Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы - файл mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы
скачать (483.7 kb.)
Доступные файлы (1):
mikrovolno_poluprovod_pribori.doc1409kb.29.05.2003 11:50скачать

mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

ЛЕКЦИЯ № 4


Свойства p-n перехода В микроволновом диапазоне


  1. Концептуальная диаграмма.

  2. Эффект накопления заряда.

  3. Диоды с накоплением заряда.

  4. Технологические особенности изготовления диодов СВЧ диапазона.

  5. Контрольные вопросы.


4.1. Концептуальная диаграмма




4.2. Эффект накопления заряда
Частотные свойства p-n-перехода оп­ределяются инерционностью процессов накапливания и рассасы­вания неосновных носителей заряда. Длительность этих процессов зависит от времени жизни неосновных носителей р, и при уменьше­нии этого времени частотные свойства диодов улучшаются.

Уменьшение времени жизни неосновных носителей достигается введением специальных примесей, энергетические уровни которых расположены вблизи середины запрещенной зоны («глубокие уровни») и увеличивают вероятность рекомбинации. Например, введение золота в кремний n-типа снижает время жизни дырок до (1—5).10-9 с.

Быстродействие диодов с р-n-переходом зависит также от за­кона распределения примесей (доноров и акцепторов) по структу­ре. Исследование этого вопроса привело к созданию диодов с на­коплением заряда (ДНЗ).

Рассмотрим в чем заключается эффект накопления заряда.

В случае подачи на диод коротких импульсов напря­жения длительностью порядка единиц или долей микросекунды не­обходимо учитывать инерционность его включения и выключения, обусловленную переходными процессами. При протекании прямого тока через диод в его ба­зе из-за инжекции накап­ливаются неосновные неравновесные носители за­ряда. Если изменить по­лярность приложенного к диоду напряжения с пря­мой на обратную, этот за­ряд рассасы­вается постепенно, и возникающий обратный ток вследствие высокой концентрации не­основных неравновесных носителей в базе окажет­ся вначале значительно больше статического тока насыщения; величина его будет ограничиваться лишь внешней нагрузкой. Следовательно, при быстром переключе­нии с прямого напряже­ния на обратное диод за­пирается не сразу. Это явление связано со спецификой работы p-n-перехода и обусловлено так называемым эффектом накопления заряда.
4.3. Диоды с накоплением заряда
Распределение концентрации примесей в диодах с накопление заряда показано на рис.4.1 а. Переход создается в результате диффузии акцепторной примеси в полупроводник n-типа с равномерной концентрацией донорной примеси Nд. Концентрация акцепторов Na убывает по экспоненциальному закону и p-n-переход образуется вблизи сечения х0 , где Nа=Nд. Концентрация дырок в р-области (рис. 4.1 б) определяется разностью Na Nд , а электронов в n-области — разностью NдNa. Появление градиентов дырок и электронов вызовет диффузию. В n-области электроны (основные носители) начнут перемещаться из мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией и вызовут нарушение электрической нейтральности. В правой части n-области, откуда ушли электроны, проявится положительный заряд донорных ионов, а в левой ча­сти — отрицательный заряд пришедших сюда электронов. Таким образом, в n-области возникает электрическое поле Еn (см. рис.4.1б). Это поле вызовет в n-области дрейфовый ток электронов, направление которого противополож­но диффузионному току. Когда дрей­фовый ток станет равен диффузионно­му, наступает состояние равновесия, характеризуемое определенным значе­нием напряженности электрического поля Еп в n-области. Такие же процес­сы происходят в р-области, в которой появится поле с напряженностью Ер. При подаче на диод прямого напря­жения происходит инжекция дырок в n-область и электронов в p-область. Однако в ДНЗ электрическое поле Еп препятствует диффузии инжектирован­ных дырок вглубь n-области, поэтому они концентрируются (накапливают­ся) вблизи перехода. Аналогично ин­жектированные электроны накаплива­ются в р-области вблизи границы пе­рехода. В отличие от диодов с равномерным распределением акцепторов и доноров, в ДНЗ инжектиро­ванные электроны и дырки оказываются «сгруппированными» около границ перехода.

