AT219097B

AT219097B - Tunnel-Diode und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Publication number: AT219097B
Application number: AT744960A
Authority: AT
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1959-12-07
Filing date: 1960-10-03
Publication date: 1962-01-10

Description

Tunnel-Diode und Verfahren zu ihrer Herstellung
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p-n-Übergänge in der Flussrichtung einen Bereich negativen Widerstandes aufweisen. Wenn sowohl das n- als auch das p-Gebiet so hoch dotiert sind, dass Entartung vorliegt, und wenn der Wechsel der Dotierung im Übergangsgebiet nahezu abrupt erfolgt, so dass die Feldstärke dort Werte von einigen 10 V/cm er- reicht, können bei kleinen Flussspannungen Elektronen aus den untersten Niveaus des Leitungsbandes im n-Gebiet unmittelbar in die obersten Niveaus des Valenzbandes im p-Gebiet durchdringen (sogenannter "Tunneleffekt").

Dieser Strom wächst zunächst mit der Spannung an-d. h. mit wachsender Differenz der
Fermi-Niveaus in den beiden Gebieten - nimmt dann aber wieder ab, da das Energleintervall, in dem ein Tunneleffekt in Flussrichtung möglich ist, mit zunehmender Flussspannung kleiner wird. Der von dem
Tunneleffekt herruhrende Stromanteil geht gegen Null, sobald die Spannung so gross ist, dass der untere Rand des Leitungsbandes im n-Gebiet höher liegt als der obere Rand des Valenzbandes im p-Gebiet. Die- sem Stromanteil überlagert sich der gewöhnliche Flussstrom, der mit der Spannung exponentiell ansteigt.

Die diesen Effekt ausnutzenden Tunneldioden stellen ein sehr einfaches Bauelement für die Erzeugung von Schwingungen und für die Verstärkung im Bereich hoher Frequenzen dar.

Die Frequenzgrenze der Tunneldioden wird im wesentlichen durch das Produkt RC des negativen Widerstandes R und der Kapazität C der Diode bestimmt. Da C proportional und R umgekehrt proportional der Fläche des p-n-Überganges ist, ist RC unabhängig von der Fläche. Die Kapazität hängt zwar von der Breite des p-n-Überganges und damit von der Dotierung ab, jedoch bei weitem nicht so stark wie der negative Widerstand R. In erster Näherung ist R umgekehrt proportional der Übertrittswahrscheinlichkeit eines Elektrons durch die"verbotene Zone"hindurch. Die Wahrscheinlichkeit steigt, je kleiner die scheinbare Masse der Ladungsträger im Leitungs- bzw. im Valenzband und die Breite der verbotenen Zone sind, und je höher die Majoritäts-Trägerkonzentration im n-bzw. p-Gebiet ist.

Man würde daher einen kleinen negativen Widerstand und damit eine hohe Frequenzgrenze erwarten, wenn man für die Tunneldiode einen Halbleiter mit kleiner scheinbarer Masse und kleiner Breite der verbotenen Zone verwendet und ihn im n-und p-Gebiet möglichst hoch dotiert. Deshalb wurden bisher für diese Dioden als Halbleitermaterialien solche vorgeschlagen, die die genannten Bedingungen erfüllen, nämlich Ge, InSb, und GaSb.

Neuerdings ist vorgeschlagen worden, als Halbleiterkörper für Tunneldioden Galliumarsenid (GaAs) zu verwenden. Solche Dioden haben einen kleinen negativen Widerstand und damit eine sehr hohe Frequenzgrenze und sind ausserdem, zum Unterschied von den bisher bekannten Tunneldioden, in einem breiten Temperaturbereich von der Temperatur praktisch unabhängig. Diese Eigenschaften können mit keiner andern Halbleiterzusammensetzung in annähernd gleichem Mass erreicht werden.

