ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД
SEMICONDUCTOR DIODE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к полупроводниковым электронным приборам, в частности к сверхвысокочастотным (СВЧ) диодам, и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности в качестве основного нелинейного элемента в составе детекторов, преобразователей частоты и амплитуды СВЧ сигнала.
Уровень техники
Известен полупроводниковый диод (патент № US 8334550 МПК H01L 29/861 опубл. 18.12.2012), включающий следующие слои, расположенные в прямом или в обратном порядке (начиная от подложки): катодный слой, состоящий из полупроводника с широкой запрещенной зоной первого типа проводимости с высокой степенью легирования; обедненный слой, состоящий из собственного полупроводника с широкой запрещенной зоной или полупроводника с широкой запрещенной зоной первого или второго типа проводимости с низкой степенью легирования; анодный слой, состоящий из полупроводника с узкой запрещенной зоной первого типа проводимости с высокой степенью легирования; а также металлизированный катодный контакт с омическим сопротивлением, сформированный к катодному слою; металлизированный анодный контакт с омическим сопротивлением, сформированный к анодному слою. В известном устройстве за счет образования гетероперехода на границе анодного слоя и обедненного слоя сформирован один потенциальный барьер для носителей заряда, определяющий выпрямительные свойства известного диода. Слои известного диода выращены методом эпитаксии на подложке из InP и состоят из полупроводниковых соединений химических элементов III-V групп. Высота потенциального барьера в данном диоде может быть установлена путем подбора мольного состава материалов слоев, между которыми образуется гетеропереход. На практике используют мольные составы материалов слоев, при которых высота потенциального барьера составляет 0,25…0,30 В, что позволяет наиболее эффективно использовать известный диод в составе детектора СВЧ сигнала в широком динамическом диапазоне, при этом не требуется подача на диод постоянного внешнего смещения для увеличения его чувствительности при малом уровне мощности входного сигнала.
Недостатком конструкции известного диода является невозможность достичь приемлемых электрических параметров при реализации известного диода на подложке из GaAs (что пояснено ниже), а также недостаточно высокое пробивное напряжение, которое ограничено резким возрастанием туннельного тока электронов сквозь потенциальный барьер при приложении обратного напряжения на известный диод.
x
1-x
x
1-x
В одном из вариантов реализации известного диода на подложке из GaAs анодный слой может быть выполнен из GaAs, а обедненный слой и катодный слой - из полупроводникового материала с большей, чем у GaAs, шириной запрещенной зоны, согласованного по постоянной решетки с GaAs, например, AlGaAs, однако при этом значительно увеличивается прямое сопротивление потерь диода, что связано с более низкой подвижностью носителей заряда в AlGaAs (а также в других пригодных к применению в данном случае материалов) по сравнению с GaAs. Увеличение прямого сопротивления потерь значительно ухудшает СВЧ характеристики и чувствительность известного диода и делает его применение в большинстве случаев нецелесообразным.
y
1-y
y
1-y
y
1-y
y
1-y
В другом варианте реализации известного диода на подложке из GaAs катодный слой и обедненный слой могут быть выполнены из GaAs, а анодный слой - из полупроводникового материала с меньшей, чем у GaAs, шириной запрещенной зоны, например, InGaAs. При этом для получения на границе GaAs / InGaAs потенциального барьера величиной более 0,15…0,18 В мольная доля индия у в соединении InGaAs (при необходимой толщине слоя InGaAs не менее 5…10 нм) должна превышать критическое значение, определяющее условия бездефектного роста эпитаксиальной структуры. Таким образом, в данном варианте реализации практически затруднительно получить потенциальный барьер высотой более 0,15…0,18 В, что значительно сужает область применения известного диода на GaAs подложке в технике СВЧ.
Низкое пробивное напряжение, в свою очередь, ограничивает максимальную допустимую мощность СВЧ сигнала на известном диоде при работе в составе детектора СВЧ сигнала, поскольку пробивное напряжение приблизительно равно удвоенной амплитуде напряжения входного СВЧ сигнала.
