Патент на изобретение №2354010

(54) ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может быть использовано в качестве переключающего элемента (ключа) или управляемого конденсатора в интегральных микросхемах, работающих, в том числе, на частотах выше 10 ГГц. Трехэлектродный высокочастотный полупроводниковый прибор включает полупроводниковый эпитаксиальный слой на подложке и размещенные на нем два контакта высокочастотного тракта и один управляющий контакт. Контакты в высокочастотном тракте выполнены в виде контактов Шоттки, а управляющий контакт выполнен омическим и расположен вне пространства между контактами в высокочастотном тракте. Изобретение значительно упрощает конструкцию и технологию изготовления прибора при одновременном обеспечении возможности работы в качестве управляемого конденсатора. 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может быть использовано в качестве переключающего элемента (ключа) или управляемого конденсатора в интегральных микросхемах, работающих, в том числе, на частотах выше 10 ГГц.

Переключающие элементы (ключи), управляемые конденсаторы (варикапы) и т.д. представляют собой управляемые внешним сигналом активные приборы и являются одними из основных схемообразующих элементов СВЧ-интегральных микросхем различного назначения: смесителей, приемников, подстроечных и согласующих цепей и т.д. Одними из основных требований к подобным элементам являются высокое быстродействие, низкие потери на паразитных емкостях, экономичность, универсальность характеристик с возможностью подгонки к конкретным схемам приборов. Наиболее часто в качестве активных элементов в СВЧ-цепях и микросхемах используются приборы с p-n переходом или полевые, благодаря своей широкой номенклатуре позволяющие решать различные задачи при производстве СВЧ-устройств. Известны различные варианты таких приборов, выполненные с использованием pin-диодов. Например, описанные в US 6487395 B1.

Прибор включает два последовательно соединенных pin-диода, размещенных между передающей и приемной частями коммуникационной системы.

Указанный выше прибор является весьма сложным в изготовлении, так как реализуется на многослойных полупроводниковых гетероструктурах путем выполнения комплекса прецизионных планарных операций. Для полноценной работы прибора необходимы так называемые управляющие схемы, представляющие собой совокупность элементов, обеспечивающих определенные (зачастую – достаточно жесткие) параметры управляющего сигнала. Кроме того, использование в схемах pin-диодов сопряжено с повышенным потреблением питания. Эти обстоятельства могут являться причиной снижения выхода годных приборов, роста издержек производства, ограничения степеней свободы при проектировании СВЧ-схем и устройств.

Известен трехэлектродный высокочастотный полупроводниковый прибор, включающий полупроводниковый слой на подложке и размещенные на этом слое два контакта высокочастотного (ВЧ) тракта, а также один управляющий контакт; подложка выполнена двуслойной, ее нижний слой – монокристаллический; верхний слой – эпитаксиально нарощенный, изолирующий; контакты ВЧ тракта выполнены омическими, управляющий контакт представляет собой контакт Шоттки (имеющий потенциальный барьер для носителей тока в одном из направлений); управляющий контакт размещен между контактами ВЧ тракта, US 3942186.

При приложении на управляющий контакт отрицательного напряжения под ним образуется обедненная область объемного заряда, создающая сопротивление протеканию тока между контактами ВЧ тракта.

При некотором значении указанного напряжения на управляющем контакте область обеднения распространяется до границы полупроводникового изолирующего слоя подложки, ток между контактами ВЧ тракта прекращается – происходит так называемая отсечка.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Устройство по US 3942186 может работать в качестве ключа; при работе на весьма высоких частотах – порядка 10 ГГц, топологический размер управляющего контакта (в направлении протекания ВЧ сигнала) должен составлять не более 500 нм, а при более высоких частотах этот размер, соответственно, должен быть еще меньше.

Выполнение управляющего контакта с такими малыми размерами и при этом размещение контактов ВЧ тракта на соответствующих размерам управляющего контакта весьма малых расстояниях требует чрезвычайно сложной и дорогостоящей (субмикронной) технологии его изготовления, что весьма увеличивает стоимость прибора; другим недостатком прототипа является необходимость наличия, как и в описанном выше аналоге, довольно сложной управляющей схемы для работы прибора, поскольку требуется поддержание заданных параметров управляющего сигнала, что также усложняет конструкцию; кроме того, следует отметить, что устройство-прототип не может выполнять функцию управляемого конденсатора, поскольку его емкостная составляющая минимизирована.

Задачей настоящего изобретения является значительное упрощение конструкции и технологии изготовления прибора, а также обеспечение возможности работы в качестве управляемого конденсатора.

