RU2119698C1

RU2119698C1 - Varicap

Info

Publication number: RU2119698C1
Application number: RU95119346A
Authority: RU
Inventors: Валерий Моисеевич Иоффе; Асхат Ибрагимович Максутов
Original assignee: Валерий Моисеевич Иоффе; Асхат Ибрагимович Максутов
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1998-09-27
Also published as: WO1997018590A1

Abstract

FIELD: microelectronics; semiconductor devices. SUBSTANCE: varicap has semiconductor with ohmic contact and p-n junction with other contact formed on its surface. Semiconductor is made in the form of film arranged on substrate under working section of film 0 ≤ X ≤ X_max, Z1(x) ≤ Z ≤ Z2(x), including that uniformly doped along x and having uniform thickness along x; substrate made of semiconductor material of reverse polarity of conductivity is formed with doping profile nonuniform along x; doping profile and film thickness are chosen proceeding from complete leaning of film working section or its part by major charge carriers up to breakdown of p-n junction upon applying external bias to it. Film ohmic contact is made in the form of interconnected strips or single strip; relationship between capacitance and voltage is chosen depending on selection of functional dependence of film working section size F(x) = z2(x) - z1(x) towards z or selection of film thickness D(x), where x, z are coordinates in plane common with film surface substrate, including rectangular coordinates. EFFECT: improved quality factor of varicap for practically any preset dependence between capacitance and voltage, including varicaps whose capacitance overlapping factor is not limited by breakdown voltage. 8 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к варикапам (варакторам) полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения. The invention relates to the field of semiconductor devices, namely to varicaps (varactors) of semiconductor devices, the reactivity of which can be controlled using voltage.

Как известно (Зи С. Физика полупроводниковых приборов, т.1, М.: Мир, 1984, с. 80-91, 260-262, 381, 348), во всех трех базовых элементах полупроводниковой электроники (p-n-переходе, барьере Шоттки 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 напряжением U. Основными характеристиками варактора являются коэффициент перекрытия по емкости K=Cmax/Cmin, вид зависимости C(U) и добротность Q. As is known (Zi S. Physics of Semiconductor Devices, vol. 1, M .: Mir, 1984, pp. 80-91, 260-262, 381, 348), in all three basic elements of semiconductor electronics (pn junction, Schottky barrier a metal-insulator-semiconductor structure) at a certain polarity of the applied voltage, a semiconductor layer is formed, depleted in the main charge carriers, which is an analog of the dielectric layer in a conventional capacitor. The thickness of the depleted layer depends on the bias voltage, as a result of which the differential capacitance C of the semiconductor device can be controlled by the voltage U. The main characteristics of the varactor are the coefficient of overlap in capacitance K = Cmax / Cmin, the type of dependence C (U), and the quality factor Q.

Типичная конструкция варактора представляет собой плоскопараллельный сильнолегированный слой полупроводника с одним типом проводимости (или металла), сформированный на слаболегированной рабочей области с другим типом проводимости. Обе обкладки снабжены омическими контактами для подачи управляющего напряжения. Задавая соответствующий закон распределения примеси в рабочей области варактора, можно реализовать зависимости C(U). Известно техническое решение (US, A, N 3962713), состоящее в том, что поверхность полупроводниковой пластины выполнена в виде регулярной последовательности гребней прямоугольного сечения, на поверхности сформирован p-n-переход. Таким образом удается на участке поверхности заданной площади сформировать p-n-переход гораздо большей площади. Недостатком данного решения является то, что при определенном соотношении параметров предложенного конденсатора большой емкости (ширина, высота гребня, степень легирования полупроводника) при некотором значении обратного смещения при полном обеднении гребня основными носителями заряда он скачком превращается в обычный варикап. Заметим также, что существенное превышение рабочей площади такой структуры возможно, если высота гребня много больше ширины. Однако в этом случае возрастают омические потери, связанные с увеличением сопротивления той части объемного сопротивления полупроводника, которая находится внутри гребня. Добротность такого прибора существенно ниже добротности обычных варакторов. A typical varactor design is a plane-parallel heavily doped semiconductor layer with one type of conductivity (or metal) formed on a lightly doped work area with a different type of conductivity. Both plates are equipped with ohmic contacts for supplying control voltage. By setting the corresponding distribution law of the impurity in the working region of the varactor, one can realize the dependences C (U). A technical solution is known (US, A, N 3962713), which consists in the fact that the surface of the semiconductor wafer is made in the form of a regular sequence of ridges of rectangular cross section, a p-n junction is formed on the surface. Thus, it is possible to form a pn junction of a much larger area on a surface area of a given area. The disadvantage of this solution is that, with a certain ratio of the parameters of the proposed high-capacity capacitor (width, crest height, semiconductor doping degree), at a certain value of the reverse bias, when the crest is completely depleted by the main charge carriers, it abruptly turns into a normal varicap. We also note that a significant excess of the working area of such a structure is possible if the height of the ridge is much greater than the width. However, in this case, the ohmic losses associated with an increase in the resistance of that part of the bulk resistance of the semiconductor that is inside the ridge increase. The quality factor of such a device is significantly lower than the quality factor of ordinary varactors.

