DE69633513T2

DE69633513T2 - Vakaktor mit elektrostatischer barriere

Info

Publication number: DE69633513T2
Application number: DE69633513T
Authority: DE
Inventors: B. Edward STONEHAM
Original assignee: Endwave Corp
Current assignee: Endwave Corp
Priority date: 1995-11-09
Filing date: 1996-11-06
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2016-11-07
Also published as: EP0860028A4; DE69633513D1; WO1997017732A1; EP0860028A1; US5789801A; TW318963B; JP2000500287A; EP0860028B1; AU1079497A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Kapazitätsdioden, gemeinhin als Varaktoren bezeichnet, und im Speziellen Sperrschichtvaraktoren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Varaktoren werden häufig in elektrischen und elektronischen Schaltkreisen in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich spannungsabhängige Abstimmschaltkreisen, spannungsgesteuerte Oszillatoren, Phasenschiebern, Frequenzvervielfachern usw. eingesetzt.
Ein bekanntes Problem bei der Verwendung von Varaktoren ist das Vorhandensein eines Verluststroms. Verluststrom bezieht sich im Allgemeinen auf die Bewegung von Elektronen als Reaktion auf eine extern angelegte Sperrvorspannung und kann durch Verunreinigungen im Material oder durch Wärmeanregung der Elektronen-Loch-Paare hervorgerufen werden, die nahe oder in der verarmbaren Schicht liegen. Der Verluststrom senkt den Gütefaktor Q, weshalb mehrere Varaktorkonstruktionen nach dem Stand der Technik darauf abzielten, diesen zu minimieren.
Ein Versuch zur Reduktion des Verluststroms in einem Varaktortyp, der als Sperrschichtvaraktor bezeichnet wird, umfasst die sorgsame Auswahl der Materialien und derer Dicken, um die Wirksamkeit der darin enthaltenen Schicht zu optimieren, wie beispielsweise die Heteroübergangssperrschicht, die von Krishnamurthi et al. in "Chair-Barrier Varactors on GaAs for Frequency Triplers" (IEEE MTT-S Digest, 1994; CH3389-4/94/000-313) angegeben wurde. Ein anderer Versuch zur Reduktion des Verluststroms in einem derartigen Varaktor umfasst die Verwendung einer Übergitterstruktur, wie von Raman et al. in "Superlattice Barrier Varactors" (Proc. Third International Symposium on Space Tetrahertz Technology, S. 146–157, 1992) gelehrt wurde.
Obwohl diese Verbesserungen für eine Reduktion des Verluststroms im Vergleich zu früheren Sperrschichtvaraktoren sorgten, so liegen der Grad der Reduktion des Verluststroms und/oder die Einschränkungen des Temperaturbereichs, in dem eine Reduktion erzielt werden kann, gegebenenfalls unter dem, was für derzeitige Anwendungen wünschenswert wäre.
Zusätzlich zu den die Struktur von Varaktoren betreffenden Aspekten gibt es auch im Bereich der Verfahren und Geräte zur Varaktorherstellung nach dem Stand der Technik Unzulänglichkeiten. Einer dieser Mängel betrifft die Genauigkeit der Dotierungsmittelkonzentration und der Dicke der durch Molekularstrahlepitaxie (MBE), einem üblichen Verfahren in der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, oder durch ein anderes Epitaxialwachstumsverfahren gewachsenen Schichten. Das Problem besteht darin, dass ein signifikanter Unterschied zwischen der angeblichen Genauigkeit von Epitaxialwachstumsvorrichtungen und ihrer tatsächlichen Genauigkeit bestehen kann. Solche Unterschiede sind insbesondere bei Vorrichtungen, in denen ein Gleichgewicht der Ladungsträger erwünscht ist, von Nachteil.
Das U.S.-Patent Nr. 3.878.001 offenbart eine hyperempfindliche Abstimmdiode mit optimalen Parametern, wie beispielsweise Basisdotierung des Halbleitermaterials, das Dotierungsprofil, die Fläche der pn-Übergangsschicht, deren Kapazität in Abhängigkeit von der Spannung im Wesentlichen keine Inversionspunkte aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, den Verluststrom in einem Varaktor zu reduzieren.
Weiters liegt ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Reduktion des Verluststroms in einem großen Temperaturbereich.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Kalibrierung von MBE-Geräten, sodass die Genauigkeit der Ladungsträgerkonzentration in mit diesen hergestellten Vorrichtungen verbessert wird.
In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung einen Varaktor nach Anspruch 1 bereit.
