RU2163045C2

RU2163045C2 - Semiconductor device

Info

Publication number: RU2163045C2
Application number: RU96117056A
Authority: RU
Inventors: В.М. Иоффе
Original assignee: Иоффе Валерий Моисеевич; Виноградов Евгений Леонидович
Priority date: 1996-08-23
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2001-02-10

Abstract

FIELD: parametric amplifiers and oscillators, resonant circuits tuned within comprehensive range. SUBSTANCE: device has insulating or semiconductor layer that carries conducting section on its surface made in the form of coil covered with p or n semiconductor film and provided with ohmic contact; p-n junction or Schottky barrier is formed on film surface and provided with other ohmic contact whose dope shaping is nonuniform along direction crossing coil turns. Choice of film dope shaping and film thickness is limited by requirement of full depletion of film or its part by majority charge carriers up to breakdown of p-n junction or Schottky barrier as external bias complying with proposed equation is applied to its terminals. EFFECT: facilitated regulation of device inductance in response to changes in control voltage applied to its terminals. 4 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может быть использовано при создании параметрических усилителей и генераторов и перестраиваемых в широких пределах резонансных контуров. The invention relates to semiconductor devices and can be used to create parametric amplifiers and generators and tunable in a wide range of resonant circuits.

Прибор наиболее близок по принципу работы к варикапам (варакторам) - полупроводниковым приборам, реактивностью которых можно управлять с помощью напряжения. Как известно (см. Зи С. Физика полупроводниковых приборов, т. 1, М. : Мир, 1984, с. 80-91, 260-262, 381, 384), во всех трех базовых элементах полупроводниковой электроники (p-n переходе, барьере Шоттки и структуре металл-диэлектрик-полупроводник) при определенной полярности приложенного напряжения формируется слой полупроводника, обедненный основными носителями заряда, являющийся аналогом диэлектрической прослойки в обычном конденсаторе. Толщина обедненного слоя зависит от напряжения смещения, вследствие чего дифференциальная емкость C полупроводникового прибора может управляться напряжением U. The device is closest in principle to varicaps (varactors) - semiconductor devices whose reactivity can be controlled by voltage. As is known (see Zi S. Physics of Semiconductor Devices, vol. 1, Moscow: Mir, 1984, pp. 80-91, 260-262, 381, 384), in all three basic elements of semiconductor electronics (pn junction, barrier Schottky and the 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 depletion 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.

Типичная конструкция варактора представляет собой плоскопараллельный сильнолегированный слой полупроводника с одним типом проводимости, 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 различные зависимости C(U). A typical varactor design is a plane-parallel highly doped semiconductor layer with one type of conductivity, formed on a lightly doped working 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, various dependences C (U) can be realized.

Задачей данного изобретения является созданиe полупроводникового прибора, не имеющего аналогов, позволяющего при изменении величины управляющего напряжения, подаваемого на p-n переход либо барьер Шоттки, регулировать величину индуктивности. The objective of the invention is the creation of a semiconductor device that has no analogues, allowing, when changing the magnitude of the control voltage supplied to the p-n junction or Schottky barrier, to control the magnitude of the inductance.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что полупроводниковый прибор содержит изолирующий слой 1, на поверхности которого сформирован проводящий участок 2, выполненный в виде спирали, на поверхности спирали сформирована полупроводниковая пленка электронного либо дырочного типа проводимости 3 с омическим контактом, на поверхности которой выполнен полупроводниковый переход в виде p-n перехода либо барьера Шоттки с другим омическим контактом с неоднородным вдоль направления пересекающего витки спирали профилем легирования, выбор профиля легирования пленки и толщины пленки ограничен условием полного обеднения пленки либо ее части основными носителями заряда до пробоя полупроводникового перехода 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;
q - элементарный заряд;
Ni(x,y,z) - профиль распределения примеси в пленке;
d(x,z) - толщина пленки 3;
z, x - координаты на поверхности пленки;
εs - диэлектрическая проницаемость полупроводниковой пленки;
Uk - встроенный потенциал.The solution of this problem is provided by the fact that the semiconductor device contains an insulating layer 1, on the surface of which a conductive section 2 is formed, made in the form of a spiral, a semiconductor film of electronic or hole type conductivity 3 with an ohmic contact is formed on the surface of the spiral, on the surface of which a semiconductor transition to in the form of a pn junction or a Schottky barrier with another ohmic contact with a doping profile inhomogeneous along the direction of the coil crossing the spiral, chosen doping profile film and the film thickness is limited to a condition of complete depletion of the film or part of majority carriers before the breakdown of a semiconductor junction upon application of an 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 Schottky barrier in the direction along the film thickness;
q is the elementary charge;
Ni (x, y, z) is the distribution profile of the impurity in the film;
d (x, z) is the film thickness 3;
z, x — coordinates on the film surface;
εs is the dielectric constant of the semiconductor film;
Uk - built-in potential.