Рекордные коэффициенты перекрытия по емкости получены у варикапов со сверхрезкими p-n-переходами, у которых концентрация примеси уменьшается от металлургической границы вглубь рабочей области. Известно решение, конструктивно совпадающее с вышеупомянутой типичной конструкцией выбранной в качестве прототипа, (Sukegawa J., Fujikawa K., Nishizawa J., Silicon alloy-diffused variable capacitance diode.- Solid State Electronics, 1963, v.6. No 1, pp. 1-24), по которому в пластине кремния за счет процессов сплавления и диффузии формируется p-n-переход с концентрацией примеси, экспоненциально спадающей вглубь слаболегированной области. При этом получаются варакторы с коэффициентом перекрытия по емкости до сотни. Минимальное значение емкости традиционных конструкций варикапов, включая вышеупомянутые, определяется напряжением пробоя. Общим недостатком всех традиционных конструкций варикапов, наряду с тем, что реализация заданного профиля распределения примесей является трудноразрешимой задачей, является также то, что никаким законом распределения примесей невозможно реализовать линейную зависимость C=C(U). Этот недостаток является наиболее существенным при использовании варакторов в качестве параметрических или умножительных диодов. По той причине, что среднее значение емкости линейного варактора не меняется в зависимости от уровня гармонических сигналов на нем и, следовательно, не происходит расстройки избирательных контуров, в которые включены такие варакторы. Record overlapping coefficients of overlap in capacitance were obtained for varicaps with ultrasharp p-n junctions, in which the impurity concentration decreases from the metallurgical boundary deep into the working area. A solution is known that coincides structurally with the aforementioned typical design selected as a prototype (Sukegawa J., Fujikawa K., Nishizawa J., Silicon alloy-diffused variable capacitance diode.- Solid State Electronics, 1963, v.6. No 1, pp. . 1-24), according to which a pn junction is formed in the silicon wafer due to fusion and diffusion processes with an impurity concentration that exponentially decreases deep into the lightly doped region. In this case, varactors with a coefficient of overlap in capacity of up to hundreds are obtained. The minimum value of the capacity of traditional varicap designs, including the above, is determined by the breakdown voltage. A common drawback of all traditional varicap designs, along with the fact that the implementation of a given impurity distribution profile is an intractable task, is also the fact that it is impossible to realize the linear dependence C = C (U) by any impurity distribution law. This disadvantage is most significant when using varactors as parametric or multiplier diodes. For the reason that the average value of the capacitance of a linear varactor does not change depending on the level of harmonic signals on it and, therefore, there is no detuning of the selective circuits in which such varactors are included.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания варикапов с высоким значением добротности, у которых зависимость C=f(U) является наперед заданной функцией напряжения, в том числе и варикапов, коэффициент перекрытия по емкости которых не лимитируется напряжением пробоя. The basis of the present invention is the task of creating varicaps with a high figure of merit, in which the dependence C = f (U) is a predetermined voltage function, including varicaps, the overlap coefficient of capacitance of which is not limited by the breakdown voltage.

Поставленная задача решается тем, что полупроводник выполнен в виде пленки, размещенной на подложке, на рабочем участке пленки 0≤ x ≤ Xmax, z1(x) ≤ z ≤ z2(x) создан либо неоднородный (вдоль x и y) профиль распределения примеси Ni(x, y), либо неоднородный (вдоль x) профиль толщины пленки D(x), либо неоднородный профиль распределения примеси и толщины пленки, либо под рабочим участком пленки в том числе однородно легированным вдоль x и имеющим однородную толщину вдоль x, подложка, выполненная из полупроводникового материала противоположного с пленкой типа проводимости, сформирована с неоднородным вдоль x примесным профилем, выбор профиля легирования и толщины пленки ограничены условием полного обеднения рабочего участка пленки либо его части основными носителями заряда до пробоя p-n-перехода или барьера Шоттки (сформированного на одной из поверхностей рабочего участка пленки) при подаче на него внешнего смещения

где
Ui(x) - напряжение пробоя полупроводниковой пленки в сечении xy;
y - координата, отсчитываемая от металлургической границы p-n-перехода или барьера Шоттки в направлении вдоль толщины пленки;
g - элементарный заряд;
ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводниковой пленки;
Uk - встроенный потенциал;
причем омический контакт к пленке выполнен в виде полосок, соединенных друг с другом или одной полоски, при этом заданная зависимость емкости от напряжения C(U) в диапазоне внешних запирающих напряжений Umin ≤ U ≤Umax обеспечивается либо выбором функциональной зависимости размера рабочего участка пленки F(x) = z2(x)-z1(x) в направлении z, либо выбором D(x), либо Ni(x, y), где x, z - координаты в плоскости общей с подложкой поверхности пленки, в том числе и прямоугольные. Кроме того варикап может отличаться тем, что пленка за пределами ее рабочего участка сформирована с такими же как и на ее рабочем участке типом проводимости, при этом выбор профиля легирования и толщины пленки за пределами ее рабочего участка ограничены условием полного обеднения пленки основными носителями заряда при минимальном внешнем смещении на образованном между пленкой и подложкой p-n-переходе или барьере Шоттки (U=Umin):

Кроме того, варикап может отличаться тем, что контактная площадка к пленке выполнена за пределами рабочего участка пленки, причем под контактной площадкой в подложке или в подложке и в пленке сформирован диэлектрический или высокоомный полупроводниковый (i-типа) слой. Кроме того, варикап может отличаться тем, что p-n-переход либо барьер Шоттки образован между подложкой и пленкой на ее рабочем участке, омический контакт к пленке выполнен в пределах ее рабочего участка, пленка за пределами рабочего участка сформирована с противоположным относительно рабочего участка типом проводимости либо с собственным типом проводимости. Кроме того, варикап может отличаться тем, что контактная площадка к пленке выполнена на сформированном диэлектрическом или высокоомном полупроводниковом (i-типа) слое. Кроме того, варикап может отличаться тем, что p-n-переход или барьер Шоттки выполнен на свободной поверхности рабочего участка пленки, размещенной на изолирующей или полуизолирующей подложке, омический контакт к пленке выполнен за пределами рабочего участка пленки по периметру последнего. Кроме того, варикап может отличаться тем, что контактная площадка к барьеру Шоттки или p-n-переходу выполнена на подложке или на поверхности пленки за пределами ее рабочего участка, выбор профиля легирования и толщины пленки под контактной площадкой, которая образует с пленкой p-n-переход или барьер Шоттки, ограничены условием полного обеднения пленки основными носителями заряда при минимальном внешнем смещении на p-n-переходе или барьере Шоттки (U=Umin):