+
+
+
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по наибольшему числу существенных признаков является GaAs диод (патент № US 4839709 МПК H01L 29/861 опубл. 13.06.1989), выбранный нами за прототип, выполненный на GaAs подложке, включающий следующие слои, расположенные в прямом или в обратном порядке (начиная от подложки): катодный слой, состоящий из GaAs с электронным типом проводимости с высокой степенью легирования (n-GaAs); обедненный слой, состоящий из собственного GaAs или GaAs электронного или дырочного типа проводимости с низкой степенью легирования (i-GaAs); барьерный слой, состоящий из GaAs дырочного типа проводимости с высокой степенью легирования (p-GaAs); анодный слой, состоящий из GaAs электронного типа проводимости с высокой степенью легирования (n-GaAs); а также металлизированный катодный контакт с омическим сопротивлением, сформированный к катодному слою; металлизированный анодный контакт с омическим сопротивлением, сформированный к анодному слою. В известном устройстве за счет p-n переходов, возникающих на обеих границах барьерного слоя, сформирован один потенциальный барьер для носителей заряда, определяющий выпрямительные свойства диода. Высота потенциального барьера в известном диоде может быть установлена в широком диапазоне на этапе изготовления полупроводниковой эпитаксиальной структуры путем подбора концентрации легирующей примеси в барьерном слое и анодном слое, а также толщины барьерного слоя. На практике используют параметры слоев, при которых высота потенциального барьера составляет 0,25…0,3 В, что позволяет наиболее эффективно использовать данный диод в качестве детектора СВЧ сигнала в широком динамическом диапазоне, при этом не требуется подача на диод постоянного внешнего смещения для увеличения его чувствительности при малом уровне мощности входного сигнала.
Недостатками конструкции известного диода являются недостаточно низкий обратный ток, что снижает чувствительность известного диода по напряжению, а также недостаточно высокое пробивное напряжение, которое ограничено критической плотностью обратного тока через известный диод. Низкое пробивное напряжение, в свою очередь, ограничивает максимальную допустимую мощность СВЧ сигнала на известном диоде при работе в составе детектора СВЧ сигнала, поскольку пробивное напряжение приблизительно равно удвоенной амплитуде напряжения входного СВЧ сигнала.
Раскрытие изобретения
Основной технической задачей, решаемой заявляемым устройством, является снижение обратного тока и увеличение пробивного напряжения диода.
Поставленная задача решается тем, что в полупроводниковом диоде, включающем подложку из GaAs, на которой последовательно расположены в прямом или обратном порядке катодный слой, выполненный из GaAs электронного типа проводимости с высокой степенью легирования, обедненный слой, выполненный из собственного GaAs или GaAs электронного или дырочного типа проводимости с низкой степенью легирования, барьерный слой, выполненный из GaAs дырочного типа проводимости с высокой степенью легирования, анодный слой, выполненный из GaAs электронного типа проводимости с высокой степенью легирования, а также металлизированный катодный контакт с омическим сопротивлением, сформированный к катодному слою, и металлизированный анодный контакт с омическим сопротивлением, сформированный к анодному слою, согласно изобретению между анодным слоем и барьерным слоем расположены обедненный узкозонный слой, выполненный из собственного InGaAs или InGaAs электронного или дырочного типа проводимости с низкой степенью легирования, и анодный узкозонный слой, выполненный из InGaAs электронного типа проводимости с высокой степенью легирования, причем анодный узкозонный слой граничит с анодным слоем.
Кроме того, обедненный узкозонный слой и анодный узкозонный слой могут иметь отличающийся друг от друга мольный состав полупроводникового материала.
Изобретение поясняется чертежами.
