DE1589701B2 - Kapazitaetsdiode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Kapazitaetsdiode und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Kapazitätsdioden werden in großem Maße in parametrischen Verstärkern, harmonischen Oszillatoren
und anderen Schaltungen benutzt, ebenso als veränderbare Kondensatoren. Die wichtige Eigenschaft
dieser Bauelemente besteht darin, daß sich die Kapazität des pn-Übergangs mit der angelegten
Spannung ändert. Dieser Effekt wird bei anliegender Sperrspannung durch die Ausbreitung der Raumladungszone
des pn-Übergangs 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'h. Diese Abhängigkeit kann zur
Erzeugung von harmonischen Schwingungen verwendet werden, jedoch ist die kleine und schwache Kapazitätsspannungsabhängigkeit
nicht ideal hierfür. In üblichen Kapazitätsdioden entsteht die Kapazitätsänderung
nur durch die Ausbreitung der Raumladungszone, während deren Fläche konstant bleibt.
Die Erfindung betrifft eine Kapazitätsdiode mit zwei in einem Halbleiterkörper angeordneten aneinandergrenzenden
und mit Anschlüssen versehenen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps und unterschiedlichen
spezifischen Widerstandes, wobei der zwischen beiden Zonen liegende pn-übergang von
der Zone höheren Widerstandes aus in die andere Zone hinein eingekerbt ist. Eine derartige Kapazitätsdiode
war bereits aus den Unterlagen des deutsehen Gebrauchsmusters 1 851 678 bekannt. Diese
bekannte Kapazitätsdiode hat den Vorteil einer Weiten- und-Flächenänderung der Raumladungszone
mit der Spannung, so daß sich eine empfindliche und beeinflußbare Kapazitätsänderung bei angelegter
Spannung ergibt und ebenso ein vergrößerter Kapazitätsvariationsbereich. Bei der Herstellung der bekannten
Kapazitätsdiode besteht aber die Schwierigkeit der gleichzeitigen Herstellung einer größeren
Anzahl auf einem gemeinsamen Substrat. Außerdem ist der isolierte Aufbau auf dem Sockel eines metallischen
Gehäuses und die Ausbildung mit mehreren Kerben schwierig. Aufgabe der Erfindung ist die
Beseitigung dieser Schwierigkeit.
Diese Aufgabe wird bei der bekannten Kapazitäts-
»5 diode erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Zonen als Schichten auf einem Substrat aufgebracht
sind, daß sich beide Zonen bis zum Substrat hinunter erstrecken und daß der pn-übergang mehrfach
eingekerbt ist.
3" Von besonderem Vorteil ist bei der Herstellung der Kapazitätsdiode nach der Erfindung die Verwendung
eines isolierenden Substrats aus isolierendem Gallium-Arsenid, wie es in der englischsprachigen
Literatur als »semi-insulating GaAs« bekannt ist und im folgenden daher als »halbisolierendes Gallium-Arsenid«
bezeichnet wird. In diesem Zusammenhang wird auf die Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Bd. 32, Nr. 10 (Oktober 1961),
S. 2069 bis 2073, verwiesen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun bezüglich der in der Zeichnung dargestellten
Figuren näher beschrieben.
F i g. 1 ist. die Schnittansicht einer Kapazitätsdiode entsprechend der Erfindung;
Fig. 2 ist: der Grundriß der Diode und zeigt die
Form des pn-Übergangs;
Fig. 3 zeigt einen Teil der Fonngebung des
pn-Übergangs.
Eine auf einem Substrat 2 aus halbisolierendem Gallium-Arsenid aufgebrachte Schicht 1 aus n-leitendem
Gallium-Arsenid umschließt seitlich eine Schicht 3 aus p-leitendem Gallium-Arsenid, die sich
bis zum Substrat 2 hinunter erstreckt.
Die η-leitende Schicht 1 hat einen höheren spezifischen Widerstand als die p-leitende Schicht. Die
Form des am Umfang verlaufenden pn-Übergangs 4, der senkrecht zum Substrat 2 sowie zwischen der
η-leitenden Schicht 1 und der ρ-leitenden Schicht 3 verläuft, ist in F i g. 2 gezeigt. Der pn-übergang ist
im grundsätzlichen kreisförmig mit einer Vielzahl von Einkerbungen 5 ausgebildet, die sich von der
η-leitenden Seite des pn-Übergangs her in die p-leitende Seite hinein erstrecken.
Die η-leitenden und p-leitenden Schichten sind durch einen Siliciumdioxydfilm 6 außer an denjenigen
Stellen geschützt, wo ein ohmscher Kontakt 7 an der p-leitenden Schicht 3 und ein ringförmiger
ohmscher Kontakt 8 an der η-leitenden Schicht 1
angebracht ist. Der Kontakt 8 hat einen inneren Radius, der größer ist als die maximale Ausdehnung
der Grenze der Raumladungszone des pn-Übergangs 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 η-leitenden Schicht 1 durch die gestrichelte
Linie 9 angedeutet ist, mehr und mehr runde Form in dem Maß 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 η-leitendem Gallium-Arsenid,
oder es wird ein Teil des Substrats in die η-leitende Schicht umgewandelt. Eine Siliciumdioxydschicht
wird dann auf der η-leitenden Schicht 'Λ erzeugt.
-1 Eine Anzahl von Kapaziätsdioden kann gleichzeitig
auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden. Der nächste Verfahrensschritt ist dann, daß
in der Siliciumdioxydschicht durch übliche photolithographische Techniken eine Vielzahl von voneinander
getrennten Fenstern angebracht wird, wovon jedes so geformt ist, daß bei einer nachfolgenden
Diffusion eines p-leitenden Dotierungsmaterials 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.
