DE1516833C3

DE1516833C3 - Lawinenlaufzeitdiode mit Multiplikationsrückkopplung

Info

Publication number: DE1516833C3
Application number: DE1516833A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Hoefflinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-12-30
Filing date: 1966-05-12
Publication date: 1974-06-12
Also published as: SE344850B; NL6617594A; US3483441A; CH472783A; GB1154049A; DE1514655A1; AT264592B; DE1516833B2; DE1516833A1

Description

a) die Raumladungszone mindestens an dem am pn-übergang liegenden Teil so hoch dotiert ist, daß die bei angelegter Betriebsspannung an diesem pn-übergang entstandenen Ladungsträger an der dem pn-übergang gegenüberliegenden Randzone eine durch induzierte Multiplikation verstärkte, die Betriebsspannung teilweise kompensierende Lawinenraumladung erzeugen und daß

b) die Raumladungszone bei den durch das Halbleitermaterial der Diode gegebenen Sättigungsgeschwindigkeiten der beiden Ladungsträgerarten so lang bemessen ist, daß bei angelegter Betriebsspannung die Laufzeiten sowohl der durch Multiplikation am pn-übergang entstandenen Ladungsträger als auch der durch induzierte Multiplikation am entgegengesetzten Ende der Raumladungszone entstandenen Ladungsträger des entgegengesetzten Vorzeichens etwa ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Periodendauer der zu verstärkenden bzw. - anzuregenden Schwingung sind.

2. Lawinendiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lawineninjektion einseitig vom n⁺⁺-p⁺- bzw. p⁺⁺~n⁺-Übergang her erfolgt mit induzierter Multiplikation in der i- bzw. n- bzw. p-Zone und die Längen der beiden inneren Zonen der Lawinendiode ungefähr von gleicher Größenordnung sind.

3.· Lawinendiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus einem Halbleitermaterial besteht, das etwa gleiche Sättigungsgeschwindigkeiten der beiden Ladungsträgerarten (Elektronen und Löcher) hat, wie insbesondere Si, Ge und GaAs.

4. Verfahren zur Herstellung von Lawinendioden nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem insbesondere Si-Grundkristall das aus einer oder zwei verschieden dotierten Zonen bestehende Raumladungsgebiet epitaktisch aufgewachsen wird und der pn-übergang durch eine Maske, insbesondere SiO₂-Maske, eindiffundiert wird (F i g. 3 und 4).

5. Verfahren zur Herstellung von Lawinendioden nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige, hochdotierte Randzone des pn-Übergangs an der Peripherie durch Eindiffusion von einer ringförmigen, geringer dotierten Zone gleichen Leitungstyps umgeben wird (Fig. 3).

6. Verfahren zum Herstellen von Lawinendioden nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem hochdotierten Kristall, insbesondere hochdotierten Siliziumkristall, eine niedriger dotierte Zone gleichen Leitungstyps epitaktisch aufgewachsen wird, in die zunächst durch eine aufgebrachte SiOvMaske mit kleiner öffnung Aktivatormaterial zur Erzeugung einer Halbleiterzone gleichen Leitfähigkeitstyps, aber höherer Dotierung, eindiffundiert wird, und daß danach durch eine SiO.,-Maske mit zur eindiffundierten Zone konzentrisch liegender öffnung, deren Rand diese Zone allseitig mit Abstand umgibt, ein weiteres Aktivatormaterial bis zu einer Tiefe eindiffundiert wird, die geringer ist als die Tiefe der zuerst eindiffundierten Zone, so daß an der Oberfläche des Halbleiterkristalls eine hochdotierte Zone mit einem gegenüber den umgebenden verschieden hoch dotierten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp entsteht (Fig. 5).

Die Erfindung betrifft eine Lawinenlaufzeitdiode mit Multiplikationsrückkopplung, die zur Verstärkung bzw. Erzeugung von Schwingungen mit Frequenzen größer als 10 GHz und großer Leistung dient.

Effekte laufzeitabhängiger Injektionen sind bereits für folgende Fälle behandelt worden:

Der Fall einseitiger Multiplikation in p⁺⁺-n⁺-i-n⁺⁺- Strukturen bei kleinen Injektionsdichten von Read (Bell Sys. Tech. J. 37, S. 401 [1958]) sowie Gilden

und Hines (Sol. State Device Research Conf., Juni 1965, Princeton).

Der Fall homogener Multiplikation bei homogenem Feld von Misawa (Proc. IEEE 53, 1236 [September 1965]).

