Варикап

Изобретение относится к полупроводниковым диодам с регулируемой емкостью, предназначенным для использования в частотно-избирательных устройствах. Сущность изобретения состоит в том, что в варикапе, содержащем корпус, размещенную в корпусе р+-n-n+-мезоструктуру, ограниченную двумя контактными площадками к р+- и n+-слоям, и два внешних вывода, места выхода р+-n-перехода и примыкающих к этому переходу р+- и n-слоев на боковые поверхности мезоструктуры выполнены наклонными относительно ее центральной оси. Наклонные поверхностные полупроводниковые слои мезоструктуры преобразованы в поверхностные диэлектрические слои. В состав варикапа дополнительно введены две пластины, выполненные из неорганического материала, на первых и вторых поверхностях которых расположены проводящие электрический ток поверхностные слои, гальванически соединенные между собой, контактные площадки мезоструктуры гальванически соединены с проводящими слоями, расположенными на вторых поверхностях пластин. Пространство между вторыми, внутренними, поверхностями пластин и боковыми поверхностями мезоструктуры заполнено высокотемпературным эластичным герметиком до торцевых краев пластин. При этом пластины и герметик выполняют роль корпуса варикапа, а проводящие поверхностные слои, расположенные на первых, наружных, поверхностях пластин, - роль его внешних выводов. Техническим результатом изобретения является увеличение верхней рабочей частоты и добротности варикапа. 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, конкретно к полупроводниковым диодам с регулируемой емкостью, предназначенным для использования в частотно-избирательных устройствах гектометрового, декаметрового, метрового и дециметрового диапазонов длин волн.

Известен варикап КВ116А-1 [1], содержащий кремниевую эпитаксиальную р+-n-n+-структуру, ограниченную контактными площадками к ее р+- и n+-слоям, кристаллодержатель, выполненный из металлической ленты и оканчивающийся первым гибким выводом, второй гибкий вывод, две контактные проволочки и корпус. Контактная площадка к n+-слою размещена на кристаллодержателе и гальванически соединена с ним. Две контактные проволочки включены между контактной площадкой к р+-слою и вторым гибким выводом (соединение проволочек с контактной площадкой к р+-слою и вторым гибким выводом осуществляется методом термокомпрессионной сварки). Корпус выполнен из твердеющего после заливки полимера, закрывающего кристаллодержатель, р+-n-n+-структуру, проволочки и часть гибких выводов. Недостатками такого варикапа являются относительно низкая верхняя рабочая частота из-за относительно большой суммарной величины индуктивности гибких выводов и проволочек и относительно малая добротность из-за относительно больших обратных токов утечки (при Uобр=1 В и f=1 МГц Q≥100).

Наиболее близким к заявляемому полупроводниковому прибору является варикап 3В160Б [2], содержащий арсенидогаллиевую р+-n-n+-мезоструктуру, ограниченную двумя контактными площадками к р+- и n+-слоям (золотая контактная площадка к р+-слою выполнена толщиной около 1 мкм), кристаллодержатель, изготовленный из металлической ленты и оканчивающийся первым гибким выводом, второй гибкий вывод, две контактные проволочки соединенные с контактной площадкой к р+-слою и вторым гибким выводом методом термокомпрессионной сварки. Боковые поверхности мезоструктуры, содержащие места выхода на них р+-n-перехода и примыкающих к этому переходу р+ и n-слоев, расположены перпендикулярно контактным площадкам к р+ и n-слоям. Корпус выполнен из твердеющего после заливки полимера, закрывающего кристаллодержатель, мезоструктуру, проволочки и часть гибких выводов. Недостатками варикапа-прототипа являются относительно низкая верхняя рабочая частота, обусловленная относительно большой суммарной величиной индуктивности гибких выводов и проволочек, и относительно малая величина добротности (при Uобр=4 В и f=10 МГц Q≥200), обусловленная значительными обратными токами утечки через р+-n-переход и обратными поверхностными токами утечки в местах выхода р+-n-перехода и р+- и n-слоев на внешние боковые поверхности мезоструктуры. Операция формирования термокомпрессионного соединения проволочек с тонкой металлической пленкой, покрывающей поверхность тонкого р+-слоя, приводит к ухудшению структуры и параметров р+-n-перехода, что в свою очередь приводит к увеличению обратных токов утечки варикапа, к большому разбросу значений добротности у отдельных диодов и к нестабильности их параметров в процессе эксплуатации. К недостаткам варикапа-прототипа также следует отнести относительно большие габариты, малую стойкость к воздействию климатических факторов (из-за наличия термокомпрессионного соединения проволочек с контактной площадкой к р+-слою). Конструкция варикапа-прототипа не позволяет использовать его в радиоэлектронных устройствах, подвергаемых значительным вибрациям и ускорениям.

