (x) от 1,5·10¹³ 1/см³ до 0,3·10¹³ 1/см³. Были выполнены омические контакты к р- и n- областям. На поверхности эпитаксиальной пленки был посредством термического окисления сформирован слой двуокиси кремния толщиной 0,2 мкм. На поверхности двуокиси кремния был сформирован металлический слой 6. Схематическое устройство полученного устройства приведено на фиг.16, на которой 1 - первый слой р- типа слой, 2 - второй слой с донорной проводимостью, 6 - проводящий участок, сформированный изолирующим слоем 5 из двуокиси кремния. На фиг.16 изображен источник управляющего напряжения 7, соединенный с омическими контактами к первому и второму слоям. Для устройства, представленного на фиг.16, с площадью проводящего участка над затворным окислом 1 мм², напряжением перекрытия ϕ₁(x,d,z) порядка 5 В, с толщиной изолирующего (выполненного из SiO₂) слоя 0,2 мкм было проведено измерение величины управляемой емкости. На фиг.17 представлена экспериментальная зависимость управляемой емкости от напряжения C(U) (емкость была измерена между омическим контактом к первому слою и проводящим участком 6). Межконтактная емкость между омическим контактом к первому полупроводниковому слою и проводящим участком над изолирующим слоем составляла по расчетам порядка 6·10^-12 Ф. Как видно из фиг.17 (кривая А), управляемая емкость много больше 6·10^-12 Ф, что свидетельствовало об отсутствии поверхностного обеднения.

На сильнолегированной подложке n+ типа была сформирована эпитаксиальная пленка с донорной концентрацией примесей ˜10¹⁴ 1/см³, толщиной 2 мкм (d=2 мкм). В которой на площади 1 мм² был сформирован акцепторный примесный профиль длиной 50 мм и меняющийся вдоль ширины (x) от 1,5·10¹³ 1/см³ до 0,3·10¹³ 1/см³. Были выполнены омические контакты к р и n областям. На поверхности эпитаксиальной пленки был посредством термического окисления сформирован слой двуокиси кремния толщиной 0,2 мкм. На границе слоя 1 и двуокиси кремния посредством ионной имплантации фосфора был сформирован высокоомный полупроводниковый слой толщиной порядка 0,05 мкм. На поверхности двуокиси кремния был сформирован металлический слой 6. Было проведено измерение управляемой емкости полученного прибора между омическим контактом к слою 1 и проводящим участком 6, которое показало (кривая В на фиг.15), что уже при обратных напряжениях порядка 6-10 В на p-переходе величина управляемой емкости стремилась к расчетному пределу порядка 6·10^-12 Ф. Что свидетельствовало о наличии поверхностного и объемного обеднения первого слоя подвижными носителями заряда.

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

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано в электронной промышленности.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов и может быть использовано в микроэлектронике. Прибор может быть выполнен в виде управляемых напряжением конденсатора переменной емкости, варикапа, транзистора, линии передачи. Сущность изобретения: полупроводниковый прибор содержит изолирующий слой, на одной части поверхности которого сформирован проводящий участок, а на другой части поверхности - первый слой, выполненный из полупроводника электронного либо дырочного типа проводимости с омическим контактом, на поверхности первого слоя выполнен второй слой, выполненный из полупроводника или металла, образующий с первым слоем полупроводниковый переход с другим омическим контактом, причем часть изолирующего слоя, контактирующая с первым слоем, сформирована из высокоомного полупроводника. Выбор профиля легирования и толщины первого слоя ограничен условием полного обеднения первого слоя или его части основными носителями заряда до пробоя полупроводникового перехода при подаче на него внешнего смещения, определяемого по представленной формуле. Техническим результатом изобретения является создание прибора, позволяющего при изменении величины управляющего напряжения, поданного на омические контакты к полупроводниковому переходу, регулировать в широких пределах величину емкости конденсатора, образованного между омическим контактом к первому слою и проводящим участком, выполненным на изолирующем слое, а также регулировать в широких пределах величину сопротивления изолирующего (полупроводникового) слоя. 3 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Полупроводниковый прибор, содержащий изолирующий слой, на одной части поверхности которого сформирован проводящий участок, а на другой части поверхности - первый слой, выполненный из полупроводника электронного либо дырочного типа проводимости, с омическим контактом, на поверхности первого слоя выполнен второй слой, выполненный из полупроводника или металла, образующий с первым слоем, полупроводниковый переход, с другим омическим контактом, причем часть изолирующего слоя, контактирующая с первым слоем, сформирована из высокоомного полупроводника, выбор профиля легирования и толщины первого слоя ограничен условием полного обеднения первого слоя или его части основными носителями заряда до пробоя полупроводникового перехода при подаче на него внешнего смещения

где Ui - напряжение пробоя первого полупроводникового слоя; h - координата отсчитываемая от металлургической границы полупроводникового перехода в направлении вдоль толщины первого слоя, q - элементарный заряд; Ni(x,h,z) - профиль распределения ионизированной примеси в первом слое; d(x,z) - толщина первого слоя; z, x - координаты на поверхности первого слоя; ε_s - диэлектрическая проницаемость первого слоя; Uk - встроенный потенциал первого слоя.