Varactor diodes based on multilayer epitaxial GaAs-composition for high-frequency equipment

Abstract

The article presents the results of designing and studying of semiconductor mesaepitaxial GaAs-varactor diodes for general application in high-frequency equipment. The study provides the general technical requirements for GaAs-varactor diodes and the electrical parameters of the experimental mesaepitaxial GaAs-varactor diodes.

Full Text

Одно из направлений развития электронной компонентной базы ВЧ-электроники – полупроводниковые приборы с управляемой ёмкостью, работающие в широком диапазоне управляющего напряжения и широком диапазоне рабочих температур. Разработка и производство данных приборов вполне реализуемо на основе многослойных эпитаксиальных GaAs-структур.

Применение GaAs для производства варикапов актуально ещё и тем, что он в некотором смысле отвечает приближению идеального полупроводника для варикапов. Идеальный полупроводник для варикапа должен иметь те или иные носители заряда с высокой подвижностью, обладать низкой диэлектрической проницаемостью, широкой запрещённой зоной, низкой энергией ионизации примесей и высокой теплопроводностью. Эти параметры обеспечивают минимальное сопротивление, минимальную ёмкость, небольшой ток насыщения, а также возможность работы при повышенных температурах.

За рубежом и на ряде российских предприятий имеется технология производства многослойных эпитаксиальных GaAs-структур. На сегодняшний день на основе таких структур разработаны быстродействующие высоковольтные p–i–n-диоды для преобразовательной и импульсной техники [1, с. 35–37]. Применение технологии производства быстродействующих высоковольтных p–i–n-диодов для изготовления мезаэпитаксиальных GaAs-варикапов позволяет создать необходимые предпосылки для разработки высокодобротных варикапов с широким диапазоном рабочего напряжения.

Использование в GaAs-диодных структурах зависимости барьерной ёмкости от приложенного обратного напряжения с последующим нормированием этой зависимости позволяет реализовать такой полупроводниковый прибор, как варикап. Характер этой зависимости, то есть вольт-фарадной характеристики, определяется видом распределения концентрации примесей в области объемного заряда р–n-перехода и, соответственно, методом его изготовления. Эти зависимости получены аналитически и достаточно известны как для резких р–n-переходов, таки для плавных р–n-переходов [2]. В данной работе сделана попытка получения варикапа на основе технологии формирования мезаэпитаксиальных диодных структур с резким р–n-переходом.

Основные требования к мезаэпитаксиальным GaAs-варикапам для ВЧ-аппаратуры кратко можно представить в следующем виде:

• ёмкость варикапа при обратном напряжении – U_R=4 В: 220–280 пФ (первый вариант исполнения – одиночные кристаллы), 55÷80 пФ (второй вариант исполнения – два варикапа на одном кристалле);
• добротность варикапа при обратном напряжении – U_R=4 В: не менее 200 (первый вариант исполнения – одиночные кристаллы), не менее 120 (второй вариант исполнения – два варикапа на одном кристалле);
• коэффициент перекрытия по ёмкости варикапа (отношение ёмкости варикапа при U_R=4 В к ёмкости варикапа при U_R=100 В): не менее 3,5;
• постоянный обратный ток варикапа при U_R=100 В в рабочем диапазоне температур – не более 1 мкА;
• рабочий диапазон температуры окружающей среды от –60 до +85 ^oC.

Структура кристалла мезаэпитаксиального GaAs-варикапа приведена на рисунке 1. Структура, приведенная на рисунке 1 формируется методами жидкофазной эпитаксии.

Полученные эпитаксиальные p⁺–n^-–n⁺–n⁺-структуры имеют несколько металлургических переходов внутри структуры [3, с. 36–47].

A – контакт анода, B – анодная область (p⁺), C – высокоомная n^--область, D – катод. В качестве защитного слоя могут использоваться диэлектрические плёнки SiO2 и Si3N4, а также полимерные материалы типа фотоимидов

Рис. 1. Структура кристалла GaAs-варикапа.

