RU192894U1

RU192894U1 - Microwave mdp varicap

Info

Publication number: RU192894U1
Application number: RU2019121393U
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Спиридонов; Анастасия Александровна Фастовец
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2019-10-04

Abstract

Полезная модель относится к области полупроводниковой электроники. МДП-варикап предлагаемой конструкции может быть использован при разработке МДП-варикапов, предназначенных для применения в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона.В основу полезной модели поставлена задача увеличения предельной частоты прибора. Поставленная задача достигается тем, что в СВЧ МДП-варикапе область электронной проводимости, контактирующая с управляющим электродом, расположена на поверхности плавающей области дырочной проводимости и выполнена из поликристаллического материала. Область легированного донорной примесью поликристаллического кремния создают на этапе формирования затворов МДП структур, что обеспечивает высокое качество границы раздела кремний-диэлектрик. Соответственно, низкая плотность поверхностных состояний исключает потери мощности СВЧ сигнала на границе раздела.Отсутствие области электронной проводимости в пределах локализации области дырочной проводимости узла стока позволяет уменьшить толщину полупроводника электронной проводимости при том же уровне технологии. По сравнению с известными решениями прибор имеет меньшее значение последовательного сопротивления потерь и более высокое значение предельной частоты. 2 ил.The utility model relates to the field of semiconductor electronics. The MIS-varicap of the proposed design can be used in the development of MIS-varicaps intended for use in RF and microwave devices. The utility model is based on the task of increasing the maximum frequency of the device. The problem is achieved in that in the microwave MIS-varicap the region of electronic conductivity in contact with the control electrode is located on the surface of the floating region of hole conductivity and is made of polycrystalline material. The region of polycrystalline silicon doped with a donor impurity is created at the stage of gate formation of MIS structures, which ensures high quality of the silicon-insulator interface. Accordingly, the low density of surface states eliminates the loss of power of the microwave signal at the interface. The absence of the region of electronic conductivity within the localization region of the hole conductivity of the drain node makes it possible to reduce the thickness of the semiconductor of electronic conductivity at the same level of technology. Compared with the known solutions, the device has a lower value of series loss resistance and a higher value of the limiting frequency. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области полупроводниковой электроники и может быть использована при разработке варикапов на основе структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), предназначенных для применения в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона.The utility model relates to the field of semiconductor electronics and can be used in the development of varicaps based on a metal-dielectric-semiconductor (MIS) structure intended for use in RF and microwave devices.

Известен СВЧ МДП-варикап с переносом заряда [1]. Данный прибор содержит полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод и расположенный вне области локализации управляющего электрода узел стока неосновных носителей на основе резистора и p-n-перехода. Узел стока неосновных носителей выполнен в слое поликристаллического кремния, расположенном на диэлектрике, и содержит две легированные области, разделенные резистивной областью нелегированного поликристаллического кремния, причем первая область, легированная акцепторной примесью, имеет общую границу раздела с поверхностью полупроводника, а вторая легированная область соединена с управляющим электродом.Known microwave MIS-varicap with charge transfer [1]. This device contains a semiconductor of electronic conductivity, a dielectric, a control electrode, and a minority carrier drain assembly based on a resistor and p-n junction located outside the localization region of the control electrode. The minority carrier drain node is made in a polycrystalline silicon layer located on a dielectric and contains two doped regions separated by a resistive region of undoped polycrystalline silicon, the first region doped with an acceptor impurity having a common interface with the semiconductor surface, and the second doped region is connected to the control electrode.

Недостаток данной конструкции состоит в том, что максимальное значение рабочей температуры прибора ограничивается величиной тока обратно смещенного p-n-перехода узла стока.The disadvantage of this design is that the maximum value of the operating temperature of the device is limited by the magnitude of the current of the reverse biased p-n junction of the drain node.

Наиболее близким к предлагаемой конструкции прибора является варикап [2]. Данный прибор содержит полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод, область дырочной проводимости и область электронной проводимости, образующие узел стока неосновных носителей с p-n-переходом, и контактирующий с полупроводником электрод. Область электронной проводимости узла стока расположена в пределах локализации области дырочной проводимости и соединена с управляющим электродом, область дырочной проводимости сформирована в полупроводниковой подложке n-типа и изолирована от электродов.Closest to the proposed design of the device is a varicap [2]. This device contains a semiconductor of electronic conductivity, a dielectric, a control electrode, a region of hole conductivity and a region of electronic conductivity forming a drain node of minority carriers with a p-n junction, and an electrode in contact with the semiconductor. The electron conductivity region of the drain node is located within the localization of the hole conductivity region and is connected to the control electrode, the hole conductivity region is formed in an n-type semiconductor substrate and is isolated from the electrodes.

