DE1185292B - Doppelhalbleiterbauelement mit einem Esaki-UEbergang und einem parallel geschalteten weiteren UEbergang - Google Patents

Doppelhalbleiterbauelement mit einem Esaki-UEbergang und einem parallel geschalteten weiteren UEbergang

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DE1185292B
DE1185292B DEJ21602A DEJ0021602A DE1185292B DE 1185292 B DE1185292 B DE 1185292B DE J21602 A DEJ21602 A DE J21602A DE J0021602 A DEJ0021602 A DE J0021602A DE 1185292 B DE1185292 B DE 1185292B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. KL: HOIl
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Deutsche KL: 21g-11/02
1185 292
J 21602 VIII c/21:
12. April 1962
14. Januar 1965
Die Erfindung betrifft ein Doppelhalbleiterbauelement mit einem Esaki-Übergang und einem parallel geschalteten weiteren Übergang.
Ein solches Doppelhalbleiterbauelement bekannter Art besteht in typischer Weise aus einem n-leitenden Halbleiterkörper mit einem ersten gleichrichtenden Kontakt mit einer p-leitenden Legierungszone und einem zweiten gleichrichtenden Kontakt mit einer η-leitenden Legierungszone höherer Störstellenkonzentration als die des η-leitenden Halbleiterkörpers selbst, welche mit einem ohmschen Kontakt auf der anderen Seite des Halbleiterkörpers zusammenwirken. An Stelle des zweiten gleichrichtenden Kontaktes kann auch je nach Anwendung ein ohmscher Kontakt aufgesetzt werden. Nachteilig bei einem solchen Halbleiterbauelement ist es, daß für den die Tunnelwirkung ausnutzenden Bereich und für den als normale Diode bzw. Widerstand wirkenden Bereich ein und dasselbe Halbleitermaterial verwendet werden muß, das dann in den Zonen der gleichrichtenden Kontakte unterschiedlich dotiert ist. Neben dem Aufwand bei der Herstellung muß darüber hinaus bei der Auswahl des Halbleitermaterials insofern ein Kompromiß geschlossen werden, als nicht für jeden Zweck das an sich erwünschte am besten geeignete Halbleitermaterial genommen werden kann. Außerdem kann bei der Verwendung als Doppelschaltelement die Erfordernis auftreten, daß beide Dioden parallel geschaltet sind. In diesem Falle müssen bei der bekannten Anordnung die Diodenanschlüsse der gleichrichtenden Kontakte außen miteinander verbunden werden, so daß sich hierdurch ein weiterer Nachteil bei der Anwendung ergibt.
Mehrere verschiedene Halbleitermaterialien zu einem einzigen monokristallinen Halbleiterkörper zu verbinden und in innigen Kontakt zueinander zu bringen, stößt aber bekanntlich auf große Schwierigkeiten.
In einem an anderer Stelle vorgeschlagenen Verfahren wird nun aber gezeigt, wie die Schwierigkeiten beim Verbinden verschiedener Halbleitermaterialien zu einem monokristallinen Halbleiterkörper überwunden werden können.
Dies Verfahren kann zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe, nämlich ein Doppelhalbleiterbauelement zu schaffen, das die Nachteile der bisher bekannten Doppelhalbleiterbauelemente nicht aufweist, verwendet werden.
Demnach ist das Doppelhalbleiterbauelement erfindungsgemäß so aufgebaut, daß auf zwei Zonen, die entweder eine Übergangsfläche miteinander bilden Doppelhalbleiterbauelement mit einem
Esaki-Übergang und einem parallel
geschalteten weiteren Übergang
Anmelder:
International Business Machines Corporation,
Armonk, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49
Als Erfinder benannt:
John C. Marinace, Yorktown Heights, N. Y.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. April 1961 (104421)
oder sich über eine isolierende Intrinsic-Zone berühren und die aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen, eine weitere Zone eines Leitfähigkeitstyps senkrecht zu den Übergangsflächen angebracht ist, so daß sie mit der einen der zwei Zonen einen Esaki-Ubergang und mit der anderen der zwei Zonen einen nicht gleichrichtenden oder einen weiteren Esaki-Übergang bilden.