а)



б)



Рис. 4.1 Распределение концентрации:

а) примесей; б) дырок в р-области
При скачкообразном изменении напряжения с прямого на об­ратное в момент t=0 на рис. 4.2 концентрация ранее инжектиро­ванных неосновных носителей на границах перехода должна уменьшиться. Появление градиента концентрации носителей вызо­вет диффузионное движение этих носителей, которые потом перей­дут в другую область, так как электрическое поле в переходе яв­ляется для неосновных носителей областей р-n-перехода ускоряю­щим. Появляется большой обратный ток перехода, который огра­ничивается сопротивлением цепи (горизонтальный участок на рис. 4.2). Для ДНЗ характерно то, что импульс обратного тока резко обрывается в некоторый момент времени t1, когда хорошо «сгруп­пированные» около границ перехода неосновные носители закан­чивают прохождение перехода. При надлежащем выборе закона распределения примесей в ДНЗ интервал времени от t1 до t2, при котором обратный ток достигнет значения 1,2I0 (I0 — обратный ток в статическом режиме), может составлять сотни или десятки пикосекунд. Поэтому ДНЗ называют также диодами с резким восстановлением обратного тока или обратного сопротивления.


Рис.4.2. Переходная характеристика диода с накоплением заряда
При воздействии на ДНЗ синусоидального напряжения, вызы­вающего как прямой, так и обратный токи, форма импульсов обратного тока оказывается резко несинусоидальной. Несинусоидальная форма обратного тока обусловливает появление гармонических составляющих высокого порядка с большой амплитудой и возможность эффективного умножения частоты, т.е. спектр периодических импульсов тока содержит много гармоник, поэтому ДНЗ применяются вместо других типов диодов в схемах умножения частоты и позволяют получить бульший коэффициент умножения. Пример параметров схемы умножения на ДНЗ: частота входного сигнала 2 ГГц, выходного — 10 ГГц, входная мощность 2 Вт, вы­ходная — 0,15 Вт. На более низких частотах можно получить бульшую выходную мощность.

Основными требованиями, предъявляемые к диодам с накоплением заряда является малая емкость пе­рехода и минимальное сопротивление базы, для чего площадь пере­хода и толщину базы выполняют малыми. В диодах с накоплением заряда р должно быть достаточно вели­ко, чтобы «удержать» накопленный заряд. Для уменьшения пло­щади перехода до 10-5 см2 в случае работы в наносекундном диа­пазоне используют меза- или планарно-эпитаксиальную техноло­гию. Следует указать, что эффект резкого восстановления обрат­ного сопротивления в той или иной степени присущ любому полу­проводниковому диоду с диффузионным р-n-переходом.
4.4. Технологические особенности изготовления диодов СВЧ диапазона
Характерной особенностью p-n-переходов диодов и транзисторов СВЧ-диапазона является их малая емкость, что достигается уменьшением площади перехода. Конструкция приборов на основе р-n-переходов и технология их изготовления должны обеспечивать точное и воспроизводимое выполнение как поперечных размеров перехода, так и толщины слоев полупроводниковых материалов, а также требуемый уровень и профиль легирования.

Первые СВЧ-диоды были изготовлены точечно-контактным методом. Для этого к предварительно отполированной и протравленной пластине Si или Ge прижималась игла из вольфрама или фосфористой бронзы (часто в виде пружины) с диаметром острия от нескольких микрометров до 20 — 30 мкм. При электроформовке, заключающейся в разогреве области контакта при пропускании мощных коротких импульсов тока, образовывался контакт типа барьера Шоттки.

Диффузионный метод создания переходов основан на диффузии в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазе (рис. 4.3). В зависимости от глубины залегания перехода х0 он может быть плавным или резким. При малой толщине р-области переход можно считать резким со ступенчатым изменением концентрации примеси.



