Варикапы на основе многослойных эпитаксиальных GaAs-структур для ВЧ-аппаратуры

СУРАЙКИН А. И., СУМЕНКОВ А. Н.

ВАРИКАПЫ НА ОСНОВЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ GaAs-СТРУКТУР ДЛЯ ВЧ-АППАРАТУРЫ

Аннотация. Представлены результаты разработки и исследования полупроводниковых мезаэпитаксиальных GaAs-варикапов для широкого применения в высокочастотной аппаратуре. Приводятся общие технические требования к GaAs-варикапам, а также основные электрические параметры и характеристики экспериментальных образцов мезаэпитаксиальных GaAs-варикапов.

Ключевые слова: арсенид галлия, варикап, мезаэпитаксиальная структура, ёмкость, добротность, коэффициент перекрытия по ёмкости.

SURAYKIN A. I., SUMENKOV A. N. 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.

Keywords: gallium arsenide, varactor diode, mesaepitaxial composition, capacity, quality factor, coefficient of capacity overlap.

Одно из направлений развития электронной компонентной базы ^^-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 р-г-п-диоды для преобразовательной и импульсной техники [1, с. 35-37]. Применение технологии производства быстродействующих высоковольтных р-г-п-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-п-перехода и, соответственно, методом его изготовления. Эти зависимости получены аналитически и достаточно известны как для резких р-п-переходов, таки для плавных р-п-переходов [2]. В данной работе сделана попытка получения варикапа на основе технологии формирования мезаэпитаксиальных диодных структур с резким р-п-переходом.

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

1) ёмкость варикапа при обратном напряжении - 6^=4 В: 220-280 пФ (первый вариант исполнения - одиночные кристаллы), 55^80 пФ (второй вариант исполнения - два варикапа на одном кристалле);

2) добротность варикапа при обратном напряжении - Ця=4 В: не менее 200 (первый вариант исполнения - одиночные кристаллы), не менее 120 (второй вариант исполнения - два варикапа на одном кристалле);

3) коэффициент перекрытия по ёмкости варикапа (отношение ёмкости варикапа при Ця=4 В к ёмкости варикапа при Ця=100 В): не менее 3,5;

4) постоянный обратный ток варикапа при Ця=100 В в рабочем диапазоне температур - не более 1 мкА;

5) рабочий диапазон температуры окружающей среды от -60 до +85 0С.

Структура кристалла мезаэпитаксиального GaAs-варикапа приведена на рисунке 1.

Структура, приведенная на рисунке 1 формируется методами жидкофазной эпитаксии.

Полученные эпитаксиальные р+-п-п+-п+-структуры имеют несколько металлургических переходов внутри структуры [3, с. 36-47].

с

в

А

У/////////////////////////////////////^^^

Р+

Защитный слой

Г

п+

п-

п+ - подложка

шшштштшштштштштшт

Б

А - контакт анода, В - анодная область (р+), С - высокоомная «"-область, Б - катод. В качестве защитного слоя могут использоваться диэлектрические плёнки БЮ2 и 813^, а также полимерные материалы типа фотоимидов

Рис. 1. Структура кристалла СаАя-варикапа.

Физическая структура и распределение концентрации в р+-п-п+-п+-структуре кристалла варикапа приведена на рисунке 2. Принимая в расчет общую протяженность эпитаксиальных областей и подложки GаAs-варикапа такой, как показано на рисунке 2, то на переходах Хд, Х|2, Х^з возникают диффузионные потенциалы, сумма которых дает полное диффузионное напряжение такое же, как и на СаА8р-г-п-диоде при Г=300 К [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.

0 6 12 8 380 Х,мкм

^зсь - область пространственного заряда в высокоомном эпитаксиальном слое.

Рис. 2. Физическая структура и распределение концентрации носителей заряда

в структуре СаАя-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:

£• В' Sr

С =

СУО

'0 рп

где е - диэлектрическая проницаемость GаAs, во - электрическая постоянная; £рп - площадь р-и-перехода варикапа;

^сь - ширина области пространственного заряда высокоомного эпитаксиального слоя (базы), зависящая от приложенного обратного напряжения - Ся.

