ДИОД С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ НА СТРУКТУРЕ "КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ"
NEGATIVE DIFFERENTIAL CONDUCTIVITY DIODE ON "SILICON ON INSULATOR" STRUCTURE

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к полупроводниковым приборам с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) и может быть использовано при создании СВЧ интегральных схем.
Элементы электрической цепи, для которых зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление, непостоянны, то есть изменяются в зависимости от тока или приложенного напряжения, называются нелинейными.
Диоды с отрицательной дифференциальной проводимостью используются в генераторах тока, которые нужны для генерации СВЧ электрических колебаний.
Одна из основных характеристик диодов с вольтамперной характеристикой (ВАХ) N-типа - крутизна, то есть отношение изменения тока к изменению напряжения на участке с отрицательной проводимостью.
Изменение крутизны диода приведет к изменению частотных характеристик приборов.
Основной недостаток приборов с отрицательной дифференциальной проводимостью является - малая ширина полосы рабочих частот.
В авторском свидетельстве SU 886672, МПК H01L 29/86, H01L 47/00 «Полупроводниковый прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью» авторов Е.Г. Гуле, А.И. Климовская, опубл. 30.01.1986, бюл. №4, описан прибор, содержащий полупроводниковую пластину, легированную мелкими примесями с контактами, в котором с целью увеличения отрицательной дифференциальной проводимости при одновременном уменьшении порогового напряжения, толщина пластины сравнима с дебаевской длиной экранирования, а по крайней мере у одной поверхности пластины образовано поле, которому соответствует безразмерный изгиб зон. Недостатком данного патента является невозможность изготовления данного прибора на одном кристалле и в одном технологическом цикле с другими элементами интегральных схем (ИС) на структурах «кремний-на-изоляторе» (КНИ) с толщиной рабочего слоя 0,2 мкм и отсутствие возможности изменения крутизны прибора.
В патенте RU 2030093 С1, МПК Н03Н 5/00 «Двухполюсник с отрицательной проводимостью», автора С.Г. Тихомиров, опубл. 27.02.1995, описано схемотехническое решение увеличения области использования для генерации и усиления мощных высокочастотных сигналов. Недостатком данного изобретения является - большая занимаемая площадь на кристалле, так как состоит из двух транзисторов, двух резисторов и двух конденсаторов.
В патенте RU 2513644 С1, МПК H01L 29/772 «Полупроводниковый прибор с отрицательным сопротивлением» автора В.И. Юркина, опубл. 20.04.2014, бюл. №11 описан полупроводниковый прибор с отрицательным сопротивлением (варианты), состоящем из трех полевых транзисторов. Данный прибор относится к приборам с регулируемым отрицательным дифференциальным сопротивлением и является прототипом предложенному изобретению. Недостатком данного прибора является сложность технологии изготовления структуры и большая занимаемая площадь на кристалле.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание диода с отрицательной дифференциальной проводимостью на структуре КНИ с возможностью регулирования значения крутизны.
Техническим результатом предлагаемого диода является увеличение интеграции элементов на ИС вследствие небольшой занимаемой площади диодов с ОДП на кристалле, расширение области применения таких ИС.
Технический результат достигается тем, что в диоде с отрицательной дифференциальной проводимостью на структуре «кремний на изоляторе», включающем анод, катод, контакты, дополнительно сформированы слаболегированная примесью р-типа область между катодом и анодом и управляющий контакт - сильнолегированная примесью р-типа область с силицидированным контактом, соединенная с областью, сформированной между анодом катодом посредством слаболегированной примесью р-типа области, причем эти области легированы примесью разной концентрации.
Изобретение поясняют следующие фигуры.
На фиг. 1 представлен фрагмент топологии предлагаемого диода.
На фиг. 2, 3 представлены основные этапы изготовления диода в сечении А на фиг. 1.
На фиг. 4 представлена итоговая структура предлагаемого диода в сечении В на фиг. 1.
На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения
1 - анод диода;
2 - слаболегированная примесью р-типа область между катодом и анодом;
3 - катод диода;
4 - слаболегированная примесью р-типа область, соединяющая область 2 с управляющим контактом;
5 - управляющий контакт - сильнолегированная примесью р-типа область;
6 - силицидированный контакт к аноду диода;
7 - силицидированный контакт к катоду диода;
8 - силицидированный контакт к сильнолегированной области управляющего контакта;
9 - кремниевый слой (подложка);
10 - слой оксида кремния (захороненный слой);
11 - сформированный островок кремния;
12 - траншейная изоляция.
На фиг. 5 приведены профили распределения примеси бора в областях 2 (кривая а) и 3 (кривая б).
На фиг. 6 приведены вольтамперные характеристики (ВАХ) предлагаемого диода при разных напряжениях на управляющем контакте, где: кривая в - получена при напряжении 0 В; г - при 2,3 В; д - при 2,5 В; е - при 2,7 В.
Изобретение осуществляется следующим образом.
На пластине КНИ, включающей слои 9, 10 и кремниевый рабочий слой, методом реактивного ионного травления формируют островок кремния 11 для дальнейшего формирования диода (фиг. 2).
Затем методом осаждения оксида кремния и последующей полировки формируется траншейная изоляция 12 (фиг. 3).
Далее формируются области диода посредством масочного легирования примесью разной концентрации (фиг. 3, 4). Область 1 - легируется фосфором высокой концентрации, области 2, 3, 4, 5 легируются бором, разной концентрации. Причем, профили распределения примеси в областях 2 и 3 имеют ретроградное распределение (фиг. 5).
Процесс изготовления диода завершается формированием силицидированных контактов к сильнолегированным областям анода (область 6 на фиг. 1), катода (область 7 на фиг. 1) и управляющего контакта (область 8 на фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
При нулевом напряжении на управляющем контакте (область 8 на фиг. 1) и отрицательном напряжении на катоде (область 7 на фиг. 1), течет незначительный ток, характерный обратной ветви диода (на фиг. 6 кривая в).
При подаче напряжения на управляющий контакт и увеличении отрицательного напряжения на катоде, формируется обедненная область между областью катода и слаболегированной примесью р-типа областью 2, расположенной между катодом и анодом, при этом ток на катоде растет. При определенном отрицательном напряжении на катоде, обедненная область доходит до верхней границы рабочего слоя кремния, увеличивая сопротивление этого слоя. При этом ток на катоде перестает расти и начинает уменьшаться, вследствие расширения области обеднения между катодом и слаболегированной примесью р-типа областью, расположенной между катодом и анодом.
При достижении на катоде напряжения пробоя, происходит лавинный пробой.
Причем, при изменении напряжения на управляющем контакте можно менять область ОДП. На фиг. 6 приведены ВАХ предлагаемого диода, при разных напряжениях на управляющем контакте: кривая г - при 2,3 В; д - при 2,5 В; е - при 2,7 В. Причем, область ОДП увеличивается с увеличением напряжения на управляющем контакте.
Таким образом, использование предложенных диодов с ОДП, не только приведет к увеличению числа размещаемых элементов на кристалле, то есть увеличению интеграции элементов на ИС вследствие небольшой занимаемой площади, но и к изменению возможности контроля ширины полосы рабочих частот, тем самым расширению области применения таких ИС.