Diese und verwandte Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch Einführen einer elektrostatischen Sperrschicht in einen Varaktor erreicht, in der dünne Schichten aus stark dotiertem n- und p-Typ-Halbleitermaterial zur Erzeugung einer Potentialbarriere agieren, die den Elektronenfluss verhindert oder reduziert, und die in Nebeneinanderstellung mit einer Schicht aus weniger stark dotiertem Halbleitermaterial im Varaktor angeordnet sein können, um die Kapazitäts-Variations-Eigenschaft des Varaktors mit einem hohen Gütefaktor im gesamten Kapazitätsbereich zu erreichen.
Abstandsschichten können je nach Angemessenheit zur Aufrechterhaltung der Form der Sperrschicht bereitgestellt sein, und die Sperrschicht kann sowohl eine vom Homoübergangstyp als auch eine vom Heteroübergangstyp sein. Das Erreichen der obgenannten und verwandten Vorteile und Merkmale der Erfindung tritt für Fachleute auf dem Gebiet deutlicher zu tage, wenn die folgende detailliertere Beschreibung der Erfindung gemeinsam mit den Zeichnungen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht eines Varaktors gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines Varaktors gemäß der vorliegenden Erfindung.
3a ist ein schematisches Diagramm einer n+p+n-Sperrschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
3b ist ein Leitungsband-Energielückendiagramm für die n+p+n-Sperrschicht aus 3a.
3c ist ein Leitungsband-Energielückendiagramm für eine asymmetrische Sperrschicht.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Homoübergangs-Varaktors, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Heteroübergangs-Varaktors, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin wird eine Varaktorvorrichtung mit Bezug auf Ausführungsformen, die bestimmte Anordnungen von Akzeptor-dotierten und Donator-dotierten Schichten umfassen, gelehrt. Beispielsweise ist in zumindest einer der nachstehend angeführten Ausführungsformen eine n+p+n-Sperrschicht geoffenbart. Es können die Dotierungstypen dieser dotierten Schichten und die diesen zugeordnete extern angelegte Spannung umgekehrt oder anderweitig, wie nach dem Stand der Technik bekannt, modifiziert werden, um beispielsweise einen funktionierenden Varaktor mit einer p+n+p-Sperrschicht zu erzeugen, ohne dabei von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Mit Bezug auf 1 wird eine Querschnittsansicht eines Basisvaraktors gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Varaktor 100 wächst unter Einsatz von Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf einem Substrat 10 aus Halbleitermaterial. Das Substrat 10 ist vorzugsweise GaAs, obwohl es auch InP, Si, GaInAsP oder ein anderes Halbleitermaterial sein kann, das mit dem n- oder p-Typ dotiert werden kann. Ein Aspekt des ausgewählten Substrathalbleiters ist die Fähigkeit zum Führen von Strom, insbesondere entlang der Oberfläche. In der bevorzugten Ausführungsform ist das GaAs-Substrat stark mit Donatorverunreinigungen (n+) dotiert, um die Leitfähigkeit zu verbessern.
Eine Vielfachsperrschicht 20 wächst (unmittelbar oder mittelbar) auf dem Substrat 10. Die Sperrschicht 20 umfasst eine erste Schicht aus einem Halbleitermaterial 22 oder 26, das mit Donatorverunreinigungen dotiert ist, und eine zweite Schicht aus einem Halbleitermaterial 24, das mit Akzeptorverunreinigungen dotiert ist. Diese beiden Schichten 24 und 22 oder 26 werden entweder in direktem Kontakt oder sehr nah zueinander wachsen gelassen, sodass die Akzeptor-dotierte Schicht 24 bewegliche Elektronen von der benachbarten Donator-dotierten Schicht 22 oder 26 einfangen kann.
Es sollte sich verstehen, dass die Donatorschichten 22 und 26 nicht nur entweder oberhalb oder unterhalb der Akzeptorschicht 24 wachsen gelassen werden können, sondern auch gleichzeitig oberhalb und unterhalb der Akzeptor-dotierten 24 Schicht bereitgestellt sein können. Die Schicht 24 ist mit gestrichelten Linien dargestellt, um auf diese Anordnungsmöglichkeiten, entweder oberhalb, unterhalb oder innerhalb der Donator-dotierten Schichten 22 und 26 liegen zu können, anzudeuten. Ein Merkmal der Sperrschicht 20 ist, dass unabhängig davon, ob die Donator-dotierten Bereiche darunter, darüber oder an beiden Stellen bereitgestellt sind, die Gesamtmenge der Akzeptoratome in etwa der Gesamtmenge der Donatoratome entspricht.