Недостаток данной конструкции прибора состоит в том, что максимальное значение предельной частоты, ограничено толщиной полупроводника, которая не может быть меньше, чем глубина области дырочной проводимости, с учетом ширины области пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике электронной проводимости. При этом глубина области дырочной проводимости должна быть достаточной для формирования локальной области электронной проводимости, минимальная толщина которой ограничена шириной ОПЗ в данной области.The disadvantage of this device design is that the maximum value of the limiting frequency is limited by the thickness of the semiconductor, which cannot be less than the depth of the hole conduction region, taking into account the width of the space charge region (SCR) in the semiconductor of electronic conductivity. In this case, the depth of the hole conduction region should be sufficient to form a local region of electronic conductivity, the minimum thickness of which is limited by the SCR width in this region.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение предельной частоты СВЧ МДП-варикапа.The objective of the proposed utility model is to increase the limit frequency of the microwave MIS-varicap.

В предлагаемом техническом решении эта задача достигается тем, что в СВЧ МДП-варикапе, содержащем полупроводник электронной проводимости, диэлектрик, управляющий электрод, область дырочной проводимости и область электронной проводимости, образующие узел стока неосновных носителей с р-n-переходом, и контактирующий с полупроводником электрод, область электронной проводимости, контактирующая с управляющим электродом, расположена на поверхности области дырочной проводимости и выполнена из поликристаллического материала.In the proposed technical solution, this problem is achieved by the fact that in a microwave MIS-varicap containing an electronic conductivity semiconductor, a dielectric, a control electrode, a hole conductivity region and an electronic conductivity region forming a drain node of minority carriers with a pn junction and contacting with the semiconductor the electrode, the electronic conductivity region in contact with the control electrode, is located on the surface of the hole conductivity region and is made of polycrystalline material.

На фиг. 1 приведена конструкция предлагаемого СВЧ МДП-варикапа, где 1 - полупроводник электронной проводимости, 2 - диэлектрик, 3 - управляющий электрод, 4 - контактирующий с полупроводником электрод, 5 - область дырочной проводимости, 6 - область электронной проводимости. На фиг. 2 эквивалентная схема, где (а) - при подаче на управляющий электрод положительного напряжения смещения, (б) - при подаче на управляющий электрод отрицательного напряжения смещения.In FIG. 1 shows the design of the proposed microwave MIS-varicap, where 1 is a semiconductor of electronic conductivity, 2 is a dielectric, 3 is a control electrode, 4 is an electrode in contact with a semiconductor, 5 is a region of hole conductivity, 6 is a region of electronic conductivity. In FIG. 2 is an equivalent circuit, where (a) when a positive bias voltage is applied to the control electrode, (b) when a negative bias voltage is applied to the control electrode.

Область электронной проводимости 6 (легированного донорной примесью поликристаллического кремния) создают на этапе формирования затворов МДП структур, что обеспечивает высокое качество границы раздела кремний-диэлектрик. Низкая плотность поверхностных состояний исключает потери мощности СВЧ сигнала на границе раздела.The region of electronic conductivity 6 (doped with a donor impurity of polycrystalline silicon) is created at the stage of forming the gates of the MIS structures, which ensures a high quality of the silicon-insulator interface. The low density of surface states eliminates the loss of power of the microwave signal at the interface.

СВЧ МДП-варикап содержит полупроводник электронной проводимости 1, диэлектрик 2, управляющий электрод 3, контактирующий с полупроводником электрод 4. Узел стока неосновных носителей содержит область дырочной проводимости 5, с которой контактирует область электронной проводимости 6 через вскрытое в диэлектрике контактное окно. Управляющий электрод 3 сформирован на поверхности области электронной проводимости 6 и диэлектрика 2.The microwave MIS-varicap contains an electronic conductivity semiconductor 1, a dielectric 2, a control electrode 3, an electrode 4 in contact with the semiconductor. The minority carrier drainage node contains a hole conductivity region 5, which is contacted by the electron conductivity region 6 through a contact window opened in the dielectric. The control electrode 3 is formed on the surface of the region of electronic conduction 6 and dielectric 2.

Принцип действия предлагаемого прибора состоит в следующем. При подаче на управляющий электрод 3 положительного напряжения смещения (фиг. 2а) реализуется состояние емкости прибора, соответствующее его номинальному значению:The principle of operation of the proposed device is as follows. When a positive bias voltage is applied to the control electrode 3 (Fig. 2a), the state of the device capacitance corresponding to its nominal value is realized:

C_н=C₀⋅S,C _n = C ₀ ⋅S,

где С₀ - удельная емкость диэлектрика 2;where C ₀ is the specific capacitance of dielectric 2;

S - площадь управляющего электрода 3.S is the area of the control electrode 3.

Потери мощности переменного сигнала в цепи МДП 3-2-1-4 учитываются при помощи резистора R_S1. В этом режиме работы ток проводимости узла стока неосновных носителей определяется обратным током n-p-перехода, образованного областью электронной проводимости 6 и областью 5 дырочной проводимости. Вклад узла стока в эквивалентную схему определяется величинами R_P1 и С_Р1, где R_P1 - эквивалентное сопротивление, С_Р1 - эквивалентная емкость обратно-смещенного n⁺-р-перехода.The power loss of the alternating signal in the MIS circuit 3-2-1-4 is taken into account using the resistor R _S1 . In this operating mode, the conductivity current of the minority carrier drain node is determined by the reverse current of the np junction formed by the electron conductivity region 6 and the hole conductivity region 5. The contribution of the drain node to the equivalent circuit is determined by the values of R _P1 and C _P1 , where R _P1 is the equivalent resistance, C _P1 is the equivalent capacitance of the back-biased n ⁺ -p junction.