Технические эффекты, на достижение которых направлено предлагаемое решение, - увеличение верхней рабочей частоты и добротности варикапа.

Это достигается тем, что в варикапе, содержащем корпус, размещенную в корпусе полупроводниковую р+-n-n+-мезоструктуру, ограниченную двумя контактными площадками к р+- и n+-слоям, и два внешних вывода, соединенных с этими контактными площадками, места выхода р+-n-перехода и примыкающих к этому переходу р+- и n-слоев на боковые поверхности мезоструктуры выполнены наклонными относительно ее центральной оси, наклонные поверхностные полупроводниковые слои мезоструктуры преобразованы в поверхностные диэлектрические слои, в состав варикапа дополнительно введены две пластины, выполненные из неорганического материала, на первых и вторых поверхностях которых расположены проводящие электрический ток поверхностные слои, гальванически соединенные между собой, контактные площадки мезоструктуры гальванически соединены с проводящими слоями, расположенными на вторых поверхностях пластин, пространство между вторыми, внутренними, поверхностями пластин и боковыми поверхностями мезоструктуры заполнено эластичным высокотемпературным герметиком до торцевых краев пластин, при этом пластины и герметик выполняют роль корпуса варикапа, а проводящие поверхностные слои, расположенные на первых, наружных, поверхностях пластин, - роль его внешних выводов.

В частном случае пластины выполнены из материала, имеющего коэффициент линейного расширения, близкий или равный коэффициенту линейного расширения материала мезоструктуры. В частном случае преобразование наклонных поверхностных полупроводниковых слоев мезоструктуры в поверхностные диэлектрические слои осуществлено методами химического окисления и ионной имплантации. В частном случае пластины изготовлены из диэлектрика, в них выполнены центральные сквозные металлизированные отверстия, наружные поверхности пластин металлизированы полностью, внутренние - частично, при этом металлизированные площадки внутренних поверхностей пластин имеют форму и размеры, соответствующие формам и размерам контактных площадок мезоструктуры. В частом случае центральные металлизированные отверстия пластин заполнены проводящим электрический ток веществом. В частных случаях мезоструктура выполнена в виде сочетания квадратного параллелепипеда и усеченной четырехугольной пирамиды с квадратным основанием, боковые ребра мезоструктуры выполнены скругленными, а диэлектрические пластины - квадратными. В частных случаях мезоструктура выполнена в виде сочетания кругового прямого цилиндра и усеченного кругового прямого конуса, а пластины - круглыми. В частных случаях мезоструктура выполнена из арсенида галлия, пластины - из кремния, вторые, внутренние, поверхности пластин выполнены с углублениями для посадки в них контактных площадок к р+- и n+-слоям мезоструктуры, на нижние поверхности углублений нанесены слои металлизации, а центральные сквозные отверстия пластин выполнены в форме усеченных конусов. В частном случае в качестве высокотемпературного герметика используется силиконовый каучук.

Две конструкции предлагаемого варикапа, отличающиеся видом пластин и центральных отверстий в них, приведены на фиг.1 и 2.