Eine Schicht aus Halbleitermaterial, die leicht mit Donatorverunreinigungen (n–) dotiert ist, wird vorzugsweise auf der Sperrschicht 20 wachsen gelassen. Diese Schicht wird hierin als die verarmbare Schicht 30 bezeichnet, da sie bei Raumtemperatur unter an den Varaktor 100 angelegter Durchlassvorspannung nicht verarmt wird, während sie jedoch bei Anlegung von Sperrvorspannung im Wesentlichen verarmt wird. Um eine externe Spannung an den Varaktor 100 anlegen zu können sind Kontaktbereiche 62, 64 bereitgestellt.
Der Betrieb des Varaktors 100 funktioniert im Allgemeinen wie folgt. In Abwesenheit einer extern angelegten Spannung liegt kein bemerkenswerter interner Stromfluss vor. In Gegenwart einer Sperrspannung (negative Versorgung am Kontaktbereich 64) hingegen bewegen sich die Elektronen in der n–-Schicht 30 hin in Richtung des Kontaktbereichs 62, an dem die positive Elektrode angeschlossen ist, bis die Schicht 30 teilweise oder zur Gänze von Elektronen verarmt ist. Die Sperrschicht 20 fungiert als Barriere für einen weiteren Elektronenfluss, da die Akzeptorverunreinigungen in der p-Schicht 24, die Elektronen aus den benachbarten n-Schichten 22 und/oder 26 eingefangen haben, negativ geladen sind. In diesem negativen Ladungszustand stößt die p-Schicht 24 Elektronen ab und verhindert deren Durchtritt, was in einer Reduktion des Verluststroms, d. h. des Elektronenflusses, durch die verarmbare Schicht 30 resultiert. Die "elektrostatische" Sperre der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus dieser Ladung der Akzeptor-dotierten Schicht, zu der es kommt, während die Donator-dotierten Schichten aufgrund ihrer Abgabe von Elektronen positiv geladen werden. Die so entstandenen benachbarten negativ bzw. positiv geladenen Bereiche bilden die elektrostatische Sperrschicht.
Der Varaktor 100 ist vorzugsweise aus GaAs hergestellt, kann jedoch aus anderen bekannten Materialien, wie beispielsweise InP, Si oder GaInAsP oder einem beliebigen anderen Halbleitermaterial, das mit dem n-Typ oder dem p-Typ dotiert werden kann, bestehen. Heteroübergangssperrschichten, in denen die Sperrschicht AlGaAs oder ein anderes Material enthält, wie auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist, sind ebenfalls Gegenstand von Überlegungen.
Mit Bezug auf 2 wird eine andere Ausführungsform eines Varaktors gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieser Varaktor 200 weist mehrere zusätzliche Aspekte der vorliegenden Erfindung auf, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, die Verwendung von Pufferschichten, Abstandsschichten, eine Wiederholung der Paarstruktur aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht und die Verwendung einer Schottky-Kontaktvorrichtung.
Das Substrat ist, wie zuvor für Substrat 10 erörtert, vorzugsweise GaAs oder ein anderes geeignetes Halbleitermaterial. Eine Pufferschicht 212 wächst auf dem Substrat 210, um die verbleibenden Schichten im Varaktor 200 gegen die Auswirkungen der Verunreinigungen und Oberflächenunregelmäßigkeiten, die in Zusammenhang mit dem Substrat 210 stehen, zu isolieren.
Eine verarmbare Schicht 215 wächst auf der Schicht 212. Indem die Schicht 215 hinzu gefügt und die Schichtenstruktur um jede Sperrschicht herum symmetrisch gemacht wird, verleiht dem Varaktor eine symmetrische Kapazität/Spannungs-Charakteristik, was für Anwendungen, wie beispielsweise die Frequenzverfielfachung durch Erzeugung von ungeraden harmonischen Schwingungen, ideal ist.