Das an anderer Stelle vorgeschlagene und nicht zur vorliegenden Erfindung gehörende Verfahren besteht in einer epitaxialen Züchtung aus der Dampfphase. Dabei handelt es sich um eine HaIogenid-Disproportionierungsreaktion, in der man ein erstes aufzubringendes Halbleitermaterial eine Reaktion mit Halogen eingehen und dann das dabei entstehende Reaktionsprodukt sich wieder zersetzen läßt, so daß sich das frei gewordene erste Halbleitermaterial auf einer Unterlage aus einem zweiten andern Halbleitermaterial niederschlägt. Wenn dabei die kristalline Orientierung des Niederschlags von
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3 4
der kristallinen Orientierung der Unterlage abhängig hinein oder durch Züchtung eines weiteren Halbist, ist jedes der beiden Materialien epitaktisch zum leiterbereichs auf den drei ursprünglich formierten anderen ausgerichtet. Bereichen. Die gestrichelten Linien in der F i g. 1 Zum Herstellen eines Doppelhalbleiterbauele- sollen andeuten, daß bei der Legierung oder Diffuments gemäß der Erfindung wird zunächst ein 5 sion der endgültige Halbleiterkörper die gleiche Ausepitaktischer Halbleiterkörper mit Zonen aus ver- dehnung wie der ursprüngliche Körper hat. Im Falle, schiedenen Halbleitermaterialien nach dem oben daß ein Halbleitermaterial auf dem ursprünglichen beschriebenen Verfahren gebildet und ein einziger Körper gezüchtet wird und dadurch die Verbindun-Elektrodenanschluß je auf einer Seite an die ein- gen A und B entstehen, werden die Halbleiterschichzelnen Zonen des Halbleiterkörpers angebracht, so io ten 2 und 3 sozusagen dem ursprünglichen Körper daß eine Parallelschaltung beider Übergänge _ im zugefügt. Ob die Verbindungen eine gleichrichtende Halbleiterbauelement selbst erzielt wird. Für jede Wirkung haben oder nicht, hängt natürlich von den Zone, nämlich die mit Esaki-Übergang und die mit dabei verwendeten Materialien ab. Außerdem bedem weiteren Übergang, kann je für sich das am stimmen die Eigenschaften der innerhalb des Halbbesten für den beabsichtigten Anwendungszweck 15 leiterkörpers formierten Verbindungen seine Kenngeeignete Halbleitermaterial verwendet werden und linie. Innerhalb der Grenzen der Bereiche I, II und der Aufwand bei der Herstellung relativ gering ge- III können zusätzlich Hetero-Verbindungen oder halten werden. Darüber hinaus ergibt sich bei An- Homo-Verbindungen formiert werden,
wendung des erfindungsgemäßen Doppelhalbleiter- Der Halbleiterkörper nach der F i g. 2 enthält bauelements für höhere Schaltgeschwindigkeiten und 20 eine relativ dünne aktive Schicht mit einem festen, im Gebiet höherer Frequenzen insofern noch eine massiven Träger. Wenn das Halbleiterbauelement Verbesserung, als keine störenden äußeren Verbin- als Esaki-Diode ausgebildet sein soll, dann ist es dungsleitungen der verschiedenen Zonen erforder- wichtig, bei der Herstellung eine sehr kleinflächige lieh sind. Verbindungsstelle zu formieren.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin- 25 Zur Bildung des Halbleiterkörpers 1 wird Germadung besteht die eine der beiden Zonen aus Gallium- nium, das über die Entartung dotiert ist, z. B. mit arsenid hohen spezifischen Widerstandes und die Arsen oder Phosphor, aus der Dampfphase auf einer daran angrenzende andere Zone aus η-leitendem Unterlage 3 aus Galliumarsenid nach einem bekann-Germanium. Die senkrecht zu den Übergangsflächen ten Verfahren gezüchtet. Die Unterlage aus Galanlegierte weitere Zone ist eine Zinn-Gallium-Le- 30 liumarsenid hat bei Zimmertemperatur einen spezigierung, wobei die Legierungszone des η-leitenden fischen Widerstand von etwa 5 Megohm · cm. Die Germaniums eine p-Leitfähigkeit und die Legie- Möglichkeit, verschiedene Materialien auswählen zu rungszone des Galliumarsenids eine η-Leitfähigkeit können, gestattet bestimmte Vorteile für die Heraufweist. Bei einer anderen vorteilhaften, gegenüber stellung eines zusammengesetzten Halbleiterkörpers, vorher