DE1208819B - Esakidiode und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Esakidiode und Verfahren zum Herstellen

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DE1208819B DEJ21977A DEJ0021977A DE1208819B DE 1208819 B DE1208819 B DE 1208819B DE J21977 A DEJ21977 A DE J21977A DE J0021977 A DEJ0021977 A DE J0021977A DE 1208819 B DE1208819 B DE 1208819B
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John C Marinace
Richard F Rutz
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4057¥W PATENTAMT Int. α.:
HOIl
AUSLEGESCHRIFT
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer:
Aktenzeichen:
Anm&ldetag:
Auslegetag:
1208 819
J21977VIIIc/21j
22. Juni 1962
13. Januar 1966
Die Erfindung betrifft eine Esakidiode, deren Strom-Spannungs-Charakteristik am Strommaximum einen flach verlaufenden, plateauförmigen Bereich besitzt.
Die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Esakidiode besitzt einen kurzschlußstabilen Bereich negativen Widerstands und ist relativ unempfindlich gegenüber Temperatur- und Strahlungseinwirkungen. Halbleiterbauelemente mit dem quantenmechanischen Tunneleffekt müssen in ihrem Aufbau bestimmte physikalische Kriterien aufweisen, die sich von den *° herkömmlichen Halbleiter-pn-Übergängen unterscheiden. Zu diesen Kriterien gehört eine außerordentlich starke Dotierung des Halbleitermaterials auf beiden Seiten des PN-Übergangs. Außerdem ist es erforderlich, daß die Dicke des PN-Übergangs, d. h. die Raumladungsschicht am PN-Übergang, zwischen dem hochdotierten Bereich des einen Leitungstyps und dem hochdotierten Bereich des entgegengesetzten Leitungstyps maximal ohne Vorspannung etwa 150 ÄE beträgt. Die Dotierungsniveaus auf jeder Seite des PN-Übergangs müssen entartet sein, d. h., das Ferminiveau muß auf der P-Seite des PN-Übergangs im Valenzband und auf der anderen Seite im Leitungsband liegen.
In F i g. 1 ist die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Esakidiode gestrichelt dargestellt. Solche typischen Kennlinien enthalten ein Maximum zwischen einem ersten positiven und einem zweiten negativen Widerstandsbereich sowie ein Minimum zwischen dem zweiten, und einem dritten positiven Widerstandsbereich. Durch Verwendung verschiedener Halbleitermaterialien mit verschiedenen spezifischen Widerständen läßt sich diese Kennlinie in ihrem Verlauf etwas variieren und außerdem das Verhältnis zwischen Maximal- und Minimalstrom, das sogenannte Spitzen-Tal-Stromverhältnis, verändern, aber die Grundform der Kennlinie sowie der Spannungsabstand zwischen Spitze und Tal bleiben etwa gleich.
Es hat sich nun gezeigt, daß es nicht möglich ist, durch die Verwendung herkömmlicher Legierungsverfahren und herkömmlicher Donatordotierung in den Legierungsmaterialien oder Grundkristallen aus stark mit Akzeptoren dotiertem Germanium (<1020 Atome je Kubikzentimeter) Tunneleffekte zu erzielen. Desgleichen ist es mittels der herkömmlichen Legierungsverfahren nicht möglich, überstarke Dotierungen bis über die Entartung hinaus zu erzielen.
Aus theoretischen Überlegungen ist nun bekannt, daß der Überschußstrom und damit die Gestalt der Strom-Spannungs-Charakteristik in Durchlaßrichtung der Esakidiode in empfindlicher Weise abhängt von der zugrunde liegenden Bänderstruktur bzw. von dem Esakidiode und Verfahren zum Herstellen
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.;
Richard F. Rutz, Fishkill, N. Y. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 23. Juni 1961 (119 127)
Grad der Entartung der Halbleitersubstanz. Es wurden so z. B. die Tunnelstromverläufe unter Zugrundelegung hypothetischer zweidimensionaler Bänderstrukturen berechnet und die Ergebnisse in qualitativer Übereinstimmung mit optischen Absorptionsmessungen an entartet dotiertem Halbleitermaterial befunden.