In 1 ist ein Varaktor geoffenbart, der ein einziges Paar 40 aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht umfasst. In 2 ist ein Varaktor geoffenbart, der eine Serienanordnung aus Einheiten umfasst, von denen jede eine Paar 240 aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht umfasst. Ein Grund für die Verwendung von Serienanordnungen aus Paaren aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht besteht in der Bereitstellung einer im Vergleich zu einem Varaktor mit nur einem Sperrschicht/verarmbare Schicht-Paar 40 verstärkten Reduktion des Verluststroms. Ein weiterer Grund liegt darin, dass die negativen Auswirkungen auf den Gütefaktor des Kontaktwiderstands umgekehrt proportional zur Anzahl an Kapazitätsvariationseinheiten (Sperrschicht/verarmbare Schicht-Paare), die mit den Kontakten in Reihe geschaltet sind, sinken. Dies liegt daran, dass der Kontaktwiderstand unabhängig von der Anzahl an Kapazitätsvariationseinheiten in Reihenschaltung eine feste Größe ist, während der intrinische Widerstand des Varaktors proportional zur Anzahl der in Serie geschalteten veraiablen Kapazitäts-Einheiten ist. Der Kontaktwiderstand wird also mit steigender Anzahl an Kapazitätsvariationseinheiten zu einem immer kleiner werdenden Teil des gesamten Reihenwiderstand des Varaktors, wodurch der Gütefaktor immer weniger beeinträchtigt wird.
Das Bezugszeichen 242 bezeichnet Wiederholungen aus einem oder mehreren Paaren 240 aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht. Die Anzahl der Paare in 242 kann von 1 bis zu einer Anzahl reichen, die durch die in Folge unter Bezug auf 4 erörterten Merkmale eingeschränkt ist. Im Allgemeinen sollte jedoch die Anzahl der Wiederholungen von Sperrschicht/verarmbare Schicht-Paaren 240 größer als 2 sein, um einen hohen Q-Wert und Hochleistungsfähigkeiten mit verbesserter Linearität zu erreichen.
Die Schichten 221 und 227 sind Abstandsschichten und können aus InGaAs, GaAs, AlGaAs oder dergleichen gebildet und schwach oder gar nicht dotiert sein. Ein Zweck der Abstandsschichten liegt darin, der Sperrschicht eine Form zu verleihen, mit der sie einen ausreichende Höhe und Breite im gesamten Bereich der Vorspannungen, die an sie angelegt werden müssen, beizubehalten. Ausreichende Höhe und Breite bezieht sich in diesem Kontext auf das Halten des durch Diffusion und Tunnelung entstehenden Verluststroms unterhalb eines Pegels, bei dem die Varaktoreigenschaften verschlechtert würden.
Die Sperrschicht 200 ist aus den Schichten 222, 224 und 226 aufgebaut, die jeweils Donator-dotiert, Akzeptor-dotiert und Donator-dotiert sind. Diese Schichten sind analog zu den Schichten 22, 24 und 26 des Varaktors 100 (vorausgesetzt alle drei Schichten sind im Varaktor 100 bereitgestellt und sind vorzugsweise aus GaAs hergestellt und mit ihren jeweiligen Verunreinigungen stark dotiert.
Die Schicht 230 ist eine verarmbare Schicht. Diese Schicht ist analog zur Schicht 30 des Varaktors 100. Die verarmbare Schicht 230 ist vorzugsweise aus GaAs gebildet und mit Donatorverunreinigungen leicht dotiert.
Eine Schottky-Metallsperrschicht 250 ist als oberste Schicht bereitgestellt, d. h. als die Schicht, über die eine elektrische Verbindung zu einer externen Vorspannung bereitgestellt ist. Eine Schottky-Vorrichtung wird für diesen Zweck eingesetzt, da eine Schottky-Sperrschicht keinen ohmschen Kontaktwiderstand aufweist, wie auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist. Obwohl eine Schottky-Sperrschicht diese wünschenswerte Eigenschaft bereitstellen kann, kann, je nach Betriebsbedingungen und gewünschten Varaktormerkmalen, eine Schottky-Sperrschicht auch nicht bevorzugt sein, wie unter Bezugnahme auf 4 nachstehend erörtert wird.
Mit Bezug auf 3a ist ein schematisches Diagramm einer elektrostatischen Sperrschicht 120, die an beiden Seiten verarmbare Schichten 130 aufweist, gezeigt. Gilt 2n·t_n = p·t_p, worin n die Nettodotierungskonzentration vom n-Typ in jeder n+-Schicht ist, p die Nettodotierungskonzentration vom p-Typ in der p+-Schicht ist und t_n und t_p die jeweiligen Dicken der n+- und p+-Schichten sind, und wenn n·t_n und p·t_p so sind, dass die n+- und p+-Schichten völlig von Trägern verarmt sind, dann weist das Leitungsbandpotential in Abwesenheit eines extern angelegten Felds die in 3b gezeigte Form auf. Die Sperrschichthöhe ⌀_b kann in einem Bereich von 0 Volt bis zur Bandlücke des Materials reichen, je nach Wahl von n, p, t_n und t_p.