Diese Theorien sind auf stationäre Stromdichten beschränkt, bei denen eine Raumladungsrückwirkung vernachlässigbar ist. Ferner sind bereits Lawinendioden vorgeschlagen, die unterhalb der Grenzfrequenz für den Laufzeitfall quasistationär betrieben werden (s. auch die Veröffentlichung von B. Höfflinger in IEEE Trans ED-13, Nr. 1 [1966], S. 151 [Special Issue on Semiconductor Bulk and Transit-Time Devices]).

Weiterhin bekannt ist die sogenannte Read-Diode mit dem Dotierungsprofil n++-p⁺-p-p⁺⁺ bzw. n++-P⁺-I-P⁺ + .

Im Read-Betrieb soll die halbe Periodendauer πω"¹ der Schwingung mit der Trägerlaufzeit τ vergleichbar sein und die optimale Schwingungsfrequenz durch den Laufwinkel Θ = ωτ = π bestimmt sein.

Es besteht der Wunsch, Lawinendioden auch als Höchstfrequenzoszillatoren zu verwenden, die im Laufzeitbetrieb große negative Leitwerte und entsprechend große Schwingungsleistungen zulassen.

Gemäß der Erfindung ist daher bei einer Lawinendiode mit zwei entgegengesetzt hochdotierten Randzonen eines Halbleiterkristalls, insbesondere eines Halbleiter-Einkristalls, und einer zwischen diesen Randzonen liegenden, niedriger dotierten Raumladungszone, die so bemessen ist, daß bei in Sperrrichtung an die Randzonen angelegter Betriebsspan-

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nung die Ladungsträger Sättigungsgeschwindigkeit zelnen muß die Theorie die Multiplikationsfaktoren erreichen und der Raumladungszone ihre freien La- und die mit den Injektionswellen verknüpften Felddungsträger entzogen sind, zur Erzielung eines nega- Wirkungen berücksichtigen.

tiven Widerstandes der Diode unter Laufzeitbedin- Das Prinzip dieser Multiplikationsrückkopplung gungen, die Raumladungszone mindestens an dem 5 zwischen Elektronen (/„)- und Löcher (/„)-Injektionsam pn-übergang liegenden Teil so hoch dotiert, daß wellen ist in F i g. 2 dargestellt,
die bei angelegter Betriebsspannung an diesem pn- Bei einer Lawinendiode, deren Raumladungszone Übergang entstandenen Ladungsträger an der dem aus zwei niedriger dotierten Zonen besteht, sind folpn-Übergang gegenüberliegenden Randzone eine gende Dotierungsprofile möglich:
durch induzierte Multiplikation verstärkte, die Be- io _n ⁺+-D⁺-D-D⁺+ d⁺⁺ η+ η + +
triebsspannung teilweise kompensierende Lawinen- _n++"£+"■_"*+₊ n++~D+V + +
raumladung erzeugen, so daß infolge dieser Lawinen- D⁺+-n+'i-n+ + D⁺ + η+Ό η+ +
raumladung die wesentlichen Multiplikationszonen ^μ F ~ ~P~
an den Rändern der Raumladungszone liegen und Die Pluszeichen markieren die verschieden hohe die Dichtewellen positiver und negativer Ladungs- 15 Dotierung. Die Lawineninjektion erfolgt bei einer träger durch Vervielfachung in diesen Zonen gekop- Diode mit einem der oben angeführten Dotierungspelt sind, und die Raumladungszone bei den durch profile vom n⁺⁺-p⁺- bzw. p⁺⁺-n⁺-Übergang her mit das Halbleitermaterial der Diode gegebenen Sätti- einer bei bestimmten Stromdichten einzusetzenden gungsgeschwindigkeiten der beiden Ladungsträger- induzierten Multiplikation in der i- bzw. n- bzw. arten so lang bemessen, daß bei angelegter Betriebs- 2° p-Zone. Die beiden inneren Zonen der Lawinenspannung die Laufzeiten sowohl der durch Multipli- diode sollen erfindungsgemäß ungefähr die gleiche kation am pn-übergang entstandenen Ladungsträger Länge besitzen.