Der Verwendung von GaAs steht scheinbar das Bedenken entgegen, dass es eine sehr breite verbotene Zone hat, während man nach dem oben Gesagten eine kleine Breite dieser Zone anstreben müsste. Gegen die Verwendung von GaAs scheint ferner zu sprechen, dass bei ihm technologische Schwierigkeiten in der Herstellung hochdotierten Materials zu erwarten waren. Die effektive Masse der Ladungsträger bei GaAs ist verhältnismässig sehr klein, z. B. verglichen mit den effektiven Massen der Ladungsträger bei Ge oder Si ; sie ist jedoch z. B. grösser als die effektive Masse der Ladungsträger bei InSb, das jedoch als Halbleitermaterial für Tunneldioden weniger geeignet ist.

Das GaAs hat zwar eine breite verbotene Zone, was an sich für den negativen Widerstand ungünstig wäre. Es wurde aber erkannt, dass diese Eigenschaft einerseits durch die sehr kleine effektive Masse des GaAs kompensiert wird-GaAs hat von allen in Betracht kommenden Halbleitern die kleinste effektive Masse - anderseits auch den grossen Vorteil bietet, dass der Tunneleffekt in einem grösseren Bereich als bei den andem betrachteten Halbleitern praktisch temperaturunabhängig wird. Soll nämlich die Diode bei relativ hohen Temperaturen betriebssicher arbeiten, so muss die Breite der verbotenen Zone gross sein, und diese ist bei GaAs tatsächlich breiter als bei den andern genannten Materialien.

Da sich dem Tun-
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Stromund k eine Konstante bedeutet, wird unter sonst gleichen Bedingungen der Bereich negativen Widerstandes in der Kennlinie noch bei um so höheren Temperaturen vorhanden sein, je grösser die Breite der verbotenen Zone ist.

Unter diesen Gesichtspunkten sind also Tunnel-Dioden aus GaAs sehr vorteilhaft. GaAs hat eine grosse Breite der verbotenen Zone (AE = 1, 4 eV bei Zimmertemperatur), und die scheinbare Masse der Lei-
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zeitig den Störstellengradienten im Übergangsgebiet so abrupt als möglich zu gestalten. Bei der GaAsTunneldiode gemäss der Erfindung ist dieses Problem dadurch gelöst, dass-zur Bildung der n-Schicht-
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zustellen. Hiebei kann mit grossem Vorteil das Legierungsverfahren angewendet werden, das Gegenstand des britischen Patentes Nr. 757, 672 ist.

Die erfindungsgemässe Lösung ist überraschend, da bisher angenommen wurde, dass Sn in GaAs nicht dotierend oder höchstens schwach als Donator wirkt, d. h. dass Akzeptor- und Donatorwirkung sich annähernd kompensieren. Versuche zeigten jedoch, dass es möglich ist, mit Sn die hohe p-Konzentration im GaAs überzukompensieren und eine ausreichend hohe n-Leitung in dem rekristallisierten Bereich unter der Elektrode zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil des Sn ist seine neu erkannte ausserordentlich geringe Diffusionsgeschwindigkeit in GaAs. Das hat zur Folge, dass der p-n-Übergang während der kurzen Zeit des Legierens nicht durch Diffusion verbreitert wird. Bei grosser Diffusionskonstante der Störstellen genügt oft schon die kurze Zeit des Legieren, den p-n-Übergang so zu verbreitern, dass der negative Widerstand der Diode stark vergrössert wird.

Das Auflegieren des Sn erfolgt vorteilhaft bei einer Temperatur von 450 bis 600 C. Die Legierungsdauer soll möglichst kurz sein. Eine Zeit von 1/2 bis 1 min hat sich sehr bewährt. Das Aufheizen auf die Legierungstemperatur und das anschliessende Abkühlen sollen möglichst rasch erfolgen. Der Legierungsvorgang wird, wie üblich, unter einer Schutzgasatmosphäre - z. B. einem Edelgas oder Wasserstoffdurchgeführt. Die Oberflächen des GaAs werden vor dem Legieren in bekannter Weise behandelt (geschliffen, geätzt usw.).

