Варактор

Реферат

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, реактивностью которых управляют с помощью напряжения. Сущность изобретения: варактор состоит из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован p-n переход с другим контактом. Рабочая область выполнена в форме усеченной треугольной призмы: стороны основания L1, L2 и D. На боковых гранях рабочей области с основаниями L1 и L2 сформированы p-n переходы и/или барьеры Шоттки с общим контактом, а на грани с основанием D изготовлен омический контакт. Емкость варактора C от обратного смещения U в диапазоне обратных смещений UminUUmax удовлетворяет условию: , где S1 и S2 - геометрические площади граней с основаниями L1 и L2 соответственно; R(U) - толщина области пространственного заряда в полупроводнике при обратном смещении U; o = 8,8510-12 Ф/м; - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника. Концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S1(U) и S2(U); при этом необходимый закон изменения S(U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f(H) от расстояния H, измеренного вдоль L1 и L2 от точки пересечения сторон L1 и L2 со стороной D, либо - при заданной f(H) - выбором зависимости расстояния между L1 и L2 от H, причем размер стороны D удовлетворяет условию: 2R(Uпр)2R(O), где Uпр - напряжение пробоя. Рабочая область может быть легирована неоднородно. Одна из граней варактора с основанием L1 и L2 представляет собой границу раздела легированный полупроводник - изолирующая подложка. 2 з.п. ф-лы. 9 ил.

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

Как известно [1] 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 электрическим напряжением U. Основными характеристиками варактора являются коэффициент перекрытия по емкости K Cmax/Cmin и вид зависимости C C(U).

Типичная конструкция варактора представляет собой плоскопараллельный сильнолегированный слой полупроводника с одним типом проводимости, сформированный на слаболегированной рабочей области с другим типом проводимости. Обе области снабжены омическими контактами для подачи управляющего напряжения. Задавая соответствующий закон распределения примеси в рабочей области варактора, можно реализовать различные зависимости C C(U). Так, если концентрация примеси в рабочей области меняется по закону Ni(x) Bxm, то [1] C(U + Uk)-s, где s 1/(m + 2), а Uk контактный потенциал.

Общим недостатком всех традиционных конструкций варакторов является то, что никаким законом распределения примеси невозможно реализовать линейную зависимость C C(U). Этот недостаток является наиболее существенным при использовании варакторов в качестве параметрических диодов.

Известно техническое решение [2] состоящее в том, что поверхность полупроводниковой пластины, на которой изготавливается p-n переход, выполнена рельефной в виде регулярной последовательности гребней прямоугольного сечения. На всей этой рифленой поверхности методом диффузии формируется p-n переход, после чего вся эта поверхность металлизируется и к ней изготавливается контакт. Таким образом удается на участке пластины заданной площади сформировать p-n переход гораздо большей площади.

Недостатком данного решения, помимо вышеуказанного, является то, что при определенном соотношении между концентрацией примеси в подложке, геометрическими параметрами гребня (шириной и высотой) и напряжением смещения запатентованный конденсатор большой емкости скачком превращается в обычный конденсатор а именно, в тот момент, когда обратное смещение полностью обедняет основными носителями объем гребня.

Техническим результатом изобретения является создание линейных варакторов, т.е. варакторов, у которых в определенном интервале напряжений смещения Umin < U < Umax зависимость C C(U) имеет вид C(U) aU + b(a < 0,b > 0), причем Cmin= C(Umax) 0. Поставленная цель достигается тем, что в варакторе, состоящем из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован p-n переход и/или барьер Шоттки с другим контактом, эта рабочая область выполнена в форме усеченной призмы с треугольником (в том числе и криволинейным) или трапецией в основании. Две стороны треугольника L1 и L2 больше третьей D (две боковых стороны трапеции L1 и L2 больше большего из оснований D) и на боковых гранях рабочей области с основаниями L1 и L2 сформированы p-n переходы и/или барьеры Шоттки, имеющие общий контакт, а на боковой грани с основанием D изготовлен омический контакт к рабочей области, причем для получения в диапазоне обратных смещений UminUUmax любой наперед заданной и, в частности, линейной зависимости C(U) емкости варактора C от обратного смещения U, удовлетворяющей условию: где S1 и S2 геометрические площади граней с основаниями L1 и L2 соответственно; R(U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике при обратном смещении U; o= 8,8510-12 Ф/м; где относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S1(U) и S2(U); при этом необходимый закон изменения S(U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f(H) от расстояния H, измеренного вдоль L1 и L2 от точки пересечения сторон L1 и L2 со стороной D, либо при заданной f(H) выбором зависимости расстояния d между L1 и L2 от H. Для обеспечения предельно высокого коэффициента перекрытия по емкости размер стороны D должен удовлетворять условию: 2R(UпрD>2R(O), где Uпр напряжение пробоя в данном полупроводнике при данной концентрации примеси.

Кроме того, варактор может иметь неоднородно легированную рабочую область и она может быть выполнена в форме пирамиды или конуса. Кроме того, одна из граней рабочей области с основанием L1 или L2 может представлять собой границу раздела легированный полупроводник-изолирующая (полуизолирующая) подложка.

Изобретение заключается в выборе подходящей геометрии рабочей области, а именно такой, чтобы при изменении обратного смещения менялось не только расстояние между обкладками конденсатора, но и площадь обкладок.

На фиг.1 изображен варактор с рабочей областью в форме треугольной призмы ABCDEF для двух значений обратного смещения U1 и U2 > U1. При этом действующая площадь обкладок уменьшается с увеличением обратного смещения; на фиг. 2 варактор с рабочей областью в форме усеченной треугольной призмы, в котором зависимость действующей площади обкладок от величины обратного смещения используется для получения заданной вольт-фарадной характеристики; на фиг. 3 представлена конкретная реализация линейного варактора с использованием p-n переходов на кремнии; на фиг.4 изображены зависимости f(H), описывающие геометрию рабочей области линейных варакторов, показанных на фиг.3,6 и 8; на фиг.5 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.3; на фиг.6 конкретная реализация линейного варактора с использованием барьера Шоттки на арсениде галлия; на фиг.7 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.6; на фиг.8 линейный варактор, созданный на диффузионном слое в кремнии с использованием барьера Шоттки; на фиг.9 вольт-фарадная характеристика варактора, показанного на фиг.8.

Рассмотрим фиг. 1 на которой изображен варактор с рабочей областью 1 из однородно легированного полупроводника n- или p-типа в форме треугольной призмы ABCDEF с омическим контактом 2 на боковой грани ABFE. На двух других боковых гранях ABCD и EFCD сформирован p-n переход 3 с общим металлическим контактом 4. При использовании барьера Шоттки слой 3 отсутствует, и металл 4 наносится непосредственно на грани ABCD и EFCD рабочей области. На фиг.1 показаны также область пространственного заряда 5, нейтральная область 6 и клеммы 7 для подключения источника обратного смещения. При увеличении обратного смещения, приложенного одновременно к боковым граням ABCD и EFCD через общий для них контакт 4, области пространственного заряда 5 этих граней перекрываются, что и приводит к уменьшению действующей площади обкладок.

Действительно, емкость варактора при обратном смещении U (фиг.1а) равна сумме емкостей двух плоских конденсаторов с обкладками A'B'C'D' и E'F'C'D', площади которых зависят от величины обратного смещения (фиг.1б). Назовем площадь фигуры A'B'C'D' действующей площадью обкладки. Дополнительная степень свободы S(U) в формуле для плоского конденсатора: где S(U) действующая площадь обкладок; R(U) расстояние между ними; относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; o= 8,8510-12 Ф/м; и позволяет реализовать разнообразные функциональные зависимости C(U) и, в частности линейную.

Для вывода необходимых количественных соотношений, обратимся к фиг.2, на которой указаны все необходимые параметры.

На фиг. 2 изображен варактор с рабочей областью 1 в форме усеченной треугольной призмы A1A2A3A4A5A6, имеющей в основании равнобедренный треугольник A1A4A5 с длиной основания A1A5, равной D, и длиной боковой стороны A1A4, равной L. На боковой грани A1A2A6A5 изготовлен омический контакт 2 к рабочей области, а на боковых гранях A1A2A3A4 и A3A4A5A6 сформирован барьер Шоттки с общим контактом 4. При подаче обратного смещения между контактами 2 и 4 под гранями A1A2A3A4 и A3A4A5A6 происходит обеднение рабочей области основными носителями заряда на глубину: где R(U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в однородно легированном полупроводнике с концентрацией примеси Ni при обратном смещении U; Uk контактный потенциал; относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; o= 8,8510-12 Ф/м диэлектрическая проницаемость вакуума; q 1,610-19 Кл элементарный заряд.

В результате перекрытия ОПЗ от граней A1A2A3A4 и A3A4A5A6 нейтральная часть рабочей области представляет собой усеченную треугольную призму , имеющую в основании равнобедренный треугольник , длины всех сторон которого зависят от приложенного обратного смещения. На фиг.2 через H(U) обозначена длина боковой стороны этого треугольника; через f(H) обозначена высота грани A1A2A3A4 в точке О, отстоящей на величину H(U) от вершины A1, а через d(U) обозначено расстояние между гранями A1A2A3A4 и A3A4A5 A6, измеренное вдоль прямой, проходящей через точку О параллельно основанию A1A5.