aber abgewandelten Ausführungsform sind 35 Einer besteht z. B. darin, daß man ohne weiteres drei aufeinanderfolgende Zonen, nämlich n- oder Germaniumdioden-Eigenschaften erzielen kann, die p-leitendes Germanium, Galliumarsenid hohen einen Betrieb bei sehr niedrigen Spannungen ermög-Widerstandes und p-leitendes Galliumarsenid durch liehen, obwohl der Träger der Germaniumdiode eine Zone η-leitenden Germaniums überbrückt, so einen extrem hohen spezifischen Widerstand wegen daß sich beim Anschluß einer allen drei aufeinander- 40 der Eigenart des kristallographisch verträglichen folgenden Zonen gemeinsamen ohmschen Elektrode Gallium-Arsenidmaterials aufweist. Bei Verwendung und einer weiteren Elektrode an die überbrückende, von Germanium als Trägermaterial würde der maxin-leitende Germaniumzone eine Tunneldiode mit male spezifische Widerstand nur 50 Ohm · cm parallel geschaltetem hohem Widerstand ergibt, die betragen.
beim Anlegen entsprechender Spannungen an die 45 Auf den aus dem Germaniumbereich 2 und dem Elektroden als Oszillator wirkt. Galliumarsenidbereich 3 gebildeten Halbleiterkörper Die Erfindung wird nachstehend mit Hilfe der wird an der Verbindungsstelle auf der glatt ge-Zeichnungen an Hand von Ausführungsbeispielen schliffenen Oberfläche ein Lötkügelchen 4 aufgenäher erläutert. Es zeigt bracht, dessen Zusammesetzung z. B. SnGa ist. Ein F i g. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Halbleiter- 50 großflächiger ohmscher Kontakt 5 wird auf der entkörpers nach der Erfindung, gegengesetzten Oberfläche des Halbleiterkörpers an-Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel, gebracht. Durch sorgfältige Auswahl der Verunrei-Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem nigungen, z.B. Zinn und Gallium, für die Kontakeine Esaki-Diode und ein Nebenschlußwiderstand in tierung der oberen Fläche bildet sich nach der Leenem Halbleiterkörper vereinigt sind, und 55 gierung infolge Erhitzung des Lötkügelchens bei Ab-F i g. 3 a ein entsprechendes Ersatzschaltbild; kühlung des Halbleiterkörpers durch den hohen Ver-F i g. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, das unreinigungsgrad eine stark dotierte P-Zone 6 im aus zwei parallel geschalteten Esaki-Dioden besteht. η-leitenden Germaniumbereich 2. Während des Lein der Fig. 1 ist allgemein ein zusammengesetzter gierungsprozesses wird die Temperatur hoch genug Halbleiterkörper dargestellt, bei dem beispielsweise 60 gehalten, damit das Zinn-Gallium eine entsprechende drei verschiedene Halbleitermaterialien die drei ge- Germaniummenge auflösen kann, aber nicht so trennten Bereiche I, II und III des Körpers 1 bilden. hoch, daß eine ins Gewicht fallende Menge GaI-Über dem gesamten oberen Teil dieses Körpers 1 liumarsenid aufgelöst wird. Die P-Zone 6 entsteht erstreckt sich die Verbindungsschicht A und über also durch die Dotierung mit Gallium in dem redem gesamten unteren Teil die Verbindungs- 65 kristallisierten Germaniumbereich 2 als Ergebnis schicht B. Diese Verbindungen ergeben sich durch des Legierungsvorgangs. Das in der Lötmasse ver-Anlegieren der drei Halbleiterbereiche, durch Diffu- wendete Zinn ist natürlich in Germanium neutral, sion einer Verunreinigung in alle drei Bereiche Die mit dem Galliumarsenidbereich 3 verbundene
Zone 7 ist durch die Dotierung mit Zinn n-leitend. Es entsteht also ein Halbleiterkörper mit einem Bereich hohen spezifischen Widerstands, der durch eine dünne Germanium-Esaki-Diode überbrückt ist. Der Germaniumbereich des Halbleiterkörpers wird geätzt, um den Teil 8 zu entfernen, so daß sich die in der F i g. 2 gezeigte endgültige Struktur ergibt, die infolge des Ätzvorganges an der Verbindungsstelle 9 einen sehr kleinen Querschnitt aufweist. Außerdem wird durch das Ätzen die Kapazität des Halbleiter- to bauelements auf einen niedrigen Wert reduziert. Elektrische Leiter 10 und 11 werden für Schaltungsanschlußzwecke an die Bereiche 4 und 11 angebracht.
