JPH08321626A

JPH08321626A - 処理許容誤差を大きくできる高電圧の２レベル静電容量バラクタダイオード

Info

Publication number: JPH08321626A
Application number: JP8091311A
Authority: JP
Inventors: Chanh M Nguyen; チャン・エム・ニューエン; Michael G Case; マイケル・ジー・ケース; William W Hooper; ウイリアム・ダブリュ・フーパ; Authi A Narayanan; オーシー・エー・ナラヤナン
Original assignee: Hughes Aircraft Co; HE Holdings Inc
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1995-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1996-12-03
Also published as: EP0738015A1; US5557140A

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、高いブレイクダウン電圧Ｖ_BR、２
レベルの静電容量Ｃ_maxおよびＣ_min、大きい同調比Ｃ
_max／Ｃ_min、および、処理の変化に対する許容性を有
するバラクタダイオードを提供することを目的とする。【解決手段】ｐ型半導体の陽極24と、この陽極24と接
合部23で接合されているｎ型半導体の陰極22とを具備
し、陰極（または陽極）は第１、第２、第３の領域30,
32, 34を備え、第１の領域30は接合部23に隣接して不純
物濃度Ｎ_d1および幅Ｗ₁を有し、第２の領域32は第１の
領域30に隣接して不純物濃度Ｎ_d2および幅Ｗ₂を有し、
第３の領域34は第２の領域32に隣接して不純物濃度Ｎ_d3
および幅Ｗ₃を有し、第２の領域32の不純物濃度Ｎ
_d2は、他の２つの領域の不純物濃度Ｎ_d1およびＮ_d3より
も大きく、不純物濃度Ｎ_d1およびＮ_d3は１×１０¹⁶ｃｍ
^-3以下であり、不純物濃度Ｎ_d2は５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下
であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に高電圧の
バラクタダイオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体において、電荷キャリア（電子も
しくはホール）は、キャリア密度の高い領域からキャリ
ア密度の低い領域へ拡散する。この理由のために、電荷
キャリアはバイアスされない半導体ダイオードの接合部
を横切って拡散し、それによって、イオン化された原
子、すなわち、その移動キャリアを失った原子の空乏領
域を生成する。一度、この組込み電位Ｖ_biが最初の拡散
によって確立されると、それはさらなる拡散に対する障
壁として機能する。

【０００３】逆バイアスがダイオードを横切って与えら
れた場合、空乏領域は、接合部の一方の側において（ア
クセプタ原子による）負の電荷の領域を露出し、他方の
側において（ドナー原子による）正の電荷の領域を露出
するために広くなる。空乏領域の幅は、ダイオード接合
部の不純物ドーピングレベルの関数である。接合部の両
側が等しくドープされた場合、空乏領域は接合部から等
しい距離に拡張する。不均等なドーピングレベルでは、
空乏領域は、低い不純物濃度を有する側にさらに拡張す
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電界は、負および正の
電荷を積分することによって生じる。対照的に、接合部
を横切る電位降下は、電荷の２次積分か、もしくは電界
の積分によって生じる。ドーピング濃度が一定である場
合、空乏領域における電界は接合部においてピークに達
し、空乏領域のエッジに向かって線形に減少する。この
場合において、空乏領域を横切る電位降下は、２次形式
を有している。

【０００５】逆バイアスがブレイクダウン電圧Ｖ_BRまで
増加した場合、結果的に大きい逆電流が生じ、その理由
は、接合部における電界がダイオードの半導体材料の誘
電強度を超過するからである。共有原子結合が破壊さ
れ、多数の少数キャリアが解放され、ダイオードは電子
雪崩と呼ばれる状態となる。電界および空乏領域の電位
降下は、多数の研究者によって明らかにされてきた（例
えば、Singh,Jasprit 等による文献“Semiconductor De
vice”, McGraw-Hill, Inc., New York, 1994, pp.192-
208 参照）。ブレイクダウンにおいて動作するように意
図されたダイオード（例えば、Sze, S.M. による文献
“High-Speed Semiconductor Device ”Wiley-Intersci
ence Publications, New York, 1990, pp.539-544 にお
けるマイクロ波ＩＭＰＡＴＴダイオードを参照）との比
較において、バラクタダイオードは、一般的に動作上の
逆バイアスの範囲にわたるブレイクダウンを避けるよう
に構成される。