Die Gegenelektrode muss vollkommen sperrfrei sein und muss einen möglichst niedrigen Übergangswiderstand aufweisen. Es lässt sich hier mit Vorteil eine Sn-Elektrode verwenden, der Zn etwa im Betrag von 0, 1 bis 21o beigemischt ist. Ebenso kann man eine'Sn-Cd-Elektrode (mit einigen Prozent Cd) verwenden oder In mit Zn- oder Cd-Zusatz oder reines In. Es ist zweckmässig, die beiden Elektroden (die den p-n-Übergang bildende Elektrode und die sperrfreie Gegenelektrode) gleichzeitig aufzulegieren.

Es wurde ferner erkannt, dass man als Gegenelektrode auch reines Sn verwenden kann, wenn man dieses während des Legierungsvorganges als Zwischenschicht zwischen dem GaAs und einer Kupfer-oder Messingunterlage benutzt. Das GaAs wird in diesem Prozess mit der Kupfer- oder Messingunterlage verbunden. Vermutlich löst das geschmolzene Sn etwas Cu und/oder Zn aus der Unterlage, das nun die n-dotierende Wirkung des Sn ganz oder teilweise kompensiert. Das eben geschilderte Verfahren gestattet eine einfache Herstellung der Dioden, wie folgendes Beispiel zeigt :
Auf eineKupfer-oderMessingunterlage wird eine Sn-Folie, z.

B. mit einer Dicke von 100 jn, darauf der inKönigswasser geätzte GaAs-Körper mit einer Dicke von zirka 500 fi und darauf wieder eine Sn-Folie mit einer Dicke von etwa 100 Jl oder ein Sn-Kügelchen mit einem Durchmesser von einigen 100 u gelegt. Zur Durchführung des Legierungsprozesses wird diese Schichtenfolge in einem Inertgas-Ofen während

etwa 30 Sekunden einer Temperatur von 6000C ausgesetzt. Hiebei entsteht einerseits die n-Schicht mit abrupten. Übergang zur ursprünglichen p-Schicht und ein nichtsperrender Übergang zur Gegenelektrode.

Als weiteres Verfahren zur Herstellung einer sperrfreienGegenelektrodehatsich das elektrolytische
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ter Weise z. B. eine Kupferschicht niedergeschlagen. An deren Stelle kann jedoch auch ein Niederschlag aus Gold, Silber oder einem andern Edelmetall, ebenso auch aus Indium oder Zinn verwendet werden.

Die Tunneldiode kann anschliessend auf eine Metallunterlage aufgelötet werden.

In einer Abwandlung des Verfahrens werden dem Sn, das den n-Bereich erzeugt, einige Promille bis Prozent Ge und/oder Si beigegeben. Dies ist z. B. dadurch mi 61ich, dass man Sn mit der gewünschten Menge Ge oder Si schmilzt und dann rasch erstarren lässt. Die Zugabe von Ge oder Si ermöglicht eine Erhöhung der Donatorkonzentration im rekristallisierten n-Gebiet und damit eine weitere Erniedrigung des negativen Widerstandes. Das Verfahren verläuft im übrigen genau so wie oben beschrieben.

In einer weiteren Abänderung des Verfahrens können dem Sn auch einige Promille bis einige Prozente eines der. Elemente der VI. Gruppe des periodischen Systems, z. B. S, Se oder Te, zugegeben werden, ebenfalls zur Erhöhung der Dotierung. Auch hier bleibt das Verfahren sonst unverändert.
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tisch den Aufbau eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Tunneldiode, Fig. 2 ein Kennliniendiagramm dreier Tunneldioden gemäss der Erfindung, Fig. 3 ein Diagramm über die Temperaturabhängigkeit der Kennlinie einer Tunneldiode gemäss der Erfindung.