Варикап содержит р+-n-n+-мезоструктуру 1, состоящую из n+- (2), n- (3), р+- (4) слоев полупроводника. Места выхода р+-n-перехода и примыкающих к этому переходу р+- и n-слоев на боковые поверхности мезоструктуры 1 выполнены наклонными относительно ее центральной оси. Наклонные поверхностные слои 5 мезоструктуры выполнены из диэлектрика. Мезоструктура 1 ограничена двумя контактными площадками 6 и 7 к n+- (2) и р+- (4) слоям. В состав варикапа входят две диэлектрические пластины 8 и 9 с центральными отверстиями, покрытыми слоями металла 10 и 11 с полностью металлизированными первыми (внешними) поверхностями и с частично - вторыми (внутренними). Слои металла, нанесенные на внутренние поверхности пластин, обозначены через 12 и 13, слои металла, нанесенные на внешние поверхности пластин, - через 14 и 15. Металлизированные площадки 12 и 13 пластин 8 и 9 имеют форму и размеры, соответствующие формам и размерам контактных площадок 6 и 7 мезоструктуры 1 и гальванически соединены с ними. Металлизированные отверстия пластин 8 и 9 заполнены проводящим электрический ток веществом (проводящие заполнения отверстий пластин на фиг.1 и 2 обозначены через 16 и 17). Пространство между внутренними поверхностями пластин 8 и 9 и боковыми поверхностями мезоструктуры 1 заполнено до торцевых краев этих пластин высокотемпературным эластичным герметиком 18. Пластины 8 и 9 и герметик 18 выполняют роль корпуса варикапа, а слои металлизации 12 и 13 - роль его внешних выводов. Отверстия в пластинах выполняются методом лазерной прошивки, или сверлением пластин, или другими методами.

Пластины варикапа, изображенные на фиг.2, изготавливаются из полупроводника, например кремния. Углубления в пластинах для посадки в них контактных площадок к р+-n+-слоям мезоструктуры и центральные отверстия выполняются химическим травлением.

Металлизация полученных отверстий и поверхностей пластин, может быть осуществлена методом вакуумного напыления металла с последующим утолщением металлического покрытия электрохимическим методом. Соединение контактных площадок мезоструктуры с металлизированными площадками диэлектрических и полупроводниковых пластин и металлических пластин может осуществляться методом сплавления с использованием припоев или методом приклейки токопроводящим клеем, обладающим достаточной термической стойкостью.

У варикапа-прототипа [2] размеры корпуса составляют 7,2×4,6×2,0 мм³, длина внешних выводов (вне корпуса) - 4,8 мм. Индуктивность выводов варикапа-прототипа, включая индуктивность проволочек, превышает 5 нГн. Размеры предлагаемого варикапа не превышают 3×3×2 мм³. Индуктивность выводов предлагаемого варикапа при толщине диэлектрических и полупроводниковых пластин 0,5 мм и диаметре сквозных центральных отверстий в них 0,2-0,3 мм не превышает 1 нГн. При изготовлении пластин из металла индуктивность варикапа получается еще меньше. Это приводит к увеличению верхней рабочей частоты у предлагаемого варикапа по отношению к варикапу-прототипу не менее, чем в .

Увеличение добротности у предлагаемого варикапа по отношению к добротности варикапа-прототипа достигается за счет уменьшения обратных токов утечки через р+-n-переход (изготовлением более совершенной структуры контакт-р+-n-переход) и по боковым поверхностям р+-n-n+-мезоструктуры. Отсутствие в предлагаемом варикапе термокомпрессионного соединения проволочек с контактом к р+-слою приводит к устранению локализованных термомеханических напряжений в зоне такого соединения, что обеспечивает повышение его надежности. Повышение удельного поверхностного сопротивления на боковых поверхностях мезоструктуры в месте выхода на эти поверхности р+-n-перехода и р+ и n-слоев повышает процент выхода годных диодов в процессе производства и устраняет нестабильность токов утечки в процессе эксплуатации варикапа. Наклонные боковые поверхности мезоструктуры несколько увеличивают длину пути для поверхностной составляющей токов утечки (увеличивается отношение длины пути для поверхностных токов к средней ширине поверхности).