Кроме того, варикап может отличаться тем, что на поверхности рабочего участка пленки, противоположной той, на которой сформирован p-n-переход или барьер Шоттки, вдоль направления z сформированы высокопроводящие полоски с зазором относительно омического контакта. Кроме того, варикап может отличаться тем, что на поверхности рабочего участка пленки, противоположной той, на которой сформирован p-n-переход или барьер Шоттки, сформирован высокопроводящий слой с зазором относительно омического контакта. Кроме того, варикап может отличаться тем, что на свободной поверхности варикапа (поверх высокопроводящих полосок и омического контакта) сформирован слой из диэлектрика или полупроводника.The problem is solved in that the semiconductor is made in the form of a film placed on the substrate, 0 ≤ x ≤ Xmax, z1 (x) ≤ z ≤ z2 (x) on the film’s working section, or a non-uniform (along x and y) impurity distribution profile Ni (x, y), either a non-uniform (along x) profile of the film thickness D (x), or a non-uniform profile of the distribution of impurities and film thickness, or under the working section of the film, including uniformly doped along x and having a uniform thickness along x, the substrate, made of a semiconductor material opposite to the type p film irreducibility, is formed with an impurity profile nonuniform along x, the choice of the doping profile and film thickness is limited by the condition that the working portion of the film or its part is completely depleted by the main charge carriers until the breakdown of the pn junction or the Schottky barrier (formed on one of the surfaces of the working portion of the film) when applied its external bias

Where
Ui (x) is the breakdown voltage of the semiconductor film in the cross section xy;
y is the coordinate measured from the metallurgical boundary of the pn junction or the Schottky barrier in the direction along the film thickness;
g is the elementary charge;
ε _s is the dielectric constant of the semiconductor film;
Uk is the built-in potential;
moreover, the ohmic contact to the film is made in the form of strips connected to each other or one strip, while the predetermined dependence of the capacitance on the voltage C (U) in the range of external blocking voltages Umin ≤ U ≤ Umax is provided either by choosing the functional dependence of the size of the film working section F ( x) = z2 (x) -z1 (x) in the z direction, either by choosing D (x) or Ni (x, y), where x, z are the coordinates in the plane of the film surface common with the substrate, including rectangular ones . In addition, the varicap may differ in that the film outside its working section is formed with the same conductivity type as in its working section, while the choice of the doping profile and film thickness outside its working section is limited by the condition of complete depletion of the film by the main charge carriers with a minimum external bias at the pn junction or Schottky barrier formed between the film and the substrate (U = Umin):

In addition, the varicap may differ in that the contact area for the film is formed outside the working area of the film, and a dielectric or high-resistance semiconductor (i-type) layer is formed under the contact area in the substrate or in the substrate and in the film. In addition, a varicap may differ in that a pn junction or a Schottky barrier is formed between the substrate and the film at its working section, ohmic contact with the film is made within its working section, the film outside the working section is formed with the type of conductivity opposite to the working section, or with its own type of conductivity. In addition, the varicap may differ in that the contact area to the film is formed on a formed dielectric or high-resistance semiconductor (i-type) layer. In addition, the varicap may differ in that the pn junction or the Schottky barrier is made on the free surface of the working section of the film placed on an insulating or semi-insulating substrate, ohmic contact to the film is made outside the working section of the film around the perimeter of the latter. In addition, the varicap may differ in that the contact pad to the Schottky barrier or pn junction is made on the substrate or on the film surface outside its working area, the doping profile and the film thickness under the contact pad, which forms a pn junction or barrier with the film, are selected Schottky are limited by the condition of complete depletion of the film by the main charge carriers with a minimum external bias at the pn junction or Schottky barrier (U = Umin):

In addition, the varicap may differ in that on the surface of the working portion of the film opposite to that on which the pn junction or Schottky barrier is formed, highly conductive strips with a gap relative to the ohmic contact are formed along the z direction. In addition, the varicap may differ in that a highly conductive layer with a gap relative to the ohmic contact is formed on the surface of the working portion of the film opposite to that on which the pn junction or the Schottky barrier is formed. In addition, a varicap may differ in that a layer of a dielectric or semiconductor is formed on the free surface of the varicap (over highly conductive strips and ohmic contact).

Таким образом, суть изобретения заключается в таком подборе подходящей геометрии пленки либо профиля легирования, либо того и другого, чтобы при увеличении обратного смещения на переходе размер области нейтральности в полупроводниковой пленке уменьшался как в направлении y, что имеет место у обычных варикапов, так и в направлении x (что эквивалентно уменьшению площади обкладок в конденсаторе переменной емкости) и выборе конструкций с как можно меньшими омическими потерями. Thus, the essence of the invention lies in the selection of a suitable film geometry or doping profile, or both, so that with an increase in the reverse bias at the junction, the size of the neutral region in the semiconductor film decreases both in the y direction, which occurs in ordinary varicaps and in x direction (which is equivalent to reducing the area of the plates in the capacitor of variable capacitance) and the choice of structures with the smallest ohmic losses.