Zur Herstellung eines Halbleiterkörpers nach der F i g. 3 wird ein Verfahren verwendet, das in mancher Hinsicht dem in Verbindung mit der F i g. 2 beschriebenen gleicht. Hier besteht jedoch die Aufgabe, einen kompakten Esaki-Dioden-Oszillator herzustellen.
Der Halbleiterkörper 1 besteht aus einem entartet dotierten Galliumarsenid-Bereich 1 vom P-Typ und einem stark dotierten Germaniumbereich 3 vom N-Typ. Zwischen diesen Bereichen ist ein Bereich 4 aus Galliumarsenid mit hohem spezifischem Widerstand formiert. Über den drei Bereichen wird eine Schicht 5 aus entartet dotiertem Germanium vom N-Typ nach dem Dampfzüchtungsverfahren aufgebracht. Ein gleichrichtender Übergang 6 besteht an der Fläche zwischen den entartet dotierten Bereichen 2 und 5, während eine ohmsche Verbindung 7 an der Fläche zwischen den Bereichen 3 und 5 besteht. Der Halbleiterkörper nach der F i g. 3 bildet auf seiner rechten Seite eine Hetero-Verbindungs-Esaki-Diode, bestehend aus dem Germaniumbereich 5 und dem Galliumarsenidbereich 2, und, in Parallelschaltung zu dieser Diode, aus einem die Bereiche 3 und 5 erfassenden Widerstand. Der Zwischenbereich 4 dient zur Isolierung der Bereiche 2 und 3 voneinander. Ein großflächiger ohmscher Kontakt 8 wird auf der dem Germaniumbereich 5 entgegengesetzt liegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht. Der Galliumarsenidbereich kann wie oben beschrieben so geätzt werden, daß eine sehr kleinflächige Verbindungsstelle zwischen den Bereichen 2 und 5 entsteht. An die Bereiche 5 bzw. 8 werden elektrische Leiter 9 und 10 für Schaltungsanschlußzwecke angeschlossen.
Obwohl die Bereiche 2, 3 und 4 mit einem aus der Dampfphase gezüchteten Bereich 5 überlagert wurde, versteht es sich, daß auch ein Legierungsverfahren, wie z. B. das bei Formierung der Anordnung der F i g. 2 verwendete zur Herstellung der zusammengesetzten Struktur der F i g. 3 benutzt werden kann.
Es kann also ein Lötkügelchen, das geeignete Verunreinigungen enthält, so angebracht werden, daß es über den Bereichen 2, 3 und 4 liegt, wonach dann der Kontakt hergestellt wird, wie es oben erklärt worden ist.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie der auf der rechten Seite des Halbleiterkörpers nach der F i g. 3 formierten Hetero-Schicht-Esaki-Diode weist den bekannten Teil mit negativem Widerstand in der Durchlaßrichtung auf. Die Ersatzschaltung für die Anordnung von F i g. 3 ist in der F i g. 3 A dargestellt, wo der Esaki-Diodenteil durch einen negativen Widerstand Rt: in Parallelschaltung mit einer Kapazität CE dargestellt ist. Der Vorspannungswiderstand R stellt den Germaniumwiderstandsteil der Anordnung dar, wie er oben beschrieben worden ist, und die Induktivität L ist die Schleifeninduktivität, die in erster Linie aus der Induktivität des aufgebrachten Bereichs 5 besteht. In der Schaltung von F i g. 3 A ist die Vorbedingung für das Schwingen, daß R<RE ist.
