DE1616292A1

DE1616292A1 - Gunn-Effekt Vorrichtung

Info

Publication number: DE1616292A1
Application number: DE1968N0032076
Authority: DE
Inventors: Kenneth Wilson
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-02-07
Filing date: 1968-02-06
Publication date: 1971-03-18
Also published as: FR1554237A; AT291341B; DE1616292C3; SE345554B; DE1616292B2; GB1224171A; CA943643A; ES350147A1; NL6801581A; BE710355A; DK119120B; CH480759A

Description

-Bffekt Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Gunn-Effekt Vorrichtung mit einem Halbleiterkörper der ein Gebiet des einen Leitfähigkeitstyp enthält mit zwei Kontakten die an oder, nahe einer Oberfläche des Gebietes angebracht sind und zwischen denen, beim Anlegen eines Potentiaiunte-rschieds zwischen denselben, Bezirke hoher^elektrischen Feldstarke erzeugt werden können, die von einem Kontakt zu dem anderen wandern, wobei das wirksame Gebiet der Vorrichtung zwischen den Kontakten nahe an der einen Überfläche liegt .und die Bahn der Bezirke nahezu parallel zu der

einen Oberfläche verläuft.

Unter einer Gunn-Effekt Vorrichtung wird hier

ein Halbleiterkörper oder Körperteil des einen Leitfähig-

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keitstyps verstanden, der zwei voneinander entfernte Kontakte enthält und wobei eine zwischen den Kontakten algelegte, hinreichende Spanmine eine Slektronenübertragung in dem Leitungsband hervorruft, so dass ein ne-

"5 ga,tiver Differentialwiderstand entsteht. Ein· solche Gunneffekt Vorrichtung kann einen Halbleiterkörper oder Körperteil aus leicht dotiertem η-Typ Galliumarsenid enthalten, über den ein elektrisches Feld durch Zufuhr einer geeigneten Spannung zwischen zwei voneinander entfernten Kontakten an den Körper oder Aen Körperteil erzeugt wird. Wenn das Feld einen bestimmten, kritischen öchwellenwert unterschreitet} fliesst einfach ein Gleichstrom, v/enn das Feld jedoch diesen üchwellenwert überschreitet» werden einige der Leitungselektronen des Galliumarsenids auf Energiepegel übergeführt, wo deren effektive Masse vergrössert wird. Infolgedessen nimmt der durch den Körper oder den Körperteil fliessende Strom ab; der resultierende, negative Widerstand ist unstabil und verursacht die Bildung eines Gebietes eines hohen elektrischen Feldes mit den schweren Elektronen, gewöhnlich. Bezirk genannt, während der weitere Teil des Körpers die leichten oder "normalen" Elektronen in einem den Schwellenwert unterschreitenden elektrischen Felde enthält. Im normalen Betrieb bilden sich diese Hochfeldbezirke nahe dem Kathodenkontakt, und wandern zu dem Anodenkontakt mit -einer durch die leichten Elektronen bestimmten Geschwindigkeit, wo sie erlöschen.

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Der Strom nitimt dann Momentan zu bis ein neuer Bezirk an dem Kathodenkontakt gebildet wird* Die Wellenform des Stroms besteht dabei aus einer lieihe von impulsen, deren Periode- gleich der Laufzeit des Bezirks zuzüglich einer kurzen Verzögerung beider Bildung ist. Die lmpulswiederholungsfre<iueriz wird somit durch die Länge der Vorrichtung „bestinant und daher ist diese Vorrichtung als Leistungsquelle bei Mikrowellenfrequen.zen interessant.