Кроме того, полупроводниковый прибор может отличаться тем, что на свободной поверхности прибора сформирован изолирующий слой 6. (Под свободной поверхностью прибора понимается любая часть поверхности прибора, за исключением тех частей прибора, к которым подсоединяются объемные проводники, служащие для соединения прибора с внешними устройствами). In addition, a semiconductor device may differ in that an insulating layer 6 is formed on the free surface of the device. (The free surface of the device is understood to mean any part of the surface of the device, with the exception of those parts of the device to which voluminous conductors that connect the device to external devices are connected) .

То есть суть изобретения заключается в использовании возможности изменения числа витков спирали при изменении питающего напряжения, поданного на p-n переход или барьер Шоттки. That is, the essence of the invention is to use the ability to change the number of turns of the spiral when changing the supply voltage applied to the p-n junction or Schottky barrier.

На фиг. 1 приведен полупроводниковый прибор с источником управляющего напряжения 5; на фиг. 2 - полупроводниковый прибор в планарном исполнении; на фиг. 3 - конструкция изготовленного полупроводникового прибора; на фиг. 4 - зависимость величины индуктивности изготовленного прибора от величины управляющего напряжения. In FIG. 1 shows a semiconductor device with a control voltage source 5; in FIG. 2 - planar semiconductor device; in FIG. 3 - design of the manufactured semiconductor device; in FIG. 4 - dependence of the inductance of the manufactured device on the magnitude of the control voltage.

Для пояснения работы прибора обратимся к фиг. 1, на которой представлен прибор, который содержит слой диэлектрика 1, металлический слой 2, выполненный на поверхности слоя 1 в виде спирали, полупроводниковую пленку 3, которая образует с 2 омический контакт, выполненную в виде клина, металлический слой 4, образующий с пленкой барьер Шоттки. К барьеру Шоттки подключен источник управляющего напряжения 5. По мере увеличения запирающего напряжения на переходе область пространственного заряда (ОПЗ) постепенно заполняет всю пленку, при этом размер области нейтральности H(U) непрерывно уменьшается, вследствие чего увеличивается эффективное число витков в индуктивности, поскольку уменьшается число витков, которые шунтирует область нейтральности полупроводниковой пленки. Слой 1 может быть выполнен из высокоомного полупроводникового материала или из полупроводника, образующего со спиралью 2 барьер Шоттки или p-n переход. To explain the operation of the device, refer to FIG. 1, which shows a device that contains a dielectric layer 1, a metal layer 2, made on the surface of the layer 1 in the form of a spiral, a semiconductor film 3, which forms an ohmic contact with 2 made in the form of a wedge, a metal layer 4, forming a barrier with the film Schottky. A control voltage source 5 is connected to the Schottky barrier. As the blocking voltage at the junction increases, the space charge region (SCR) gradually fills the entire film, while the size of the neutrality region H (U) continuously decreases, as a result of which the effective number of turns in the inductance increases, since it decreases the number of turns that the neutral region of the semiconductor film shunts. Layer 1 can be made of high-resistance semiconductor material or of a semiconductor forming a Schottky barrier or p-n junction with spiral 2.

