DE1616292B2 - Gunneffekt-bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gunneffekt-Bauelement nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3.

Unter einem Gunneffekt-Bauelement wird hier ein Halbleiterkörper eines Leitungstyps verstanden, der zwei voneinander entfernte Kontakte besitzt und bei dem eine zwischen den Kontakten angelegte, hinreichend hohe Spannung Elektronenübergänge in das Leitungsband hervorruft, so daß ein negativer differentieller Widerstand entsteht. Ein solches Gunneffekt-Bauelement kann einen Halbleiterkörper aus leicht N-dotiertem Galliumarsenid enthalten, über den durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen zwei voneinander entfernten Kontakten ein elektrisches Feld erzeugt wird. Wenn das Feld einen bestimmten, kritischen Schwellenwert unterschreitet, fließt einfach ein Gleichstrom. Wenn das Feld jedoch diesen Schwellenwert überschreitet, werden einige der Leitungselektronen des Galliumarsenids auf Energiewerte mit vergrößerter effektiver Masse übergeführt. Infolgedessen nimmt der durch den Halbleiterkörper fließende Strom ab; der resultierende, negative differentielle Widerstand ist unstabil und verursacht die Bildung eines Gebietes eines hohen elektrischen Feldes mit den Elektronen hoher effektiver Masse, gewöhnlich Domäne genannt, während der weitere Teil des Halbleiterkörpers die Elektronen normaler effektiver Masse in einem den Schwellenwert unterschreitenden elektrischen Feld enthält. Im normalen Betrieb bilden sich diese Hochfelddomänen nahe dem Kathodenkontakt, und wandern zu dem Anodenkontakt mit einer durch die normale Elektronenbeweglichkeit bestimmten Geschwindigkeit, wo sie verschwinden.

Der Strom nimmt dann momentan zu, bis eine neue Domäne am Kathodenkontakt gebildet wird. Der Strom besteht dabei aus einer Reihe von Impulsen, deren Periode gleich der Laufzeit der Domäne zuzüglich einer kurzen Verzögerung bei der Bildung ist. Die Impulswiederholungsfrequenz wird somit durch die Länge des Halbleiterkörpers bestimmt. Ein derartiges Bauelement ist als Leistungsquelle bei Mikrowellenfrequenzen interessant. Ein solches Gunneffekt-Bauelement mit homogener Potentialverteilung das in Planarstruktur aufgebaut ist, ist z. B. aus »Engineering« (20. 8. 1965) S. 244 bekannt.

Aus »Proceedings of the IEEE« 55 (1967) 1,130/31 ist ein Gunneffekt-Bauelement der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der Halbleiterkörper, mit an zwei einander gegenüberliegenden Endflächen angebrachten ohmschen Kontakten so ausgebildet ist, daß in dem aktiven Gebiet zwischen den Kontakten eine inhomogene Feldverteilung vorhanden ist.

Ein Gunneffekt-Bauelement mit einer nicht linearen Potentialverteilung in dem aktiven Gebiet hat den Vorteil, daß die Abhängigkeit der Frequenz der erzeugten Schwingungen von der an die beiden ohmschen Kontakte angelegten Spannung wesentlich höher als bei einem Gunneffekt-Bauelement mit homogenem Feld ist.

Das bekannte Gunneffekt-Bauelement hat jedoch den Nachteil, daß dem Halbleiterkörper eine keilförmige Form gegeben werden muß, was nur mit besonders aufwendigen Bearbeitungsschritten möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gunneffekt-Bauelement mit inhomogener Feldverteilung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches sich einfacher herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird durch eine der in den Kennzeichen der Patentansprüche 1 bis 3 angegebenen Ausbildungen des Bauelements gelöst.

Bei der Ausbildung der Erfindung nach Anspruch 1 mit einer vollkommen kreisförmigen Geometrie der Kontakte, wobei der äußere Radius des ersten, inneren Kontaktes (Kathode) durch R\, der innere Radius des zweiten, äußeren Kontaktes durch R₂ und die Dicke des wirksamen Oberflächengebiets durch t bezeichnet werden und die Kontakte in Vertiefungen der Körperoberfläche mit einer Tiefe t angeordnet sind, ist die Spannung an dem Radius r gegenüber dem Kathodenkontakt:

— · log ■

JrL

wobei V_s die zwischen den Kontakten angelegte Spannung ist. Die Feldstärke am Radius rist:

dr

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 überschreiten. Sich bildende Domänen werden daher nur über einen kleinen Abstand wandern, bevor sie verschwinden. 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. Das Gunneffekt-Bauelement hat somit einen größeren elektronischen Abstimmbereich. Das Feld im Kathodengebiet kann erheblich höher gemacht werden als in dem weiteren Teil des Gunneffekt-Bauelements in Abhängigkeit von dem Verhältnis R₂IR\.

