DE1589701A1 - Kapazitaetsdiode - Google Patents
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Description
DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG, FREIBURG i.Br.
Die Priorität der Anmeldung in Großbritannien vom 22. November 1966
Nr. 52 156/66 ist in Anspruch genommen.
Die Erfindung betrifft eine Kapazitätsdiode, die aus einer auf einem isolierenden Substrat aufgebrachten ersten kontaktierten
Schicht aus Halbleitermaterial des einen Leitungstyps und einer zweiten kontaktierten Schicht aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten
Leitungstyps besteht.
Kapazitätsdioden werden in großem Maße in parametrischen Verstärkern,
harmonischen Oszillatoren und anderen Schaltungen benütat, ebenso als veränderbare Kondensatoren. Die wichtige Eigenschaft
dieser Bauelemente besteht darin, daß sich die Kapazität des
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— 2 ~
pn-Ubergangs mit der angelegten Spannung Ändert. Dieser Effekt
wird bei anliegender -Sperrspannung durch die Ausbreitung der Rauinladungszone des pn-Ubergangs hervorgerufen. Bei einem abrupten
pn-übergang hat die Ausbreitung der Raumladungszone eine
Kapazität C zur Folge, die sich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der angelegten Spannung U ändert. Bei einem weichen
pn-übergang ist die Kapazität C umgekehrt proportional zu U ' .
Diese Abhängigkeit kann zur Erzeugung von harmonischen Schwingungen verwendet werden, jedoch ist die kleine und schwache Kapazitäts—SpannungsabhSngigkeit
nicht ideal hierfür. In üblichen Kapazitätsdioden entsteht die Kapazitätsänderung nur durch die
Ausbreitung der Raumladungszone; während deren Fläche konstant bleibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Weiten- und Flächenänderung
der Raumladungszone mit der Spannung zu erhalten, so daß sich eine
empfindliche und beeinflußbareKapazitätsänderung bei angelegter
Spannung ergibt und ebenso ein vergrößerter Kapazitätsvariationsbereich.
Dies läßt sich bei der oben beschriebenen Kapazitätsdiode erfindungsgemäß
dadurch erreichen, daß die zweite Schicht an die erste Schicht angrenzt oder sie umschließt und sich bis zum Substrat
hinunter erstreckt, daß eine der beiden Schichten einen höheren spezifischen Widerstand besitzt als die andere und daß der zwischen
den beiden Schichten liegende pn-übergang von der Schicht höheren spezifischen Widerstands aus in die andere Schicht hinein mehrfach
eingekerbt ist. -
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Ein bevorzugtes AuefÜhrungsbeispiel dar Erfindung wird nun bezüglich
dar in der Zeichnung dargestellten Figuren nlher beschrieben.
Fig. t ist die Schnittansicht einer Kapazitätsdiode entsprechend
der Erfindung.
Flg. 2 ist der GrundriB der Diode und zeigt die Form des
pn-Obergangs .
Eine auf «inen Substrat 2 aus halbisollerendem Gallium-Ar sen i<3
aufgebrachte Schicht 1 aus n-leitendem Gallium-Arsenid, die
svelte Schicht entgegengesetzten Leitungetyps, umschließt seitlich «ine Schicht 3 aus p-leitendem Gallium-Arsenid, die erste
Schicht des einen Leitungstype, die sich bis zum Substrat 2 hinunter erstreckt.
Die η-leitende Schicht l· hat einen höheren spezifischen Wideretand
als die p-leitende Schicht. Die Form des am Umfang verlaufenden
pn-Obergangs 4, der senkrecht zum Substrat 2 sowie zwischen der η-leitenden Schicht 1 und der p-leitenden Schicht
verltuft, ist in Fig. 2 gezeigt. Der pn-übergang ist im grundsltzllohen
kreisfOmIg «it einer Vielzahl von Einkerbungen 5
ausgebildet, die sich von der η-leitenden Seite des pn-Ubergangr
her in dl· p-leitende Seite hinein erstrecken.
Die n-leitenden und p-leitenden Schichten sind durch einen SiliciUMdloxydfila
6 außer an denjenigen Stellen geschützt, wo ein ohmscher Kontakt 7 an der p-leitenden Schicht 3 und ein ringförmiger
ohnscher Kontakt 8 an der η-leitenden Schicht 1
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angebracht ist. Der Xontakt 8 hat einen inneren Radius, der größer ist als die maximale Auedehnung der Grenze der Raumladung*-
xone des pn-Ubergangs 4 in der η-leitenden Schicht 1.