- iitte bekanntef Ciunn-iiffekt Vorrichtung enthält

tO' einen Halbleiterkörper Ψ*-* einem öebiet des einen LeItfähigkeitstyps mit zwei voneinander entfernten Kontakten

■ -f ""-"■'■ ''-"·■" -■ - ■■"" ■'■■-"'-■ - -■ "■" ^:" an einejr flachen Lbejrflache des Körpers.. £±ne solche Gunn-Effekt Vorrrehtößg kann iia allgemeinen eine oberflachenorientieiite iitate~E£Tekt lorridntimg genannt werden, dereh wirksames¹ Gebist zwischen-äea ofaöisehea Eontaktisn nah©- dereinen Oberf!Sehe liegt* während die^ Bahn©a der Bezirke nähe parallel su der einen OWrflache verlaufen« Die Vor- -" teile dieses Konfiguration bestehen daria, dass eine höhere Sehwingtangsfrequeiiz erzielbar ist infolge des ver- - haitnisiaäsßig geringen Äbstandee zwischen dea Eontakten auf der flaöhäfe Oberfläcae, der durch Anwendung der üb-

. licnen, in der Halbleitertechnik bekannten Herstellungs« verfahren, erzielt werden kann. Bei dieser Konfiguration kann ausserd«m mit einem Material eines bestimmten spezifischen Widerstands eine höhere Widerstand der Vorrichtung und eine Verbesserung der Leistungedissi pation

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und der Kühlung erhalten werden.

Die xlontakte sind derart ausgebildet und angeordnet, dass beim Anlegen eines Potentialunterschieds zwischen denselben eine nicht lineare Potentialverteilung in dem wirksamen Gebiet erzielt wird.

Eine solche Vorrichtung, bei der eine nichtlineare Potential verteilung in den: wirksamen Gebiet

c.

zwischen den Kontakten auftritt, kam eine oberflächenorientierte Gunn-Effekt Vorrichtung mit veränderlichem Feld genannt werden. Kine Vorrichtung mit einem im wirksamen Gebiet zwisci.en den Kontakten veränderlichen Feld kann Vorteile ergeoen, die weiter unten an Hand bevorzugter Ausführungsformen der Vorrichtung erläutert werden, in einer bevorzugten Ausführungsform einer Gunn-£jffekt Vorricntung nach der Erfindung sind die Kontakte derart ausgebildet und angeordnet, dass die Bahn der Bezirke zwischen den Kontakten nahezu senkrecht zu den Konstantfeidkonturen zwischen den Kontakten verläuft. Eine solche Vorrichtung kann einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt enthalten, deren einander zugewandte Ränder nahezu konzentrische Kreisbogen bilden* Der erste Kontakt hat vorzugsweise eine kreisförmige Gestalt, während der zweite Kontakt den ersten umgibt und einen nahezu kreisförmigen innenumfang hat, wobei das wirksame Gebiet der Vorrichtung zwischen den Kontakten nahezu ringförmig ist. Die Kontakte können in Höhlen in js^:iÄer ^:

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flachen Oberfläche des HalbleiterkQrpers untergebracht werden» in einer solchen Vorrichtung mit einer vollkommen kreisförmigen Geometrie dex Kontakte* wobei der äussere Radius des ersten, inneren Kontaktes durch R₁ g der innere Radius des zweiten, äusseren Kontaktes durch R₂ und die Dicke des wirksamen Oberfläohengebiets durch t bezeichnet werden und die Kontakte in Höhlen der Körperoberfläche mit einer Tiefe t angeordnet sind^ist die- Spannung an dem Radius fJ

wobei V die zwischiin den Kontakten angelegten spannung

ist. Das Feld an dein Radius r iöti

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'rl 1 s

dr 2 ' log (R₉)

Wenn der erste, innere Kontakt die Kathode und der zweite, äussere Kontakt die Anode ist, wird bei verhältnismässig niedrigen angelegten Spannungen das Feld den Schwellenwert nur in einem kleinen Gebiet um die Kathode überschrei- ten. Sich bildende Bezirke werden daher nur über einen kleinen Abstand wandern bevor sie erlöschen. Dies ergibt kurze Laufzeiten und somit hohe Betriebsfrequenzen z.B. höhere Mikrowellenfrequenzen über das Q-Band. Die Länge des Gebietes, in dem das Schwellenwertfeld überschritten wird, hängt von der angelegten Spannung ab. Biese Vorrichtung kann somit einen grösseren elektronischen Abatimmbereich haben. Das Feld indem Kathodengebiet kann erheblich höher gemacht werden als in dem weiteren Teil der Vorrichtung in Abhängigkeit von dem Verhältnis Rp/S..· In einer bevorzugten Aus filhrungs form wird das' Verhältnis R₂A-J sehr als 1,3» vorzugsweise mehr als 2 gewählt«