Die abschließenden Herstellungsschritte 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 η-leitenden Schicht. Die einzelnen Dioden werden dann schließlich vonein-
^ ander getrennt.
■J Die oben beschriebene Kapazitätsdiode von sehr
kleiner Kapazität hat relativ große Kontaktflächen. Zusätzlich ist die Wärmeableitung vom pn-übergang
weg günstiger als bei üblichen Kapazitätsdioden.
Der genaue Zuschnitt der Kapazitäts-Spannungs- und Kapazitäts-Güte-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 Kapazitätsspannungsabhängigkeit benötigten
pn-Übergangs kann auf folgende Weise bestimmt werden. Die benötigte Beziehung soll lauten:
60 C - C
in F i g. 2 gezeigten pn-Ubergangs so. wie in F i g. 3 gezeigt, ausgebildet sein, die in üblichen rechtwinkligen
.r-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-Übergangs für die oben angegebene C-[/-Abhängigkeit:
(u+udy>'
wobei Cu die Kapazität bei angelegter Spannung U,
C0 die Kapazität beim Wert 0 der angelegten Spannung
und Ud die innere Spannung (ungefähr 1 V bei Gallium-Arsenid) bedeutet.
Femer soll die Form einer der Einkerbungen des wobei d0 die Weite der Raumladungszone bei der
Sperrspannung 0 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 spezifischem Widerstand als die umschlossene Schicht ist. In diesem Fall wird sich die Grenze
der Raumladungszone bei anwachsender Sperrspannung wie zuvor vom pn-übergang nach außen hin
ausbreiten.
Wenn die umschlossene Schicht (p- oder n-leitend) von höherem spezifischem Widerstand als die umschließende
Schicht (n- oder p-leitend) ist, so dehnt sich die Grenze der Raumladungszone bei ansteigender
Sperrspannung vom pn-Ubergang nach innen hin aus. Bei geeigneter Wahl von Form, Größe,
Winkel und Anzahl der Einkerbungen des am Umfang verlaufenden pn-Übergangs, die sich von der
höherohmigen Schicht in die niederohmige Schicht erstrecken, wird die Grenze der Raumladungszone
mehr und mehr eine runde Form annehmen, so daß die gewünschte Kapazitätsänderungsrate bei Änderung
der Sperrspannung auftritt.
Anstatt die n- und p-leitenden Schichten aus Gallium-Arsenid herzustellen, können auch andere geeignete
Halbleitermaterialien, wie Germanium oder Galliumphosphid, auf einem halbisolierenden GaI-lium-Arsenid-Substrat
verwendet werden.
Für das isolierende Substrat können andere Materialien als halbisolierendes Gallium-Arsenid in
Verbindung mit geeignetem Halbleitermaterial zur Bildung der p-leitenden und η-leitenden Schichten
verwendet werden.
Für das isolierende Substrat können andere Materialien als halbisolierendes Gallium-Arsenid in
Verbindung mit geeignetem Halbleitermaterial zur Bildung der p-leitenden und η-leitenden Schichten
verwendet werden.
Beispielsweise kann als Substrat Saphir mit epitaktisch aufgebrachtem Silicium verwendet werden,
wobei die nachfolgende Diffusion in der epitaktischen Siliciumschicht ausgeführt wird. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, Siliciumdioxyd auf einer einkristallinen Siliciumscheibe aufwachsen zu lassen
und dann z. B. polykristallines Silicium aufzubringen. Die Scheibe wird dann umgedreht, die einkristalline
Schicht auf die gewünschte Dicke abgeläppt oder abgeätzt und die Schicht entgegengesetzten
Leitungstyps durch die einkristalline Schicht hindurch mittels Diffusion oder anderer bekannter
Verfahren gebildet.
Die allgemeine Form des Bauelements ist nicht
auf die runde Form des Ausführungsbeispiels beschränkt, sondern kann variiert sein, um sie an
spezielle Erfordernisse anzupassen. Beispielsweise 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.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Kapazitätsdiode mit zwei in einem Halbleiterkörper
angeordneten aneinandergrenzenden und mit Anschlüssen versehenen Zonen unterschiedlichen
Leitungstyps und unterschiedlichen spezifischen Widerstandes, wobei der zwischen
beiden Zonen liegende pn-übergang von der Zone höheren Widerstandes aus in die andere
Zone hinein eingekerbt ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Zonen als Schichten
auf einem Substrat aufgebracht sind, daß sich beide Zonen bis zum Substrat hinunter erstrecken
und daß der pn-übergang mehrfach eingekerbt ist
2. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Substrat aus
Galliumarsenid besteht, wobei die beiden Schichten aus halbleitendem Galliumarsenid, Galliumphosphid
oder Germanium bestehen können.
3. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Saphir und
die beiden Schichten aus halbleitendem Silicium bestehen.
4. Verfahren zum Herstellen einer Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einer einkristallinen Siüciumscheibe eine Schicht Siliciumdioxyd durch Aufwachsen hergestellt
wird, daß diese Siliciumdiöxydschicht mit polykristallinem Silicium bedeckt wird, daß die
Dicke der einkristallinen Siüciumscheibe verringert wird und daß anschließend in der einkristallinen
Siüciumscheibe die erste und die zweite Zone gebildet werden.
5. Verfahren zum Herstellen einer Kapazitätsdiode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Schicht epitaktisch auf einem Substrat aufgebracht wird und daß anschließend eine zweite Schicht in der vorher
aufgebrachten ersten Schicht gebildet wird.
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