Mit ansteigender, an die Diode über die Kontakte 7 und 8 angelegter
Sperrspannung nimmt die Grenze der Raumladungszone, die
in der höherohmigen n-lei€enden Schicht 1 durch die gestrichelte
Linie 9 angedeutet ist, mehr und mehr runde Form in dem MaB an, wie sich die Raumladungszone in die η-leitende Schicht 1 hinein
nach außen hin ausbreitet. Die Kapazität ist somit eine Funktion des Winkels der Einkerbungen 5, ihrer Anzahl und ihrer Form.
Die Herstellung der Kapazitätsdiode kann folgende Schritte umfassen.
Ein halbisolierendes Gallium-Arsenid-Substrat besitzt entweder eine Schicht aus epitaktisch aufgebrachtem n-leitendem
Gallium-Arsenid, oder es wird ein Teil des Substrats in die n-leitende Schicht umgewandelt. Eine Siliciumdioxydschicht wird
dann auf der η-leitenden Schicht erzeugt.
Eine Anzahl von Kapazitätsdioden kann gleichzeitig auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden. Der nSchste Verfahrensschritt ist dann, daß in der Siliciumdioxydschicht durch übliche
photolithographische Techniken eine Vielzahl von voneinander getrennten Fenstern angebracht wird, wovon jedes so geformt ist,
dafl bei einer nachfolgenden Diffusion eines p-leitenden Dotierungsroaterials
in die η-leitende Schicht eine entsprechende Vielzahl von p-leitenden Schichten gebildet werden, wie sie in
der Zeichnung gezeigt sind, und die sich bis zum Substrat hinunter erstrecken.
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Die abschließenden llerstellungsschritte umfassen das Anbringen
von ohmschen Kontakten an den p-leitenden Schichten und das Entfernen
von ringförmigen Teilen der Siliciumdioxydschicht über der
η-leitenden Schicht und um jede p-leitende Schicht herum, sowie
das Anbringen eines ringförmigen ohmschen Kontaktes an der n-leitenden Schicht. Die einseinen Dioden werden dann schlieBlich
voneinander getrennt.
Die oben beschriebene Kapazitätsdiode von sehr kleiner Kapazität
hat relativ große Kontaktflächen. Zusätzlich ist die Wärmeableitung vom pn-übergang weg gUnstiger als bei (!blichen Kapazitätsdioden.
Der genaue Zuschnitt der Kapazitäts-Spannungs- und Kapazitäts-GUte-Abhängigkeit
für gewünschte oder optimale Bedingungen wird durch einfache Wahl der entsprechenden Umrißform für die Diffusion
ermöglicht. Dies leistet der photolithographische Prozeß, bei dem die den individuellen Erfordernissen angepaßten Parameter leicht
durch eine geeignete photographische Maske eingestellt werden können.
Die Form bzw. der Verlauf des für eine vorgegebene Kapazitätsgpannungsabhängigkeit
benötigten pn-Ubergangs kann auf folgende Weise bestimmt werden. Die benötigte Beziehung soll lauten:
(U + Ud) n
wobei Cy die Kapazität bei angelegter Spannung U, CQ die Kapa
zität beim Wert O der angelegten Spannung und U^ die innere
Spannung (ungefähr 1 V bei Gallium-Arsenid) bedeutet.
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Ferner soll die Form einer der Einkerbungen des in Fig. 2 gezeigten
pn-Ubergangs so, wie in Pig. 3 gezeigt, ausgebildet sein,
die in üblichen rechtwinkligen x-y-Koordinaten gezeichnet ist,
und zwar so, daß die Raumladungszone, die durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, durch den Koordinatenursprung und den
Punkt (p, q) verläuft. In diesem Fall lautet die Gleichung des pn-Ubergangs für die oben angegebene C-U-Abhängigkeit:
wobei dQ die Weite der Raumladungszone bei der Sperrspannung O
bedeutet.
Die Gleichung ist eine Näherung, die für kleine Werte von χ
nicht gültig ist.