als auch der durch induzierte Multiplikation am ent- Die Feldverteilung, wie sie in F i g. 1 dargestellt

gegengesetzten Ende der Raumladungszone entstan- ist, entsteht nicht nur in n⁺+-p+.i-p++- oder inver-

denen Ladungsträger des entgegengesetzten Vorzei- 25 _sen Strukturen, sondern bei hohen Stromdichten auch

chens etwa ein ungeradzahliges Vielfaches eines Vier- in n++-i-p⁺+-Strukturen. Wegen der Kopplung der

tels der Periodendauer der zu verstärkenden bzw. beiden am Rand der Raumladungszone liegenden

anzuregenden Schwingung sind. Trägererzeugungsgebiete einer gemäß der Erfindung

Der Mechanismus einer laufzeitabhängigen La- vorgeschlagenen Lawinenlaufzeitdiode und der bei wineninjektion mit induzierter Multiplikation läßt 30 den erfindungsgemäß geforderten großen Stromdichsich durch eine Kleinsignaltheorie beschreiben. We- ten kleineren Multiplikationsfaktoren in den beiden gen der starken Lokalisierung der Multiplikations- Gebieten dieser Diode sind relativ kleinere Rauschzonen an den Rändern der Raumladungszone wird komponenten zu erwarten als bei bisher bekannten dabei angenommen, daß die wesentliche Trägerver- Betriebsarten mit kleineren Strömen und hohen MuI-vielfachung in Zonen der Länge /„ bzw. I_n mit gerad- 35 tiplikationsfaktoren. Außerdem wird durch dieWechlinigem Feldverlauf (F i g. 1) erfolgt und diese wie selwirkungen zwischen den beiden Trägererzeugungs-Zonen mit konstantem Feld (E₁, bzw. E_n) und effek- gebieten eine günstige Abhängigkeit der Schwingungstiven Längen (x_p bzw. x_n) wirken. frequenz von der Gleichstromstärke, z. B. für Fre-

F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung des quenzmodulation, erreicht.

Feldverlaufs und der äquivalenten Multiplikations- 4° Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den

zonen in der Raumladungszone einer n++-p+-i-p⁺⁺- in den Fig. 3 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispielen

Diode bei hoher Durchbruchsstromdichte. hervor.

Die Theorie soll für solche Stromdichten bzw. Fig^ 3 zeigt einen Schnitt durch eine Lawinen-Feldverteilungen gelten, für die diese effektiven Lan- diode 1 mit dem Dotierungsprofil p+⁺-n+-n-n+ ⁺ . gen klein gegen die Länge der Raumladungszone 45 Der Grundkristall besteht aus einem Halbleitermatesind. So entsteht eine Konfiguration, in der eine rial, das etwa gleiche Sättigungsgeschwindigkeiten der Driftzone der Länge W begrenzt ist von zwei Multi- beiden Ladungsträgerarten (Elektronen und Löcher) plikationszonen mit jeweils homogener Feldvertei- hat, wie insbesondere Si, Ge und GaAs.,
lung. Die laufzeitabhängige Trägerinjektion in die Auf das n++-Substrat wird die hochohmige Driftzone kann beschrieben werden durch Löcher 50 η-Schicht epitaktisch aufgebracht. Große Toleranzen (p)- bzw. Elektronen (n)-Injektionswellen. Die Kopp- sind zulässig. Die epitaktische Aufwachsung der nielung zwischen diesen beiden Wellen kann man prin- derohmigen n+-Schicht muß, um eine konstante, optizipiell, wie folgt, darstellen (F i g. 2): male Eindiffusionstiefe einzuhalten, mit kleinen ToIe-

Wenn eine bei x = W injizierte Elektronenwelle, ranzen erfolgen. Nach geeigneter Maskierung wird deren zeitlicher Verlauf an dieser Stelle durch J„_r ge- 55 Bor mit einer Oberflächenkonzentration von IO¹⁰ cm"³ geben ist, z. B. nach einer Viertelperiode in die bei ringförmig (mit kleinen Toleranzen) eindiffundiert. x — O gelegene Multiplikationszone einläuft (J„<,), Der pn-übergang wird durch eine relativ flache Eindann tritt Vervielfachung und entsprechende Rück- diffusion von Bor durch die Maske 4 mit einer Oberinjektion einer Löcherwelle ein, und zwar bei grober flächenkonzentration von ungefähr 10²¹ cm"³ herge-Betrachtung der nicht stationären Kontinuitätsglei- 60 stellt. Durch die geringe Diffusionstiefe ist ein nahezu chung mit etwa π/2 Phasenverzögerung (/„,). Diese ebener und abrupter Übergang erreichbar,
gelangt bei gleicher Laufzeit wiederum nach einer Die ringförmige Eindiffusion einer den scheiben-Viertelperiode nach χ = W (J_nr), wo die Rückinjek- förmigen pn-übergang an der Peripherie umschlietion einer Elektronenwelle phasenrichtig erfolgt. Die- ßenden Zone, die den gleichen Leitungstyp besitzt, ser als .Multiplikationsrückkopplung bezeichnete 65 wie die am pn-übergang liegende hochdotierte Rand-Effekt ist also günstig, wenn die Laufzeit einer zone, aber niedriger dotiert ist als diese Randzone, Viertel-Wellenperiode entspricht, und ungünstig, wurde bereits vorgeschlagen,
wenn sie eine halbe Wellenperiode beträgt. Im ein- Auf die Diode wird auf die hochdotierten++-Rand-

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zone ein Goldkontakt 2 und auf die hochdotierte wand ein Kontaktstempel 9 eingebaut ist. In die dem

P⁺+-Randzone ein Silberkontakt 3 aufgedampft. Kontaktstempel 9 gegenüberliegende Seitenwand des

F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Lawinen- Resonators 10 ist ein Durchführungskondensator 11 diode 1 mit dem Dotierungsprofil p⁺⁺-i-n⁺⁺. Der eingeschraubt, mit dessen Innenleiter die Lawinen-Kristall besteht aus einem Halbleitermaterial, in dem 5 diode 1 gegen den Kontaktstempel 9 gedrückt wird, die beiden Ladungsträgerarten (Elektronen und Lö- Die Gleichspannungszuführung 14 zur Diode 1 ercher) etwa gleiche Sättigungsgeschwindigkeiten haben, folgt über den Außen- bzw. Innenleiter. Die Hochwie insbesondere Si, Ge und GaAs. frequenz wird über die Auskoppelblende 13 ausge-

Auf das n⁺+-Substrat wird die i-Schicht epitak- koppelt. An die Auskoppelblende 13 schließt sich ein

tisch aufgebracht mit kleinen Schichtdicken-Toleran- io Übergangsstück 15 auf einen Normal-Rechteck-Hohl-

zen. Die Oberfläche wird maskiert und Bor mit einer leiter an. In die der Auskoppelblende 13 gegenüber-

Oberflächenkonzentration von ungefähr 10²¹ cm"³ tief liegenden Seite des Hohlraumresonators 10 ist ein

eindiffundiert mit kleinen Toleranzen. Durch die tiefe Kurzschlußschieber 12 eingebaut.

Eindiffusion wird ein Restdickendurchbruch erzielt Die in der Diode 1 entstehende Wärme kann über

und der beim Diffusionsverfahren übliche Rand- 15 den Kontaktstempel 9 und die daran anschließende

krümmungsdurchbruch vermieden. Die Silberkontak- Seitenwand des Hohlraumresonators 10 in eine an-

tierung 3 und die Goldkontaktierung 4 werden auf- gesetzte Kühlvorrichtung 16 abgeführt werden,

gedampft. Das System wird in die in der F i g. 6 dar- Die Tatsache, daß die Lawinenlaufzeitdiode nach

gestellte Kapsel eingelötet. der Erfindung in einem jeweils bestimmten Frequenz-

F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch eine Lawinen- ²⁰ bereich einen negativen Widerstand darstellt, kann

diode 1 mit dem Dotierungsprofil p++-n⁺-n-n+⁺. auch dazu benutzt werden, Schwingungen in diesem

Der Grundkristall besteht wiederum aus einem Halb- Frequenzbereich mit Hilfe eines nicht reziproken

leitermaterial, das etwa gleiche Sättigungsgeschwin- Bauelementes zu verstärken.

digkeiten der beiden Ladungsträgerarten (Elektronen Eine Möglichkeit, das Ein- und Ausgangssignal und Löcher) hat, wie insbesondere Si, Ge oder GaAs. 25 bei einem in F i g. 7 dargestellten Oszillator zu tren-Auf das n⁺+-Substrat wird die hochohmige η-Schicht nen, besteht darin, in die Koppelleitung des Leiepitaktisch aufgebracht. tungsresonators ein unter der Bezeichnung »Zirku-

In diese Schicht wird gemäß der Erfindung in lator« bekanntgewordenes Bauelement einzubauen,

einem vorteilhaften Doppeldiffusionsverfahren zur Ein Zirkulator, auch Richtungsgabel genannt, stellt

Erzeugung eines hyperabrupten Übergangs zunächst 30 eine vierarmige Wellenweiche mit den Koppelstellen

Phosphor mit einer Oberflächenkonzentration von A, B, C und D dar, bei der eine bei A eingespeiste

ungefähr 10¹⁶ cm~³ ungefähr 4 μΐη tief eindiffundiert. Welle nur bei B austreten, eine Welle von B nur

Die öffnung der dabei verwendeten SiO₂-Diffusions- nach C, eine Welle von C nur nach D und von D

maske hat einen Durchmesser von ungefähr 100 μΐη. nur nach A gelangen kann (F i g. 8).