Während die in den 3a bis 3b abgebildete elektrostatische Sperrschicht symmetrisch ist, kann in einigen Fällen eine asymmetrische Sperrschicht vorzuziehen sein. Dies kann erreicht werden, indem die relativen Dotierungskonzentrationen oder Dicken der Schichten geändert werden. Ein relativ extremes Beispiel für einen derartigen Fall ist in 3c gezeigt, in der die p+-Schicht zur Gänze zu einer Seite der Sperrschicht hin bewegt wurde, um eine asymmetrische Sperrschicht aus nur zwei Schichten zu ergeben.
Wie in den 4–5 veranschaulicht ist kann die elektrostatische Sperrschicht sowohl in Homoübergangs- als auch in Heteroübergangs-Varaktoren umgesetzt werden. In Bezug auf die zuvor erwähnten Varaktor mit Heteroübergangsschicht von Krishnamurthi et al. können die n+p+- bzw. n+p+n+-Sperrschichten aus den 1 und 2–3 entweder die Heteroübergangssperrschicht ersetzen oder über die Heteroübergangssperrschicht gelegt werden.
Nach dem nun die elektrostatische Sperrschicht der vorliegenden Erfindung und ihre Struktur aus n+p+- und n+p+n+-Schichten allgemein eingeführt wurde und weiters auch die Reihenanordnung von Paaren aus Sperrschicht und verarmbare Schicht zur Reduktion des Verluststroms und der Auswirkungen auf den ohmschen Kontaktwiderstand auf den Q-Wert eingeführt wurde, werden nun spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geoffenbart.
Mit Bezug auf 4 ist eine Querschnittsansicht eines Varaktors 300 mit Homoübergangssperrschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie der Name Homoübergang beinhaltet ist die Grundzusammensetzung einer jeden Materialschicht im Varaktor 300 dieselbe, und in einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses Material GaAs, obwohl auch verschiedene andere bekannte Materialien geeignet sein können.
Das Substrat 310 besteht aus stark mit Donatorverunreinigungen dotiertem GaAs. Eine Pufferschicht 312, analog zur Pufferschicht 212 des Varaktors 200, ist die erste Schicht, die auf dem Substrat 310 wachsen gelassen wird. Vorzugsweise handelt es sich dabei um n+-dotiertes GaAs.
Nach der Schicht 312 wird eine Reihe an sich wiederholenden Paaren 340 aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht wachsen gelassen.
In der Ausführungsform aus 4 weist jede Sperrschicht 320 vorzugsweise neun Schichten auf, einschließlich n+, p+ und nichtdotierte Schichten, die wie folgt angeordnet sind. Eine erste Schicht 321 aus n+-dotiertem GaAs wird auf der Schicht 312 oder auf einer vorangegangenen verarmbaren Schicht wachsen gelassen, und eine nichtdotierte GaAs-Abstandsschicht 322 wird auf der Schicht 321 wachsen gelassen. Der Zweck der Abstandsschicht 322 liegt in der Reduktion der Tunnelung und im Formen der Sperrschicht, sodass diese eine ausreichende Höhe und Breite im gesamten Bereich der an sie angelegten Vorspannung beibehält, um den Verluststrom unter einem bestimmten Pegel zu halten. Der Akzeptor-dotierte Bereich der Sperrschicht 320 ist in drei Schichten ausgebildet. Eine erste p+-Schicht 323 wird auf der Abstandsschicht 322 wachsen gelassen, und die zweite und dritte p+-Schicht 325 und 327 werden auf den nichtdotierten Abstandsschichten 324 bzw. 326 wachsen gelassen. Eine nichtdotierte Abstandsschicht 328 wird auf der p+-Schicht 327 und eine zweite n+-Schicht 329 wird auf der Abstandsschicht 328 wachsen gelassen. Die Schichten 321, 323, 325, 327, 329 bilden die n+p+n+-Struktur der Sperrschicht 320.