Краткое описание чертежей
a-к
На фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства; на фиг. 2 - распределение электростатического потенциала по глубине полупроводниковой структуры при различных значениях напряжения на металлизированном анодном контакте относительно металлизированного катодного контакта U для заявляемого устройства; на фиг. 3 приведена типичная вольт-амперная характеристика заявляемого устройства; на фиг. 4 приведено распределение электростатического потенциала по глубине полупроводниковой структуры в области потенциальных барьеров при различных значениях обратного напряжения для прототипа; на фиг. 5 приведено распределение электростатического потенциала по глубине полупроводниковой структуры в области потенциальных барьеров при различных значениях обратного напряжения для заявляемого устройства; на фиг. 6 представлены типичные обратные ветви вольт-амперных характеристик прототипа и заявляемого устройства в виде зависимости обратного тока, протекающего через диод, от обратного напряжения.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство содержит расположенные на полупроводниковой GaAs подложке 1 катодный слой 2, обедненный слой 3, барьерный слой 4, обедненный узкозонный слой 5, анодный узкозонный слой 6, анодный слой 7, металлизированный катодный контакт 8 с омическим сопротивлением, сформированный к катодному слою 2; металлизированный анодный контакт 9 с омическим сопротивлением, сформированный к анодному слою 7. На границе анодного слоя 7 и анодного узкозонного слоя 6 сформирован гетеропереход 10. На границе барьерного слоя 4 и обедненного узкозонного слоя 5 сформирован гетеропереход 11.
a-к
пр
a-к
обр
а-к
a-к
Принцип работы заявляемого устройства основан на эффекте односторонней проводимости. На фиг. 2 приведены кривые распределения электростатического потенциала внутри структуры диода, изображенной на фиг. 1, по глубине вдоль оси, на которой координате «0» соответствует граница между барьерным слоем 4 и анодным узкозонным слоем 6. При отсутствии внешнего электрического напряжения между металлизированными катодным контактом 8 и анодным контактом 9 распределение электростатического потенциала описывается кривой «U=0 В» (фиг.2). При подаче на металлизированный анодный контакт 9 положительного потенциала относительно металлизированного катодного контакта 8 потенциальная энергия электронов со стороны катодного слоя 2 возрастает, вызывая возрастание тока I через диод за счет явления термоэлектронной эмиссии над потенциальным барьером, что соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики (кривая «U=1 В, фиг. 2). При подаче на металлизированный анодный контакт 9 отрицательного потенциала относительно металлизированного катодного контакта 8 возникает обратный ток I за счет явлений термоэлектронной эмиссии над потенциальным барьером и туннелирования сквозь потенциальный барьер, что соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики (кривая «U=-4 В, фиг. 2). Вследствие несимметричности структуры заявляемого устройства относительно металлизированных катодного и анодного контактов 8 и 9 характер изменения формы потенциального барьера при приложении прямого напряжения и обратного напряжения различный, что приводит к отличию прямой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики заявляемого устройства и делает возможным его использование в качестве нелинейного выпрямляющего элемента, например, детектора СВЧ сигнала. Типичная вольт-амперная характеристика заявляемого устройства в виде зависимости тока I, протекающего через диод, от напряжения U приведена на фиг. 3.
Обедненный узкозонный слой 5, выполненный из собственного или слаболегированного InGaAs, обеспечивает линейный закон изменения электростатического потенциала между потенциальными барьерами, сформированными гетеропереходами 10 и 11, а также p-n переходами барьерного слоя 4, объединяя указанные потенциальные барьеры в один результирующий потенциальный барьер. При этом толщина обедненного узкозонного слоя 5 определяет ширину результирующего потенциального барьера.
Степень легирования и толщина барьерного слоя 4, а также мольная доля In в обедненном узкозонном слое 5 совместно определяют высоту результирующего потенциального барьера вблизи границы барьерного и обедненного слоев 4 и 3 соответственно.