Anschließend wird durch eine SiO₂-Maske 4, deren 35 Zur Schwingungsverstärkung mit Hilfe einer La-

öffnung einen größeren Durchmesser von insbeson- winenlaufzeitdiode nach der Erfindung schließt man

dere ungefähr 300 um hat, Bor mit einer Ober- z. B. an den Arm A des Zirkulators einen Einkoppel-

flächenkonzentration von ungefähr 10²¹ cm~³ so flach hohlleiter, an den Arm B den Leitungsresonator und

eindiffundiert, daß die Tiefe dieser zweiten, eindif- an den Arm C den Auskoppelhohlleiter an. Zur

fundierten Zone geringer ist als die der. zuerst ein- 40 Realisierung eines solchen Zirkulators verwendet man

diffundierten Zone. Hierzu wird die zuerst aufge- Ferrite unter Ausnutzung deren Faraday-Drehung

brachte Diffusionsmaske zweckmäßig ganz entfernt oder deren nicht reziproken Phasenschiebung,

und danach die zweite Maske mit dem größeren In F i g. 8 ist ein Schnitt durch eine stark verein-

öffnungsdurchmesser aufgebracht. facht dargestellte Verstärkeranordnung gezeigt.

Siliziumstrukturen, die zu den in den Fig. 3 bis 5 45 Der Zirkulator 19 mit den Koppelstellen A, B, C

dargestellten invers sind, sind herstellbar, wenn Ga und D ist zwischen dem in Fig. 7 bereits dargestell-

statt Sb bzw. P und As statt B verwendet werden. ten Übergangsstück 15, dem Hochfrequenzeingang 17

F i g. 6 zeigt einen Schnitt durch die Diodenkapsel. und dem Hochfrequenzausgang 18 angeordnet. Das

Die Diode 1 mit den Kontaktierungen 2 und 3 und zu verstärkende Signal wird über den HF-Eingang

der SiO₂-Maske 4 ist von dem Keramikring 5 um- 50 17, den Zirkulator 19 und das Übergangsstück 15 in

geben. Der Goldkontakt 2 sitzt auf der Grundplatte 6 den in F i g. 7 dargestellten Oszillator eingekoppelt,

auf, der Silberkontakt 3 ist über den Druckkontakt- Der Zirkulator 19 hat die Eigenschaft, daß eine bei A

bügel 7 mit dem Diodenkapseldeckel 8 verbunden. eingespeiste Welle nur in den Arm B und eine bei B

In Fig. 7 ist ein Schnitt durch einen Oszillator eintretende Welle nur nach C gelangen kann! Das

dargestellt. In diesen Oszillator eingebaut, kann eine 55 verstärkte Signal kann also nur am Arm C — dem

Lawinendiode gemäß der Erfindung zur Schwingungs- Hochfrequenzausgang 18 —- abgenommen werden. .

erzeugung dienen. Der Oszillator besteht aus einem Die Pfeile 20 kennzeichnen die Ausbreitungsrich-

als Rechteck-Hohlleiter mit reduzierter Höhe ausge- tung der zu verstärkenden, die Pfeile 21 die Ausbrei-

bildcten Resonator 10, in dessen eine breitere Seiten- tungsrichtung der verstärkten hochfrequenten Welle.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lawinendiode mit zwei entgegengesetzt hochdotierten Randzonen eines Halbleiterkristalls, insbesondere eines Halbleitereinkristalls, und einer zwischen diesen Randzonen liegenden, niedriger dotierten Raumladungszone, die so bemessen ist, daß bei in Sperrichtung an die Randzonen angelegter Betriebsspannung die Ladungsträger Sättigungsgeschwindigkeit erreichen und der Raumladungszone ihre freien Ladungsträger entzogen sind,dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines negativen Widerstandes der Diode unter Laufzeitbedingungen, >5