【０００６】バラクタダイオードにおいて、ダイオード
接合部の各側は導電性であり、空乏領域は誘電体として
機能し、それによって、逆バイアスされた半導体接合部
は、キャパシタの構造を有しており、すなわち、誘電体
によって２つの導電領域が分離されている。静電容量
は、接合面積に正比例し、また、空乏領域の幅に反比例
している。すなわち、Ｃ＝（εＡ）／ｄであり、そこに
おいて、εは誘電定数であり、Ａは接合部の断面積であ
り、ｄは空乏領域の幅である。ダイオードの静電容量
は、逆バイアスの増加と共に減少し、その理由は、バイ
アスにおけるこの変化によって空乏の幅が増加するから
である。特定された逆バイアスの範囲にわたる静電容量
の比率は、一般的に同調比と呼ばれる。これらおよび別
のバラクタダイオードの基礎は、種々の文献（例えば、
Norwood,Marcus H.,等による文献“Voltage Variable C
apacitor Tuning:A Review, ”Proceedings of the IEE
E, Vol.56, No.5, May, 1968参照）に説明されている。

【０００７】バラクタは、種々の電子回路に使用でき
る。例えば、共振型回路におけるバラクタダイオード
は、電圧制御された発振器（ＶＣＯ）の周波数もしくは
受信機における増幅器の周波数を制御することができ
る。典型的に、ＶＣＯおよび受信機の増幅器は、それら
の動作帯域を通じて円滑に同調される。従って、これら
のアプリケーションのためのバラクタダイオードは、通
常、逆バイアス電圧Ｖ_rの指数電力に比例する静電容量
を有し、例えばＣは（Ｖ_r）^-0.5に比例する。静電容量
とバイアス電圧との間のこの指数的な関係は、階段およ
び超階段バラクタダイオードの特徴を示している。階段
接合ダイオードは、接合部における階段移行を有して接
合部の各側で均一なドーピングを有する。超階段接合ダ
イオードにおいて、ドーピングレベルは、接合部のいず
れかの側からも接合部に接近すると共に増加する。これ
らのバラクタダイオードの詳細な説明は、多数の参照文
献（例えば、Bogart,Theodore F,による文献“Electron
ic Devices and Circuits ”MacMillan Publishing Com
pany, New York, 1993, pp.891-893参照）において見ら
れることができる。

【０００８】対照的に、幾つかのアプリケーションは、
その静電容量がバイアス電圧の不規則な関数であるバラ
クタダイオードを必要とする。例えば、電力電子システ
ムは、電圧および電流の形態を使用者の負荷によって要
求されるように開発する。それらはしばしば高い電力変
換率を達成するためにスイッチング回路を使用する直列
に接続された共振型コンバータを含む。スイッチング応
力を減少し、電磁界干渉が過度に生成されないようにす
るために、各スイッチは、スイッチの電圧および／また
は電流が最小であるときに制御およびタイミング回路に
よってスイッチングされることが好ましい。制御および
タイミング回路の設計は、２レベルの静電容量特性を示
す高ブレイクダウンのバラクタダイオードが使用できる
ことによって容易になる。

【０００９】特に、これらのスイッチング用のアプリケ
ーションのための好ましいバラクタダイオードは、供給
された逆バイアスＶ_rに関する以下の特性を有してい
る。すなわち、（ａ）高い逆ブレイクダウンＶ_BRは、例
えば＞１００ボルトであることか好ましく、（ｂ）最大
の静電容量Ｃ_max対最小の静電容量Ｃ_minの同調比は、
例えばＣ_max／Ｃ_min＞２：１等のように大きいことが
好ましく、（ｃ）転移電圧Ｖ_TRの領域におけるＣ_maxと
Ｃ_minとの間の転移は急速であり、（ｄ）転移電圧Ｖ_TR
は、選択された最小のＶ_TR(min)と選択された最大のＶ
_TR(max)との間で生じ、（ｅ）最大の静電容量Ｃ
_maxは、０＜Ｖ_r＜Ｖ_TRに対してほぼ一定であり、
（ｆ）最小の静電容量Ｃ_minは、Ｖ_TR＜Ｖ_r＜Ｖ_BRに対
してほぼ一定である。高いＶ_BRおよび高いＣ_max／Ｃ
_minのパラメータは、好ましいバラクタダイオードの特
に所望される特性である。

【００１０】現在使用できるバラクタダイオードは、好
ましい静電容量／電圧特性を示すものではない。例え
ば、Burlington社のＭ／Ａ−ＣＯＭ半導体製品からのＭ
Ａ４６４００およびＭＡ４６６００ヒ化ガリウム超階段
バラクタにおいて、ＭＡは大きい同調比を有している
が、例えばＶ_BR＜５０ボルト程度の低いブレイクダウン
電圧を有しており、Ｍ／Ａ−ＣＯＭ半導体製品からのＭ
Ａ４５２００シリコン階段バラクタは、例えば〜９０ボ
ルト等の高いブレイクダウン電圧を有しているが、要求
された転移領域においては低い同調比を有している。

【００１１】本発明の目的は、高いブレイクダウン電圧
Ｖ_BR、２レベルの静電容量Ｃ_maxおよびＣ_min、大きい
同調比Ｃ_max／Ｃ_min、および、例えばドーピング濃度
等における処理の変化に対する許容性を有するバラクタ
ダイオードを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】これらの目的は、第１、
第２、および第３の領域を含むドーピングｐｐで実現さ
れる。第１の領域はバラクタの接合部に隣接しており、
第２の領域は第１の領域に隣接しており、第３の領域は
第２の領域に隣接している。第１および第３の領域は軽
くドープされ、第２の領域のドーピング濃度は第１およ
び第３の領域のものを超過している。

【００１３】高いブレイクダウンを実現するために、全
ての領域の幅およびドーピング濃度が逆バイアスの状態
の下で接合部において電界を制限するように選択され
る。特に、ドーピング濃度は、ブレイクダウン電圧の定
格を増加するために制限される。同調比は、第１および
第３の領域の幅の選択によって実質的に設定される。２
レベルの静電容量Ｃ_maxとＣ_minとの間の転移電圧Ｖ_BR
は、第２の領域の幅およびドーピング濃度の選択によっ
て実質的に設定される。

【００１４】一実施形態において、領域は、（ホールの
移動度に比較して）半導体の電子の一般的に高い移動度
を利用するためにバラクタの陰極に位置される。別の実
施形態において、ブレイクダウンおよび熱伝導性は、Ｉ
ｎＰを半導体材料として選択することによって増強され
る。

【００１５】本発明の新しい特徴は、付加された特許請
求の範囲においてその特徴と共に説明される。本発明
は、添付された図面に関連して以下の説明から最も良く
理解される。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明によれば、図１において、
関連するセクションにおいて挙げられている好ましいバ
ラクタダイオード特性を達成するバラクタダイオードの
ドーピングプロフィール22のグラフ20が示されている。
このプロフィールのグラフにおいて、水平軸はバラクタ
ダイオードの接合部23からの距離ｘを表し、（実際のス
ケールではない）垂直軸は不純物ドーピング濃度Ｎ_d−
Ｎ_a（１立方センチメートルにおけるドナー原子の数−
１立方センチメートルにおけるアクセプタ原子の数）を
示している。プロフィール22は、接合部23の左側に陽極
領域24を含んでいる。陽極領域24は、浅く多量にドープ
されたｐ+ である。接合部23の右側の陰極領域26におい
て、基体領域28は、多量にドープされたｎ+ である。基
体領域28は、他の領域と比較して典型的に非常に厚い。
従って、領域28は、幅Ｗ₂₈を有して示され、図が明瞭に
なるように垂直方向に破断して示されている。

【００１７】接合部23と基体28との間において、３つの
ｎ型ドープされた領域が連続した順序で配置されてい
る。第１の領域30は軽くドープされ、第２の領域32は第
１の領域30よりも多量にドープされ、第３の領域34もま
た軽くドープされている。接合部23から領域30,32,34の
右側の端部までのそれぞれの距離は、Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃
として示されている。従って、第１の領域30はＬ₁によ
って定められた幅Ｗ₁を有し、第２の領域32はＬ₂−Ｌ
₁によって定められた幅Ｗ₂を有し、第３の領域34はＬ
₃−Ｌ₂によって定められた幅Ｗ₃を有している。

【００１８】ドーピングプロフィール20において、領域
30および34は、それぞれの不純物濃度がＮ_d1およびＮ_d3
になるように軽くドープされている。領域32は、不純物
濃度Ｎ_d2がＮ_d1およびＮ_d3よりも大きくなるようにドー
プされる。従って、領域30,32,34は、“低−高−低”と
いうドーピングプロフィールを有すると言える。本発明
の内容に対して要求される訳ではないが、Ｎ_d1およびＮ
_d3は、ドーピングプロフィールにおいてほぼ等しい。バ
ラクタダイオードを示す記号36は図を明瞭にするために
グラフ20に含まれている。バラクタダイオードを示す記
号36は、グラフのｘ軸と同じ方位を有している。

【００１９】ドーピング濃度Ｎ_dを有する半導体領域に
おける長さＬの空乏領域を発生させるために、ドーピン
グ濃度と正比例し、また、空乏長Ｌの２乗と正比例して
変化する逆バイアス電圧Ｖ_rが必要とされる。例えば、
空乏領域をＬ₁にまで広げるのに必要とされる逆バイア
スは、ほぼ

【数１】となり、そこにおいて、ｑは電子の電荷であり、Ｖ_b1は
組込み接合部電位であり、εは半導体材料の誘電率であ
る。陽極領域24のドーピング濃度は、陰極領域30,32,34
のドーピング濃度を大幅に超過しているので、空乏領域
の陽極領域内への移動はこの概念の論議においては無視
され、空乏領域の左側は、接合部23にあると仮定され
る。空乏領域がＬ₁に拡大すると、ダイオードの静電容
量Ｃ₁は、以下のように与えられる。