При положительном напряжении на управляющем электроде область дырочной проводимости соединена с электродом через большое сопротивление n-р-перехода 6-5, которое ограничивает ток р-n перехода 5-1, смещенного в прямом направлении.With a positive voltage at the control electrode, the hole conduction region is connected to the electrode through a large resistance of the n-p junction 6-5, which limits the current p-n junction 5-1, which is biased in the forward direction.

При подаче на управляющий электрод прибора отрицательного смещения на управляющем электроде n-р-переход 6-5 смещен в прямом направлении и потенциал области дырочной проводимости 5 близок к потенциалу на полевом электроде 3. В этом режиме р-n-переход 5-1 смещен в обратном направлении и обеспечивает удаление неосновных носителей из приповерхностной области полупроводника под полевым электродом 3.When a negative bias device is applied to the control electrode at the control electrode, the n-p junction 6-5 is shifted in the forward direction and the potential of the hole conduction region 5 is close to the potential at the field electrode 3. In this mode, the p-j junction 5-1 is shifted to in the opposite direction and ensures the removal of minority carriers from the surface region of the semiconductor under the field electrode 3.

Эквивалентная схема прибора в этом режиме представлена в общем виде на фиг. 26, где C_SC - емкость ОПЗ, R_P2 - эквивалентное сопротивление и С_Р2 - емкость узла стока при отрицательном напряжении на полевом электроде.An equivalent circuit of the device in this mode is presented in general form in FIG. 26, where C _SC is the capacitance of the SCR, R _P2 is the equivalent resistance, and C _P2 is the capacitance of the drain assembly at negative voltage on the field electrode.

В отличие от прототипа, отсутствие области электронной проводимости в пределах локализации области дырочной проводимости 5 позволяет уменьшить толщину полупроводника электронной проводимости 1 при том же уровне технологии (0,9 мкм по сравнению с 1,5 мкм). Соответственно, по сравнению с известными решениями, прибор имеет меньшее значение последовательного сопротивления потерь R_S, и более высокое значение предельной частоты ƒ_п:In contrast to the prototype, the absence of the region of electronic conductivity within the localization of the region of hole conductivity 5 allows us to reduce the thickness of the semiconductor of electronic conductivity 1 at the same level of technology (0.9 μm compared to 1.5 μm). Accordingly, in comparison with the known solutions, the device has a lower value of the series loss resistance R _S and a higher value of the limiting frequency ƒ _p :

Пример. При уменьшении толщины полупроводника электронной проводимости до 0,9 мкм величина последовательного сопротивления потерь, приведенная к единице площади, составляет 4,5⋅10^-5 Ом⋅см² при удельной емкости СВЧ МДП-варикапа С_ох=2,4⋅10^-8 Ф/см². При этом значение предельной частоты СВЧ МДП-варикапа вырастает в 1,7 раз по сравнению с варикапом, у которого толщина полупроводника электронной проводимости составляет 1,5 мкм, а последовательное сопротивление потерь, приведенное к единице площади, равно 7,5⋅10^-5 Ом⋅см².Example. With a decrease in the thickness of the semiconductor of electronic conductivity to 0.9 μm, the value of the series loss resistance, reduced to a unit area, is 4.5⋅10 ^-5 Ohm⋅cm ² with a specific capacity of the microwave MIS-varicap With _oh = 2.4⋅10 ^-8 F / cm ² . In this case, the value of the limiting frequency of the microwave MIS-varicap grows 1.7 times in comparison with a varicap, in which the thickness of the semiconductor of electronic conductivity is 1.5 μm, and the series loss resistance reduced to unit area is 7.5 площади10 ^-5 Ohmcm ² .

Эффективность предложения обеспечивается тем, что нестационарный МДП-варикап СВЧ диапазона предлагаемой конструкции может быть использован при разработке МДП-варикапов, предназначенных для применения в устройствах ВЧ и СВЧ диапазона, благодаря повышению значения предельной частоты прибора.The effectiveness of the proposal is ensured by the fact that the non-stationary MIS-varicap of the microwave range of the proposed design can be used in the development of MIS-varicaps intended for use in devices of the HF and microwave range, due to the increase in the limit frequency of the device.

Источники информации:Information sources:

1. Патент на полезную модель РФ №167582.1. Patent for utility model of the Russian Federation No. 167582.

2. Патент на полезную модель РФ №114807 - прототип.2. Patent for utility model of the Russian Federation No. 114807 - prototype.

Claims

Microwave MIS-varicap containing an electronic conductivity semiconductor, a dielectric, a control electrode, a hole conductivity region and an electronic conductivity region forming a minority carrier drain pn junction, and an electrode in contact with the semiconductor, characterized in that the electronic conductivity region is in contact with the control electrode, located on the surface of the hole conduction region and is made of polycrystalline material.