DE1564343B2

DE1564343B2 - Halbleiterbauelement mit negativer widerstandscharakteristik

Info

Publication number: DE1564343B2
Application number: DE1966M0070615
Authority: DE
Inventors: Akio Ikeda Tanaka Masaru Toyonaka Yamashita, (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1965-08-19
Filing date: 1966-08-17
Publication date: 1971-08-15
Also published as: GB1168255A; NL151567B; US3461356A; DE1564343A1; NL6611609A

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik, in dem in einem Halbleitersubstrat wenigstens ein Bereich vorhanden ist, der mit einem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotiert ist und der mit wenigstens zwei Ladungsträger injizierenden elektrischen Anschlüssen versehen ist.

Bekannte Doppelinjektions-Dioden dieser Bauart mit p-i-n-Struktur (Proceedings of the IRE 1962, S. 2421 bis 2428) sind im i-Bereich mit dem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotiert. In den p- bzw. n-leitfähigen Bereichen sind Löcher bzw. Elektronen als Ladungsträger in der Majorität. Wird an eine solche Diode eine Spannung in Durchlaßrichtung angelegt, so werden Elektronen und Löcher gleichermaßen in den i-Bereich injiziert. Auf Grund der Rekombination von Elektronen und Löchern, die dadurch verursacht wird, daß im i-Bereich ein tiefes Energieniveau vorhanden ist und als Rekombinationszentrum wirkt, fließt bei geringem Injizierungsgrad kaum ein Strom. Erst bei höherem Injizierpegel wandern Elekronen bzw. Löcher durch den i-Bereich hindurch, ohne zu rekombinieren, und führen so zu einem Stromfluß. Der zunächst große Widerstand des i-Bereichs wird so vermindert oder sogar zu einem negativen Widerstand. Weist dabei im i-Bereich der tiefe Energieniveaus erzeugende Störstoff eine über den ganzen i-Bereich gleichmäßige Konzentration auf, so kann ein derartiges Halbleiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik für Schaltvorrichtungen nicht verwendet werden, bei denen kurze Schaltzeiten gefordert werden. Einmal ist nämlich die Schaltzeit, die in der Größenordnung von 10~° Sekunden liegt, verhältnismäßig groß, und zum anderen ist das Verhältnis zwischen Durchbruchsspannung und Haltespannung klein.

Bekannt ist auch schon eine Diode mit einem Halbleiterkörper (französische Patentschrift 1 385 657), der jeweils einen mit ohmschen Kontakten versehenen p- oder η-Bereich aufweist, zwischen denen ein pn-übergang gebildet ist, und der mit einem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff derart dotiert ist, daß die Konzentration dieses Störstoffs von den Kontakten in Richtung auf den pn-übergang abnimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Halbleiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik anzugeben, das eine gegenüber den bekannten p-i-n-Dioden verringerte ,Schaltzeit hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der tiefe Energieniveaus erzeugende Störstoff ein Konzentrationsgefälle derart aufweist, daß wenigstens einer der elektrischen Anschlüsse mit einem eine große Konzentration des tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoffe aufweisenden Teil des Halbleitersubstrats verbunden ist.

Wird an ein solches Halbleiterbauelement eine Gleichspannung angelegt und damit in den mit dem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotierten Bereich ein Feld induziert, so weist das induzierte Feld im Bereich höherer Konzentration des tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoffs höhere Feldstärken auf. Beim Überschreiten einer kritischen Spannung werden dabei die Atome durch Elektronenkollision ionisiert, wodurch die Zahl der Ladungsträger anwächst. Wird nun im Bereich der großen Konzentration des tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoffes ein elektrischer Anschluß vorgesehen, so kann dieser Effekt -nutzbar gemacht werden, und man erhält ein Halbleiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik, dessen. Schaltzeit in der Größenordnung von ΙΟ"¹² Sekunden liegt

S und bei dem das Verhältnis zwischen Durchbruchsspannung und Haltespannung groß ist. Ein so ausgebildetes Halbleiterbauelement ist deshalb vorzüglich als Schaltelement geeignet. Es weist zusätzlich den Vorteil auf, daß der Leckstrom in gesperrtem

ίο Zustand äußerst klein ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,

F i g. 2 eine Spannungs-Strom-Charakteristik eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen HaIbleiterbauelements wird zunächst an Hand von F i g. 1 beschrieben. Der mit einem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotierte i-Bereich ist mit 11 bezeichnet. Die Dichte des Störstoffs ist nicht gleichmäßig, sie wird vielmehr mit zunehmendem Abstand von der Verbindungsfläche 12 und Annäherung an die Verbindungsfläche 13 geringer. Metallelektroden 14 und 15 sind mit dem Körper des Halbleiters verbunden und weisen Anschlußklemmen 16 bzw. 17 auf.

Wenn eine Gleichspannung an die Klemmen 16 und 17 gelegt wird, wird ein elektrisches Feld in den i-Bereich 11 induziert. Da der spezifische Widerstand des Bereichs in der Nähe der Verbindungsfläche 12 höher ist, ist das induzierte Feld in diesem Bereich entsprechend größer. Bei einer kritischen Spannung werden die Atome durch Kollision von Elektronen ionisiert, wodurch die Anzahl der Elektronen und Löcher wächst und dementsprechend der Widerstand des Bereichs 11 geringer wird. Die die Atome ionisierenden Elektronen werden von der Elektrode 14 injiziert, wenn eine negative Spanung an der Klemme 16 liegt. Wenn andererseits die Klemme 16 positiv ist, kommen diese Elektronen entweder von der rechten Seite des Bereichs 11 oder sie werden thermisch in dem Bereich erzeugt, der einen höheren spezifischen Widerstand aufweist. Auf diese Weise wird der in F i g. 2 zu erkennende negative Widerstand erzielt. Es ist zu bemerken, daß die Durchbruchsspannung Vth höher wird, wenn solche Metallelektroden mit dem Halbleitersubtrat eine Schottkysperrschicht bilden.