Рис. 4.3 Формирование диффузионного p-n-перехода (а) и распределение примесей в переходе (б)
Для уменьшения последовательного сопротивления объема полупроводника при изготовлении переходов часто используют эпитаксиальные слои. Метод эпитаксиального наращивания позволяет получать пленки полупроводникового материала с требуемой концентрацией примеси на поверхности исходного монокристалла (подложки). Структура кристаллической решетки эпитаксиального слоя при этом идентична структуре подложки. Для получения эпитаксиального слоя на поверхности монокристалла разлагают химические соединения полупроводникового материала с примесью веществ, необходимых для легирования слоя. Можно получать эпитаксиальные слои как с тем же типом элект-ропроводности, что и исходный материал подложки, но с другим удельным сопротивлением, так и с противоположным типом электропроводности. В первом случае, например, на поверхности сильнолегированной низкоомной подложки формируют слаболегированный высокоомный слой нужной толщины. Во втором — эпитаксиальный р-n-переход.

?о конструкции переходы делятся на планарные и мезаструктуры. На рис. 4.4 приведена схема технологического процесса изготовления планарного перехода на эпитаксиальной подложке. Исходная подложка с нанесенным на нее эпитаксиальным слоем (рис. 4.4 а) имеет толщину порядка долей миллиметра, толщина высокоомной пленки Iэп, являющейся базой перехода, может составлять от долей до нескольких десятков микрометров. Малые площади переходов получают за счет использования прецизионной фотолитографии. Для этого эпитаксиальную пленку окисляют, в результате чего на ее поверхности образуется слой двуокиси кремния толщиной порядка 1 мкм. Далее наносят слой фоточувствительного материала — фоторезиста (ФР) (рис. 4.4 б). При освещении фоторезиста ультрафиолетовым светом через маску (фотошаблон) экспонированные участки полимеризуются. После растворения неэкспонированных участков фоторезиста в пленке окисла протравливают окна заданной конфигурации и размеров (рис. 4.4 в). Диаметр окна (или его ширина) при изготовлении приборов СВЧ равен обычно нескольким микрометрам — десятым долям миллиметра. Через полученные окна проводят локальную диффузию акцепторной примеси, например бора, для формирования р-области в эпитаксиальном слое n-Si (рис. 4.4 г). При малых размерах окна следует учитывать, что примесь проникает не только в глубь подложки, но и под края окон, образуя краевые области, имеющие обычно сферическую или цилиндрическую форму.

Эпитаксиальная технология позволяет получать переходы с малой толщиной базы. Отметим, что при малой толщине высокоомного эпитаксиального слоя Iэп область, обедненная основными носителями, может перекрыть весь эпитаксиальный слой и достигнуть сильнолегированной подложки (эффект смыкания).



Рис. 4.4 Схема технологического процесса изготовления диффузионного планарного р-n-перехода на эпитаксиальной подложке
Важное место в изготовлении приборов занимают процессы формирования невыпрямляющих (омических) контактов (ОК на рис. 4.4 г), служащих выводами прибора. Такие контакты должны иметь малое сопротивление, не зависящее от полярности приложенного напряжения. Омические контакты выполняются чаще всего в виде соединения металла с сильнолегированным полупроводником. В простейшем случае сильнолегированный слой полупроводника образуется при сплавлении металла с полупроводником (при этом металл является донором или акцептором). Омические контакты могут быть многослойными, т. е. состоять из различных металлов. Например, омические контакты в приборах из GaAs получают, напыляя вольфрам и никель с последующим осаждением золота.

На одной исходной подложке обычно получают несколько десятков и даже сотен переходов. При производстве многослойных приборов, например транзисторов, процессы фотолитографии и локальной диффузии повторяют несколько раз.

Планарную технологию применяют также при создании приборов из Ge и GaAs. Пленку SiO2 в этом случае осаждают на поверхности полупроводника при термическом разложении кремнийорганических соединений.