Краткое описание чертежей и графиков
В последующем изобретение поясняется описанием примеров со ссылками на предлагаемые чертежи и графики, на которых:
фиг. 1 изображает варактор, в котором зависимость размера ОПЗ (области пространственного заряда) вдоль x от величины обратного смещения используется для получения заданной вольтфарадной характеристики (ВФХ); фиг. 2 - схематичное изображение высокодобротного варактора на основе кремния с пленкой n-типа, на p+ подложке, с высокопроводящими полосками и контактной площадкой, размещенной над сформированным в подложке диэлектрическим слоем; фиг. 3 - варикап с неоднородно легированной подложкой; фиг. 4 - расчетные зависимости емкости от напряжения для варикапов с однородно легированной пленкой кремния с толщиной 0,5 мкм и с донорной концентрацией примесей 10¹⁶ см^-3 при неоднородно легированной подложке; фиг. 5 - рассчитанная форма рабочего участка пленки линейного варикапа; фиг. 6 - теоретические и экспериментальные ВФХ варикапа с формой рабочего участка пленки на фиг. 5.Brief description of drawings and graphs
In the following, the invention is illustrated by a description of examples with reference to the proposed drawings and graphs, in which:
FIG. 1 depicts a varactor in which the dependence of the SCR size (space charge region) along x on the magnitude of the reverse bias is used to obtain a given capacitance-voltage characteristic (CV); FIG. 2 is a schematic representation of a high-quality silicon-based varactor with an n-type film on a p + substrate, with highly conductive strips and a contact pad located above the dielectric layer formed in the substrate; FIG. 3 - varicap with a heterogeneously doped substrate; FIG. 4 - calculated dependences of the capacitance on voltage for varicaps with a uniformly doped silicon film with a thickness of 0.5 μm and with a donor concentration of impurities of 10 ¹⁶ cm ^-3 with a non-uniformly doped substrate; FIG. 5 - the calculated form of the working section of the film of a linear varicap; FIG. 6 - theoretical and experimental CV characteristics of a varicap with the shape of the film working portion in FIG. 5.

Рассмотрим фиг. 1, на которой изображен варактор, содержащий область p+типа (подложку) с омическим контактом к ней - 1, пленку n-типа - 2, омический контакт (токоотвод), выполненный по периметру рабочего участка пленки - 3. На рабочем участке пленки (0 ≤ x ≤ Xmax, 0 ≤ z ≤ F(x)) в пленке ионным легированием создан неоднородный профиль распределения донорной примеси, причем имплантационная доза возрастает от Xmax к 0, а за пределами рабочего участка пленки пленка слабо легирована и полностью обеднена основными носителями заряда при минимальном запирающем внешнем смещении на переходе (U= Umin). В общем случае задача о моделировании емкости с заданными параметрами с математической точки зрения весьма сложна. Однако, если D(x) << F(x), то можно, пренебрегая емкостью между токоотводом и подложкой, записать:

H(U) определяется из условия D(H)=R(x, U). В свою очередь, R(x, U) определяется из уравнения:

где
C(U, Umax) - заданная зависимость емкости от напряжения;
R(x, U) - толщина ОПЗ;
H(U) - размер области нейтральности в направлении x;
ε_s - диэлектрическая проницаемость полупроводника;
g - элементарный заряд;
Uk - встроенный потенциал барьера.Consider FIG. 1, which shows a varactor containing a p + type region (substrate) with an ohmic contact to it - 1, an n-type film - 2, an ohmic contact (current collector) made along the perimeter of the film’s working section — 3. On the film’s working section ( 0 ≤ x ≤ Xmax, 0 ≤ z ≤ F (x)) an inhomogeneous distribution profile of the donor impurity is created in the film by ion doping, with the implantation dose increasing from Xmax to 0, and outside the working section of the film, the film is slightly doped and completely depleted in the main charge carriers at the minimum locking external displacement n in the transition (U = Umin). In the general case, the problem of modeling capacity with given parameters is very difficult from a mathematical point of view. However, if D (x) << F (x), then, neglecting the capacitance between the collector and the substrate, we can write:

H (U) is determined from the condition D (H) = R (x, U). In turn, R (x, U) is determined from the equation:

Where
C (U, Umax) is the predetermined dependence of the capacitance on the voltage;
R (x, U) is the thickness of the SCR;
H (U) is the size of the neutral region in the x direction;
ε _s is the dielectric constant of the semiconductor;
g is the elementary charge;
Uk is the built-in potential of the barrier.

То есть емкость рассматриваемого прибора складывается из большего числа емкостей плоских конденсаторов, расстояние между обкладками каждого из которых зависит от локального легирования и внешнего напряжения. Число суммируемых конденсаторов определяется напряжением U, видом функциональной зависимости толщины пленки D(x), и законом, по которому пленка легируется Ni(x, y). Для того, чтобы выполнялось (1), можно варьировать 3 параметра: F(x), D(x), Ni(x, y), как каждый по отдельности, так и все вместе. В отличии от обычного варактора, у которого вид C(U) определяется только профилем легирования Ni(x, y). Это обстоятельство позволяет реализовывать самые различные зависимости емкости от напряжения. Рассмотрим наиболее простой для анализа случай, когда напряжение перекрытия Up(x), даваемое соотношением:

монотонная функция координаты. По мере увеличения запирающего напряжения на переходе ОПЗ постепенно заполняет рабочий участок пленки, при этом H(U) и эффективная площадь пластин конденсатора S непрерывно уменьшается:

где
Sk - площадь омического контакта над ОПЗ.That is, the capacity of the device under consideration is made up of a larger number of capacitances of flat capacitors, the distance between the plates of each of which depends on local doping and external voltage. The number of summed capacitors is determined by the voltage U, the form of the functional dependence of the film thickness D (x), and the law by which the film is doped with Ni (x, y). In order to fulfill (1), it is possible to vary 3 parameters: F (x), D (x), Ni (x, y), both individually and collectively. In contrast to the usual varactor, in which the form C (U) is determined only by the doping profile Ni (x, y). This circumstance makes it possible to realize the most various dependences of capacitance on voltage. Consider the simplest case for analysis when the overlap voltage Up (x) given by the relation:

monotonic coordinate function. As the blocking voltage at the transition, the SCR increases gradually fills the working section of the film, while H (U) and the effective area of the capacitor plates S continuously decrease:

Where
Sk is the ohmic contact area over the SCR.

Просматривается аналогия между предложенным варикапом и конденсатором переменной емкости, у которого может изменяться как площадь пластин, образующих конденсатор, так и расстояние между ними. При выборе задаваемого закона изменения емкости необходимо учитывать условие

где
Xmax - размер рабочего участка пленки в направлении x.An analogy between the proposed varicap and a capacitor of variable capacitance is seen, in which both the area of the plates forming the capacitor and the distance between them can vary. When choosing the specified law of capacity change, it is necessary to take into account the condition

Where
Xmax is the size of the working portion of the film in the x direction.