Selbstverständlich können die Metallelektroden auch durch n- oder p-leitende ScHicfiten'ersefzt werden. Es ist auch möglich, die Dichte des tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoffs im Gebiet nahe der Grenzfläche 13 im i-Bereich 11 größer zu machen.

Im folgenden werden Beispiele des erfindungsgemäßen Halbleiterelements beschrieben.

(1) Au wurde als Tiefpegelstörstoff von einer Seite in Ge des η-Typs mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω/cm diffundiert. Bei diesem Verfahren kann die Dichteverteilung des Störstoffs im Ge durch geeignetes Steuern der Zugabemenge des Störstoffs, der Diffusionstemperatur und der Diffusionszeit bewirkt werden. Selbst wenn Au nur von einer Seite in das Ge hinein diffundiert wird, entsteht an der anderen Seite des Halbleiters ein Bereich mit großer Dichte von Au, da Au dazu neigt, sich beim Abkühlen nach

Wärmediffusion an der Oberfläche abzusondern. Daraufhin wird der so gebildete andere Bereich durch Polieren entfernt. Es wurde dann Mo-Metall auf das Ge aufgesprüht, um Elektroden zu bilden. Die Strom (7)-Spannung(F)-Charakteristik der so erhaltenen Diode ist in F i g. 2 dargestellt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß ein negativer Widerstand sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsstromrichtung erscheint. Die Durchbruchsspannung Vth ist jedoch in einer Richtung größer. Dies ist deshalb der Fall, weil die Schottkygrenze zwischen der Elektrode 14 und dem Ge das Injizieren von Elektronen in einer Richtung erschwert.

(2) Cu wurde als tiefe Energieniveaus bildender Störstoff in Si von beiden Seiten thermisch diffundiert, das einen spezifischen Widerstand von 100 Ω/cm aufwies. Auch in diesem Fall ist es möglich, durch entsprechendes Steuern der Diffusionstemperatur und der Diffusionszeit einen Bereich mit großer Dichte von Cu auf der Oberfläche auszubilden. Eine η-Schicht kann dann durch Legieren von Au (0,8 °/o) mit Si nahe der Oberfläche gebildet werden. F i g. 3 zeigt eine auf diese Weise hergestellte Diode. In dem mit Cu dotierten i-Bereich 31 nimmt die Dichte des tiefe Energieniveaus bildenden Cu im Bereich 31 mit dem Abstand von der Grenzfläche 32 bzw. 33 nach innen ab. Mit 34 und 35 sind η-leitende Schichten, mit 36 und 37 Metallelektroden aus Au (0,8% Sb) und mit 38 und 39 die mit den Metallelektroden verbundenen Klemmen bezeichnet. Die bei dieser Diode erzielte F//-Charakteristik zeigt einen stromgesteuerten starken negativen Widerstand, der in beiden Richtungen symmetrisch ist. Auch ist die Durchbruchsspannung vierzig- bis fünfzigmal höher als bei bekannten p-i-n-Dioden.

(3) Si mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ω/cm wurde zur Herstellung eines Bauelements verwendet, das die gleiche Struktur aufwies, wie das des Beispiels (2). Mit diesem Bauelement ist es möglich, die Durchbruchsspannung in der Charakteristik des negativen Widerstands dadurch zu verändern, daß man eine Al-Metallelektrode als dritte Elektrode mit dem Teil des i-Bereichs 31 verbindet, der eine geringe Dichte des tiefe Energieniveaus erzeugenden Cu aufweist. Es wird vermutet, daß dieser Effekt dadurch erzielt wird, daß durch die dritte Elektrode eine Anzahl Träger in den i-Bereich eingebracht wird.

Selbstverständlich können außer dem erwähnten Ge und Si auch Mischlableiter, beispielsweise GaAs

5 oder GaP als Halbleitersubstrat verwendet werden. Im allgemeinen können außer Cu und Au auch Fe, Co, Ni, Zn, Mn od. dgl. als tiefe Energieniveaus erzeugende Störstoffe verwendet werden. Es ändern sich jedoch die erzeugten tiefen Energieniveaus mit

ίο der Art des Halbleitersubstrats, in das der Störstoff eingebracht wird. Ferner wirken die meisten dieser tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoffe als Akzeptoren, und die damit dotierten Halbleitersubstrate sind daher p-leitend. Durch Verbinden einer η-Schicht mit der p-Schicht wird das Verhältnis von Durchbruchsspannung zu Haltespannung merklich größer, und das Bauelement wird dadurch für Schaltelemente geeigneter.

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann für Schaltelemente, automatische Steuerschaltelemente u. dgl. verwendet werden und besitzt einen weiten Anwendungsbereich.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit negativer Widerstandscharakteristik, in dem in einem Halbleitersubstrat wenigstens ein Bereich vorhanden ist, der mit einem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotiert ist und der mit wenigstens zwei Ladungsträger injizierenden elektrischen Anschlüssen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der tiefe Energieniveaus erzeugende Störstoff ein Konzentrationsgefälle derart aufweist, daß wenigstens einer der elektrischen Anschlüsse (z. B. 14) mit einem eine große Konzentration des tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoffs aufweisenden Teil des Halbleitersubstrats (11, 31) verbunden ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den mit dem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff dotierten Bereich (31) des Halbleitersubstrats ein Bereich (34, 35) mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp angrenzt und daß dieser Bereich (34,35) mit einer ohmschen Elektrode (36,37) versehen ist (F i g. 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen