27 жовтня 2026 року відбулося чергове засідання наукового гуртка здобувачів вищої освіти “Актуальні проблеми електроніки та електроенергетики” кафедри гідротехнічного будівництва, водної та електричної інженерії факультету архітектури та будівництва. Відповідно до плану роботи, з доповіддю на тему «Оптимізація технології виготовлення варикапа з коефіцієнтом перекриття за ємністю К_С ≥ 20» виступив керівник наукового гуртка к.т.н., доцент Литвиненко В.М. 

У своїй доповіді доповідач висвітлив наступні питання:

1. Загальні відомості про варикапи.

2. Особливості технології виготовлення варикапів.

3. Проблеми технології виготовлення варикапів зі зворотним градієнтом концентрації домішки в базі.

4. Оптимізація технології виготовлення варикапів зі зворотним градієнтом концентрації домішки в базі.

          Варикапи широко використовуються в радіоелектроніці як змінна ємність, величина якої керується напругою. Основними параметрами варикапів є його добротність, номінальна ємність, зворотний струм та коефіцієнт перекриття за ємністю, який визначає частотний діапазон використання варикапу. Розробка варикапів зі зворотним градієнтом концентрації (ЗГК) домішки в базі дала можливість істотно збільшити коефіцієнт перекриття за ємністю. На рис 1 наведено концентраційний профіль  варикапа зі зворотним градієнтом концентрації домішки в базі (а) і варикапа з постійною концентрацією домішки в базі (б). 

Рис. 1. Концентраційні профілі варикапів

          Залежність бар'єрної ємності варикапа від його фізичних і

конструктивних параметрів та прикладеної напруги виражається формулою:

де  ε –  діелектрична проникність кремнію; ε₀ –   діелектрична проникність вакууму; е –  заряд електрона; f_к –  контактна різниця потенціалів; U_зв –  прикладена до варикапа зворотна напруга; N(х) – залежна від глибини залягання p-n переходу величина концентрації фосфору в базі варикапа (для варикапа без зворотного градієнта концентрації N = const); S – площа р-n переходу.

          При збільшенні зворотної напруги область просторового заряду збільшується, переміщуючись вправо (рис. 1, а), "сповзаючи” по зворотному градієнту концентрації вниз. При цьому щоразу при збільшенні зворотної напруги величина концентрації фосфору в базі зменшується (від  N^'_p  до  N^''_p; від  N^''_p  до  N^'''_p…). Таким чином, при збільшенні зворотної напруги у формулі (1) не тільки зростає знаменник, але і зменшується чисельник, що викликає значну зміну ємності варикапа при збільшені  зворотного зсуву. У той же час, як видно з рис. 1, б, при збільшенні зворотної  напруги концентрація фосфору в базі залишається незмінною і рівна  N_р(вих)., що обумовлює значно слабшу  залежність ємності від напруги у варикапі без зворотного градієнта концентрації домішки в базі.

          Коефіцієнт перекриття за ємністю К_с - відношення ємностей варикапа при двох заданих значеннях зворотної напруги:  С_max- максимальна ємність варикапа при заданій мінімальній зворотній напрузі зсуву (U_зв.min); С_min - мінімальна ємність варикапа при максимальній зворотній напрузі зсуву (U_зв.max) і розраховується за формулою:   

На рис. 2 наведена вольт-фарадна характеристика варикапа.

Рис. 2. Залежність ємності варикапа від зворотної напруги (вольт - фарадна характеристика варикапа)

Для варикапів без зворотного градієнта концентрації домішки в базі К_С знаходиться в межах 2,0…2,3, а для варикапів зі зворотним градієнтом концентрації домішки в базі К_С, зазвичай, в межах від 6 до 9, а для деяких типів може досягати 20. Величина коефіцієнта перекриття за ємністю визначає частотний діапазон використання варикапа для перебудови частоти вузлів електронних пристроїв (чим більший К_С має варикап, тим більший частотний діапазон він охоплює при своїй роботі).  