【００２０】

【数２】式（１）および（２）は、ドーピング濃度および逆バイ
アスに関して静電容量を表すために組合わせられる。そ
の結果、以下の式が与えられる。

【００２１】

【数３】この後者の式は、各領域のドーピング濃度の影響を含む
ように調整され、対応する計算機シュミレーションは、
ドーピングプロフィール22の静電容量から発展されてい
る。シミュレーションは、図２のグラフ40における静電
容量／電圧曲線42として示されている。このシミュレー
ションにおいて、幅およびドーピング濃度は、以下のよ
うに仮定される。すなわち、Ｗ₁＝２．０ミクロン、Ｗ
₂＝１２００オングストローム（０．１２ミクロン）、
Ｗ₃＝３．８８ミクロン、Ｎ_d1＝Ｎ_d3＝１．０×１０¹⁵
ｃｍ^-3、およびＮ_d2＝１．１×１０¹⁷ｃｍ^-3である。グ
ラフ40の垂直方向の静電容量の軸は、フェムトファラッ
ド／ミクロン²に標準化される。特定の接合部面積Ａ_sp
を有するバラクタダイオードの場合、曲線42の静電容量
をダイオード面積Ａ_spで乗算することによって実際の静
電容量が得られる。

【００２２】曲線42は、好ましいバラクタの２レベルの
静電容量を示している。曲線42は、静電容量がバイアス
電圧と共に急速に変化する曲線部分43および44を含んで
いる。これらの曲線部分43および44は、図１のドーピン
グプロフィール22の軽くドープされた領域30および34を
通る空乏領域の端部の動きにほぼ対応する。曲線42はま
た、静電容量がバイアス電圧と共にゆっくりと変化する
曲線部分45および46も有している。これらの曲線部分
は、実質的にドーピングプロフィール22の多量にドープ
された領域32および28を通る空乏領域の端部の動きに実
質的に対応する。

【００２３】静電容量に加えて、バラクタダイオードの
ブレイクダウンもまた図１のドーピングプロフィール22
の関数である。空乏領域内の電荷密度はドーピング濃度
に比例し、すなわち、ドナー原子の密度に比例する。電
界は、空乏領域にわたって電子の電荷を積分することに
よって得られる。この電界が半導体材料の誘電強度を超
過する場合、電子雪崩のようにブレイクダウンが生じ
る。

【００２４】図３のグラフ50において、図１のドーピン
グプロフィール22を横切る電子の電荷の積分が示されて
いる。図３は、同一の参照番号によって示された同一の
素子が図１に類似している。しかしながら、グラフ50の
垂直軸は、電界ε（典型的にボルト／ｃｍで表されてい
る）を示している。図示する目的のために、図３におい
て空乏幅52はＬ₃に等しく、すなわち、空乏領域52は、
接合部23と基体28との間に延在している。例示的な半導
体誘電強度は、三角形53によってグラフ50の垂直軸上に
示される。

【００２５】電子の電荷の積分は、積分曲線54によって
示されている。領域32を横切る積分は、領域30および34
を横切るスロープよりもかなり急なスロープであり、そ
れは、（そのドーピング濃度が高いために）その電荷密
度が高いからである。空乏領域52を横切る電子の電荷の
積分によって、接合部23においてピーク電界ε₁が生じ
る。曲線54の下の面積を積分（電子の電荷の第２の積
分）することによって、空乏幅52に対応するバラクタダ
イオードを横切るバイアス電圧Ｖ_rが生じる（図を明瞭
にするために、この第２の積分は図示されない）。空乏
領域52が基体28中に十分に拡張する場合、ピーク電界
は、誘電強度53に等しくされることができる。この状態
における曲線54の下の積分された面積は、特定のドーピ
ングプロフィール22のブレイクダウン電圧Ｖ_BRである。
このブレイクダウン電圧は、図２における三角形59とし
て示されている。

【００２６】プロフィール22とそのブレイクダウン電圧
Ｖ_BRとの間の関係をさらに理解することは、領域32の幅
Ｗ₂が増加される新しいプロフィールを仮定することに
よって容易になる。特に、領域32は、図３の破線55によ
って示されているように接合部23に向かって拡張され、
それによって、新しいドーピングプロフィール22A が生
成される。破線の積分曲線56によって示されているよう
に、空乏領域52を横切る電子の電荷の積分は、今や誘電
強度53を超過するピーク電界ε₂を生成する。誘電強度
53を有する半導体材料に対して、空乏幅52は、半導体の
ブレイクダウンを生じることなくドーピングプロフィー
ル22において実現されることができる。対照的に、ドー
ピングプロフィール22A は、空乏幅52が得られる前に結
果的にブレイクダウンになる。