Die verarmbare Schicht 330 wird auf der zweiten n+-Schicht 329 wachsen gelassen und ist vorzugsweise mit Donatorverunreinigungen schwach dotiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Wiederholungen in 342 sieben, sodass insgesamt acht Paare aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht bereitgestellt sind. Überlegungen, die zur Bestimmung der Anzahl an Wiederholungen herangezogen werden, sind bestimmte Abwägungen, die im Allgemeinen die folgenden sind. Je größer die Anzahl der Wiederholungen, desto größer die Reduktion des Verluststroms. Mit steigender Anzahl der Schichten und größerer Gesamtdicke entstehen jedoch auch einige Probleme. Nach der Herstellung des Stapels aus den Schichten werden die einzelnen Vorrichtungen durch Ätzen definiert, um Mesas zu bilden. Das Ätzen zur Bildung von Mesas führt zu Vorrichtungen mit abgeschrägten Seiten, da stärker oben als unten geätzt wird. Je dicker die Mesa, desto größer die horizontale Fläche, die von den abgeschrägten Seiten eingenommen wird und somit auch desto größer der Abstand zwischen benachbarten Varaktoren. Die gesteigerte Distanz zu zwischen benachbarten Vorrichtungen reduziert einerseits die Ausbeute pro Wafer und erhöht andererseits den Reihenwiderstand jeder Vorrichtung. Auch kann die Auflösung durch das Photoresist, die Tiefenätzung usw. in Mitleidenschaft gezogen werden, die bei der Bearbeitung dicker Mesas eingesetzt werden. Auch aufgrund einer Flächendifferenz zwischen den unteren Schichten und den oberen Schichten kann es bei außergewöhnlich dicken Mesas dazu kommen, dass die theoretischen Erwartungen an die Leistung einer Vorrichtung nicht erfüllt werden.
Eine weitere Überlegung betrifft die Spannung. Als Faustregel gilt, dass mit jeder Verdoppelung der Anzahl der Schichten sich auch die zum Betrieb des Varaktors im Gesamtbereich seiner Kapazität notwendige Menge der Versorgungsspannung verdoppelt. Dies setzt der Anzahl der Wiederholungen von Paaren aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht in der Praxis eine Grenze.
Die Schicht 350 wird auf dem Paar 340 aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht wachsen gelassen und ist bereitgestellt, um einen guten ohmschen Kontakt zu erleichtern. Ohmsche Kontakte 361 und 366 sind auf der Schicht 350 bzw. auf dem Substrat 310 ausgebildet. Ein Grund dafür, warum ein ohmscher Kontakt 361 an der Oberseite des Varaktors 300 und keine Schottky-Sperrschicht, wie beim Varaktor 200 oben geoffenbart, verwendet wird, besteht darin, dass ohne eine Schottky-Vorrichtung jede Sperrschicht des Varaktors 300, unabhängig vom gesamten angelegten Spannungspegel, in etwa dieselbe proportionale Menge an Spannungsabfall beiträgt, wodurch potentielle Hysterese-Effekte minimiert oder ausgeschaltet werden. Zu einer Hysterese kann es dann kommen, wenn sich die Paare aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht voneinander in Bezug auf ihre Kapazitäts-Spannungs- oder Strom-Spannungs-Kennlinie unterscheiden. In diesem Fall kann ein stationärer Zustand (nach einer Änderung der Vorspannung) nur nach einem relativ langen Zeitraum der Ladungsumverteilung mittels Fehlerströme erreicht werden.
Die Bezugszeichen 363 und 365 stehen für ein Kontaktmetall, das mit den ohmschen Kontakten 361 bzw. 366 verbunden ist.
Obwohl der tatsächliche Grad der Dotierungen und die Schichtendicke je nach Leistungskriterien und der Umgebung, in der der Varaktor eingesetzt werden soll, wie auf dem Gebiet der Erfindung bekannt ist, variieren können so sind geeignete Dicken und Dotierungsgrade zur Durchführung der vorliegenden Erfindung in der Ausführungsform aus 4 im Allgemeinen die folgenden: Die Schicht 312 weist eine Dicke von 3000 Å und eine n-Typ-Dotierungskonzentration von 4 × 10¹⁸ cm^–3 auf; die Schicht 321 weist eine Dicke von 160 Å auf und hat eine n-Typ-Donatorkonzentration von 4 × 10¹⁸ cm^–3; die nichtdotierten Schichten 322 und 328 weisen jeweils eine Dicke von 75 Å auf; die nichtdotierten Schichten 324 und 326 weisen jeweils eine Dicke von 100 Å auf; die erste und die dritte Akzeptor-dotierte Schicht 323, 327 weisen jeweils eine Dicke von 28,5 Å und eine p-Typ-Dotierungskonzentration von 1 × 10¹⁹ cm^–3 auf; die p+-Schicht 325 weist eine Dicke von 24 Å und eine p-Typ-Dotierungskonzentration von 1 × 10¹⁹ cm^–3 auf; die Schicht 329 weist eine Dicke von 72 Å und eine n-Typ-Dotierungskonzentration von 4 × 10¹⁸ cm^–3 auf; die verarmbare Schicht 330 weist eine Dicke von 1425 Å und eine n-Typ-Dotierungskonzentration von 2 × 10¹⁷ cm^–3 auf; und die Schicht 350 weist eine Dicke von 3000 Å und eine n-Typ-Dotierungskonzentration von 4 × 10¹⁸ cm^–3 auf.