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Hierdurch werden die Stellen der Bezirkbildung genauer definiert, so dass weniger Fw-Rauschen im Ausgang auftritt.

in einer weiteren, "bevorzugten iiusführungsform einer· Gunn-Effekt Vorrichtung nach der Erfindung sind die Kontakte derart ausgebildet und angebracht, dass die Bahnen der Bezirke zwischen den Kontakten nahezu parallel zu den Konstantfeldkonturen zwischen den Kontakten verlaufen· Eine solche Vorrichtung kann zwei Kontakte enthalten, deren einander zugewandte Sander einen linearen bzw. kreisförmigen umfang haben, tfenn der Kontakt mit dem kreisförmigen Umfang einen verhältnismassig grossen ilrümmungsradius hat und als Kathode benutzt wird, ist bei niedrigen» angelegten Spannungen zwischen den Kon-

1fj takten d^as wirksame Gebiet, in dem das elektrische Feld den Schwellenwert überschreitet, auf eine begrenzte Fläche in der Nahe des kleinsten Abstandes zwischen den einander zugewandten Rändern beschränkt, in der Nähe des kathodenkontaktes gebildete Bezirke werden durch die begrenzte Fläche wandern, wo das elektrische Feld den Schwellenwert überschreitet. Bei einer zunehmenden, angelegten Spannung infolge der Zunahme der Oberfläche des wirksamen Gebietes, in der das elektrische Feld den Schwellenwert überschreitet, wandern die.Bezirke aus von dieser Oberflache in der Nähe des kleinsten Abstandea'* zwischen den einander zugewandten händern der Kontakt*.

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Einige der durch diese vergrösserte Oberfläche wandernde Bezirke können die Anode nicht erreichen, aber bei einer zunehmenden zugeführten Spannung wird die Länge längs des Randes des Anodenkontaktes, wo Bezirke erlöschen, zunehmen. In dieser Vorrichtung werden bei einer zunehmenden zugeführten Spannung die von den Bezirken zurückgelegte Strecke und der querschnitt der Bezirke zunehmen, welche beiden Faktoren die Schwingungsfrequenz'verringern. In einer Gunn-Effekt Vorrichtung mit zwei Kontakten, wobei die Anode an der dein anderen Kontakt zugewandten Seite einen linearen Umfang und die Kathode einen kreisförmigen Umfang mit verhältnismässig kleinem Krümmungsradius oder einen nicht linearen Umfang mit einer scharfen Spitze hat, entsteht gewissermassen eine Kombination der zwei begrenzenden Paktoren, wobei die Bezirkbahnen nahezu senkrecht und nahezu parallel zu den KOnstantfeldkontüren verlaufen. In der Nähe des Kathodenkontaktes gebildete Bezirke werden durch die beschränkte Fläche wandern, wo das elektrische Feld den Schwellenwert überschreitet, und in der Nähe des kleinsten Abstandes zwischen den einander zugewandten Händern. Diese Bezirke werden nahezu senkrecht zu den Konstantfeldkonturen verlaufen. Entsprechend der angelegten Spannung können dies· Bezirke den Anodenkontakt erreichen oder sie können vor dem Erreichen des Anodenkontaktte erlöschen. Bei einer zunehmenden, angelegten Spannung wird die Flache des

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Wirksamen Gebietes zwischen den Kontakten, wo das elektrische PeId den Schwellenwert überschreitet, zunehmen, wodurch die senst bsiniedrigeren angelegten Spannungen vor dem Erreichen der Anode--erloscheri den Bezirke dann die Anode erreichen, jiiine weitere Zunahme der angelegten Spannung verursacht eine Auswanderung der Bezirke von der Fläche in der Rahe des kleinsten Abstandes zwischen den einander zugewandten Kontakträndern. In dieser ver·^ grösserten Fläche werden, die Bezirke nahezu parallel zu den Konstantfeldkonturen wandern und bei einer .zunehmenden, angelegten Spannung nimmt die Länge zu, ,wo Bezirke an dem Hand des Anodenkontaktes erlöschen.