【００２７】図２の計算機シミュレーションおよび図３
の電荷の積分によって、好ましいバラクタ特性を実現す
るためにどのように図１のドーピングプロフィール22が
使用されるかについての洞察的な理解が容易になる。軽
くドープされた領域30および34の幅によって、曲線部分
43および44に沿って曲線42の垂直な動きが実質的に制御
されるということが図２において観察できる。ドーピン
グ濃度が領域30および34において非常に低い場合、曲線
部分43および44はほぼ垂直である。

【００２８】それと対照的に、多量にドープされた領域
32の幅は、転移電圧Ｖ_TRへの曲線42の曲線部分45に沿っ
た水平な動きを実質的に制御し、それは、曲線部分44の
中間においてほぼ示されている。ドーピング濃度が領域
32において十分に高い場合、曲線部分45はほぼ水平であ
る。

【００２９】曲線部分45および46は、好ましいバラクタ
の２レベルの最大静電容量Ｃ_maxおよび最小静電容量Ｃ
_minの領域を形成する。幅Ｗ₃は、Ｃ_max／Ｃ_minの高
い同調比を達成するために幅Ｗ₁よりも大きく選択され
ることができる。このパラメータを増加するために、比
率Ｗ₃／Ｗ₁は１．５よりも大きいことが好ましく、２
よりも大きいことがより好ましい。

【００３０】多量にドープされた領域32は、実質的に転
移電圧Ｖ_TRの位置を指定する。幅Ｗ₂および／または濃
度Ｎ_d2は、予め定められた転移電圧Ｖ_TRを達成するため
に調整されることができる。濃度Ｎ_d2は、ほぼ水平な曲
線部分45を生成するのに十分な程度に高いことが好まし
い。

【００３１】反対に、図３において、幅Ｗ₁およびＷ₂
および濃度Ｎ_d2はまた予め定められたブレイクダウンＶ
_BRが実現されるように選択されなければならない。ブレ
イクダウンは、幅Ｗ₂を制限し、濃度Ｎ_d2を下げること
によって増加される。一般的に、Ｖ_BRは、Ｎ_d2に正比例
し、Ｗ₁に正比例し、Ｗ₂により二次に変化する。例え
ば＜９０ボルト等の典型的に予測された転移電圧Ｖ_TRに
対して、幅Ｗ₂は＜２０００オングストロームに制限さ
れることができる。

【００３２】ドーピングプロフィール22は、選択された
半導体材料において、例えば分子線エピタキシ（ＭＢ
Ｅ）あるいは金属−有機化学気相付着（ＭＯＣＶＤ）等
のエピタキシャル成長によって達成されることが好まし
い。ＭＯＣＶＤは、層を構成するガス状の化合物の間の
化学反応によってエピタキシャル層を形成する。ＭＯＣ
ＶＤは、（図１の）ドーピングプロフィール22の領域30
および34において要求されるドーピングレベルを実現す
るのに特に適しており、それは、その本質的に低いバッ
クグラウンドのキャリア濃度（“意図しない”ドーピン
グレベルと呼ばれる）のためである。ＭＯＣＶＤの成長
プロセスの付加的な利点とは、そのウエハの欠陥密度が
低いということであり、それによって、結果的に生産効
率が高くなる。

【００３３】図１のドーピングプロフィール22におい
て、濃度Ｎ_d1およびＮ_d3は、図２の曲線部分45および46
（Ｃ_maxおよびＣ_min）の平坦さを増強し、ブレイクダ
ウン電圧Ｖ_BRを増加させるためにできる限り低くすべき
である。しかしながら、ほとんどのエピタキシャル処理
は、最小の（“意図しない”）ドーピングレベルを有し
ている。ＭＯＣＶＤ処理に対して、意図しないレベル
は、一般的に３×１０¹⁴ｃｍ^-3乃至５×１０¹⁴ｃｍ^-3の
範囲にある。

【００３４】５０ボルトのブレイクダウン電圧は、１×
１０¹⁶ｃｍ^-3以下で設定されたＮ_d1およびＮ_d3と、５×
１０¹⁷ｃｍ^-3以下のＮ_d2とで達成されることができる
が、これらの各濃度は、７０ボルト程度のブレイクダウ
ン電圧を得るために５×１０¹⁵ｃｍ^-3および３×１０¹⁷
ｃｍ^-3以下であることが好ましく、１００ボルトのブレ
イクダウン電圧を得るために１×１０¹⁵ｃｍ^-3および１
×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることがより好ましい。従っ
て、本発明の内容は、典型的なバラクタダイオードの動
作状態の下でブレイクダウンを避けるためにドーピング
濃度および領域30,32,34の幅を注意深く選択することを
含んでいる。