Устройство диода с мезаструктурой показано на рис. 4.5 На подложке полупроводника n-типа формируют область p-типа и омические контакты (рис. 4.5 а). Затем верхний контакт защищают фоторезистом и через маску формируют вывод р-области требуемого диаметра. После вытравливания металла и полупроводника остается участок диаметром а и высотой А, возвышающийся над подложкой в виде столбика (рис. 4.5 б). Подложка может быть выполнена по эпитаксиальной технологии, что позволяет изготовлять переходы с толщиной базы, составляющей единицы микрометров. Диаметр мезаструктуры а (рис. 4.5 б) определяется емкостью перехода и составляет обычно десятки — сотни микрометров; высота зависит от назначения прибора и, как правило, равна единицам — десяткам микрометров. Боковая поверхность мезаструктуры может быть защищена слоем SiO2 для уменьшения токов утечки и увеличения пробивного напряжения.

В последние годы для создания переходов с малой толщиной полупроводниковых слоев применяют метод ионного легирования (ионной имплантации), при котором поверхность полупроводника бомбардируют пучком ионов (акцепторов или доноров), сфокусированных и ускоренных до высоких энергий. Глубина проникновения ионов определяется их энергией, а степень легирования — продолжительностью облучения мишени. При энергия частиц 100 кэВ глубина имплантированного слоя обычно около 1 мкм.



Рис. 4.5 Эпитаксиальная мезаструктура:

а ) исходная пластина с p-n-переходом и омическими контактами; б)устройство диода
Приборы с выпрямляющим контактом типа барьера Шоттки могут иметь планарную конструкцию (рис. 4.6) или выполняться в виде мезаструктуры. При их создании используется полупроводниковый материал с одним типом электропроводности, поэтому в технологическом процессе отсутствуют операции диффузии (или ионного легирования). Основным методом получения выпрямляющего контакта является вакуумное напыление металлических слоев на монокристалл полупроводника. Большое значение для получения качественного контакта с барьером Шоттки имеют состояние поверхности полупроводника и выбор материала металлического электрода. Металлическую пленку обычно напыляют на полупроводник, после чего ее толщину увеличивают электролитическим осаждением или повторным напылением. Контакты чаще всего бывают многослойными и состоят из различных металлов. Металл для внешнего покрытия выбирают с учетом последующих паек при монтаже прибора.



Рис. 4.6. Структура диода с барьером Шоттки, изготовленного методами планарной технологии
Уменьшить сопротивление объема полупроводника и улучшить отвод теплоты от перехода в планарных и мезаструктурах можно путем уменьшения толщины полупроводниковой подложки и замены ее материалом с большей теплопроводностью, например медью или золотом. Конструкции таких структур, называемых приборами с интегральным теплоотводом, показаны на рис. 4.7 Толщина полупроводниковой структуры lстр может быть доведена до 10 — 20 мкм. Толщина медной подложки lм обычно составляет несколько десятков — сотни микрометров.



Рис. 4.7. Планарная (а) и мезаструктура (б) с интегральным теплоотводом; в, г, д — последовательности технологических операций при изготовлении структуры
При изготовлении таких структур на исходной (например, из низкоомного полупроводника n+-типа) подложке толщиной lп0 эпитаксиальным наращиванием получают пленку n-материала толщиной lэп, а затем полупроводника p+-типа с образованием р+-n-перехода (рис. 4.7 в). После выполнения на p+-материале омического контакта на структуре с этой же стороны гальваническим методом осаждают слой меди большой толщины (рис.4.7г). С противоположной стороны шлифовкой и селективным травлением уменьшают толщину исходной подложки до lп так, что толщина всей полупроводниковой структуры становится небольшой (рис. 4.7 д). Далее методом фотолитографии формируют мезаструктуру (рис. 4.7 б), При монтаже структуры в корпус медное основание припаивают к массивному держателю, поэтому такие переходы могут рассеивать мощность в десятки ватт.
4.5. Контрольные вопросы:


  1. В чем заключается эффект накопления заряда?

  2. Почему ДНЗ называют диодами с резким восстановлением обратного тока или обратного сопротивления?

  3. Перечислите основные требования к ДНЗ.

  4. Перечислите методы изготовления диодов СВЧ. Кратко опишите каждый из них.


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации