DE1591280B2 - Festkörper-Oszillatorelement - Google Patents

Description

Festkörper-Oszillatorelements mit dem einfachsten Aufbau dargestellt. Dieses Festkörper-Oszillatorelement umfaßt ein Elektrodensubstrat 11, einen dünnen Film 12 aus einem polykristallinen Halbleiter, dessen Mindestenergie im Leitungsband ein in Abhängigkeit von der Richtung im &-Raum unterschiedliches Energieniveau darstellt, und eine Elektrode 13. Es sei angenommen, daß ein elektrisches Feld von etwa 10³ bis 10⁴ V/cm zwischen den beiden Elektroden liegt; die im Leitungsband mit der geringeren Mindestenergie im Energieniveau befindlichen Elektronen werden zum Leitungsband mit der höheren Mindestenergie verlagert. Die Elektronen im Leitungsband mit dem niedrigeren Energieniveau haben eine größere Beweglichkeit und eine geringere effektive Masse, während die Elektronen im Leitungsband mit dem höheren Energieniveau eine geringere Beweglichkeit und eine größere effektive Masse haben. Aus diesem Grunde nimmt bei der Strom-Spannungs-Kennlinie des Elementes, wie aus F i g. 2 ersichtlich, der Widerstand bei einem bestimmten Spannungswert zu, so daß eine Stromsättigung auftritt. Nimmt das Feld weiterhin zu, erzeugt das Element eine Mikrowellen-Schwingung.

In F i g. 3 ist der einfachste Aufbau eines Festkörper-Oszillatorelementes dargestellt, bei dem zum Erzeugen von Mikrowellen-Schwingungen mit höherem Wirkungsgrad ein dünner, polykristalliner Film verwendet wird.

Versuche haben ergeben, daß bei Verwendung eines dünnen polykristallinen Films mit Bereichen, die im wesentlichen im rechten Winkel zum dünnen polykristallinen Film 12 gemäß F i g. 1 ausgerichtet sind, eine Mikrowellen-Schwingung mit noch höherem Wirkungsgrad erzielbar ist. Das Festkörper-Oszillatorelement gemäß F i g. 3 umfaßt ein Elektrodensubstrat 31, einen dünnen Film 32 aus einem polykristallinen Halbleiter, dessen Mindestenergie des Leitungsbands sich in Abhängigkeit von der Richtung im /c-Raum ändert, Bereiche 33, die im rechten Winkel zum dünnen Film 32 ausgerichtet sind, Bereiche 34, die nicht ausgerichtet sind, sowie eine Elektrode 35.

Es hat sich herausgestellt, daß diejenigen Bereiche, die im dünnen polykristallinen Film senkrecht zum dünnen Film ausgerichtet sind, durch Konstanthalten der Quellentemperatur während der Bildung des Films auf einem hohen Wert leicht hergestellt werden können, wenn der Film dünn vorgesehen wird.

Liegt ein elektrisches Feld von etwa 10³ V/cm bis 10* V/cm zwischen den beiden Elektroden 31 und 35, werden die Elektronen im Bereich 33, wie vorstehend beschrieben, erregt. Die Strom-Spannungs-Kennlinie entspricht in diesem Fall derjenigen von Fig. 2; bei Anlegen einer bestimmten Spannung nimmt der Widerstand zu, und dadurch findet eine Sättigung des Stromes statt. Durch weitere Zunahme des Feldes entsteht eine Mikrowellen-Schwingung.

Andererseits ist in den Bereichen 34, die nicht ausgerichtet sind, der Energieverlust verhältnismäßig groß, so daß eine solche Sättigung bis zu einem gewissen Grade vorkommen kann. Der Wirkungsgrad der Mikrowellenoszillation wird also durch Vorsehen der Bereiche 33 erhöht, die in gleicher Axialrichtung ausgerichtet sind, wie die Dicke des Films, zumindest in einem Teil des Betriebsbereiches des dünnen polykristallinen Films.

Nachfolgend wird auf ein Festkörper-Oszillatorelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen.

Man erhitzt Ga und As einer Reinheit von 99,9999% in einem Vakuum von 1O^-5 Torr in gegetrennten Tiegeln und dampft diese auf ein elektrolytisch poliertes Ta-Substrat auf; man erhält auf dem Substrat einen Galliumarsenidfilm. Wird die Temperatur der Ga-Quelle auf 1500° C oder höher angehalten, bilden sich zumindest dort Bereiche, die in der gleichen Axialrichtung ausgerichtet sind wie die Dicke des Films.

Der spezifische Widerstand, die Dicke und die Zusammensetzung des Galliumarsenidfilms sind entsprechend der Aufdampfgeschwindigkeit der Temperaturen der Ga-Quelle und der As-Quelle sowie der Aufdampfzeit veränderlich. Versuche haben gezeigt, daß, falls das Zusammensetzungsverhältnis von Ga/ As, d. h. das Verhältnis zwischen der Anzahl Ga-Atome und der Anzahl As-Atome im Galliumarsenidfilm in einem Bereich von 0,2 bis 3,0 liegt und der spezifische Widerstand 10⁵ Ohm-cm oder weniger beträgt, man ein einwandfreies Oszillatorelement erhält. Man dampft eine Au-Elektrode in einem Vakuum auf den so gebildeten polykristallinen Galliumarsenidfilm auf, bringt dann den Film in einen Hohlraumresonator und legt zum Erzielen einer Mikrowellen-Schwingung von einigen 10 GHz bis einigen 100 GHz Spannung an, wobei dieser Bereich allerdings in Abhängigkeit von der Dicke des Films und dem spezifischen Widerstand schwankt.

Als nächstes werden GaAs, Ta-Substrat und kleine Mengen von Galliumchlorid und Galliumoxid in eine Siliziumröhre mit einem Druck von 10~⁵Torr gebracht und darin bei ansteigender Temperatur belassen. Es bildet sich dann ein polykristalliner Film von sauerstoffdotiertem Galliumarsenid. Der in den Galliumarsenidfilm eindiffundierte Sauerstoff bildet ein tiefes Niveau im verbotenen Band des Gallumarsenids. Dieser Film ist ebenfalls polykristallin, und man kann durch Anwenden der oben beschriebenen Maßnahmen eine Mikrowellen-Schwingung erzeugen. Das zur Erzeugung dieser Schwingung erforderliche Feld wird niedriger, wenn eine ein tiefes Niveau bildende Verunreinigung anwesend ist. Die Verwendung von Gold als Tiefniveau-Verunreinigung führt zu einem ähnlichen Ergebnis wie Sauerstoff.

Gemäß F i g. 4 ist ein Festkörper-Oszillatorelement 42 in einen Hohlraumresonator 41 eingebracht; Elektroden 43 und 44 dienen auch als Support.

Durch Verwendung eines derartigen Oszillatorelements ist eine kontinuierliche Schwingung bei Raumtemperatur erzielbar.

In der vorstehenden Beschreibung ist nur auf einen polykristallinen Galliumarsenidfilm Bezug genommen; die gleichen Ergebnisse wurden jedoch auch mit ähnlichen Halbleitern erhalten. Als Substrat kann auch Ta, Mo, SnO₂ od. dgl. verwendet werden, und eine der Elektroden kann aus Au, Al, Sn od. dgl. bestehen.

Wie vorstehend ausführlich erläutert, ist mit dem erfindungsgemäßen Festkörper-Oszillatorelement eine Hochleistungs-Mikrowellen-Schwingung sehr hoher Frequenz erzielbar. Weitere Vorteile der Erfindung sind die leichte Fertigung des polykristallinen Films und die niedrigen Herstellungskosten, die eine weite industrielle Anwendbarkeit ergeben.

Claims (4)

Als Halbleitermaterialien, bei denen sich die Min- Patentansprüche: destenergie im Leitungsband in Abhängigkeit von der Richtung im ifc-Raum ändert, sind GaAs, GaSb

1. Festkörper-Oszillatorelement mit einer u. dgl. bekannt. Dünne polykristalline Filme dieser Halbleiterschicht in Form eines dünnen Films, 5 Halbleiter sind durch zahlreiche Verfahren erzielbar, an deren gegenüberliegenden Seiten Elektroden beispielsweise durch Vakuumaufdampfung, Dampfzum Anlegen einer Spannung angeordnet sind phasenreaktion, Flüssigphasenreaktion od. dgl. Die und deren Halbleitermaterial ein Material ist, bei Vakuumaufdampfungstechnik schließt das Verfahren dem sich die Mindestenergie des Leitungsbandes ein, bei dem die Bestandteilsatome eines Halbleiters in Abhängigkeit von der Richtung im Wellen- io zur Bildung eines Halbleiterfilms auf einem Substrat zahl-Vektorraum ändert, dadurch gekenn- in einem Vakuum zerstäubt werden, sowie das Verzeichnet, daß die Halbleiterschicht (12, 32) fahren, bei dem ein Halbleiter zur Bildung eines polykristallin ist. dünnen, polykristallinen Films auf ein Substrat in

2. Oszillatorelement nach Anspruch 1, da- einem Vakuum aufgedampft wird. Bei dem nach der durch gekennzeichnet, daß der polykristalline 15 Dampfphasenreaktion arbeitenden Verfahren wird dünne Film (12, 32) mindestens einen Bereich ein Halbleiter in den Dampf-Zustand übergeführt, (33) enthält, in welchem die kristallographischen so daß er mit einem Gas, das als Katalysator wirkt, Achsen der Kristallkörner, aus denen der dünne auf ein Substrat getragen werden kann, so daß ein Film zusammengesetzt ist, in einer Richtung im dünner polykristalliner Film entsteht. Bei dem Flüssenkrechten Winkel zur Ebene des dünnen Films 20 sigphasenreaktionsverfahren wird ein Halbleiter in ausgerichtet sind. der flüssigen Phase in Form eines polykristallinen