【００３５】図１のドーピングプロフィール22は、任意
の半導体材料において実現されることができる。材料
は、各バラクタダイオードのアプリケーションの必要条
件に合致する例えばキャリア飽和速度、熱伝導度、誘電
強度、および移動度等の特性のために選択されることが
好ましい。例えば、電力用電子システムの共振型コンバ
ータにおいて、大きいバイアス電圧および高電力放散が
一般的に予想される。このアプリケーションにおいて、
半導体は、例えばりん化インジウム（ＩｎＰ）等の高い
誘電強度および良好な熱伝導率を有するものが選択され
ることが好ましい。対照的に、高いスイッチング速度を
考慮に入れることが重要である場合、ＧａＡｓが選択さ
れる。それは、その高い移動度によって直列抵抗を減少
させ、結果的にＲＣ充電時間を減少させるからである。

【００３６】一度、半導体材料が選択されると、陽極お
よび陰極の不純物ドープ剤は、半導体技術から良く知ら
れている材料から選択されることができ、例えば、ｎ型
およびｐ型シリコンは、一般的に砒素またはリンのドナ
ー原子とホウ素のアクセプタ原子でそれぞれ実現される
ことができる。

【００３７】図４において、図１のドーピングプロフィ
ール22と、特に図２の計算機シミュレーションにおいて
仮定された領域の幅、すなわち、Ｗ₁＝２．０ミクロ
ン、Ｗ₂＝１２００オングストローム（０．１２ミクロ
ン）、およびＷ₃＝３．８８ミクロンを有しているバラ
クタダイオード60の拡大断面図が示されている。基体28
の幅は典型的に５００ミクロン程度であり、それ故に、
その中間部分は省略されている。図４の要素は、図１に
おいて示されているものと同じ参照番号で示されてい
る。

【００３８】さらに、オーム接触62が陽極24上に配置さ
れ、オーム接触64が基体28上に付着されている。オーム
接触金属は、バラクタダイオードの選択された半導体材
料との接触を増強するために選択される。例えば、Ｉｎ
Ｐがバラクタダイオード60の材料である場合、オーム接
触62および64は、金／プラチナ／チタニウム（Ａｕ／Ｐ
ｔ／Ｔｉ）層であることが好ましい。陽極24および基体
28は、例えば、〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3に多量にドープされ
ることが好ましく、それによって、低い抵抗のオーム接
触が得られる。陽極24および陰極26の断面積は、通常メ
サエッチングおよび製造されたウエハからスライスされ
たチップによって定められている。接合部23の露出され
た周縁部は、例えばポリイミド等の被覆によって環境か
ら保護されることが好ましい。

【００３９】図２の計算機シミュレーションにおいて、
ドーピング濃度の変化に対する静電容量およびブレイク
ダウン電圧の感度が示されている。シミュレーションに
おいて、図１のプロフィール22のドーピング濃度の第１
の変化は、Ｎ_d2の１０％の増加と、Ｎ_d1およびＮ_d3の５
０％の増加を行った場合について検査された。この変化
に対する静電容量は、破線の曲線70として示されてい
る。第２の変化は、Ｎ_d2の１０％の減少と、Ｎ_d1および
Ｎ_d3の５０％の減少を行った場合について検査された。
この第２の変化の静電容量は、破線の曲線72として示さ
れている。これらの変化は、実際において、名目上の濃
度が低くなるときにドーピング濃度におけるパーセンテ
ージの変化が増加するので、すなわち、低いドーピング
濃度を厳密に制御することは困難なので、選択される。

【００４０】Ｃ_maxおよびＣ_minの名目値からの変化
は、両方の濃度の変化に対して最小である。曲線42によ
って示された名目上のドーピング濃度の場合、Ｃ_maxか
らＣ_mi _nへの移行は４０乃至６０ボルトの間で達成され
る。曲線70によって示された第１の濃度の変化におい
て、Ｃ_maxからＣ_minへの移行は４５乃至７５ボルトの
間で生じた。曲線72によって示された第２の濃度の変化
において、Ｃ_maxからＣ_mi _nへの移行は３５乃至４５ボ
ルトの間で生じた。第１および第２の変化に対する計算
されたブレイクダウン電圧Ｖ_BRは、三角形74および76と
してそれぞれ示されている。多数の共振型コンバータの
アプリケーションに対して、転移電圧における変化は許
容可能である。

【００４１】図２において示されているように、Ｎ_d1お
よびＮ_d3のドーピング濃度が低いときに転移電圧の勾配
は最も急である。また、Ｎ_d1およびＮ_d3のドーピング濃
度を低くすることによって接合部におけるピーク電界も
低くなり、従って、ダイオードのブレイクダウン電圧Ｖ
_BRも増加することが図３のグラフ50から明らかになる。
一般的に、達成可能な最低のドーピングレベルは、ブレ
イクダウン電圧の定格を増加させ、Ｖ_TRにおいて転移の
勾配を急にするために領域30および34に対して使用され
ることが好ましい。