Die Kontakte können in Höhlen in einer flachen Oberfläche des Halbleiterkörpers öder Körperteiles untergebracht werden*

Der Halbleiterkörper oderwenigstens das Gebiet des einen Leitfähigkeitstyps besteht vorzugsweise aus Galliumarsenid, obgleich andere ^Materialienwie Indiumphosphid, oder Cadmiumtellürid anwendbar sind* Die Vorrichtung kann eine Halbleiterschicht aus Galliumarsenid enthalten, der epitaktleoh auf einer Unterlage z.B. aus halbisolierendem Galliumarsenid angebracht werden kann. In einer Vorrichtung mit einer epitaktischen Schicht aus Galliumarsenid, in welcher Schicht das wirksame Gebiet vorhanden ist und welche Schicht auf einer Unterlage aus halbisolierendem Galliumarsenid angebracht

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ist, können die Kontakte in Höhlen untergebracht werden, die durch die epitaktische Galliumarsenidschicht -bis zu der Unterlage verlaufen.

Die Erfindung betrifft weiter eine Schaltung

mit einer Gunn-Effekt Verrichtung vorerwähnter ürt, wobei Hittel vorgesehen sind, durch welche ein Potenzialunterschied zwischen den Kontakten mit einer solchen Polarität angelegt wird, dass das elektrische i'eld in den wirksamen Gebiet an der Kathode das elektrische Feld an der iOiode überschreitet und eine hiiireicnende Stärke hat» um an der Katnode, wenigstens in der Nähe des aüniiaalabstandes zwischen den ;-ontakten zu erzeugen. i>ie frequenz der Vorrichtung lässt sich dann einstellen durch die Zufuhr eines veränderlichen Potentialunteischieds zwischen den i'Iontakten.

Die Erfindung wird beispielsweise an Hand der Äusführungsformen und der schematischen zeichnung näher erläutert, in der

die Fig. 1 und 2 eine Draufsicht bzw. einen Schnitt des Halbleiterkörper einer oberflächen-orientierten Gunn-Effekt Vorrichtung mit veränderlichem Feld und einer Schaltung nach der Erfindung,

die Pig. 3 und 4 die Gleichspannungsänderung und die Gleichstroinfeldänderung in dem wirksamen Gebiet der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 und

die Fig. 5 bis 8 in Draufsichten die Ober-

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flächengeometrie von weiteren üusführungsformen von oberflächen-orieiitierten -uunn-jäffekt- Vorrichtungen mit veränderlichem Feld und Schaltungen nach der Erfindung zeigen.
Der Halbleiterkörper der Vorrichtung der Fig.

1 und 2 enthält eine unterlage 1 aus halbisclierendea Galliumarsenid der Abmessungent 30ü u χ 300 ,u χ JG /a Dicke. Auf einer flachen Oberfläche der Unterlage ist eine epitaktische Schicht 2 aus n-Typ Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ohm,cm. mit einer Dicke von 3/* angebracht. Die epitaktische Schicht 2 hat eine flache Oberfläche 3. in geätzten Höhlen in der Schicht 2, die sich von der Oberfläche 3 bis zu der Unterlage 1 erstrecken, sind zwei ohmische Kontakte 4 und 5 auf der Schicht 2 angebracht. Die Lontak-e 4 und 5 bestehen in diesem Falle aus Zinn, aber sie können auch aus einer Silber-Zinn Legierung, einer Gold-o'ilber-Germanium Legierung, einer Gold-Indium^Geriaanium Legierung, einer Siiber-indium-GermaniuiE. Legierung oder einer iiehrschichtenstruktur aus Gold/Germanium auflegiert auf der Schicht