Wenn bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 der als Kreisbogen ausgebildete Kontakt einen verhältnismäßig großen Krümmungsradius hat und als Kathode benutzt wird, ist bei niedrigen, angelegten Spannungen zwischen den Kontakten das wirksame Gebiet, in dem die elektrische Feldstärke den Schwellenwert überschreitet, auf eine begrenzte Fläche in der Nähe des kleinsten Abstandes zwischen den einander zugewandten Rändern beschränkt. In der Nähe des Kathodenkontaktes gebildete Domänen werden durch die begrenzte Fläche wandern, wo die elektrische Feldstärke den Schwellenwert überschreitet. Mit zunehmender angelegter Spannung wandern infolge der Zunahme der Oberfläche des wirksamen Gebietes, in dem die elektrische Feldstärke den Schwellenwert überschreitet, die Domänen von dieser Oberfläche in der Nähe des kleinsten Abstandes zwischen den einander zugewandten Rändern der Kontakte aus.

Einige der durch diese vergrößerte Oberfläche wandernde Domänen können die Anode nicht erreichen, aber bei einer höheren angelegten Spannung wird die Länge längs des Randes des Anodenkontaktes, wo die Domänen verschwinden, zunehmen. In diesem

Gunneffekt-Bauelement werden bei einer zunehmenden angelegten Spannung die von den Domänen zurückgelegte Strecke und der Querschnitt der Domänen zunehmen; diese Faktoren verringern die Schwingungsfrequenz.

Bei der Ausgestaltung des Bauelements nach Anspruch 2 oder 3 ergibt sich eine Kombination von zwei begrenzenden Faktoren, wobei die Domänenbahnen im allgemeinen nahezu senkrecht zu den Kurven mit konstanter Feldstärke verlaufen. In der Nähe des Kathodenkontaktes gebildete Domänen werden durch die beschränkte Fläche wandern, wo das elektrische Feld den Schwellenwert überschreitet, und in der Nähe des kleinsten Abstandes zwischen den einander zugewandten Rändern. Diese Domänen werden nahezu senkrecht zu den Kurven konstanter Feldstärke verlaufen. Entsprechend der angelegten Spannung können diese Domänen den Anodenkontakt erreichen, oder sie können vor dem Erreichen des Anodenkontaktes verschwinden. Bei einer zunehmenden, angelegten Spannung wird die Fläche des wirksamen Gebietes zwischen den Kontakten, wo das elektrische Feld den Schwellenwert überschreitet, zunehmen, wodurch die sonst bei niedrigeren angelegten Spannungen vor dem Erreichen der Anode erlöschenden Domänen dann die Anode erreichen.

Bei der Ausgestaltung des Gunneffekt-Bauelements nach den Ansprüchen 4 und 5 werden die Stellen der Domänenbildung genauer definiert, so daß weniger FM-Rauschen im Ausgang auftritt.

Als Material für den Halbleiterkörper können neben Galliumarsenid auch andere Materialien wie Indiumphosphid oder Cadmiumtellurid verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und 2 eine Draufsicht bzw. einen Schnitt des Halbleiterkörpers eines oberflächenorientierten Gunneffekt-Bauelements mit veränderlicher Feldstärke nach Anspruch 1,

Fig.3 und 4 die Gleichspannungsänderung und den Feldstärkeverlauf in dem wirksamen Gebiet des Bauelements nach den F i g. 1 und 2 und

F i g. 5 bis 8 Draufsichten von weiteren Ausführungsformen von oberflächenorientierten Gunneffekt-Bauelementen mit veränderlichem Feld nach den Ansprüchen 2 und 3.

Der Halbleiterkörper des Bauelements nach Fig. 1 und 2 enthält eine Unterlage 1 aus halbisolierendem Galliumarsenid der Abmessungen:

300 μηι χ 300 μίτι χ 30 μίτι. Auf einer ebenen Oberfläche der Unterlage ist eine epitaktische Schicht 2 aus N-leitendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ohm ■ cm mit einer Dicke von 3 μηι angebracht. Die epitaktische Schicht 2 hat eine ebene Oberfläche 3. In geätzten Vertiefungen in der Schicht 2, die sich von der Oberfläche 3 bis zu der Unterlage 1 erstrecken, sind zwei ohmsche Kontakte 4 und 5 auf der Schicht 2 angebracht. Die Kontakte 4 und 5 bestehen in diesem Falle aus Zinn, aber sie können auch aus einer Silber-Zinn-Legierung, einer Gold-Silber-Germanium-Legierung, einer Gold-Indium-Germanium-Legierung, einer Silber-Indium-Germanium-Legierung oder einer auf die Schicht 2 auflegierten Mehrschichtenstruktur aus Gold/Germanium mit einer oberen Nickelschicht bestehen. Der Kontakt 4, die Kathode, ist kreisförmig mit einem Durchmesser von 10 μπι. Der Kontakt 5, die Anode, ist ringförmig mit einem Innendurchmesser von

40 μπι und einem Außendurchmesser von 50 μιτι, so daß R₂IR\ =4 ist. Das ringförmige wirksame Oberflächengebiet zwischen den Kontakten 4 und 5 hat somit zwischen den Kontakten eine Länge von 15 μιτι.