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

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

CVD — Spn '

q-g-gQ • nd

2 •

где Ыб - концентрация донорной примеси в базовой области варикапа (высокоомном эпитаксиальном слое); и* рп - контактная разность потенциалов р-п-перехода варикапа.

Принимая во внимание то, что ёмкость варикапов (Суд) и диапазон обратных напряжений (Ся), как правило, оговариваются в исходных технических требованиях, а контактную разность потенциалов - и*рп 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:

S - C

Spn — CVD

i

2 •

pn

q-g-gQ • N

D

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 Ur=4 В и ёмкости Cvd=250 пФ мы получим значение площади р-и-перехода для первого варианта исполнения варикапа - £рп«5,5 мм2.

б) При обратном напряжении Ur=4 В и ёмкости CVd=68 пФ мы получим значение площади р-и-перехода для второго варианта исполнения варикапа - £рп~1,6 мм2.

Толщину высокоомного эпитаксиального (базового) слоя hBepi выберем исходя из условия, что данная величина должна быть больше ширины области пространственного заряда (ОПЗ) WscLmax при максимальном обратном напряжении Ur max в (5).

hBepi > WSCLmax

\

2 - g - g0 -

q • N

D

Согласно (5), при Ur max = 100 В, получим WsCLmax «12 мкм.

Таким образом, на основании полученных данных выбор толщины высокоомного эпитаксиального (базового) слоя hBepi>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).

^ 2• С • Л '

^ п J ^УО УО

где Суп - общая ёмкость варикапа при некотором заданном обратном напряжении -

Цк;

^50 МГц - частота переменного напряжения, на которой осуществляется измерение добротности при некотором заданном обратном напряжении - ЦК; Кув - 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]:

1 %в Щв КУО - =-— • = Рв • ^ ,

_ 1

где Рв ~ - удельное сопротивление базовой области варикапа;

Ч - Ип - М в

5рп - площадь р-и-перехода варикапа;

Жв - толщина квазинейтральной области базы варикапа.

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

ЩВ = кВер1 - ЩСЬ = X2 - - ЩСЬ,

где Лвер1 - толщина эпитаксиального слоя базовой области;

ЖЪсь - 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 - Ип~5000 см2/В.с (для сравнения, в кремнии - Ип~1420 см2/В.с). Это обеспечивает более низкие, по сравнению с 57, 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.

У/////////Л У///////////

р+ Р+

п- V У п-

п+ \ / п+

п+ - подложка л 1 - подложка

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

Поэтому на практике чаще всего сопротивление Яув 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 Г=300 К 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 СаЛ^-варикапов первого типа (одиночные кристаллы) при Т=300 К.

Вольт-фарадные характеристики 10 шт. экспериментальных образцов варикапов второго типа (сдвоенные кристаллы) при Т=300 К 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 СаЛ^-варикапов второго типа (два варикапа на одном кристалле) при Т=300 К.

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.

1 - варикапы со средней ёмкостью 350 пФ

2 - варикапы со средней ёмкостью 250 пФ

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

Р

350

300-

250

200-

150-

100

50

ч

X

10

20

30

40

50

60

70

80,/; МГц

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.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сурайкин А. И. Быстродействующие высоковольтные GaAs-диоды для преобразовательной техники и импульсных устройств // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2015. - № 2. - С. 35-37.

2. Сурайкин А. И., Федотов Е. Н. Быстродействующие высоковольтные GAAS диоды для силовой электроники [Электронный ресурс] // Огарев^Ы^. - 2014. - № 22. -Режим доступа: http://joumal.mrsu.ru/arts/bystrodejjstvuyushhie-vysokovoltnye-gaas-diody-dlya-silovojj-ehlektroniki.

3. Арсенид галлия. Получение, свойства, применение / Под ред. Ф. П. Кесаманлы, Д. Н. Наследова. - М.: Наука, 1973. - 472 с.

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. / Пер. с англ. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - 456 с.

5. Уотсон Г. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение / Под ред. Г. Уотсона. - М.: Мир, 1972. - 662 с.