DE1932759B2

DE1932759B2 - Halbleiterbauelement zum verstaerken von mikrowellen

Info

Publication number: DE1932759B2
Application number: DE19691932759
Authority: DE
Inventors: Gerard Adriaan; Vlaardingerbroek Marinus Teunis Eindhoven; Acket (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-06-29
Filing date: 1969-06-27
Publication date: 1978-02-09
Also published as: CH492344A; GB1271832A; NL6809255A; DK124155B; ES368890A1; FR2012013A1; BE735353A; DE1932759A1; DE1932759C3; NO125419B; FR2012013B1; SE355896B; US3648185A; BR6910215D0

Description

J^ y E_c- Lt₀ -f_r
2 |/ _e«o

ist, wobei E_c die kritische Feldstärke in V/m ist, oberhalb deren im Halbleitermaterial der Schicht Domänenaufbau auftreten kann, während L der Mindestabstand in m zwischen den Anschlußkontakten, ε_Γ die relative dielektrische Konstante der Schicht, edie Elektronenladung in Coulombs, no die Konzentration von Majoritätsladungsträgern der Schicht pro m³ und εο die dielektrische Konstante des Vakuums in Farad/m ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Halbleiterschicht (2) einem spezifischen Widerstand zwischen etwa 0,1 Ω · cm und etwa 10 Ω ■ cm besteht und insbesondere höchstens 1 μιη dick ist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vom Substrat abgekehrten Seite der epitaktischen Halbleiterschicht (2) eine Grenzschicht (23) angebracht ist, die eine dielektrische Konstante hat, die mindestens gleich der der epitaktischen Schicht (2) ist.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die relative dielektrische Konstante der Grenzschicht (23) mindestens zweimal größer als die der epitaktischen Halbleiterschicht (2) ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (23) Bariumtitanat, Strontiumtitanat oder Titandioxid enthält.

7. Halbleiterbauelement nach einem der vorange- _bo henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Anschlußkontakten (3,4) mindestens gleich 100 μιη ist.

8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 1,5 zwischen den Anschlußkontakten (3, 4) ein Eingangskontakt (11) und/oder ein Ausgangskontakt (12) angebracht sind.

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement zum Verstärken von Mikrowellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Halbleiterbauelement ist bekannt aus »Proc. IEEE«, 55 (1967) 5. 718/19 und wird zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Hochfrequenzsignale verwendet. Seine Wirkung gründet sich auf die Erscheinung, daß in einigen Halbleitermaterialien, z. B. Galliumarsenid, Kadmiumtellurid, Indiumphosphid und Zinkselenid, bei genügend hoher Feldstärke (Grenzwert für Galliumarsenid ca. 3,5 kV/cm) ein Übergang von Elektronen im Leitungsband von einem Zustand mit niedrigerer Energie und größerer Beweglichkeit in einen Zustand mit höherer Energie und geringerer Beweglichkeit auftritt. Infolgedessen ergibt sich über einer gewissen Spannungsstrecke ein negativer differentieller Widerstand. Dieser kann zum Verstärken elektrischer Signale benutzt werden. Die benötigte Feldstärke wird durch das Anlegen einer ausreichend hohen Gleichspannung zwischen zwei auf dem Halbleiterkörper angebrachten Anschlußkontakten, dem Kathodenkontakt und dem Anodenkontakt, erhalten.

Das obengenannte, bekannte Bauelement enthält ein stark dotiertes Substrat aus n-Ieitendem Galliumarsenid, auf dem eine sehr dünne wirksame epitaktische Schicht aus η-leitendem Galliumarsenid mit einem höheren spezifischen Widerstand als das Substrat, mit einer Donatorkonzentration von 1 · 10^l5At/cm³ und einer Dicke von einigen μιη angebracht ist. Die Anschlußkontakte werden bei diesem Bauelement einerseits durch das sehr niederohmische Substrat und andererseits durch eine auf der epitaktischen Schicht angebrachte ohmsche Elektrodenschicht gebildet. Zwischen diesen Anschlußkontakten wird die zum Einstellen eines negativen differentiellen Widerstandes erforderliche Gleichspannung angelegt, während außerdem zwischen diesen Kontakten z. B. über ein koaxiales Kabel ein Eingangswechselsignal zugeführt wird, das als ein verstärktes reflektiertes Signal über das koaxiale Kabel entnommen wird.

Unter Umständen kann bei derartigen Stukturen der obenerwähnte Übergang von Elektronen den Aufbau von Gebiexten mit hoher Feldstärke, den sogenannten Domänen, veranlassen, die sich in der wirksamen Schicht von dem Kathodenkontakt zu dem Anodenkontakt mit einer Geschwindigkeit bewegen, die annähernd der Driftgeschwindigkeit der Elektronen entspricht. Dadurch werden zwischen den Anschlußkontakten Hochfrequenzschwingungen erzeugt, die jedoch bei Bauelementen cIt oben beschriebenen Art, auf die sich die Erfindung bezieht, vermieden werden sollen. Es läßt sich errechnen, daß bei den erwähnten bekannten Bauelementen dieser Aufbau von Domänen in der epitaktischen Schicht vermieden werden kann, wenn das Produkt der Konzentration n₀ von Majoritätsladungsträgern in der epitaktischen Schicht und des Abstandes L zwischen den Anschlußkontakten einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Dabei entspricht, wenn keine äußeren Ladungsträger erzeugenden Faktoren, wie z. B. Bestrahlung, vorhanden sind, der Wert no nahezu der Dotierungskonzentration. Für eine

epitaktische Schicht aus η-leitendem Galliumarsenid, welches Halbleitermaterial in diesen Bauelementen vielfach Anwendung findet, liegt dieser Grenzwert von na ■ L in der Größenordnung von 10^1?cm~² (n» in Elektronen/cm^J und L in cm). (Siehe den bereits erwähnten Artikel in »Proceedings I.E.E.E.«.) Daher müssen bei bekannten Bauelementen sowohl die Dotierung der wirksamen epitaktischen Schicht wie auch der Abstand zwischen Kathcdc und Anode zwischen ziemlich engen Greifen liegen. iu