【００４２】図２において、Ｎ_d2の名目値がほぼ＋／−
１０％に保持される限りドーピング濃度の変化に合理的
に耐えるドーピングプロフィール22で実現される静電容
量特性が示されている。名目上のドーピング濃度１×１
０¹⁷ｃｍ^-3に対する１０％の正確度は、ＭＢＥおよびＭ
ＯＣＶＤ等のエピタキシャル処理の能力内で良好な結果
が得られる。静電容量特性にはエピタキシャル層の幅、
すなわちＷ₁、Ｗ₂、Ｗ₃を注意深く制御することが必
要とされるが、エピタキシャルの厚さの制御は、ＭＢＥ
およびＭＯＣＶＤの特徴である。それ故に、エピタキシ
ャル成長プロセスにおけるドーピングの変化に対するそ
れらの本質的な耐性のために、本発明の内容によるバラ
クタ構造は、体積の大きい製造環境に良く適している。

【００４３】図１のドーピングプロフィールに対する図
２に示されたドーピングの変化の許容性との比較におい
て、図６は、ドーピング濃度において変化させるための
従来の“高−低”バラクタダイオードのドーピングプロ
フィールの感度を示している。図５のグラフ80におい
て、この従来のドーピングプロフィール82は、接合部83
の両側における多量にドープされた陽極領域84および陰
極領域86を有している。陰極領域86は、多量にドープさ
れた基体領域88を含んでいる。接合部83と基体88との間
において、第１の陰極領域90は、９．５×１０¹⁵ｃｍ^-3
のドーピング濃度Ｎ_d4を有し、隣接した第２の陰極領域
92は、１．５×１０¹⁵ｃｍ^-3のドーピング濃度Ｎ_d5を有
している。第１の領域90は、２．２ミクロンの幅Ｗ₄を
有し、第２の領域92は、３．２ミクロンの幅Ｗ₅を有し
ている。

【００４４】ドーピングプロフィール82の静電容量特性
の計算機シミュレーションは、図６のグラフ100 の曲線
102 として示されている。このシミュレーションにおい
て、ドーピング濃度の第１の変化は、Ｎ_d4の１０％の増
加と、Ｎ_d5の５０％の増加の場合において検査された。
この変化に対する静電容量は、破線の曲線104 として示
されている。第２の変化は、Ｎ_d4の１０％の減少と、Ｎ
_d5の５０％の減少の場合において検査された。この第２
の変化に対する静電容量は、破線の曲線106 として示さ
れている。

【００４５】図５の従来のドーピングプロフィール82に
よって不完全に定められた２レベルの静電容量特性が発
生されることがわかる。さらに、曲線104 は、所望され
たＣ_max／Ｃ_minの転移電圧に到達する前のダイオード
のブレイクダウンのために時期尚早な終端部108 を有し
ている。従って、従来のドーピングプロフィールが本発
明のドーピングプロフィールの処理のような許容性を示
すことはない。

【００４６】例示的なバラクタダイオードは、図１のド
ーピングプロフィール22に従って製造された。このダイ
オードにおいて、２５ボルトの設計の目標が、転移電圧
Ｖ_TRに対して選択されている。エピタキシャル層は、Ｍ
ＯＣＶＤプロセスを使用してＩｎＰにおいて成長され
た。図１を参照すると、例示的なバラクタダイオード
は、Ｎ_d1およびＮ_d3に対する３×１０¹⁴ｃｍ^-3乃至５×
１０¹⁴ｃｍ^-3の範囲の意図しないドーピング濃度と、Ｎ
_d2に対する約８×１０¹⁶ｃｍ^-3の濃度とで作られる。Ｎ
_d1およびＮ_d3の濃度は、ＭＯＣＶＤ装置の意図しない濃
度レベルによって設定される。Ｎ_d2の濃度は、予め定め
られたＶ_TRの設計目標を達成するために選択される。接
合部は８００ミクロンの直径にメサエッチングされ、オ
ーム接触は陽極および陰極領域に低抵抗の接触を与える
ために付着される。

【００４７】測定された結果が図７のグラフ110 におい
て示されている。静電容量／逆バイアスの曲線112 は、
約２５ボルトの転移電圧114 を有している。静電容量
は、０に対してほぼ３３ピコファラッドの、Ｖ_r＝２０
ボルト＋／−３％の変化を有するＣ_max116 と、３０に
対してほぼ１０．５ピコファラッドの、Ｖ_r＝９０ボル
ト＋／−５％の変化を有するＣ_min118 とを有してい
る。同調比（Ｃ_max／Ｃ_mi _n）は、３３／１０．５、す
なわち約３である。

【００４８】静電容量がもっと大きい、もしくはもっと
小さいバラクタダイオードは、接合部の断面積を適切に
選択することによって作られることができる。その代り
に、大きい静電容量は、多数のバラクタダイオードを並
列に接続することによって得られる。