Физическая структура и распределение концентрации в p⁺–n^-–n⁺–n⁺-структуре кристалла варикапа приведена на рисунке 2. Принимая в расчет общую протяженность эпитаксиальных областей и подложки GaAs-варикапа такой, как показано на рисунке 2, то на переходах x_j1, x_j2, x_j3 возникают диффузионные потенциалы, сумма которых дает полное диффузионное напряжение такое же, как и на GaAs p–i–n-диоде при T=300 K [1–2]:

Так как варикап представляет собой, прежде всего, диодную структуру, то практически все параметры, включая присущие непосредственно варикапам, определяются удельным сопротивлением и толщиной высокоомного эпитаксиального слоя. В этом факте содержится как положительный момент (весь расчет варикапа мы можем свести к расчету параметров высокоомного эпитаксиального слоя), так и небольшой минус: неконтролируемое изменение параметров высокоомной эпитаксиальной пленки, а также параметры всех остальных эпитаксиальных слоев, включая паразитные сопротивления металлических контактов приводят к заметному разбросу ряда электрических параметров, таких как ёмкость и добротность.

WSCL – область пространственного заряда в высокоомном эпитаксиальном слое.

Рис. 2. Физическая структура и распределение концентрации носителей заряда в структуре GaAs-варикапа.

Поэтому, в конечном итоге, только исследование экспериментальных образцов варикапов с последующей нормировкой значений электрических параметров позволяет оптимизировать структуру кристалла варикапа.

Используя формулу плоского конденсатора, для структуры, приведенной на рисунке 2, можно записать:

где  – диэлектрическая проницаемость GaAs,

0 – электрическая постоянная;

Spn – площадь p–n-перехода варикапа;

WSCL – ширина области пространственного заряда высокоомного эпитаксиального слоя (базы), зависящая от приложенного обратного напряжения – UR.

Учитывая, что разрабатываемые варикапы на основе GaAs выполнены полностью по эпитаксиальной технологии с разностью концентраций в несколько порядков, то вполне приемлемо приближение «Резкого» асимметричного p–n-перехода. Для такого перехода, в

приближении обеднения (при обратных напряжениях), ёмкость можно аппроксимировать следующим соотношением [4, с. 80–88]:

где ND – концентрация донорной примеси в базовой области варикапа (высокоомном эпитаксиальном слое);

U^*pn – контактная разность потенциалов p–n-перехода варикапа.

Принимая во внимание то, что ёмкость варикапов (C_VD) и диапазон обратных напряжений (U_R), как правило, оговариваются в исходных технических требованиях, а контактную разность потенциалов – U^*_pn можно вычислить в соответствии с (1), то на основании (3) можно определить в первом приближении площадь варикапов при уровне легирования базовой области (1÷2).10¹⁵ см^-3:

Использования соотношения (4) при разработке варикапов удобно тем, что одну и ту же структуру мы можем использовать для изготовления двух типов варикапов.

а) При обратном напряжении U_R=4 В и ёмкости C_VD=250 пФ мы получим значение площади p–n-перехода для первого варианта исполнения варикапа – S_pn5,5 мм².

б) При обратном напряжении U_R=4 В и ёмкости C_VD=68 пФ мы получим значение площади p–n-перехода для второго варианта исполнения варикапа – S_pn1,6 мм².

Толщину высокоомного эпитаксиального (базового) слоя h_Bepi выберем исходя из условия, что данная величина должна быть больше ширины области пространственного заряда (ОПЗ) W_SCLmax при максимальном обратном напряжении U_{R max} в (5).

Согласно (5), при U_{R max} = 100 В, получим W_SCLmax12 мкм.

Таким образом, на основании полученных данных выбор толщины высокоомного эпитаксиального (базового) слоя h_Bepi>12 мкм вполне приемлем.

Все вышеприведенные параметры – концентрация донорной примеси в базовой области варикапа, толщина эпитаксиального слоя базовой области варикапа – непосредственно связаны с величиной добротности (6).

где CVD – общая ёмкость варикапа при некотором заданном обратном напряжении – UR;

f=50 МГц – частота переменного напряжения, на которой осуществляется измерение добротности при некотором заданном обратном напряжении – UR;

RVD – общее активное сопротивление структуры варикапа, с приемлемой точностью можно принять равным сопротивлению базовой области варикапа (сопротивлением контактов и высоколегированных областей можно пренебречь).

