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

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:

• 1)    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);

• 2)    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);

• 3)    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;

• 4)    постоянный обратный ток варикапа при U R =100 В в рабочем диапазоне температур – не более 1 мкА;

• 5)    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 SiO 2 и Si 3 N 4 , 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 ji , 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]:

Uvd = Uxj1 + Uxj2 + Uxj3 ^ 1,2В. (1)

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.

W SCL – 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:

_ £ ’ ^£ 0 ' S pn VD “ W scl U r ) ,

где ε – диэлектрическая проницаемость GaAs ,

ε 0 – электрическая постоянная;

S pn – площадь p – n -перехода варикапа;

W SCL – ширина области пространственного заряда высокоомного эпитаксиального слоя (базы), зависящая от приложенного обратного напряжения – U R .

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]:

c = S ■

VD     pn

q • £ • £ 0 • Nd

V 2 • (Upn + Ur ) ,

где N D – 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) . 10 15 см -3 :

S pn = C vd •

2 • (Upn + Ur )

\ q •£ •£ о • nd  ’

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 pn « 5,5 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 pn « 1,6 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).

h >W

Bepi > ^W SCL max

2 • £ • £ о • (UPn + Ur max)

q • N D

Согласно (5), при U R max = 100 В, получим W SCLmax « 12 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).

Q=

^, π f VD VD

где C VD – общая ёмкость варикапа при некотором заданном обратном напряжении – U R ;

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

R VD – 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]:

R_VD ≈ R_B

1    WB     WB

=⋅B = ρB ⋅ B q⋅µn⋅ND  Spn    B Spn ,

где ρ B =            – удельное сопротивление базовой области варикапа;

q⋅µn ⋅ND

S pn – площадь p – n -перехода варикапа;

W B – толщина квазинейтральной области базы варикапа.

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

W B = h Bepi - W SCL = x j 2 - x j 1 - W SCL ,                     (8)

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 R VD 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.

1 – варикапы со средней ёмкостью 350 пФ

2 – варикапы со средней ёмкостью 250 пФ

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.