【００４９】半導体材料において、電子の移動度は、一
般的にホール移動度より大きい。図１のドーピングプロ
フィール22は、領域30,32,34を陰極26に位置付けするこ
とによってこの移動度の差を利用する。しかしながら、
本発明の内容は、領域30,32,34が陽極24に位置されてい
る別のバラクタの実施形態にも拡張することができる。
図１において、本発明のこの実施形態は、参照番号24と
26、および記号Ｎ⁺とＰ⁺を交換することによって説明
される。

【００５０】本発明の幾つかの説明的な実施形態が図示
および説明されてきたが、多数の変更および別の実施形
態が当業者によって行われる。そのような変更および別
の実施形態は、添付された請求の範囲において定められ
たように本発明の意図および技術的範囲から逸脱せずに
意図され行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるバラクタダイオードのドーピング
プロフィールの概略図。

【図２】図１のドーピングプロフィールを有するバラク
タダイオードの静電容量／バイアス電圧特性の計算機シ
ミュレーション図。

【図３】図１のドーピングプロフィールによって発生さ
れた電界の概略図。

【図４】図１のドーピングプロフィールに従って作られ
たバラクタダイオードの拡大断面図。

【図５】従来のバラクタダイオードのドーピングプロフ
ィールの概略図。

【図６】図５の従来のドーピングプロフィールを有する
バラクタダイオードの静電容量／バイアス電圧特性の計
算機シミュレーション図。

【図７】図１のドーピングプロフィールに従って作られ
た例示的なバラクタダイオードの測定された静電容量／
バイアス電圧特性のグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者チャン・エム・ニューエンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 91320、ニューベリー・パーク、ダブリュ・ヒルクレスト 2080 (72)発明者マイケル・ジー・ケースアメリカ合衆国、カリフォルニア州 91360、サウザンド・オークス、サンドベーグ・ストリート 211 (72)発明者ウイリアム・ダブリュ・フーパアメリカ合衆国、カリフォルニア州 91362、ウエストレイク・ビレッジ、ロイヤル・セント・ジョージ・ドライブ 1741 (72)発明者オーシー・エー・ナラヤナンアメリカ合衆国、カリフォルニア州 91360、サウザンド・オークス、カミノ・デ・セレスティ 408

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型半導体で形成された陽極と、ｎ型半導体で形成され、前記陽極との間の接合部におい
て前記陽極と接合されている陰極とを具備しているバラ
クタダイオードにおいて、前記陰極および前記陽極の一方は、第１、第２、および
第３の領域を有しており、ａ）前記接合部に隣接している前記第１の領域は、不純
物ドーピング濃度Ｎ_d1および幅Ｗ₁を有し、ｂ）前記第１の領域に隣接している前記第２の領域は、
不純物ドーピング濃度Ｎ_d2および幅Ｗ₂を有し、ｃ）前記第２の領域に隣接している前記第３の領域は、
不純物ドーピング濃度Ｎ_d3および幅Ｗ₃を有し、ｄ）不純物ドーピング濃度Ｎ_d2は、不純物ドーピング濃
度Ｎ_d1およびＮ_d3よりも大きく、ｅ）不純物ドーピング濃度Ｎ_d1およびＮ_d3は、それぞれ
１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下であることを特徴とするバラクタ
ダイオード。
【請求項２】前記ｐ型半導体および前記ｎ型半導体は
両者共にリン化インジウムである請求項１記載のバラク
タダイオード。
【請求項３】前記陰極は前記第１、第２、および第３
の領域を含んでいる請求項１記載のバラクタダイオー
ド。
【請求項４】さらに前記第３の領域に隣接している半
導体基体を含んでいる請求項１記載のバラクタダイオー
ド。
【請求項５】ｐ型半導体で形成された陽極と、ｎ型半導体で形成され、前記陽極との間の接合部におい
て前記陽極と接合されている陰極とを具備しているバラ
クタダイオードにおいて、前記陰極および前記陽極の一方は、第１、第２、および
第３の領域を有しており、ａ）前記接合部に隣接している前記第１の領域は、不純
物ドーピング濃度Ｎ_d1および幅Ｗ₁を有し、ｂ）前記第１の領域に隣接している前記第２の領域は、
不純物ドーピング濃度Ｎ_d2および幅Ｗ₂を有し、ｃ）前記第２の領域に隣接している前記第３の領域は、
不純物ドーピング濃度Ｎ_d3および幅Ｗ₃を有し、ｄ）不純物ドーピング濃度Ｎ_d2は、不純物ドーピング濃
度Ｎ_d1およびＮ_d3よりも大きく、ｅ）不純物ドーピング濃度Ｎ_d2は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以
下であることを特徴とするバラクタダイオード。