2 mit. einer oberen .-Nickel schicht bester.en. Der Kontakt 4» die Kathode, ist kreisförmig mit einem Durchmesser von 10^i. per Kontakt 5, die Anode* ist ringförmig mit einem Innendurchmesser von 40 /* und einem Aussendurchmesser von 50 μ, so dass Eg/B* = 4· Das ringförmige wirksame Oberflächengebiet zwischen den Kontakten 4.und 5 hat

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somit zwischen den Kontakten eine Länge von 15■ /u*

in Fig. "3 ist die Gleichspannung V des wirksamen Oberflächengebiets gegen den Radius r von der Mitte des Kathodenkontaktes aufgetragen. In Fig. 4 ist die Gleichetromfeldänderung dV/dr in dem wirksamen Oberflächengebiet .'jegen den Radius r von der hätte des Kathodenkontaktes. aufgetragen.

in den Vorrichtungen der Fig. 5 bis β sind verschiedene geometrische i-Ormen der ohmischen Kontakte angegeben für Vorrichtungen mit einer nicht linearen Potentialverteilung in dem wirksamen Gebiet, in jeder der dargestellten Vorrichtungen beträgt der minimale Abstand zwischen .den einander zugewandten Rändern der ohmischen Kontakte 12 M. Die Halbleiterkörper dieser Vorrichtungen sind nahezu ähnlich den der Pig. 1 und 2 in bezug auf die Dicke der Schicht, die spezifischen Widerstandswerte . und die Lontaktmaterialien. in den Vorrichtungen nach den. Fig. 5 bis 8 sind die Bahnen der Bezirke zwischen den Kontakten nahezu parallel zu den Konstantfeldkonturen zwischen den Kontakten gegebenenfalls mit Ausnahme einer kleinen Fläche in der Nähe des minimalen Abstanden zwischen den einander zugewandten Händern der Anoden- und Kathodenkontakte, insbesondere in den Vorrichtungen der Fig. 5» 7 und Θ, während in den Vorrichtungen naoh den Fig. 1 und 2 die Bezirkbahnen nahezu senkrecht zu den Konstantfeldkonturen verlaufen, in den Vorrichtungen

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nach den Fig, 6, 7 und 8 wird der Kontakt mit dem linearen Rand gegenüber dea: anderen Kontakt ,vorzugswveise als Anode verwendet, was in den Figuren angedeutet.ist. las wird einleuchten, dass bei Vorrichtungen nach der Erfindung, bei denen die ohmischen Kontakte in Höhlen, einer epitaktischen Schicht aus Galliumarsenid . auf einer Unterlage aus halbisolierendem Galliumarsenid ■-.. untergebracht sind, verschiedene andere Möglichkeiten vorliegen in bezug auf die Form der Höhlen in der Öchicht und das Metall der ohmisehen Kontakte. Bei Vorrichtungen, bei denen der extrinsike Widerstand behoben werden soll, können die Höhlen sieh von der Oberfläche der Schicht = bis in die Unterlage erstrecken, wobei die als jvletall*- schichten angebrachten ohmisehen Kontakte auf dem Boden der Höhlen sich längs der Wände der Höhlen erstreekjen und enden an .der Oberfläche der Schicht gerade ausserhalb der Ränder der Höhlen. Es können Leiter an den Metallschichten der Kontakte an Stellen der Oberfläche innerhalb der Höhlen angebracht werden. Wenn der extrinsike Widerstand der Vorrichtung erhöht werden soll, können die Höhlen vollständig innerhalb der epitaktischen sjchicht vorgesehen werden, so dass sie sieh nicht bis zu der Unterlage erstrecken} die' Kpntakt struktur in den Höhlen ist jedoch dieselbe. . ■ "

