DE1591280C3

DE1591280C3 - Festkörper-Mikrowellen-Oszillatorelement

Info

Publication number: DE1591280C3
Application number: DE19671591280
Authority: DE
Inventors: Akio Ikeda Tsuzaki Takehiro Toyonaka Yamashita, (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1966-07-08
Filing date: 1967-07-07
Publication date: 1978-01-26

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper-Mikrowellen-Oszillatorelement mit einer Halbleiterschicht in Form eines dünnen Films, an deren gegenüberliegenden Seiten Elektroden zum Anlegen einer Spannung angeordnet sind und deren Halbleitermaterial ein Material ist, bei dem sich die Mindestenergie des Leitungsbandes in Abhängigkeit von der Richtung im Wellenzahl-Vektorraum ändert.

Es ist bekannt, für derartige Festkörper-Elemente, mit denen eine Mikrowellen-Schwingung erzielbar ist, einen monokristallinen Halbleiter, wie GaAs, Si, Ge, InSb od. dgl. zu verwenden. Die Herstellungskosten für derartige Elemente sind dabei verhältnismäßig hoch. Da überdies die geringstmögliche Dicke eines solchen Einkristalls bestenfalls einige 10 μπι beträgt, ist die Wärmeableitung dieser Elemente mäßig, und sie können nur schwierig eine kontinuierliche Hochleistungsschwingung erbringen.

Dazu sind jedenfalls Kühlmaßnahmen notwendig. Die erzielbare Schwingungsfrequenz liegt bestenfalls in der Größenordnung von 10 GHz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile und Begrenzungen bei den bekannten Festkörper-Oszillatorelementen zu beseitigen.

Das erfindungsgemäße Oszillatorelement ist dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht polykristallin ist. Das verwendete Halbleitermaterial muß also im Leitungsband in der Ar-Raum-Darstellung mindestens ein Tal aufweisen, wobei mit k der Wellenzahl-Vektor bezeichnet ist. Die entsprechenden Zusammenhänge sind dem in der Bändertheorie von Halbleitern bewanderten Fachmann geläufig.

Als Halbleitermaterialien, bei denen sich die Mindestenergie im Leitungsband in Abhängigkeit von der Richtung im Ar-Raum ändert, sind GaAs, GaSb u.dgl. bekannt. Dünne polykristalline Filme dieser Halbleiter sind durch zahlreiche Verfahren erzielbar, beispielsweise durch Vakuumaufdampfung, Dampfphasenreaktion, Flüssigphasenreaktion od. dgl. Die Vakuumaufdampfungstechnik schließt das Verfahren ein, bei dem die Bestandteilsatome eines Halbleiters zur Bildung eines Halbleiterfilms auf einem Substrat in einem Vakuum zerstäubt werden, sowie das Verfahren, bei dem ein Halbleiter zur Bildung eines dünnen, polykristallinen Films auf ein Substrat in einem Vakuum aufgedampft wird. Bei dem nach der Dampfphasenreaktion arbeitenden Verfahren wird ein Halbleiter in den Dampf-Zustand übergeführt, so daß er mit einem Gas, das als Katalysator wirkt, auf ein Substrat getragen werden kann, so daß ein dünner polykristalliner Film entsteht. Bei dem Flüssigphasenreaktionsverfahren wird ein Halbleiter in der flüssigen Phase in Form eines polykristallinen Films auf ein Substrat aufgeformt.

Das bei diesem Verfahren verwendete Substrat kann jedes Material sein, das als Elektrode wirkt, einschließlich Metall und andere leitende Substanzen.

Halbleiterbauelemente, deren zwischen Elektroden liegender Halbleiterkörper aus einem dünnen polykristallinen Film besteht, sind an sich bekannt (Proceedings of the IRE 50 [1962] Juni, S. 1462 bis 1469). Diese bekannten Dünnfilm-Halbleiterbauelemente sind im wesentlichen Feldeffekttransistoren, jedoch ist die Dünnfilmtechnik auch für die Herstellung von beispielsweise Dioden anwendbar. Der Stand der Technik kennt jedoch noch keine Dünnfilm-Oszillatorelemente, die bei Anlegen eines Felds an den Film auf Grund der physikalischen Vorgänge im Halbleiter oszillieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Oszillatorelement erzeugte Schwingungen nehmen eine Frequenz von einigen zehn bis zu einigen hundert Gigahertz an, wobei bei Raumtemperatur keine besonderen Kühlmaßnahmen für das Element vorgesehen sein müssen.

Eine derartige Mikrowellen-Schwingung findet statt, weil die Elektronen durch das angelegte Feld derart erregt werden, daß sie örtlich einen Hochwiderstandsbereich bilden, der sich seinerseits in dem dünnen polykristallinen Film verlagert, oder auf Grund der Tatsache, daß der Bereich, in dem die Elektronen durch das Feld in heiße Elektronen umgewandelt werden, in diesem Film schwingt. Dies ist jedoch nicht genau bekannt.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Festkörper-Oszillatorelement mit dem einfachsten Aufbau,

F i g. 2 die Strom-Spannungs-Kennlinien des Elementes nach F ig. 1,

F i g. 3 einen Schnitt durch ein Festkörper-Oszillatorelement mit dem einfachsten Aufbau unter Verwendung eines dünnen polykristallinen Films zum günstigeren Erzeugen einer Mikrowellen-Schwingung und

F i g. 4 das in einen Hohlraumresonator eingebrachte Element.

In F i g. 1 ist ein Beispiel des erfindungsgemäßen 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 Leitungsbad ein in Abhängigkeit von der Richtung im it-Raum unterschiedliches Energieniveau darstellt, und eine Elektrode 13. Es sei angenom-

men, 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 Leistungsband mit dem höheren Energieniveau eine geringere Beweglichkeit und eine größere effektive ι ο 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 Fig. 1 ausgerichtet sind, eine Mikrowellen-Schwingung mit noch höherem Wirkungsgrad erzielbar ist. Das Festkörper-Oszillatorelement gemäß Fig.3 umfaßt ein Elektrodensubstrat 31, einen dünnen Film 32 aus einem polykristallinen Halbleiter, dessen Mindestenergie des Leitungsbandes sich in Abhängigkeit von der Richtung im Ar-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 WV/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 F i g. 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 ΙΟ-⁵ Torr in getrennten Tiegeln und dampft diese auf ein elektrolytisch poliertes Ta-Substrat auf; man erhält auf dem Substrat einen Galliumarsenidfilm. Wird die Temperatur der Ga-Quel-Ie auf 1500⁰C 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 Galliumarsenids, 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 Fig.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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Festkörper-Mikrowellen-Oszillatorelement mit einer Halbleiterschicht in Form eines dünnen Films, an deren gegenüberliegenden Seiten Elektroden zum Anlegen einer Spannung angeordnet sind und deren Halbleitermaterial ein Material ist, bei dem sich die Mindestenergie des Leitungsbandes in Abhängigkeit von der Richtung im Wellenzahl-Vektorraum ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (12,32) polykristallin ist.

2. Oszillatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der polykristalline dünne Film (12, 32) mindestens einen Bereich (33) enthält, in welchem die kristallographischen Achsen der Kristallkörner, aus denen der dünne Film zusammengesetzt ist, in einer Richtung im senkrechten Winkel zur Ebene des dünnen Films ausgerichtet sind.

3. Oszillatorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der polykristalline dünne Halbleiterfilm (12, 32) mit einer ein tiefes Energieniveau bildenden Verunreinigung dotiert ist.

4. Oszillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von nicht mehr als 10⁵ Ohm-cm ist.