In Fig.3 ist die Gleichspannung V des wirksamen Oberflächengebiets gegen den Radius r von der Mitte des Kathodenkontaktes aufgetragen. Fig.4 ist die Feldstärke dV/dr in dem wirksamen Oberflächengebiet gegen den Radius rvon der Mitte des Kathodenkontaktes aufgetragen.

Die Fig.5 bis 8 zeigen verschiedene mögliche geometrische Formen der ohmschen Kontakte für Gunneffekt-Bauelemente nach den Ansprüchen mit einer nichtlinearen Feldverteilung in dem wirksamen Gebiet. Bei jedem der dargestellten Gunneffekt-Bauelemente beträgt der minimale Abstand zwischen den einander zugewandten Rändern der ohmschen Kontakte 12μΐη. Die Halbleiterkörper dieser Gunneffektele-

mente sind denen der Fig. 1 und 2 in bezug auf die Dicke der Schicht, die spezifischen Widerstandswerte und die Kontaktmaterialien ähnlich. Bei den Gunneffekt-Bauelementen nach den Fig.5 bis 8 verlaufen die Bahnen der Domänen zwischen den Kontakten nahezu senkrecht zu den Kurven mit konstanter Feldstärke zwischen den Kontakten, gegebenenfalls mit Ausnahme einer kleinen Fläche in der Nähe des minimalen Abstandes zwischen den einander zugewandten Rändern der Anoden- und Kathodenkontakte, insbesondere in den Gunneffekt-Bauelementen der Fig.5, 7 und 8, während bei den Gunneffekt-Bauelementen nach den Fig. 1 und 2 die Bezirkbahnen nahezu senkrecht zu den Kurven konstanter Feldstärke verlaufen. Bei den Bauelementen nach den F i g. 6, 7 und 8 wird der Kontakt mit dem linearen Rand gegenüber dem anderen Kontakt vorzugsweise als Anode verwendet, was in den Figuren angedeutet ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Gunneffekt-Bauelement mit einem Halbleiterkörper, der ein zwischen zwei ohmschen Kontakten > liegendes, aktives Gebiet aufweist, in dem nach Anlegen einer Spannung zwischen den Kontakten Domänen hoher elektrischer Feldstärke erzeugt werden, die von einem Kontakt zum anderen wandern, wobei zwischen den Kontakten eine inhomogene Potentialverteilung in dem aktiven Gebiet vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Kontaktränder als konzentrische Kreisbögen ausgebildet sind. |-,

2. Gunneffekt-Bauelement mit einem Halbleiterkörper, der ein zwischen zwei ohmschen Kontakten liegendes, aktives Gebiet aufweist, in dem nach Anlegen einer Spannung zwischen den Kontakten Domänen hoher elektrischer Feldstärke erzeugt werden, die von einem Kontakt zum anderen wandern, wobei zwischen den Kontakten eine inhomogene Potentialverteilung in dem aktiven Gebiet vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des ersten Kontaktes als Gerade und der Rand des zweiten Kontaktes als Kreisbogen mit einem geringsten Abstand zwischen beiden Kon-

* takträndern ausgebildet sind.

3. Gunneffekt-Bauelement mit einem Halbleiterkörper, der ein zwischen zwei ohmschen Kontakten jo liegendes, aktives Gebiet aufweist, in dem nach Anlegen einer Spannung zwischen den Kontakten Domänen hoher elektrischer Feldstärke erzeugt werden, die von einem Kontakt zum anderen wandern, wobei zwischen den Kontakten eine j-> inhomogene Potentialverteilung in dem aktiven Gebiet vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des ersten Kontaktes als Gerade und der Rand des zweiten Kontaktes als auf den Rand des ersten Kontaktes weisende scharfe Spitze ausgebildet sind.

4. Gunneffekt-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R₂IR] mehr als 1,3 beträgt, wobei R] den Radius des dem anderen Kontakt zugewandten Randes des ersteh v> Kontaktes und Rz den Radius des dem anderen Kontakt zugewandten Randes des zweiten Kontaktes bezeichnen.

5. Gunneffekt-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R₂IR] mehr als 2 beträgt.

6. Gunneffekt-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte in Vertiefungen in einer ebenen Oberfläche des Halbleiterkörpers untergebracht sind. >·>

7. Gunneffekt-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das aktive Gebiet aus Galliumarsenid besteht.

8. Gunneffekt-Bauelement nach Anspruch 7, ω) dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Gebiet epitaktisch auf einer Unterlage niedergeschlagen ist.

9. Gunneffekt-Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus halbisolierendem Galliumarsenid besteht. b^r>

10. Gunneffekt-Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen sich durch die epitaktische Galliumarsenid-Schicht von ihrer Oberfläche her bis zu der Unterlage aus halbisolierendem Galliumarsenid erstrecken.