При производстве полупроводниковых приборов посредством стандартной планарной технологии все омические контакты, как правило, отделяются друг от друга слоем SiO₂ На фиг. 2 представлен планарный прибор, содержащий p-n переход с неоднородным вдоль направления x профилем легирования, слой диэлектрика 1, металлический слой 2, который выполнен на поверхности слоя 1 в виде спирали. P-n переход содержит сильнолегированную область p+ типа 4 с омическим контактом, на которой выполнена пленка n типа 3 с другим омическим контактом. В пленке сформирован неоднородный вдоль X профиль распределения донорной примеси Ni(x, y). К p-n переходу подключен источник управляющего напряжения 5. Все контакты отделены друг от друга слоем 6 (SiO₂). По мере увеличения запирающего напряжения на переходе область пространственного заряда (ОПЗ) постепенно заполняет всю пленку, при этом размер области нейтральности H(U) непрерывно уменьшается, вследствие чего увеличивается эффективное число витков в индуктивности, поскольку уменьшается число витков, которые шунтирует область нейтральности полупроводниковой пленки.In the manufacture of semiconductor devices using standard planar technology, all ohmic contacts are typically separated from each other by a SiO ₂ layer. FIG. 2 shows a planar device containing a pn junction with a doping profile inhomogeneous along the x direction, a dielectric layer 1, a metal layer 2, which is made in the form of a spiral on the surface of the layer 1. The Pn junction contains a heavily doped p + type 4 region with an ohmic contact, on which an n type 3 film with another ohmic contact is made. In the film, the distribution profile of the Ni (x, y) donor impurity is inhomogeneous along X. A source of control voltage 5 is connected to the pn junction. All contacts are separated from each other by layer 6 (SiO ₂ ). As the blocking voltage at the junction increases, the space charge region (SCR) gradually fills the entire film, while the size of the neutrality region H (U) continuously decreases, as a result of which the effective number of turns in the inductance increases, since the number of turns that the neutral region of the semiconductor film shunts decreases .

Пример (фиг. 3). На подложке 1 (SiO₂) была выполнена спираль 2 из сплава золота и сурьмы из 100 колец, диаметр меньшего кольца составлял 1 см, диаметр наибольшего кольца составлял 7 см. Поверх спирали была выращена слаболегированная пленка кремния n-типа с концентрацией примеси ~ 1·10¹⁵/см³ и толщиной 0.6 мкм, в которой методом ионной имплантации фосфора (200 кэВ) был сформирован неоднородный профиль распределения примеси, причем имплантационная доза линейно на промежутке 3 см спадала от 1·10¹² до 2,5 ·10¹⁰ион/см². Металлизация 4 барьера Шоттки изготавливались из алюминия поверх пленки 3. После изготовления проволочных выводов поверхность прибора покрывалась слоем двуокиси кремния 6. Измерения индуктивности проводились на частоте 1,5 МГц. В диапазоне запирающих напряжений на барьере Шоттки от 0 до 4 В индуктивность изменялась от 1.6·10^-7 до 3.03·10^-4 Гн соответственно. На фиг. 4 приведена измеренная зависимость индуктивности от величины источника управляющего напряжения.An example (Fig. 3). Spiral 2 was made on a substrate 1 (SiO ₂ ) from an alloy of gold and antimony of 100 rings, the diameter of the smaller ring was 1 cm, the diameter of the largest ring was 7 cm. A lightly doped n-type silicon film with an impurity concentration of ~ 1 10 ¹⁵ / cm ³ and a thickness of 0.6 μm, in which an inhomogeneous impurity distribution profile was formed by ion implantation of phosphorus (200 keV), and the implantation dose linearly fell from 1 · 10 ¹² to 2.5 · 10 ¹⁰ ion / cm ² . Metallization 4 Schottky barriers were made of aluminum on top of film 3. After making the wire leads, the surface of the device was covered with a layer of silicon dioxide 6. The inductance was measured at a frequency of 1.5 MHz. In the range of blocking voltages at the Schottky barrier from 0 to 4 V, the inductance varied from 1.6 · 10 ^-7 to 3.03 · 10 ^-4 G, respectively. In FIG. 4 shows the measured dependence of the inductance on the magnitude of the source of control voltage.

Изобретение позволяет создать регулируемые напряжением индуктивности. The invention allows the creation of voltage-controlled inductances.

Промышленная применимость: изобретение может быть использовано в электронной промышленности. Industrial applicability: the invention can be used in the electronics industry.

Claims

A semiconductor device containing a dielectric or semiconductor layer (1), on the surface of which a conductive section (2) is formed in the form of a spiral, a semiconductor film of electron or hole type conductivity (3) with an ohmic contact is formed on the surface of the spiral, on the surface of which p- n Schottky transition or Schottky barrier with another ohmic contact with a doping profile inhomogeneous along the direction of the coil that crosses the spiral, the choice of doping profile and film thickness is limited condition of complete depletion of the film or part of majority carriers before the breakdown of p-n or Schottky barrier transition upon application of an 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 Schottky barrier in the direction along the film thickness;
q is the elementary charge;
Ni (x, y, z) is the distribution profile of the impurity in the film;
d (x, z) is the film thickness (3);
z, x — coordinates on the film surface;
εs is the dielectric constant of the semiconductor film;
Uk - built-in potential.