Erfindungsgemäß kann man nun dadurch eine wesentliche Abweichung des Kennlinienverlaufs von dem oben beschriebenen bekannten Verlauf erzielen, daß man dafür sorgt, daß die Dotierungskonzentration an der PN-Übergangsfläche in der P-leitenden Zone etwa hundertmal größer und in der N-leitenden Zone etwa fünfmal größer als die zur Entartung notwendige Dotierungskonzentration ist und dadurch in der Strom-Spannungs-Charakteristik am Strommaximum ein flach verlaufender, plateauförmiger Bereich auftritt.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung sowie den nachstehend aufgeführten Zeichnungen:
F i g. 1 zeigt eine Strom-Spannungs-Charakteristik eines Halbleiterbauelements mit quantenmechanischem Tunneleffekt, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist;
F i g. 2 stellt schematisch den Aufbau eines solchen Halbleiterbauelements mit quantenmechanischem Tunneleffekt dar;
F i g. 3 stellt den spezifischen Widerstand relativ zu der linearen Ausdehnung senkrecht zur Übergangsfläche dar;
509 778/275
3 4
F i g. 4 stellt die Energieniveaus eines PN-Übergangs bar sind, als dies bei herkömmlichen Tunneldioden
nach der Erfindung dar. der Fall ist.
Die Erfindung wird im allgemeinen durch einen Die Tunneldioden nach der Erfindung eignen sich PN-Übergang mit quantenmechanischem Tunneleffekt ζ. B. für Zwecke der Stabilisierung in Schwachstromverwirklicht, der in der P-leitenden Zone eine Dotie- 5 schaltungen. In diesen wird die Diode im abgeflachten rungskonzentration aufweist, die etwa hundertmal so Bereich A—B ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik groß ist, und in der N-leitenden Zone eine Dotierungs- betrieben.
konzentration, die etwa fünfmal so groß ist wie die Die F i g. 2 zeigt den Querschnitt durch einen
zur Entartung notwendige Dotierung. Gute Dotie- legierten PN-Übergang mit quantenmechanischem
rungsniveaus wurden durch Anwendung des Her- io Tunneleffekt nach der Erfindung. Dieser besteht aus
Stellungsverfahrens mit Legierungskügelchen erreicht. einem Bereich 10 aus Germanium, in dem eine Ver-
Der Ausdruck »normale Entartungsdotierung« oder unreinigung vom Leitungstyp P, z. B. Gallium, in »zur Entartung notwendige Dotierung« bezeichnet für einer solchen Konzentration enthalten ist, daß das Germanium Dotierungskonzentrationen, die zwischen Halbleitermaterial stark entartet ist. In dem Aus-5 und 8 · 1018 Verunreinigungsatome je Kubikzenti- *5 führungsbeispiel wurden Dotierungen verwendet, die meter kristallinen Halbleitermaterials liegen. Für etwa bei 8 · 1020 Atomen Ga je Kubikzentimeter Gerandere Halbleitermaterialien mit anderen Band- manium liegen dürften. Das Halbleiterbauelement von abständen gelten etwas abgeänderte Zahlenwerte. . F i g. 2 hat einen scharfen PN-Übergang 12 zwischen
Die Erfindung sei nun an Hand der Zeichnungen einem rekristallisierten Bereich 14 aus Germanium
näher beschrieben. Die ausgezogene Kurve der 20 vom N-Leitfähigkeitstyp und dem Germaniumkörper
F i g. 1 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik 10 vom P-Leitfähigkeitstyp. Der rekristallisierte Be-
einer Halbleitervorrichtung mit quantenmechanischem reich 14 entsteht dadurch, daß eine definierte Menge
Tunneleffekt nach der Erfindung, die gestrichelte Arsen und Trägermetall, z. B. Zinn 16, in den mit
Kurve eine solche eines herkömmlichen tunnelnden Gallium dotierten Germaniumkörper 10 einlegiert
Halbleiterübergangs. Eine gemäß der Erfindung auf- 25 wird. Es hat sich erwiesen, daß beim Einlegieren
gebaute Esakidiode besitzt einen ungewöhnlich abge- in mit Gallium dotiertes Germanium mit einem
flachten Bereich von A bis B kurz hinter dem Maxi- stark mit Arsen dotierten Germaniumkügelchen
mum A. Bekanntlich besitzt die Strom-Spannungs- eine genügende Menge des Arsens aus dem Bereich 16
Charakteristik einer herkömmlichen Esakidiode keinen in den rekristallisierten Bereich 14 aufgenommen
solchen ebenen oder nahezu ebenen Bereich. Bei der 30 wird und die Wirkung hat, dem rekristallisierten
normalen Esakidiodenkennlinie ist das erste Maxi- Bereich 14 den Leitungstyp N in einer Konzentration
mum A als »Spitzen«-Wert des Stroms bekannt und zu geben, die hoch genug ist, um entartet dotiertes
wird durch die Abstände der Bandkanten von dem Halbleitermaterial zu erzeugen, d. h., die Sperrschicht
Ferminiveau bestimmt. Bei Anlegen einer Spannung ist schmal genug, um die erforderliche Tunnelwahr-
in Durchlaßrichtung biegt sich das Ferminiveau am 35 scheinlichkeit zu gewährleisten, was für Germa-
PN-Übergang, und die Bandkanten nähern sich an- nium eine Strecke des Übergangs unter 150 ÄE be-
einander. Nachdem die Bandkanten etwa auf gleicher dingt.