+
Степень легирования и мольная доля In в анодном узкозонном слое 6 определяют высоту результирующего потенциального барьера вблизи границы анодного слоя 7 и анодного узкозонного слоя 6. Результирующий потенциальный барьер, соответствующий заявляемому устройству, по сравнению с потенциальным барьером, соответствующим прототипу и полученным за счет образования только p-n перехода, обладает большей шириной при той же высоте и значительно менее подвержен уменьшению высоты и ширины при росте обратного напряжения. Этот эффект объясняется тем, что потенциальный барьер на границе анодного слоя 7 и анодного узкозонного слоя 6 расположен в n области, насыщенной электронами в зоне проводимости, и электрически экранирован ими от воздействия внешнего напряжения.
a-к
а-к
а-к
2
2
а-к
На фиг. 5 представлены кривые распределения электростатического потенциала внутри структуры заявляемого устройства по глубине вдоль оси в области результирующего потенциального барьера. Кривая «U=0 В» соответствует состоянию заявляемого устройства без подачи напряжения, кривая «U=-2 В» соответствует состоянию заявляемого устройства при подаче обратного напряжения величиной 2 В, кривая «U=-4 В» соответствует состоянию заявляемого устройства при подаче обратного напряжения величиной 4 В. Высота (разность между электростатическим потенциалом в анодном слое 7 и минимальным потенциалом на кривой) и ширина (разность координат на кривой, в которых электростатический потенциал меньше электростатического потенциала в анодном слое 7 на величину 0,026 В) результирующего потенциального барьера, обозначенные соответственно как Н и W на кривой «U=-4 В», уменьшаются с ростом обратного напряжения, вызывая рост обратного тока.
а-к
1
2
1
2
Для кривых «U=-4 В» сравнительные значения высоты и ширины потенциального барьера H=0,13 В, Н=0,21 В, W=26 нм, W=53 нм представлены на фиг. 4 и фиг. 5.
Таким образом, в результате преобразований, предусмотренных существенными признаками заявляемого устройства, при росте обратного напряжения высота и ширина потенциального барьера уменьшаются менее интенсивно по сравнению с прототипом, что снижает величину обратного тока для заявляемого устройства по сравнению с прототипом во всем диапазоне обратного напряжения (при одинаковой высоте потенциального барьера для заявляемого устройства и прототипа в состоянии без приложения внешнего напряжения).
Критическая плотность обратного тока, определяющая пробивное напряжение диода, достигается при значительно большем обратном напряжении, следовательно, пробивное напряжение заявляемого устройства выше, чем пробивное напряжение прототипа (при одинаковой высоте потенциального барьера в состоянии без приложения внешнего напряжения).
Заявляемое устройство реализуется в следующих интервалах критических величин. В табл.1 представлены толщины полупроводниковых слоев и концентрации примеси в полупроводниковых слоях заявляемого устройства.
Таблица 1
Слой структуры
Материал
Толщина, нм
Концентрация примеси, см<sup>-3</sup>
катодный
GaAs
-
>10<sup>-8</sup>
обедненный
GaAs
100…500
<5×10<sup>15</sup>
анодный узкозонный
In<sub>x</sub>GaAs (x>0,2)
<10
>10<sup>18</sup>
обедненный узкозонный
In<sub>x</sub>GaAs (х>0,2)
<10
<5×10<sup>-6</sup>
анодный
GaAs
-
>10<sup>18</sup>
x
x
x
x
x
18
-3
16
-3
Для получения максимального эффекта от заявляемых преобразований мольная доля In в полупроводниковом соединении InGaAs для анодного узкозонного слоя 6 и обедненного узкозонного слоя 5 должна составлять максимальное значение, которое воспроизводимо в условиях бездефектного эпитаксиального роста полупроводниковой структуры. Суммарная толщина анодного узкозонного слоя 6 и обедненного узкозонного слоя 5 ограничена мольной долей In в полупроводниковом соединении InGaAs. При росте мольной доли максимальная суммарная толщина этих слоев снижается. Целесообразно использовать указанные слои с суммарной толщиной до 15 нм, т.к. данная толщина отвечает условию по увеличению пробивного напряжения и позволяет использовать InGaAs с х>0,2. Толщина обедненного узкозонного слоя 5 должна составлять не более 10 нм, поскольку при большей толщине значительно повышается показатель идеальности прямой ветви вольт-амперной характеристики диода. Концентрация легирующей примеси анодного узкозонного слоя 6 должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить экранирование гетероперехода 10 от электрического поля, сосредоточенного в обедненном слое 3, барьерном слое 4 и обедненном узкозонном слое 5 (фиг. 1), при этом целесообразно использовать анодный узкозонный слой 6 с концентрацией примеси не менее 10 см. Концентрация легирующей примеси в обедненном узкозонном слое 5 должна быть достаточно низкой для обеспечения полного обеднения данного слоя носителями заряда, при этом целесообразно использовать концентрацию примеси не более 5×10 см.