Для существенного повышения добротности варикапа на свободной поверхности пленки вдоль направления z формируется большое число высокопроводящих полосок. Полоски должны быть расположены по всей площади рабочего участка пленки с зазором относительно токоотвода. Электрическая связь между полосками может осуществляться только через пленку. Полоски могут быть выполнены из металла, образующего с пленкой омический контакт или из сильнолегированного полупроводникового материала того же типа проводимости, что и пленка. Проводимость полосок в направлении z много больше проводимости пленки в том же направлении. Схематичное изображение такого варикапа на основе кремния, содержащего p+ подложку-1, на которой расположена неоднородно легированная пленка - 2 с токоотводом - 3 и высокопроводящими полосками - 4 и сформированным в подложке изолирующим SiO₂ слоем - 5, над которым расположена контактная площадка, приведено на фиг. 2. Полоски выполнены из кремния n+типа (получены, например, ионным легированием при низких ≈ 10-20 кэВ энергиях ионов) и поверхностно металлизированы. Произведем оценку добротности прибора при отсутствии высокопроводящих полосок (см. фиг. 1), пренебрегая постоянной составляющей тока, который течет через запертый p-n-переход. В этом случае добротность Q - есть отношение емкостного сопротивления варактора к сопротивлению растекания R. Рассмотрим случай, когда H(U) >> F:
Q = 1/(ω CR) ; R ≈ Fρ / (DH(U)K) ,
где
D - средняя толщина пленки;
H(U) - размер в направлении x области нейтральности;
F - среднее значение F(x) на промежутке 0 ≤ x ≤ H(U);
ρ - среднее удельное сопротивление пленки в области нейтральности;
ω - угловая частота;
K - постоянная величина, зависящая от геометрической формы токоотвода (омического контакта). Для любых простых форм K ≈ 10 (Барина Н.М. и др. Влияние сопротивления растекания на нагрузочную характеристику фотоэлементов с различными вариантами токоотводов. Радиотехника и электроника, т. 10, N 4, 1965, с. 726-735).To significantly increase the quality factor of the varicap, a large number of highly conductive strips are formed on the free surface of the film along the z direction. The strips should be located throughout the working area of the film with a gap relative to the collector. The electrical connection between the strips can only be through the film. The strips can be made of metal forming an ohmic contact with the film or of a heavily doped semiconductor material of the same type of conductivity as the film. The conductivity of the strips in the z direction is much greater than the conductivity of the film in the same direction. A schematic representation of such a silicon-based varicap containing p + substrate-1 on which a nonuniformly doped film — 2 with current collector — 3 and highly conductive strips — 4 and an insulating SiO ₂ layer — 5 formed on the substrate, over which the contact pad is located, is shown on FIG. 2. The strips are made of n + type silicon (obtained, for example, by ion doping at low ion energies of ≈ 10–20 keV) and are surface metallized. Let us evaluate the quality factor of the device in the absence of highly conductive strips (see Fig. 1), neglecting the constant component of the current that flows through the locked pn junction. In this case, the Q factor is the ratio of the capacitance of the varactor to the spreading resistance of R. Consider the case when H (U) >> F:
Q = 1 / (ω CR); R ≈ Fρ / (DH (U) K),
Where
D is the average film thickness;
H (U) is the size in the x direction of the neutral region;
F is the average value of F (x) in the interval 0 ≤ x ≤ H (U);
ρ is the average resistivity of the film in the neutral region;
ω is the angular frequency;
K is a constant value, depending on the geometric shape of the collector (ohmic contact). For any simple forms, K ≈ 10 (Barina N.M. et al. Effect of spreading resistance on the load characteristic of photocells with different types of down conductors. Radio engineering and electronics, vol. 10, N 4, 1965, p. 726-735).

C ≈ ε_s (FH(U)/ D + Sk/ D)
при
Sk << F H(U)
Q ≈ K(D/ F)²/( ε_s ρ ω) (4)
Аналогично, если F >> H(U) , Q ≈ K (D/ H(U))²/(ε_s ρω) . Следовательно, добротность лимитируется размером рабочего участка пленки. Поэтому, для повышения добротности необходимо минимизировать размеры или по крайней мере один из размеров (вдоль x или z) рабочего участка пленки и выносить контактную площадку, имеющую относительно D очень большие размеры, за пределы рабочего участка пленки. Контактная площадка расположена над сформированным в подложке или в пленке и в подложке диэлектрическим слоем, толщина которого больше толщины пленки, что позволяет значительно уменьшить емкость между контактной площадкой и подложкой (см. фиг. 2). Поскольку F/D >> 1, то добротность, даваемую (4), нельзя признать высокой. Способ резкого уменьшения R, и следовательно многократного повышения добротности, заключается в том, чтобы поверхность пленки в условиях полного обеднения основными носителями заряда пленки в ее рабочем участке обладала очень большой проводимостью в направлении z и отсутствием проводимостии в направлении x, что практически реализуется формированием на свободной поверхности пленки вдоль направления z большого числа высокопроводящих полосок. Полоски должны быть сформированы по всей площади рабочего участка пленки с зазором относительно токоотвода. Электрическая связь между полосками может осуществляться только через пленку. Полоски могут быть выполнены из металла, образующего с пленкой омический контакт или из сильнолегированного полупроводникового материала того же типа проводимости, что и пленка. Проводимость полосок в направлении z много больше проводимости пленки том же направлении (см. фиг.2).C ≈ ε _s (FH (U) / D + Sk / D)
at
Sk << FH (U)
Q ≈ K (D / F) ² / (ε _s ρ ω) (4)
Similarly, if F >> H (U), Q ≈ K (D / H (U)) ² / (ε _s ρω). Therefore, the quality factor is limited by the size of the working area of the film. Therefore, in order to increase the quality factor, it is necessary to minimize the dimensions or at least one of the dimensions (along x or z) of the working portion of the film and remove the contact pad, which has relatively large dimensions with respect to D, outside the working portion of the film. The contact pad is located above the dielectric layer formed in the substrate or in the film and in the substrate, the thickness of which is greater than the film thickness, which can significantly reduce the capacitance between the contact pad and the substrate (see Fig. 2). Since F / D >> 1, the quality factor given by (4) cannot be considered high. A way to drastically decrease R, and consequently increase the Q factor many times, is to ensure that the surface of the film under conditions of complete depletion of the main charge carriers of the film in its working section has very high conductivity in the z direction and the absence of conductivity in the x direction, which is practically realized by free film surfaces along the z direction of a large number of highly conductive strips. Strips should be formed over the entire area of the working section of the film with a gap relative to the collector. The electrical connection between the strips can only be through the film. The strips can be made of metal forming an ohmic contact with the film or of a heavily doped semiconductor material of the same type of conductivity as the film. The conductivity of the strips in the z direction is much greater than the conductivity of the film in the same direction (see figure 2).

Рассмотри случай, когда H(U) >> F:
R ≈ ρΔ / (DH(U) K) ,
где
Δ - величина зазора между высокопроводящими полосками и токоотводом;
Q ≈ KD²/ (ε_s FΔ ρω) ,
то есть наличие высокопроводящих полосок приводит к возрастанию добротности в F/ Δ раз.Consider the case when H (U) >> F:
R ≈ ρΔ / (DH (U) K),
Where
Δ is the gap between the highly conductive strips and the down conductor;
Q ≈ KD ² / (ε _s FΔ ρω),
that is, the presence of highly conductive strips leads to an increase in the quality factor by F / Δ times.

Заметим, однако, что в при полном обеднении пленки значение емкости пропорционально площади токоотвода St(C_min≈ ε_s St/ D) . Поэтому при конструировании варакторов со сверхбольшим коэффициентом перекрытия пол емкости следует максимально уменьшать ширину полоски токоотвода, тем самым уменьшая St. А для увеличения добротности варикапа необходимо уменьшать величину зазора Δ между токоотводом и высокопроводящими полосками. Это расстояние (Δ) определяется разрешающей способностью и точностью совмещения реперных знаков, достижимых в процессе литографии, и составляет величину порядка 1 мкм при фотолитографии и величину порядка 0,1 мкм при электронолитографии. С целью защиты варикапа от электрического пробоя по поверхности (например, между высокопроводящими полосками и токоотводом) на последней может быть сформирован защитный диэлектрический или полупроводниковый слой. В качестве варикапа, у которого емкость изменяется скачком, может быть использован варикап с однородно легированным вдоль x рабочим участком пленки, имеющей однородную толщину, на свободной поверхности которого с зазором относительно омического контакта сформирован высокопроводящий слой.We note, however, that in the case of complete depletion of the film, the capacitance value is proportional to the area of the collector St (C _min ≈ ε _s St / D). Therefore, when designing varactors with an extra-large overlap coefficient, the floor of the capacitance should minimize the width of the strip of the collector, thereby reducing St. And to increase the quality factor of the varicap, it is necessary to reduce the gap Δ between the down conductor and the highly conductive strips. This distance (Δ) is determined by the resolution and accuracy of combining the reference marks achievable in the lithography process, and is about 1 μm in photolithography and about 0.1 μm in electron lithography. In order to protect the varicap from electrical breakdown on the surface (for example, between highly conductive strips and a collector), a protective dielectric or semiconductor layer can be formed on the latter. As a varicap, in which the capacitance changes abruptly, a varicap can be used with a uniformly thickened working section of the film having a uniform thickness along x along the free surface of which a highly conductive layer is formed with a gap relative to the ohmic contact.

Главное требование к пленке за пределами ее рабочего участка заключается в том, чтобы она не давала дополнительного вклада в емкость варикапа. Очевидно, что к рассмотренному случаю полного обеднения пленки основными носителями заряда за пределами ее рабочего участка при минимальном запирающем напряжении добавляются случаи, когда пленка за пределами ее рабочего участка отсутствует (толщина равна нулю), или размещена на подложке из изолирующего материала, или продолжает подложку (легирована изотипно с подложкой), или высокоомна (обладает собственным типом проводимости), или когда пленка размещена на изолирующей (полуизолирующей) подложке, а p-n-переход или барьер Шоттки выполнен на свободной поверхности рабочего участка пленки. А для достижения сверхбольших коэффициентов перекрытия по емкости необходимо, чтобы ОПЗ распространялось на весь рабочий участок пленки до пробоя (Xmin = 0) при минимизации емкости между контактной площадкой и подложкой, что выполняется при размещении контактной площадки на сформированном с большой толщиной (по сравнению с толщиной пленки) диэлектрическом или полупроводниковом изолирующем слое, или, когда контактная площадка выполнена за пределами рабочего участка изотипно легированной пленки, а та часть подложки, которая находится под пленкой за пределами ее рабочего участка, выполнена из диэлектрика или из высокоомного полупроводника, или, когда пленка размещена на изолирующей (полуизолирующей) подложке, в p-n-переход или барьер Шоттки выполнен на свободной поверхности рабочего участка пленки, контактная площадка к p-n-переходу или барьеру Шоттки выполнена либо на подложке, либо в той части пленки, которая полностью обеднена основными носителями заряда при минимальном внешнем смещении на переходе, причем омический контакт к пленке выполнен вдоль границы рабочего участка пленки, с зазором относительно последнего. The main requirement for the film outside its working area is that it does not make an additional contribution to the capacity of the varicap. Obviously, to the case of complete depletion of the film by the main charge carriers outside its working area with a minimum blocking voltage under consideration, cases are added when the film is absent outside its working area (thickness is zero), or is placed on a substrate of insulating material, or continues the substrate ( isotypically doped with a substrate), or high resistance (has its own type of conductivity), or when the film is placed on an insulating (semi-insulating) substrate, and the pn junction or Schottky barrier is made on the free surface of the working area of the film. And in order to achieve ultra-large coefficients of overlap in capacitance, it is necessary that the SCR extend to the entire working portion of the film before breakdown (Xmin = 0) while minimizing the capacitance between the contact pad and the substrate, which is done when the contact pad is placed on the formed with a large thickness (compared to the thickness film) of a dielectric or semiconductor insulating layer, or, when the contact area is made outside the working area of an isotypically doped film, and that part of the substrate that is under the tape outside its working area is made of a dielectric or a high-resistance semiconductor, or when the film is placed on an insulating (semi-insulating) substrate, the pn junction or Schottky barrier is made on the free surface of the working section of the film, the contact area for the pn junction or barrier Schottky is made either on a substrate or in that part of the film that is completely depleted in the main charge carriers with minimal external bias at the transition, and the ohmic contact to the film is made along the boundary of the working section and films, with a gap relative to the latter.

Рабочий участок пленки может быть однородно легированным вдоль x и иметь однородную толщину в том случае, когда полупроводниковая подложка, образующая с пленкой p-n-переход легирована неоднородно вдоль x (фиг.3). Варикап, представленный на фиг. 3, содержит однородно легированную пленку, размещенную на неоднородно легированной вдоль x подложке. Причем степень легирования подложки увеличивается в пределах рабочего участка вдоль x, а за пределами рабочего участка подложка сильнолегирована. Толщина области пространственного заряда в подложке монотонно уменьшается с ростом x, тем самым увеличивается с по мере увеличения x толщина области пространственного заряда в пленке. По мере увеличения запирающего напряжения на варикапе ОПЗ постепенно заполняет весь рабочий участок пленки. При этом эффективная площадь пластин конденсатора непрерывно уменьшается. Уравнения, описывающие варикап в случае, когда подложка и пленка изготовлены из одного полупроводникового материала, по аналогии с (1), (2) выглядят следующим образом:

к которым добавляется уравнение электронейтральности для полупроводника:

R₁, R₂ - толщина ОПЗ в пленке и в подложке соответственно;
Na(x, y) - примесный профиль в подложке.The working portion of the film can be uniformly doped along x and have a uniform thickness in the case when the semiconductor substrate forming the pn junction with the film is doped nonuniformly along x (Fig. 3). The varicap shown in FIG. 3, contains a uniformly doped film placed on a substrate nonuniformly doped along x. Moreover, the degree of doping of the substrate increases within the working area along x, and outside the working area the substrate is heavily doped. The thickness of the space charge region in the substrate monotonously decreases with increasing x, thereby increasing with increasing x the thickness of the space charge region in the film. As the locking voltage on the varicap increases, the SCR gradually fills the entire working section of the film. In this case, the effective area of the capacitor plates is continuously reduced. The equations describing the varicap in the case when the substrate and the film are made of the same semiconductor material, by analogy with (1), (2), look as follows:

to which the electroneutrality equation for a semiconductor is added:

R ₁ , R ₂ - the thickness of the SCR in the film and in the substrate, respectively;
Na (x, y) is the impurity profile in the substrate.

Примеры осуществления изобретения
В качестве иллюстрации изобретения на фиг. 4 приведены расчетные зависимости емкости от напряжения для варикапов с однородно легированной пленкой кремния с толщиной 0,5 мкм и с донорной концентрацией примесей 10¹⁶ см^-3 при неоднородно легированной подложке, концентрация акцепторов в которой линейно меняется в пределах рабочего участка пленки от 10¹⁵ до 10¹⁶ см^-3 в диапазоне напряжений от 3,1 до 20,2 В. Зависимости представлены для рабочих участков различной формы: двух треугольных (F(x)=1-x/Xmax, F(x)=x/Xmax (мм)) и прямоугольного (F(x)=0,5 мм). При Xmax=1 мм Cmax составило 105 пФ.Examples of carrying out the invention
As an illustration of the invention in FIG. Figure 4 shows the calculated dependences of the capacitance on voltage for varicaps with a uniformly doped silicon film with a thickness of 0.5 μm and a donor concentration of impurities of 10 ¹⁶ cm ^-3 with a nonuniformly doped substrate, the concentration of acceptors in which varies linearly within the working section of the film from 10 ¹⁵ to 10 ¹⁶ cm ^-3 in the voltage range from 3.1 to 20.2 V. Dependencies are presented for work areas of various shapes: two triangular (F (x) = 1-x / Xmax, F (x) = x / Xmax (mm )) and rectangular (F (x) = 0.5 mm). At Xmax = 1 mm, Cmax was 105 pF.