Höhe liegen, wird durch weiteres Ansteigen der Span- Außerdem wurde ein anderer Tunuel-PN-Übergang
nung der Tunneleffekt reduziert, und ebenso sinkt hergestellt, der die gleichen Merkmale hat, und zwar
der Strom mit steigender Spannung, bis das Mini- 40 wurde dabei die sehr hoch dotierte P-Zone in einen
si mum C erreicht ist. Hier hat die Spannung einen Körper 10 vom Leitungstyp N einlegiert. Bei diesem
Wert erreicht, der ausreicht, um das Diffundieren von Beispiel wurde ein Kügelchen aus Aluminium oder
Elektronen aus dem Leitungsband des N-Bereichs Aluminiumborid in einen Germaniumkörper einlezum Leitungsband des P-Bereichs und das Diffun- giert, der hoch mit Arsen dotiert war. Die Dotierungsdieren von Defektelektronen aus dem Valenzband des 45 konzentration betrug etwa 3 · 1019 As-Atome je s P-Bereichs zum Valenzband des N-Bereichs zu ge- Kubikzentimeter Ge. Die rekristallisierte P-Zone 14 statten. Außerdem ist eine Stromzusammensetzung erwies sich als außerordentlich hoch dotiert, d. h. vorhanden, die in der Literatur als Überschußstrom diese wies eine Konzentration von etwa 8 · 10a0 Albekannt ist. Dieses Minimum wird häufig als »Tal« Atomen je Kubikzentimeter auf, und der dazwischenbezeichnet, und hinter diesem Minimum zieht ein 50 liegende PN-Übergang war schmal genug (<150 Ä), weiteres Ansteigen der Spannung, wie bei einer ge- um eine genügend hohe Tunnelwahrscheinlichkeit wohnlichen Diode, einen Stromanstieg nach sich. sicherzustellen.
Auf dieses Maximum.4 folgt der ebene ΊουA—B. Die Fig. 3 stellt die Widerstandsverteilung über Dieser Bereich dürfte eine Folge der außerordentlich die Längenausdehnung senkrecht zur Übergangshoch dotierten P-Zone sein, wodurch der größere 55 fläche von F i g. 2 dar. Hierbei ist der spezifische Abstand des Ferminiveaus von der Bandkante die Widerstand als Ordinate und der Abstand senkrecht Bandkante selbst verwischt. Daher fallen die verfüg- zum PN-Übergang 12 von F i g. 2 als Abszisse aufbaren Tunnelzustände bei Anstieg der Spannung nicht getragen. Der spezifische Widerstand in Richtung abrupt, sondern allmählich ab. Nach Erreichen des senkrecht zum PN-Übergang 12 verändert sich von Punktes B verhält sich dieser Tunnelübergang wie bei 60 einem konstanten Wert aus, der den durch Entartung einer normalen Tunneldiode mit einem Bereich gegebenen Wert im Bereich 14 übersteigt, über den negativen Widerstandes B—C und einem zweiten Eigenwiderstand am PN-Übergang 12 selbst und geht Minimum C. Wie man sieht, ist der Abstand B—C wieder auf einen konstanten Wert zurück, der im der vorliegenden Diode etwa gleich der Strecke A—C" Bereich 10 den durch Entartung gegebenen Widereiner herkömmlichen Esakidiode. - 65 standswert in noch höherem Maße übersteigt, als dies Es wurde festgestellt, daß die Verhältnisse zwischen im Bereich 14 der Fall ist. Der spezifische Wert für Spitzen- und Talstrom, die mit erfindungsgemäßen mit P-Gallium dotiertes, entartetes Germanium beträgt Tunneldioden erreicht werden, genauer reproduzier- etwa 0,0006 Ohm · cm und wird erzeugt durch das
Einführen von Verunreinigungen in das Material in einer Konzentration, die in der Größenordnung von 8 · 1020 Atomen je Kubikzentimeter liegt, wie es F i g. 3 zeigt. Der spezifische Widerstand für den entartet mit Arsen dotierten N-Germaniumbereich beträgt etwa 0,001 Ohm · cm und wird erzeugt durch eine Verunreinigungskonzentration von etwa 3 · 1019 Atomen je Kubikzentimeter.