Claims

ΡΗ3, 31.719 Patentansprüche

1. Gunn-Effekt Vorrichtung mit einem Halbleiterkörper der ein Gebiet des einen Leitfähigkeitstyps enthält mit zwei Kontakten die an oder nahe einer überfläche des uebietes angebracht sind und zwischen denen* beim Anlegen eines Potentialuntersehieds zwischen denselben, Bezirke hoher elektrischen Feldstärke erzeugt werden können, die von einem Kontakt zu dem anderen wandern, wobei das wirksame Gebiet der Vorrichtung zwischen den Kontakten nahe an der einen Oberfläche Ii-jet ind die E«ihn der Bezirke nahezu parallel zu der einen Oberfläche verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass 4ie Kontakte derart ausgebildet und angeordnet sind, dass beim Anlegen eines Potentialuntersehieds zwischen denselben eine nici-t lineare Potentialverteilung in dem wirksamen Gebiet erzielt wird.

2, Gunn-Effekt Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Bahnen der Bezirke zwischen den Kontakten nahezu senkrecht zu den Konstantfeldkonturen zwischen den Kontakten verlaufen.

3» Gunn-Effekt Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt enthält, deren einender zugewandte Ränder, die das wirksame Gebiet bestimmen, durch nahezu konzentrische Kreisbogen gebildet werden, wobei der Hand

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des ersten Kontaktes den kleineren Krümmungsradius aufweist.

4· Gunn-Eifekt Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kontakt nahezu kreisförmig ist und der zweite Kontakt den ersten umgibt und einen nahezu ringförmigen Innenumfang hat, so dass das wirksame Gebiet zwischen den Kontakten nahezu ringförmig ist.

5. Gunn-Effekt Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontakt nahezu ringförmig ist.

6v Gunn-Effekt Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 his 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis R₀ZR₁ mehr als 1,5 beträgt, wobei R* den Radius des dem anderen Kontakt zugewandten Randes des ersten Kontaktes und R₂ den Radius des den anderen Kontakt zug·- · wandten Randes des zweiten Kontaktes bezeichnen.

7. Gunn-Effekt Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis R^/H« oehr als 2 beträgt. - ; . ' '

8. Gunn-Effekt Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ixe Kontakte derart, ausgebildet und angeordnet sind, dass die Bahnen der Bezirke zwischen den Kontakten nahezu parallel zu den Konstantfeldkonturen zwischen den Kontakten verlaufen.

9. Gunn-Effekt Vorrichtung nach einem oder mehreren

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der Ansprüche 1 bis θ dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte in Höhlen in einer flachen Oberfläche des Halbleiterkörpers untergebracht sind.

1C. Gunn-£ffekt Vorrichtung nach einem oder mehreren der Einsprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Gebiet des einen Leitfähigkeitstyps aus Galliumarsenid besteht.

11. Gunn-Effekt Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Gebiet des einen Leitfähigkeit sty ps aus einer Schicht aus Galliumarsenid besteht, die epitaktisch auf einer Unterlage angebracht ist.

12. Gunn-Effekt Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage aus halbisolierendem Galliumarsenid besteht.

1J. Gunn-Effekt Vorrichtung nach Anspruch 12 und .•.nspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Höhlen mit den Kontakten sind durch die epitaktische Galliumareenid- * Schicht von der Oberfläche der epitaktischen ochicht bis zu der Unterlage aus halbisolierendem Galliumarsenid erstrecken.

14. Schaltung mit einer Gunn-Effekt Vorrichtung nach einem oder mehreren der Einsprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass r.'ättel vorgesehen sind, durch welche ein Potentialunterschied zwischen den Kontakten mit einer solchen Polarität angelegt werden kann,, dass das elek-

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trische Feld in dem wirksamen Gebiet an der cathode das elektrische Feld an der Anode überschreitet und eine hinreichende Stärke aufweist, um an der Kathode wenige stens in der Nähe des minimalert übstandes zwlsehen den kontakten Bezirke hoher Feldstärke zu erzeugen. 15. Schaltung nach Anspruch I4 dadurch gekennzeich' net, dass zur .ubstimnmng der Frequenz der ilunn^Effekt Vorrichtung ein veränderlicher Potentialuntersehied zwischen den hontakten angelegt wird.

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