Согласно изобретению в трехэлектродном высокочастотном полупроводниковом приборе, включающем полупроводниковый эпитаксиальный слой на подложке и размещенные на нем два контакта высокочастотного тракта и один управляющий контакт, контакты в высокочастотном тракте выполнены в виде контактов Шоттки, а управляющий контакт выполнен омическим и расположен вне пространства между контактами в высокочастотном тракте.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Поскольку в заявленном изобретении контакты в высокочастотном тракте выполнены в виде контактов Шоттки, а омическим является управляющий контакт, появляется возможность вынести его за пределы пространства между контактами в высокочастотном тракте. Это невозможно в прототипе, поскольку создаваемая управляющим контактом Шоттки область объемного заряда должна находиться между омическими контактами высокочастотного тракта. Если в устройстве по US 3942186 из пространства между омическими контактами высокочастотного тракта убрать контакт Шоттки с создаваемой им областью объемного заряда, то прибор перестанет быть управляемым. В заявленном же изобретении контакты Шоттки, находясь в высокочастотном тракте, обеспечивают наличие между ними области объемного заряда независимо от расположения управляющего омического контакта. Вследствие этого размеры пространства между контактами высокочастотного тракта могут составлять при частотах порядка 10 ГГц не доли микрона, как в прототипе, а несколько микрон, что позволяет формировать необходимую топологию с помощью обычной оптической фотолитографии.

Важным техническим результатом также является то обстоятельство, что поскольку в заявленном изобретении управляющий контакт выполнен омическим, на него можно подавать стандартное положительное управляющее напряжение, в то время как в прототипе на управляющий контакт Шоттки необходимо подавать преобразованное с помощью управляющей схемы напряжение. Таким образом, в заявленном изобретении исключается управляющая схема, что также упрощает и удешевляет конструкцию прибора.

Кроме того, в заявленном изобретении, поскольку контакты высокочастотного тракта выполнены в виде контактов Шоттки, создаваемая ими емкость является управляемым параметром, и прибор может быть, таким образом, использован в качестве управляемого конденсатора, что невозможно в прототипе, так как управляющий контакт является контактом Шоттки, и его емкость является управляющим, а не управляемым параметром.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где схематически изображено:

на фиг.1 – трехэлектродный высокочастотный прибор в плане;

на фиг.2 – прибор в аксонометрии.

Трехэлектродный высокочастотный полупроводниковый прибор включает полупроводниковый эпитаксиальный слой 1 соединения А₃В₅, например GaAs, на подложке 2. Проводящая область 3 слоя 1 (показана пунктиром) ограничена путем протонизации ее периферии и является частью высокочастотного тракта. На области 3 полупроводникового эпитаксиального слоя 1 размещены два контакта 4 и 5 высокочастотного тракта, выполненные в виде контактов Шоттки, выполненные из композиции Ti-Ni. Вне участка 6 высокочастотного тракта между контактами 4 и 5 расположен управляющий контакт 7, выполненный омическим, в частности, из композиции Au-Ge. Топология прибора сформирована с использованием оптической фотолитографии.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии управляющего напряжения на управляющем контакте 7 и подаче высокочастотного сигнала на контакты 4, 5 высокочастотный сигнал проходит между контактами 4, 5 через проводящую область 3 слоя 1. При этом емкостная составляющая общего сопротивления участка 6 высокочастотного тракта определяется в каждый полупериод осцилляции высокочастотного сигнала областью объемного заряда под одним из контактов 4, 5. При подаче положительного управляющего напряжения на контакт 7 потенциал области 3 слоя 1 возрастает, в результате чего увеличивается область объемного заряда под контактами 4, 5 и, соответственно, создаваемая ими емкость. Эта емкость уменьшается при уменьшении управляющего напряжения на контакте 7. Таким образом, полупроводниковый прибор работает в режиме управляемого конденсатора. При увеличении управляющего напряжения до расчетного порогового значения область объемного заряда под контактами 4,5 увеличивается настолько, что прекращается протекание высокочастотного сигнала и наступает так называемая «отсечка». Таким образом, происходит работа прибора в режиме ключа.

Для реализации изобретения использованы известные материалы и промышленное оборудование. Данное обстоятельство обусловливает, по мнению заявителя, соответствие настоящего изобретения критерию «промышленная применимость».

Формула изобретения

Трехэлектродный высокочастотный полупроводниковый прибор, включающий полупроводниковый эпитаксиальный слой на подложке и размещенные на нем два контакта высокочастотного тракта и один управляющий контакт, отличающийся тем, что контакты в высокочастотном тракте выполнены в виде контактов Шоттки, а управляющий контакт выполнен омическим и расположен вне пространства между контактами в высокочастотном тракте.

РИСУНКИ