На пластине кремния, КДБ - 0,01 был выращен эпитаксиальный слой толщиной 0,6 мкм с концентрацией электронов ≈ 10¹⁵ см^-3, в котором методом ионной имплантации фосфора при энергии ионов 200 кэВ на рабочем участке пленки был сформирован неоднородный профиль распределения примеси. Форма рабочего участка пленки (F(x) = z2(x) = z1(x) заранее рассчитана по (1), (2) для линейной зависимости емкости от напряжения (C(U, Umax ≈ Umax - U) при линейно спадающей вдоль x на промежутке 2 мм дозе имплантации (от 10¹² до 1,5 10¹¹ ионов/см²) и приведена на фиг. 5, на которой Xmax = 2 мм, Fmax = 1,3 мм. Теоретическая (кривая A) и измеренная (кривая Б) ВФХ прибора представлены на фиг. 6, на которой Cmax = 500 пФ, Umax=5 B. Причем было и изготовлено два прибора с практически совпадающими ВФХ, один из которых (изображен на фиг. 2) с высокопроводящими полосками (полоски изготовлены имплантацией ионов фосфора при энергии 10 кэВ через маску соответствующей формы при дозе 10¹² ионов/см² и металлизированы сплавом золота и сурьмы) и точно такой же второй, но без высокопроводящих полосок. Полоски изготовлены шириной 4 мкм с величиной зазора относительно друг друга и полосок токоотвода ≈ 1,5 мкм, при ширине токоотвода ≈ 1,5 мкм. Контактная площадка площадью ≈ 5000 мкм² выполнена над сформированным перед эпитаксией в части подложки слое SiO₂ толщиной 3 мкм. Добротность первого варикапа на частоте 10 МГц при внешнем смещении 2,5 В равнялась 110, а второго 0,45. Коэффициент перекрытия по емкости у первого варикапа равнялся 360, а у второго 402.An epitaxial layer 0.6 μm thick with an electron concentration of ≈ 10 ¹⁵ cm ^-3 was grown on a silicon wafer, KDB-0.01, in which an inhomogeneous impurity distribution profile was formed by the method of phosphorus ion implantation at an ion energy of 200 keV. The shape of the working section of the film (F (x) = z2 (x) = z1 (x) was calculated in advance according to (1), (2) for the linear dependence of the capacitance on the voltage (C (U, Umax ≈ Umax - U) with linearly decreasing along x at the interval of 2 mm implantation dose (from 10 ¹² to 1.5 10 ¹¹ ions / cm ² ) and is shown in Fig. 5, in which Xmax = 2 mm, Fmax = 1.3 mm Theoretical (curve A) and measured (curve B) the CV characteristics of the device are shown in Fig. 6, in which Cmax = 500 pF, Umax = 5 B. Moreover, two devices with almost identical CV characteristics were manufactured and made, one of which (shown in Fig. 2) with highly conductive strips (strips manufactured implant iey phosphorus ions at an energy of 10 keV through the mask corresponding shape at a dose of December ¹⁰ ions / cm ² and the metallized gold and antimony alloy) and an identical second, but without high-conductivity strips. The strips are made of width 4 micron with the size of the gap relative to each other and strips a current collector ≈ 1.5 μm, with a current collector width ≈ 1.5 μm A contact area of ≈ 5000 μm ^{2 is} made over a 3 μm thick SiO ₂ layer formed before epitaxy in the substrate part. The quality factor of the first varicap at a frequency of 10 MHz with an external bias of 2.5 V was 110, and the second 0.45. The capacity overlap coefficient for the first varicap was 360, and for the second 402.

Изобретение позволяет обычными технологичными средствами создавать высокодобротные варикапы со сверхбольшими коэффициентами перекрытия:
- с любой наперед заданной зависимостью C(U);
- достаточно сложную проблему формирования заданного примесного профиля заменяют простой задачей формирования маскирующего покрытия заданной формы, что существенно упрощает технологию изготовления прибора.The invention allows the use of conventional technological means to create high-quality varicaps with ultra-large overlap coefficients:
- with any predetermined dependence C (U);
- a rather complicated problem of forming a given impurity profile is replaced by a simple task of forming a masking coating of a given shape, which greatly simplifies the manufacturing technology of the device.

Промышленная применимость. Industrial applicability.

Изобретение может быть использовано в электронной промышленности. The invention can be used in the electronics industry.

Claims

1. A varicap consisting of an electronic or hole type semiconductor with an ohmic contact, on the surface of which a pn junction is formed with another contact, the choice of the dependence of the capacitance on the voltage of which is determined only by the type of impurity profile, characterized in that the semiconductor placed on the substrate ( 1), made in the form of a film (2), under the working section of the film 0 ≤ x ≤ X _max , z1 (x) ≤ z ≤ z2 (x), including uniformly alloyed along x and having a uniform thickness along x, the substrate, made of semiconductor material of the conduction type opposite to the film, formed with an impurity profile nonuniform along x, the choice of the doping profile and film thickness is limited by the condition that the main charge carriers are completely depleted until the breakdown of the pn junction formed on the surface of the film working portion common with the substrate at applying external bias to it:

where U _i (x) is the breakdown voltage of the semiconductor film in the cross section xy;
y is the coordinate measured from the metallurgical boundary of the pn junction in the direction along the film thickness;
q is the elementary charge;
N _i (x, y) is the distribution profile of the impurity in the film;
ε _s is the dielectric constant of the semiconductor film;
U _k is the built-in potential,
moreover, the ohmic contact (3) to the film (2) is made in the form of strips connected to each other, or one strip, while the choice of the dependence of the capacitance of the varicap on the voltage is determined by the choice of the functional dependence of the size of the working section of the film F (x) = z2 (x) - z1 (x) in the z direction, or by choosing the film thickness D (x), where x, z are the coordinates in the plane of the surface of the film common with the substrate, including rectangular ones.

2. The varicap according to claim 1, characterized in that the film (2) outside its working area is formed with the same conductivity type as at its working area, while the choice of doping profile and film thickness outside its working area is limited the condition of complete depletion of the film by the main charge carriers with a minimum external bias at the pn junction formed between the film and the substrate

3. The varicap according to claim 2, characterized in that the contact area to the film (2) is made outside the working area of the film, and a dielectric or high-resistance semiconductor layer (5) is formed under the contact area in the substrate.

4. The varicap according to claim 1, characterized in that the pn junction is formed between the substrate (1) and the film (2) on its working section, the ohmic contact (3) to the film (2) is made within its working section, the film ( 2) outside the working area is formed with the opposite conductivity type relative to the working area or with its own type of conductivity.

5. The varicap according to claims 1, 2 and 4, characterized in that the contact area to the film (2) is made on a formed dielectric or high-resistance semiconductor layer.

6. The varicap according to claims 1 to 7, characterized in that on the surface of the working portion of the film opposite to the one on which the p-n junction is formed, highly conductive strips (4) with a gap relative to the ohmic contact (3) are formed along the z direction.

7. The varicap according to claims 1 to 8, characterized in that on the surface of the working portion of the film opposite to that on which the p-n junction is formed, a highly conductive layer is formed with a gap relative to the ohmic contact (3).

8. The varicap according to claims 6 and 7, characterized in that a dielectric or semiconductor layer is formed on the free surface of the varicap.