3. Oszillatorelement nach Anspruch 1 oder 2, Films auf ein Substrat aufgeformt.

dadurch gekennzeichnet, daß der polykristalline Das bei diesem Verfahren verwendete Substrat

dünne Halbleiterfilm (12, 32) mit einer ein tiefes kann jedes Material sein, das als Elektrode wirkt, Energieniveau bildenden Verunreinigung do- 25 einschließlich Metall und andere leitende Substanzen, tiertist. Halbleiterbauelemente, deren zwischen Elektro-

4. Oszillatorelement nach einem der An- den liegender Halbleiterkörper aus einem dünnen sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß polykristallinen Film besteht, sind an sich bekannt das Halbleitermaterial Galliumarsenid mit einem (Proceedings of the IRE 50 [1962] Juni, S. 1462 bis spezifischen Widerstand von nicht mehr als 30 1469). Diese bekannten Dünnfilm-Halbleiterbau-10⁵ Ohm-cm ist. elemente sind im wesentlichen Feldeffekttransistoren,

jedoch ist die Dünnfilmtechnik auch für die Herstellung von beispielsweise Dioden anwendbar. Der

Stand der Technik kennt jedoch noch keine Dünn-

35 film-Oszillatorelemente, die bei Anlegen eines Felds an den Film auf Grund der physikalischen Vor-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper- gänge im Halbleiter oszillieren.

Oszillatorelement mit einer Halbleiterschicht in Mit dem erfindungsgemäßen Oszillatorelement erForm eines dünnen Films, an deren gegenüberlie- zeugte Schwingungen nehmen eine Frequenz von genden Seiten Elektroden zum Anlegen einer Span- 40 einigen zehn bis zu einigen hundert Gigahertz an, nung angeordnet sind und deren Halbleitermaterial wobei bei Raumtemperatur keine besonderen Kühlein Material ist, bei dem sich die Mindestenergie des maßnahmen für das Element vorgesehen sein müssen. Leitungsbandes in Abhängigkeit von der Richtung Eine derartige Mikrowellen-Schwingung findet im Wellenzahl-Vektorraum ändert. statt, weil die Elektronen durch das angelegte Feld

Es ist bekannt, für derartige Festkörper-Elemente, 45 derart erregt werden, daß sie örtlich einen Hochmit denen eine Mikrowellen-Schwingung erzielbar Widerstandsbereich bilden, der sich seinerseits in dem ist, einen monokristallinen Halbleiter wie GaAs, Si, dünnen polykristallinen Film verlagert, oder auf Ge, InSb od. dgl. zu verwenden. Die Herstellungs- Grund der Tatsache, daß der Bereich, in dem die kosten für derartige Elemente sind dabei verhältnis- Elektronen durch das Feld in heiße Elektronen ummäßig hoch. Da überdies die geringstmögliche Dicke 5° gewandelt werden, in diesem Film schwingt. Dies ist eines solchen Einkristalls bestenfalls einige 10 Mi- jedoch nicht genau bekannt.

krön beträgt, ist die Wärmeableitung dieser Elemente Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der

mäßig, und sie können nur schwierig eine kontinuier- Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei-

liche Hochleistungsschwingung erbringen. bung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispiels-

Dazu sind jedenfalls Kühlmaßnahmen notwendig. 55 weise dargestellt, und zwar zeigt

Die erzielbare Schwingungsfrequenz liegt bestenfalls F i g. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes

in der Größenordnung von 10 GHz. Festkörper-Oszillatorelement mit dem einfachsten

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Aufbau,

Nachteile und Begrenzungen bei den bekannten Fest- F i g. 2 die Strom-Spannungs-Kennlinien des EIe-

körper-Oszillatorelementen zu beseitigen. ⁶° mentes nach F i g. 1,

Das erfindungsgemäße Oszillatorelement ist da- F i g. 3 einen Schnitt durch ein Festkörper-Oszil-

durch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht latorelement mit dem einfachsten Aufbau unter Ver-

polykristallin ist. Das verwendete Halbleitermaterial wendung eines dünnen polykristallinen Films zum

muß also im Leitungsband in der fc-Raum-Darstel- günstigeren Erzeugen einer Mikrowellen-Schwingung

lung mindestens ein Tal aufweisen, wobei mit k der 65 und

Wellenzahl-Vektor bezeichnet ist. Die entsprechen- F i g. 4 das in einen Hohlraumresonator einge-

den Zusammenhänge sind dem in der Bändertheorie brachte Element,

von Halbleitern bewanderten Fachmann geläufig. In F i g. 1 ist ein Beispiel des erfindungsgemäßen