Bei anderen Strukturen als den in der Zeichnung gezeigten, kann die umschließende Schicht auf dem Substrat p-leitend und die
umschlossene Schicht η-leitend sein, wobei die umschließende
Schicht von höherem spezifischen Widerstand als die umschlossene Schicht ist. In diesem Fall wird sich die Grenze der Rauraladungszone
bei anwachsender Sperrspannung wie zuvor vom pnübergang nach außen hin ausbreiten.
Wenn die umschlossene Schicht (p- oder η-leitend) von höherem
spezifischen Widerstand als die umschließende Schicht (n- oder . p-leitend) ist, so dehnt sich die Grenze der Raumladungszone
j bei ansteigender Sperrspannung vom pn-übergang nach innen hin aus. Bei geeigneter Wahl von Form, Größe, Winkel und Anzahl
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der Einkerbungen des am Umfang verlaufenden pn-Ubergangs, die
•Ich von der höherohmigen Schicht in die niederohmige Schicht
erstrecken, wird die Grenze der Raumladungszone mehr und mehr •in· runde Form annehmen, so daß die gewünschte Kapazitätsänderungsrate
bei Änderung der Sperrspannung auftritt.
Anstatt die n-und p-leitenden Schichten aus Ga11ium-Arsenid
herzustellen, können auch andere geeignete Halbleitermaterialien wie Germanium oder Galliumphosphid auf einem halbisolierenden
Gallium-Axsenid-Substrat verwendet werden.
Für das isolierende Substrat können andere Materialien als halbisolierend··
Gallium-Arsenid in Verbindung mit geeignetem Halbleitermaterial
zur Bildung der p-leitenden und n-leitenden Schichten verwendet werden.
Beispielsweise kann als Substrat Saphir mit epitaktisch aufgebrachten
Silizium verwendet werden, wobei die nachfolgende Diffusion in der epitaktischen Siliziumschicht ausgeführt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, Siliziumdioxyd auf einer
einkristallinen Siliziumscheibe aufwachsen zu lassen und dann z.B. polykristallines Silizium aufzubringen. Die Scheibe wird
dann umgedreht, die einkristalline Schicht auf die gewünschte Dicke abgellppt oder abgeätzt und die Schicht entgegengesetzten
Leitungetyps durch die einkristalline Schicht hindurch mittels Diffusion oder anderer bekannter Verfahren gebildet.
Die allgemeine Form des Bauelements ist nicht auf die runde Form
des Ausführungsbeisplels beschrankt, sondern kann variiert sein,
UBi si· an spezielle Erfordernisse anzupassen. Beispielsweise
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können zwei halbleitende Schichten nebeneinander auf ein isolierendes
Substrat mit einem im allgemeinen geraden dazwischenliegenden pn-übergang aufgebracht werden, der mehrfach von der
Schicht höheren spezifischen Widerstands aus in die Schicht niedrigeren spezifischen Widerstands hinein eingekerbt ist.
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Claims (5)
1. Kapazitätsdiode, bestehend aus einer auf einem isolierenden
Substrat aufgebrachten ersten kontaktierten Schicht aus Halbleitermaterial des einen Leitungstyps und einer zweiten
kontaktierten Schicht aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
Schicht (1) an die erste Schicht (3) angrenzt oder sie umschließt und sich bis zum Substrat (2) hinunter erstreckt,
daß eine der beiden Schichten einen höheren spezifischen Widerstand besitzt als die andere und daß der zwischen den
beiden Schichten liegende pn-übergang (4) von der Schicht höheren spezifischen Widerstands aus in die andere Schicht
hinein mehrfach eingekerbt ist.
2. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus halbisolierendem Gallium-Arsenid besteht und
die erste und zweite Schicht aus halbleitendem Gallium-Arsenid, Gallium-Phoephid oder Germanium.
3. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Saphir und die erste und zweite Schicht aus
halbleitendem Silizium bestehen.
4. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus auf einer einkristallinen Siliziumscheibe
aufgewachsenem Siliziumdioxyd besteht, daß das Siliziumdioxyd mit polykristallinem Silizium bedeckt ist und daß die erste
und zweite Zone im einkristallinen Silizium gebildet ist, nach dem die Siliziumscheibe auf geeignete Dicke reduziert
ist.
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ISE/Reg. 3772 - Fl 525 J. Franks et al 7-5-3
5. Kapazitätsdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Schicht epitaktisch auf dem
Substrat aufgebracht ist und daß die zweite Schicht durch Diffusion in der aufgebrachten ersten Schicht gebildet ist.
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Leerseite
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