Eine allgemeine Überlegung bei der Wahl der Dicke einer jeden dotierten Schicht in der Sperrschicht ist, das es wünschenswert ist, alle Ladungsträger im benachbarten, mit dem entgegengesetzten Atomtyp dotierten Halbleitermaterial einzufangen, sodass eine keine beweglichen Ladungsträger gibt. Dies wird dann nicht erreicht, wenn die dotierten Sperrschichten so dick sind, dass sich das Sperrschichtpotential der Bandlücke nähert.
Eine weitere Überlegung bei der Wahl der Dicke der dotierten Schichten in der Ausführungsform aus 4 ist das Streben nach etwas mehr Donatoren als Akzeptoren in der Sperrschicht, sodass es auf keinen Fall innerhalb des Bereichs der Expitaxiewachstumstoleranzen zu einem Überschuss an Akzeptoren kommt. Ein Überschuss an Akzeptoren würde die bei Maximal-Kapazitäts-Vorspannung erreichbare Maximalkapazität senken, da es unabhängig von der Vorspannung zu einer teilweisen Verarmung der verarmbaren Schichten kommen würde.
Eine zusätzliche Überlegung bei der Wahl der Dicke und der Abstände zwischen den dotierten Schichten in der Ausführungsform aus 4 ist der Wunsch, den größtmöglichen Kapazitätsbereich zu erreichen. Dies führt zur Wahl einer asymmetrischen Sperrschicht.
Mit Bezug auf 5 ist eine Querschnittsansicht eines Varaktors 400 mit Heteroübergangssperrschicht gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur Homoübergangs-Varaktor 300 enthält der Heteroübergangs-Varaktor 400 mehr als nur eine Materialart. Beispielsweise enthalten in der Ausführungsform aus 5 Abschnitte der Sperrschicht 420 AlGaAs und InGaAs, während die verarmbare Schicht und die restlichen Schichten aus GaAs gebildet sind. Es sollte sich verstehen, dass auch andere Materialien, einschließlich der unter Bezugnahme auf die 1–2 aufgeführten und dergleichen, zur Herstellung des Varaktors 400 verwendet werden können.
Das Substrat 410, die erste Schicht 412 und die Wiederholung des Paars 440 aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht sind zu ihren jeweiligen Gegenstücken 310, 312 und 340 aus 4 analog. Die Zusammensetzung der Heteroübergangssperrschicht 420 hingegen unterscheidet sich von jener der Homoübergangssperrschicht 320.
Die Sperrschicht 420 weist elf Schichten auf. Der n+p+n+ oder elektrostatische Bereich ist aus den Schichten 421, 423, 425, 427, 429 gebildet, die respektive n+, p+, p+, p+, n+-dotiert sind. Die n+- und p+-Schichten sind aus GaAs gebildet. Die Abstandsschicht 422 ist aus einer ersten Schicht 422a, die aus In_xGa_1–xAs gebildet ist, worin x von 0,10 bis 0,25 in einer linearen Geraden von unten nach oben variiert, und einer zweiten Schicht 422b, die aus Al_0,4Ga_0,6As gebildet ist, aufgebaut. Krishnamurthi et al. haben gezeigt, dass die Verwendung von AlGaAs und InGaAs wirksam Verluststrom reduziert.
Die Abstandsschicht 424 besteht aus einer aus AlAs gebildeten ersten Schicht 424a und einer aus Al_0,4Ga_0,6As gebildeten zweiten Schicht 424b. Die Abstandsschichten 426 und 428 sind einzelne Schichten aus Al_0,4Ga_0,6As.
Das Bezugszeichen 442 steht für die Wiederholungen der Paare 440 aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Paar 440 aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht in 442 neunmal wiederholt.
Ohmsche Kontakte 461, 466 und Kontaktmetall 463, 465 sind wie in zuvor in 4 bereitgestellt.