В общем случае величины H и d связаны однозначной функциональной зависимостью H F(d), которая задается геометрией рабочей области. Для случая, изображенного на фиг. 2, основание рабочей области представляет собой равнобедренный треугольник с основанием D и боковой стороной L. Здесь зависимость H F(d) имеет вид: Если d(U)<H(U) и d(U)<f(H), то применимо приближение плоского конденсатора, и на основании (1) можно записать: где R(U) дается соотношением (2), а величина H(U) верхнего предела в интеграле находится из условия: d(U) 2R(U) (5) при подстановке его в уравнение H F(d).

Подставляя (5) в (3), получим: Для линейного варактора мы должны иметь в некотором диапазоне обратных смещений UminUUmax: Здесь принято, что Cmin C(Umax)0.

Указанное соотношение может быть выполнено при произвольном законе H F(d) за счет соответствующего выбора функции f(H). И наоборот при заданной f(H) можно обеспечить выполнение соотношение (7) путем соответствующего выбора функции H F(d). Для выполнения условия Cmin0 необходимо потребовать, чтобы 2R(Uпр)D, (8) где R(Uпр) толщина ОПЗ при напряжении пробоя Uпр.

С другой стороны, размер стороны D должен быть больше, чем 2R(O), так как в противном случае вся рабочая область будет полностью обеднена основными носителями заряда уже при нулевом смещении и варактор будет неработоспособен. Для линейных варакторов имеет место совершенно общая связь между Umin и Umax: Таким образом, если принять Umin 0, то Umax 2Uk, и минимальный диапазон смещений для линейного варактора составляет 0U2Uk.

Если же принять, что Umax Uпр, где Uпр - напряжение пробоя данного полупроводника при данной концентрации примеси Ni, то получим максимальный диапазон смещений для линейного варактора 0,33UпрUUпр Из соотношения (4) видно, что выбирая функцию f(H) можно обеспечить любую, наперед заданную спадающую зависимость C=C(U), удовлетворяющую ограничению: До сих пор мы считали, что рабочая область изготовлена из однородно легированного полупроводника. Однако, это требование не является обязательным. Пусть в каждом сечении H const концентрация примеси зависит от расстояния x, отсчитываемого от поверхности вглубь рабочей области Ni(x,H). Обозначим через R1(H,U) и R2(H,U) толщины областей обеднения, формирующихся у граней A3A4A5A6 и A1A2A3A4 соответственно (фиг.2). Уравнения, определяющие величины R1(H,U) и R2(H,U) имеют вид: где d расстояние между гранями, измеренное вдоль прямой, параллельной A1A5 при данном значении H.

Уравнение (4) при этом перепишется в виде: где R1(H, U) и R2(H, U) даются соотношениями (11) и (12), а величина верхнего предела в интеграле (13) находится из условия: d(U) R11(H,U) + R2(H,U) при подстановке его в уравнение H=F(d).

Для линейного варактора мы должны иметь в некотором диапазоне обратных смещений UminUUmax: Здесь, как и в (7), принято, что Cmin C(Umax)0.

При заданных зависимостях Ni(x,H) и H F(d) из уравнения (15) может быть найдена функция f(H). Если же заданы Ni(x, H) и f(H), то из уравнения (14) можно определить функцию F(d).

Для выполнения условия Cmin0 необходимо, чтобы в любом сечении рабочей области достигался режим полного обеднения основными носителями заряда.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. На подложке кремния КДБ-0,01 была выращена эпитаксиальная пленка n-типа с концентрацией электронов n 11015 см-3. Стандартными методами фотолитографии, химического травления, диффузии и металлизацией была изготовлена структура, показанная на фиг.3, где 1 рабочая область из n-Si, 2 p+-Si с концентрацией дырок p1018 см-3, 3 омический контакт к p+-Si, 4 омический контакт к рабочей области, d 4,4 мкм, D 7,6 мкм. Вид на рабочую область сверху (профиль шаблона f(H) в нормированном виде) приведен на фиг.4 (кривая 1, Hmax 5 мм; fmax 1,4 мм). На фиг.5 представлена вольт-фарадная характеристика этого варактора. Как видно из графика, начиная с обратных смещений примерно 3 В емкость варактора изменяется линейно. Минимальная емкость прибора была примерно 1 пФ при U 10,5 В, так что коэффициент перекрытия по емкости составил K600.