Высота результирующего потенциального барьера определяется суммой высоты потенциального барьера, образованного за счет гетероперехода 11, и высоты потенциального барьера, образованного за счет p-n переходов.
18
19
-3
Необходимую добавочную высоту к потенциальному барьеру, образованному за счет гетероперехода 11, обеспечивает барьерный слой 4 толщиной от 3 до 10 нм с концентрацией примеси 10…10 см в зависимости от требуемой добавочной высоты потенциального барьера и толщины барьерного слоя 4. При толщине барьерного слоя 4 менее 3 нм необходимая концентрация примеси приближается к максимальному пределу в условиях эпитаксиального роста полупроводниковой структуры. При толщине барьерного слоя 4 более 10 нм повышается показатель идеальности прямой ветви вольт-амперной характеристики диода.
Пример конкретного выполнения
2
Были изготовлены два типа полупроводниковых диодов на полуизолирующих подложках из GaAs, соответствующих конструкции прототипа и конструкции заявляемого устройства, с одинаковой топологией, технологией изготовления и одинаковой высотой потенциального барьера 0,23 В. Площадь металлизированного анодного контакта 9 составляла 95 мкм. В табл.2 приведены параметры слоев полупроводниковых структур. Для формирования металлизированных катодного и анодного контактов 8 и 9, соответственно, была использована многослойная металлизация на основе Au/Ge.
Таблица 2
Слой
Прототип
Заявляемое устройство
материал
толщина, нм
концентрация легирующей примеси, см<sup>-3</sup>
материал
толщина, нм
концентрация легирующей примеси, см<sup>-3</sup>
катодный
GaAs
3000
5×10<sup>18</sup>
GaAs
3000
5×10<sup>18</sup>
обеденный
350
<2×10<sup>14</sup>
350
<2×10<sup>14</sup>
барьерный
4
8×10<sup>18</sup>
4
3×10<sup>18</sup>
обеденный узкозонный
-
-
-
In<sub>0,25</sub>Ga<sub>0,75</sub>As
5
<2×10<sup>14</sup>
анодный узкозонный
5
5×10<sup>18</sup>
анодный
GaAs
400
5×10<sup>18</sup>
GaAs
400
5×10<sup>18</sup>
Из представленных вольт-амперных характеристик (фиг. 6) видно, что:
а) величина обратного тока для заявляемого устройства существенно ниже, чем для прототипа, во всем диапазоне обратного напряжения (приблизительно в 5 раз);
б) пробивное напряжение для заявляемого устройства существенно выше, чем для прототипа (приблизительно на 35%).
Данный пример демонстрирует технический результат, достигаемый при использовании заявляемого устройства относительно устройства, выбранного за прототип.
Структура заявляемого устройства может содержать дополнительные слои, например слои диэлектрической пассивации, гальванически осажденного золота и др., наличие которых не меняет сущности изобретения.
Применение для изготовления заявляемого устройства сильнолегированной полупроводниковой подложки n-типа, выполняющей в том числе функцию анодного слоя или катодного слоя, не меняет сущности изобретения.