З іншого боку, виникла проблема низького виходу придатних варикапів зі ЗГК домішки в базі за рахунок розкиду значень номінальної ємності приладових структур за площею пластини. Як показав аналіз технологічного процесу виготовлення варикапа, основною причиною розкиду значень ємності варикапа є нерівномірність фронту розподілу ЗГК домішки в базі по  площі пластини. Однією з причин є те, що іони фосфору при іонному легуванні потрапляють на пластину з різними швидкостями, які визначають глибину їх проникнення в об'єм кремнієвої пластини. Інша причина пов'язана з тим, що практично всі атоми фосфору після процесу іонного легування знаходяться в міжвузлях і тому електрично не активні, що є однією з причин нерівномірної дифузії атомів фосфору в процесі їхньої подальшої розгонки. У зв'язку з цим була розроблена оптимізована технологія отримання ЗГК домішки в базі. Для підвищення рівномірності  значень номінальної ємності варикапів по площі пластини було проведено наступний експеримент.Додатково перед операцією іонного легування проводилося хімічне окислення пластин у концентрованій азотній кислоті за температури 98^оС протягом 95 хв, при цьому товщина окисної плівки в робочому вікні дорівнювала 85 ангстрем. Далі з метою створення ЗГК проводилося іонне легування варикапних структур фосфором з дозою легування 35 мкКл/см² і напрузі, що прискорює 50кВ. Перед операцією "Розгонка фосфору" (Т_р = 950^оС) додатково проводився відпал пластин за температури 560^оС на протязі 30хв. Далі проводились технологічні операції по формуваню р-n переходу і омічних контактів за технологією, наведеною вище.

          Проаналізуємо механізми впливу легування через шар окислу, вирощеного за рахунок хімічного окислення пластин в парах азотної кислоти, а також вплив додаткового низькотемпературного відпалу на параметри варикапа. Реалізацію поставленої мети можна представити наступним чином. Перед проведенням операції „Іонне легування” пластини окислюють хімічним способом (в розчині азотної кислоти) для одержання в робочих вікнах плівки SiО₂, а перед розгонкою фосфору додатково проводиться низькотемпературний відпал пластин. Вирощений у робочому вікні оксид гасить і вирівнює кінетичну енергію іонів фосфору, які вилітають з великою швидкістю з джерела іонів, зменшуючи тим самим щільність радіаційних дефектів, які генеруються в кремнії в процесі іонного легування, що підвищує рівномірність дифузії атомів фосфору за площиною пластин в процесі проведення технологічної операції «Розгонка фосфору». Низькотемпературний відпал пластин, який проводиться перед проведенням технологічної операцій «Розгонка фосфору», активізує атоми фосфору, які знаходяться після процесу іонного легування в міжвузлях, що також сприяє підвищенню рівномірності дифузії атомів фосфору за площиною пластин в процесі розгонки.

Таким чином, проведення іонного легування варикапних структур фосфором через тонку плівку SiО₂, отриману хімічним окисленням, та їх додатковий низькотемпературний відпал перед розгонкою фосфору в процесі формування зворотного градієнта концентрації фосфору в базі варикапу сприяють підвищенню рівномірності значень ємності варикапів за площиною пластини і, як слідство, дають можливість підвищити вихід придатних варикапних структур на контролі їх номінальної ємності.  

Конструктивні та схемотехнічні особливості варикапів

Зовнішній вигляд варикапів

Типова структура варикапа зі ЗГК домішки в базі

Конструкція варикапа Д901В

У засіданні наукового гуртка та обговорені запропонованих питань прийняли активну участь здобувачі 1-4 курсів і магістри першого та другого року навчання, які навчаються за спеціальностями 141 електроенергетика, електротехніка та електромеханіка та G3 Електрична інженерія.

Автор:  Литвиненко В.М. (27.10.26року)