С учетом вышесказанного, общее активное сопротивление структуры варикапа [5, с. 147– 303]:

где  – удельное сопротивление базовой области варикапа;

- площадь p–n-перехода варикапа;

W_B – толщина квазинейтральной области базы варикапа.

Толщину квазинейтральной области базы варикапа можно вычислить следующим образом (рис. 2):

где h_Bepi – толщина эпитаксиального слоя базовой области;

W_SCL – ширина ОПЗ в базовой области варикапа.

Соотношение (7) показывает преимущества применения полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей заряда для изготовления варикапов. В данном случае применение GaAs для изготовления варикапов со структурой, приведенной на рис. 1, обеспечивает подвижность электронов в базовой области – μ_n ≈ 5000 см²/В.с (для сравнения, в кремнии –μ_n ≈ 1420 см²/В.с). Это обеспечивает более низкие, по сравнению с Si, значения полного активного сопротивления варикапов и, как следствие, на основании (6), более высокие значения добротности GaAs-варикапов.

Следует отметить, что и при расчете, и при измерении толщины и удельного сопротивления базового слоя варикапа имеет место существенная погрешность. Кроме всего, что связано непосредственно с объемом структуры варикапов на параметры существенное влияние оказывает поверхность («Меза»-область), где имеют место нарушения кристаллической структуры и, как следствие, высокая плотность зарядовых состояний. Структура «Меза»-области приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Структура «Меза»-области кристаллов варикапов.

Поэтому на практике чаще всего сопротивление RVD устанавливают экспериментальным путем на основе измерения динамического сопротивления прямой ветви вольтамперной характеристики варикапа.

После сборки экспериментальных образцов GaAs-варикапов (корпус типа ТО-251), было проведено исследование их вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик. Также было проведено измерение добротности.

Вольт-фарадные характеристики 10 штук экспериментальных образцов варикапов первого типа (одиночные кристаллы) при T=300 K приведены на рисунке 4.

Исследуя рисунок 4 можно отметить, что линейность вольт-фарадных характеристик наблюдается практически во всем рабочем диапазоне обратных напряжений, начиная от 4 В и до 100 В. Лишь на участке менее 4 В наблюдается резкое возрастание ёмкости, но это не регламентированный для работы интервал обратных напряжений.

Рис. 4. Вольт-фарадные характеристики десяти экспериментальных образцов GaAs-варикапов первого типа (одиночные кристаллы) при T=300 K.

Вольт-фарадные характеристики 10 шт. экспериментальных образцов варикапов второго типа (сдвоенные кристаллы) при T=300 K приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 показывает результат аналогичный предыдущему (см. рис. 4) с точки зрения линейности характеристики. Отличие в том, что величина ёмкости данного варикапа ниже, чем у предыдущего варианта (измерения проводились на одном, произвольно выбранном варикапе).

Рис. 5. Вольт-фарадные характеристики 10 шт. экспериментальных образцов GaAs-варикапов второго типа (два варикапа на одном кристалле) при T=300 K.

Измерение добротности варикапов, а также зависимости данной добротности от частоты проводилось с помощью измерителя добротности Е4-11. Результаты измерения приведены на рисунках 6 и 7.

Рис. 6. Аппроксимированная зависимость добротности варикапов первого типа от частоты.

Рис. 7. Аппроксимированная зависимость добротности варикапов второго типа от частоты (среднее значение ёмкости – 68 пФ).

В результате проведенной работы выполнен расчет физической структуры мезаэпитаксиальных GaAs-варикапов двух типов: однокристальный вариант и вариант с двумя варикапами на одном кристалле. Изготовлены экспериментальные образцы мезаэпитаксиальных GaAs-варикапов, проведено исследование их электрических параметров и характеристик.

В результате исследования электрических характеристик мезаэпитаксиальных GaAs- варикапов, включая вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики установлено, что полученные зависимости позволяют использовать их наряду с кремниевыми варикапами в радиотехнической аппаратуре общепромышленного применения. Более широкий диапазон рабочих напряжений мезаэпитаксиальных GaAs-варикапов позволяет применять их более широко, включая высоковольтную аппаратуру. Полученные значения добротности варикапов, величины которых превосходят добротности аналогичных кремниевых варикапов, обеспечивают возможность применения мезаэпитаксиальных GaAs – варикапов в ВЧ- и СВЧ- аппаратуре.