Нами были изготовлены арсенидогаллиевые варикапы, конструкции которых изображены на фиг.1 и 2. Мезоструктура была выполнена в виде сочетания квадратного параллелепипеда и усеченной четырехугольной пирамиды. Края мезоструктуры были скруглены. В первом случае пластины были выполнены из поликора, во втором случае - из кремния. Размеры пластин, имеющих квадратную форму, составляли 3×3×0,5 мм³. Изолирующие поверхностные боковые слои мезоструктур изготавливались на первом этапе химическим окислением боковых поверхностей полупроводниковой мезоструктуры, а на втором этапе - методом имплантации ионов в окисленные боковые поверхности мезоструктуры. При проведении ионной имплантации использовалось соединение SiCl₄. Энергия пучка ионов при проведении имплантации составляла 270 кэВ. Варикап имел габариты 3×3×2 мм³. При Uобр=4 В и f=50 МГц добротность варикапа составляла Q≥500.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:

1. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник / А.Б.Гитцевич и др. М.: Радио и связь, 1988. - 592 с. (с.135).

2. Технические условия АЕЯР. 432120. 142 ТУ - прототип.

1. Варикап, содержащий корпус, размещенную в корпусе полупроводниковую р+-n-n+-мезоструктуру, ограниченную двумя контактными площадками к р+- и n+-слоям, и два внешних вывода, соединенных с этими контактными площадками, отличающийся тем, что места выхода р+-n-перехода и примыкающих к этому переходу р+- и n-слоев на боковые поверхности мезоструктуры выполнены наклонными относительно ее центральной оси, наклонные поверхностные полупроводниковые слои мезоструктуры преобразованы в поверхностные диэлектрические слои, в состав варикапа дополнительно введены две пластины, выполненные из неорганического материала, на первых и вторых поверхностях которых расположены проводящие электрический ток поверхностные слои, гальванически соединенные между собой, контактные площадки мезоструктуры гальванически соединены с проводящими слоями, расположенными на вторых поверхностях пластин, пространство между вторыми, внутренними, поверхностями пластин и боковыми поверхностями мезоструктуры заполнено высокотемпературным эластичным герметиком до торцевых краев пластин, при этом пластины и герметик выполняют роль корпуса варикапа, а проводящие поверхностные слои, расположенные на первых, наружных, поверхностях пластин, роль его внешних выводов.

2. Варикап по п.1, отличающийся тем, что пластины выполнены из материала, имеющего коэффициент линейного расширения, близкий или равный коэффициенту линейного расширения материала мезоструктуры.

3. Варикап по п.2, отличающийся тем, что преобразование наклонных поверхностных полупроводниковых слоев мезоструктуры в поверхностные диэлектрические слои осуществлено методами химического окисления и ионной имплантации.

4. Варикап по п.3, отличающийся тем, что пластины изготовлены из диэлектрика, в них выполнены центральные сквозные металлизированные отверстия, наружные поверхности пластин металлизированы полностью, внутренние частично, при этом металлизированные поверхности пластин имеют форму и размеры, соответствующие формам и размерам контактных площадок мезоструктуры.

5. Варикап по п.4, отличающийся тем, что центральные металлизированные отверстия пластин заполнены веществом, проводящим электрический ток.

6. Варикап по п.5, отличающийся тем, что мезоструктура выполнена в виде сочетания квадратного параллелепипеда и усеченной четырехугольной пирамиды с квадратным основанием.

7. Варикап по п.6, отличающийся тем, что боковые ребра мезоструктуры выполнены скругленными.

8. Варикап по п.7, отличающийся тем, что пластины выполнены квадратными.

9. Варикап по п.5, отличающийся тем, что мезоструктура выполнена в виде сочетания кругового прямого цилиндра и усеченного кругового прямого конуса.

10. Варикап по п.9, отличающийся тем, что пластины выполнены круглыми.

11. Варикап по п.8 или 10, отличающийся тем, что мезоструктура выполнена из арсенида галлия.

12. Варикап по п.11, отличающийся тем, что пластины выполнены из кремния.

13. Варикап по п.12, отличающийся тем, что вторые, внутренние, поверхности пластин, выполнены с углублениями для посадки в них контактных площадок к р+- и n+-слоям мезоструктуры, и на нижние поверхности углублений нанесены слои металлизации.

14. Варикап по п.13, отличающийся тем, что центральные сквозные отверстия пластин выполнены в форме усеченных конусов.

15. Варикап по п.14, отличающийся тем, что в качестве высокотемпературного эластичного герметика используется силиконовый каучук.