Пример 2. На подложке из полуизолирующего арсенида галлия была выращена структура, состоящая из высокоомного буферного слоя толщиной 0,8 мкм и активного слоя n-GaAs с концентрацией n 21016 см-3 толщиной 1 мкм. Методом фотохимического травления производилось неоднородное по площади утонение активного слоя, причем толщина спадала примерно по экспоненциальному закону. Вид прибора показан на фиг.6, где 1 подложка из полуизолирующего GaAs, 2 буферный высокоомный слой, 3 активный слой n-GaAs, 4 омический контакт к рабочей области, 5 барьер Шоттки, d 0,4 мкм, D 0,6 мкм. Форма барьера Шоттки приведена в нормированном виде на фиг.4 (кривая 2, Hmax 1000 мкм, fmax 300 мкм). Вольт-Фарадная характеристика варактора представлена на фиг.7, из которой видно, что емкость уменьшается с ростом обратного смещения в диапазоне 0U1,4 В примерно по линейному закону.

Пример 3. Путем диффузии фосфора в подложку, из высокоомного кремния был сформирован профиль распределения примеси вида: где NO 11016 см-3 поверхностная концентрация донорной примеси, а xO 0,6 мкм. На диффузионном слое изготавливался косой шлиф, на поверхность которого наносился барьер Шоттки с конфигурацией, рассчитанной по уравнению (15) при R2(H, U). Вид прибора показан на фиг.8, где 1 подложка с диффузионным слоем, 2 барьер Шоттки, 3 омический контакт к диффузионному слою, d 0,54 мкм. Форма барьера Шоттки приведена на фиг.4 (кривая 3, Hmax 1 мм, fmax 58 мкм). Вольт-Фарадная характеристика варактора показана на фиг.9, из которой видно, что в диапазоне обратных смещений 0,4U2 В емкость линейно падает с напряжением.

При осуществлении изобретения получены варакторы, обладающие следующими преимуществами: 1. В определенном диапазоне обратных смещений UminUUmax, который может изменяться в широких пределах (от 2Uk до примерно 0,6 Uпр, где Uk контактный потенциал, Uпр напряжение пробоя), емкость варактора линейно уменьшается с приложенным напряжением, что резко упрощает построение схем параметрического усиления, умножения и смещения частот.

2. Коэффициент перекрытия по емкости K Cmax/Cmin достигает значений, превышающих 100.

3. Для создания таких варакторов не требуется каких-либо специальных материалов или сложных технологических приемов.

Приведенные примеры показывают, что практическая реализация линейных варакторов возможна с использованием различных полупроводников, как однородно, так и неоднородно легированных, с применением как p-n переходов, так и барьеров Шоттки. Все это открывает широкие возможности для применения указанных приборов.

Формула изобретения

1. Варактор, состоящий из рабочей области из однородно легированного полупроводника с омическим контактом, на которой сформирован р n-переход и/или барьер Шоттки с другим контактом, отличающийся тем, что рабочая область выполнена в форме усеченной призмы, имеющей в основании треугольник, в том числе и криволинейный, две стороны которого L1 и L2 больше третьей D, или трапецию, две боковые стороны которой L1 и L2 больше большего из оснований D, на боковых гранях рабочей области с основаниями L1 и L2 сформированы р-n- переходы и/или барьеры Шоттки, имеющие общий контакт, а на боковой грани с основанием D изготовлен омический контакт к рабочей области, причем для получения любой наперед заданной и, в частности, линейной зависимости С (U) емкости варактора С от обратного смещения U в диапазоне обратных смещений Umin U Umax, удовлетворяющей условию где S1 и S2 геометрические площади граней с основаниями L1 и L2 соответственно; R (U) толщина области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике при обратном смешении U; o= 8,8510-12 Ф/м; - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, концентрацию примеси в рабочей области и ее геометрические параметры выбирают так, что при увеличении обратного смещения за счет перекрытия ОПЗ от противолежащих граней изменяются действующие площади обкладок S1 (U) и S2 (U), при этом необходимый закон изменения S (U) обеспечивают либо соответствующим выбором зависимости высоты грани f (H) от расстояния Н, измеренного вдоль L1 и L2 от точки пересечения сторон L1 и L2 со стороной D, либо, при заданной f (H) выбором зависимости расстояния d между L1 и L2 от Н, при этом для обеспечения предельно высокого коэффициента перекрытия по емкости размер стороны D удовлетворяет условию 2R (Uпр) D > 2R (О), где Uпр напряжение пробоя в данном полупроводнике при данной концентрации примеси.

2. Варактор по п.1, отличающийся тем, что одна из граней с основанием L1 или L2 представляет собой границу раздела легированный полупроводник изолирующая (высокоомная) подложка.

3. Варактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочая область легирована неоднородно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9