Die F i g. 4 stellt eine Anordnung dar, die der von F i g. 3 sehr ähnlich ist. Hier sind jedoch in einem kompakten Halbleiterkörper zwei parallel geschaltete Esaki-Dioden enthalten. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß eine Diode die mit der vorgesehenen Strom-Spannungs-Kennlinie für eine andere Diode, die als aktives Element anzusehen ist, als Belastung wirkt. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich eine vorteilhafte Belastungslinie für den Betrieb des aktiven Elements als Esaki-Dioden-Oszillator im C-Betrieb bei niedrigen Energieniveaus.
Die Formierung der Anordnung von F i g. 4 erreicht man nach dem in Verbindung mit der F i g. 3 beschriebenen Verfahren. Jedoch wird jetzt der Bereich 3 des Halbleiterkörpers aus entartet dotiertem Germanium vom P-Typ gebildet, so daß bei Aufbringung des entartet dotierten N-Germaniums des Bereichs 5 ein gleichrichtender Übergang 7 entsteht. Man erhält also eine Esaki-Diode auf der linken Seite in Parallelschaltung mit einer Esaki-Diode auf der rechten Seite.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Doppelhalbleiterbauelement mit einem Esaki-Übergang und einem parallel geschalteten weiteren Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß auf zwei Zonen, die entweder eine Übergangsfläche miteinander bilden oder sich über eine isolierende Intrinsic-Zone berühren und die aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen, eine weitere Zone eines Leitfähigkeitstyps senkrecht zu den Übergangsflächen angebracht ist, so daß sie mit der einen der zwei Zonen einen Esaki-Übergang und mit der anderen der zwei Zonen entweder einen nicht gleichrichtenden oder einen weiteren Esaki-Ubergang bilden.
2. Doppelhalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Zonen aus Galliumarsenid hohen spezifischen Widerstands und die daran angrenzende andere Zone aus η-leitendem Germanium und daß die senkrecht zu den Übergangsflächen anlegierte weitere Zone aus einer Zinn-Gallium-Legierung besteht, so daß die Legierungszone mit dem η-leitenden Germanium eine p-Leitfähigkeit und die Legierungszone mit dem Galliumarsenid eine η-Leitfähigkeit aufweist.
3. Doppelhalbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die n-leitende Germaniumzone bis zur Übergangsfläche mit der p-Zone weggeätzt ist.
4. Doppelhalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei aufeinanderfolgende Zonen, nämlich n- oder p-leitendes Gamanium, Galliumarsenid hohen Widerstandes und p-leitendes Galliumarsenid, durch eine Zone η-leitenden Germaniums überbrückt sind, so daß sich beim Anschluß einer allen drei
aufeinanderfolgenden Zonen gemeinsamen ohmschen Elektrode und einer weiteren Elektrode an die überbrückende, η-leitende Germaniumzone eine Tunneldiode mit parallel geschaltetem hohem Widerstand ergibt, die beim Anlegen entsprechender Spannungen an die Elektroden als Oszillator wirkt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2970229; französische Patentschriften Nr. 1255 899, 548;
britische Patentschrift Nr. 736289;
Solid State Physics in Elektronics and Telecommunications, London, 1960, Vol. 2, S. 1047 bis 1052.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 768/286 1.65 © Bundesdruckerei Berlin
DEJ21602A 1961-04-20 1962-04-12 Doppelhalbleiterbauelement mit einem Esaki-UEbergang und einem parallel geschalteten weiteren UEbergang Pending DE1185292B (de)

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