Geeignete Dicken und Dotierungsgrade zur Durchführung der vorliegenden Erfindung in der Ausführungsform aus 5 sind im Allgemeinen die folgenden: Die Schicht 412 weist eine Dicke von 3000 Å und eine n-Typ-Dotierungskonzentration von 4 × 10¹⁸ cm^–3 auf; die Schichten 421 und 429 weisen eine Dicke von 125 Å bzw. 65 Å und eine n-Typ-Dotierungskonzentration von 4 × 10¹⁸ cm^–3 auf; die nichtdotierten Abstandsschichten 422a und 422b weisen eine Dicke von 70 Å bzw. 112 Å auf; die Schichten 423, 425, 427 weisen eine p-Typ-Dotierungskonzentrationen von 1 × 10¹⁹ cm^–3 auf eine Dicke von respektive 12,5 Å, 25 Å und 26 Å auf; die nichtdotierten Abstandsschichten 424a und 424b weisen eine Dicke von 20 Å bzw. 30 Å auf; die nichtdotierten Abstandsschichten 426 und 428 weisen eine Dicke von 40 Å bzw. 50 Å auf; die verarmbare Schicht 430 weist eine Dicke von 1780 Å in einer bevorzugten Ausführungsform und von 1430 Å in einer anderen bevorzugten Ausführungsform mit n-Typ-Dotierungskonzentrationen von 2 × 10¹⁷ cm^–3 bzw. 1 × 10¹⁷ cm^–3 auf; und die Schicht 450 weist eine Dicke von 3000 Å und eine n-Typ-Dotierungskonzentration von 4 × 10¹⁸ cm^–3 auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsformen selbiger beschrieben wurde versteht es sich, dass sie weiter modifiziert werden kann, und diese Anmeldung zielt darauf ab, jegliche Variationen, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung, die allgemein den Prinzipien der Erfindung folgen, abzudecken, einschließlich Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung, die innerhalb der bekannten oder gewöhnlichen Praxis auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, liegen oder die auf die hierin zuvor dargelegten Hauptmerkmale angewendet werden können und die innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung und dem Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Varaktor, umfassend: ein Substrat (10) aus einem Halbleitermaterial; eine elektrostatische Sperrschicht (20), die auf dem Substrat gebildet ist und eine erste Schicht (22) aus einem Halbleitermaterial, das mit einer aus der Klasse der Dotierungsmittelverunreinigungen, die Donatorverunreinigungen und Akzeptorverunreinigungen beinhaltet, dotiert ist, sowie eine zweite Schicht (24) aus einem Halbleitermaterial, das mit einer anderen aus der vorgenannten Klasse der Dotierungsmittelverunreinigungen dotiert ist, umfasst; eine auf der Sperrschicht gebildete, verarmbare Schicht (30); und Kontaktbereiche (62, 64), die mit dem Substrat (10) und der verarmbaren Schicht (30) kommunizieren, um das Anlegen einer externen Spannung zu erleichtern; dadurch gekennzeichnet, dass die verarmbare Schicht so ausgebildet ist, dass sie unter Anlegung einer Sperr-Vorspannung im Wesentlichen verarmt wird, und dass die Sperrschicht weiters eine dritte Schicht (26) aus einem Halbleitermaterial, das mit der einen aus der Klasse der Dotierungsmittelverunreinigungen dotiert ist, umfasst, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und der dritten Schicht angeordnet ist.
Varaktor nach Anspruch 1, weiters umfassend: eine Abstandsschicht (221, 227), die zwischen der verarmbaren Schicht und der Sperrschicht (20) angeordnet ist.
Varaktor nach Anspruch 1, weiters umfassend: eine Abstandsschicht, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht der Sperrschicht angeordnet ist.
Varaktor nach Anspruch 1, weiters umfassend: eine Vielzahl an verarmbaren Schichten; und eine Vielzahl an Sperrschichten; worin die Vielzahl an verarmbaren Schichten und Sperrschichten auf alternierende Weise angeordnet ist, um eine Reihe von Paaren aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht auf dem Substrat zu erhalten.
Varaktor nach Anspruch 4, weiters umfassend eine Abstandsschicht zwischen zwei der in einer Reihe angeordneten Paaren aus Sperrschicht und verarmbarer Schicht.
Varaktor nach Anspruch 1, worin die zweite Schicht aus einem Halbleitermaterial mit Donatorverunreinigungen stark dotiert ist.
Varaktor nach Anspruch 1, worin die zweite Schicht aus einem Halbleitermaterial mit Akzeptorverunreinigungen stark dotiert ist.
Varaktor nach Anspruch 1, worin zumindest eine aus der verarmbaren Schicht und erster und zweiter Schicht aus einem anderen Halbleitermaterial gebildet ist.
Varaktor nach Anspruch 1, worin die verarmbare Schicht aus GaAs gebildet ist.