In Fig. 1 ist der p-leitende GaAs-Grundkörper, der z. B. in Scheibenform ausgeführt sein kann, mit 11, die aufgeschmolzene Sn-Elektrode mit 12, das durch den Aufschmelzprozess (Legierungsprozess) erzeugte n-Gebiet mit 13, die Gegenelektrode aus Sn mit 14 und der Träger, der aus Kupfer oder Messing besteht, mit 15 bezeichnet. Die Stromzuführungen sind jeweils mit der Polung bei 16 angegeben. Der
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Im Diagramm der Fig. 2 ist auf der Abszisse die Spannung in Millivolt und auf der Ordinaten der Strom in Milliampère aufgetragen. Es sind die Kennlinien für drei erfindungsgemässe GaAs-Tunneldioden
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messer des Zinnkügelchens von 0, 2 mm. Beide Elektroden wurden in der oben bezeichneten Weise in einem Arbeitsgang bei 6000C während 30 Sekunden auflegiert. Das Diagramm zeigt, dass die typische Tunneldioden-Charakteristik mit dem Bereich negativen Widerstandes um so ausgeprägter ist, je höher der Grundkörper dotiert ist.

Im Diagramm der Fig. 3 ist auf der Abszisse die Spannung in Millivolt und auf der Ordinaten der Strom in Milliampère aufgetragen. Das Diagramm zeigt die Temperaturabhängigkeit der Kennlinie der erfindungsgemässen Tunneldiode (entsprechende Kennlinie 1 in Fig. 2) für drei Temperaturen, die in Kelvin-Graden jeweils bei den Kennlinien angegeben sind. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass sich der negative Widerstand in dem weiten Bereich zwischen der Temperatur der flüssigen Luft und etwa 2000C nur unwesentlich ändert. Dies ist ein grosser Vorteil der erfindungsgemässen Tunneldiode gegen- über andern Tunneldioden, z. B. mit Germanium-Grundkörper.

PATENTANSPRÜCHE :
1. GaAs-Tunneldiode, dadurch gekennzeichnet, dass-zur Bildung der n-Schicht-auf p-leitendes GaAs-Grundmaterial (11) eine Sn-Elektrode (12) aufgeschmolzen ist.

Claims

2. Tunneldiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeschmolzene Sn einige Promille bis einige Prozent Ge und bzw. oder Si enthält.

3. Tunneldiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeschmolzene Sn einige Promille bis einige Prozent eines Elementes der VI. Gruppe des periodischen Systems enthält.

4. Tunneldiode nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial mit Zn dotiert ist. EMI3.5 EMI3.6 <Desc/Clms Page number 4> 6. Tunneldiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (14) aus Sn mit 0, 1-2% Zn besteht.

7.Tunneldiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (14) aus Sn mit einigen Prozent Kadmium besteht.

8. Tunneldiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (14) aus Indium besteht.

9. Tunneldiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (14) aus Indium mit einigen Prozent Zn und bzw. oder Cd besteht.

10. Tunneldiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (14) aus einer Zinnschicht in Kontakt mit einer Kupfer- oder Messingunterlage (15) besteht.

11. Tunneldiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (14) aus einer elektrolytisch niedergeschlagenen Metallschicht besteht.

12. Verfahren zum Herstellen einer GaAs-Tunneldiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sn-Elektrode auf das p-leitende GaAs bei einer Temperatur von 450 bis 600 auflegiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflegieren der Sn-Elektrode innerhalb von 1/2 bis 1 min durchgeführt wird.' 14. Verfahren zur Herstellung einer GaAs-Tunneldiode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Kupfer-oder Messingunterlage eine Zinnfolie gelegt, darauf eine GaAs-Schicht und auf diese wieder -eine Zinnfolie oder ein Zinnkügelchen aufgebracht und dann der Legierungsvorgang durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zum Herstellen der GaAs-Tunneldiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass : das aufzubringende Zinn mit einigen Promille oder Prozent Ge und bzw. oder Si geschmolzen und rasch zur Erstarrung gebracht wird.