Die F i g. 4 zeigt Energieniveaus, bei denen der P-Bereich ein Valenzband 20 mit einer Oberkante 20 α ίο und ein Leitungsband 22 mit einer Unterkante 22 α besitzt. Ebenso hat der N-Bereich ein Leitungsband 24 mit einer Unterkante 24 a und ein Valenzband 26 mit einer Oberkante 26 a. Durch Dotierung der Halbleitermaterialien bis zur Entartung wird bewirkt, daß die Valenzbandkante 20 a des P-Materials die Leitungsbandkante 24 a des N-Materials überlappt, so daß das Ferminiveau 28 aus dem Valenzband des Materials wandert und der Übergangsbereich innerhalb der Dicke liegt, so daß ein Elektron direkt aus dem Leitungsband des N-Halbleitermaterials in das Valenzband des P-Halbleitermaterials »tunneln« kann, vorausgesetzt, dort befindet sich ein Defektelektron derselben Energie oder einer geringeren Energie, so daß die Energiedifferenz auf ein Phonon »zulässiger« Energie übertragen werden kann. Unter entsprechenden Voraussetzungen können auch Elektronen aus dem Valenzband des P-Bereichs in das Leitungsband des N-Bereichs »tunneln«. ,
Das Energieniveaudiagramm dieses Tunnelübergangs unterscheidet sich von dem PN-Übergang einer herkömmlichen Esakidiode dadurch, daß die Valenzbandkante 20 a der P-Zone 22 verwischt und beträchtlich weiter vom Ferminiveau 28 entfernt ist, als dies bei der Leitungsbandkante 24a des N-Bereichs der Fall ist.

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Esakidiode, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration an der PN-Übergangsfläche in der P-leitenden Zone (10) etwa hundertmal größer und in der N-leitenden Zone (14) etwa fünfmal größer als die zur Entartung notwendige Dotierungskonzentration ist und dadurch in der Strom-Spannungs-Charakteristik am Strommaximum ein flach verlaufender, plateauförmiger Bereich auftritt.
2. Esakidiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einkristallinem Germanium besteht.
3. Esakidiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende Zone als Dotierung Gallium enthält.
4. Esakidiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die N-leitende Zone als Dotierung Arsen enthält.
5. Verfahren zum Herstellen einer Esakidiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sehr hoch dotierte Zone (14) vom P-Leitungstyp in einen Kristall (10) vom N-Leitungstyp einlegiert wird.
6. Verfahren zum Herstellen einer Esakidiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kügelchen aus Aluminium oder Aluminiumborid in einen stark mit Arsen dotierten Germaniumkristall einlegiert wird.
7. Verfahren zum Herstellen einer Esakidiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Germaniumgrundkörper (10) mit einer Galliumkonzentration von etwa 2 bis 8 · 1020 Atomen je Kubikzentimeter aus einer GaUium-Germanium-Schmelze gezogen wird, daß dieser ferner zum Zwecke der Ubergangsbildung durch Legieren mit einem zinnhaltigen Körper mit 3 bis 5 °/o Arsengehalt in Berührung und 5 Sekunden lang auf etwa 500° C gebracht wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Journal of Applied Physics, Bd. 32, 1961, Heft 4, S. 746 und 747;
Solid State Physics in Electronics and Telecommunications, Bd. 1, London, 1960, S. 518.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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