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement zu schaffen, bei dem das zulässige Produkt von /7o und L größer ist und damit die Nachteile der beschriebenen bekannten Bauelemente erheblich verringert werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Bauelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die eoitaktische Halbleiterschicht aus η-leitendem Galliumarsenid an ein Substrat aus halbisolierendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von mindestens lOOOOhm-cm angrenzt, dessen spezifischer Widerstand den der epitaktischen Halbleiterschicht überschreitet, und die Anschlußkontakte auf der epitaktischen Halbleiterschicht in der Schichtrichtung in einem solchen Abstand voneinander liegen, daß der Aufbau der Domänen in der epitaktischen Halbleiterschicht verhindert wird.

Das Bauelement nach der Erfindung weist u. a. den großen Vorteil auf, daß das Produkt der Konzentration no von Majoritätsladungsträgern in der epitaktischen Schicht und des Abstandes L zwischen den Anschiußkontakten erheblich größer als bei den beschriebenen bekannten Bauelementen sein kann, ohne daß ein Aufbau von Domänen auftritt. Dies läßt sich auf folgende Weise erklären. Wenn zwischen dem Katho- s^r> denkontakt und dem Anodenkontakt eine örtliche Abweichung in der Elektronendichte und somit ein Raumladungsgebiet, ζ. Β. infolge eines zwischen der Anode und der Kathode angelegten Eingangssignals, gebildet wird, wird dieses Raumladungsgebiets sich von der Kathode zu der Anode bewegen und dabei infolge des durch den Spannungsunterschied zwischen der Kathode und der Anode in der epitaktischen Halbleiterschicht erzeugten negativen differentiellen Widerstandes anwachsen. Das Anwachsen des Raumladungsgebietes soll eingeschränkt werden, weil ein zu starkes Anwachsen die obenerwähnte Bildung von Domänen mit sich bringt. Bei dem bekannten Bauelement, bei dem die epitaktische Schicht auf einem stark dotierten Substrat angebracht ist, werden die von dieser Raumladung ausgehenden elektrischen Feldlinien nahezu parallel zu dem zwischen der Anode und der Kathode angelegten Feld verlaufen und zu dem erwähnten Anwachsen der Raumladung beitragen. Daher ist bei dem bekannten Bauelement der Abstand L zwischen Anode und Kathode auf einige μΐη beschränkt, während die Dotierungskonzentration /Jo der Schicht nicht zu hoch sein darf.

Bei dem Bauelement nach der Erfindung wird jedoch ein verhältnismäßig großer Teil der von der Raumladung ausgehenden Feldlinien über das hochohmige Substrat verlaufen, wodurch die Feldstärkekomponente in Richtung der Schicht (die longitudinal Feldstärke), die das erwähnte Anwachsen des Raumladungsgebietes bestimmt, erheblich verringert wird, so daß ein b5 bedeutend größerer Abstand L zwischen den Anschlußkontakten und/oder eine bedeutend höhere Dotierungskonzentration no der wirksamen eDitaktischen Schicht angewandt werden können. Dadurch wird u. u. die Herstellung des Bauelements gemälJ der Erfindung erheblich vereinfacht.

Bei dem Bauelement nach der Erfindung wird ein erheblicher Teil der elektrischen Feldlinien von einer von dem hochohmigen Substrat gebildeten Grenzschicht absorbiert und infolgedessen die longitudinal Feldstärke in der Schicht herabgesetz'. und dies kann noch in erheblichem Masse dadurch gefördert werden, daß so viele Feldlinien wie möglich quer zur Grenzfläche zwischen der wirksamen Schicht und der Grenzschicht verlaufen, indem die dielektrischen Konstanten der wirksamen Schicht und der Grenzschichten ausgenutzt werden. Zu diesem Zweck wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Grenzschicht verwendet, die eine relative dielektrische Konstante hat, die mindestens gleich und vorzugsweise zweimal größer als die der epitaktischen Schicht ist, so daß die Feldlinien in einer Richtung quer zur Grenzfläche zwischen der epitaktischen Schicht und der Grenzschicht abgelenkt werden. Zum Beispiel kann die epitaktische Schicht aus η-leitendem Galliumarsenid bestehen, während die Grenzschicht Bariumtitanat, Strontiumtitanat oder Titandioxyd enthält.

Wenn die Dicke der wirksamen epitaktischen Schicht in bezug auf die Abmessung des Raumladungsgebietes in der Schichtrichtung groß wird, wird ein verhältnismäßig großer Teil der Feldlinien innerhalb der Schicht von der Kathode zu der Anode verlaufen. Um den Aufbau von Domänen möglichst zu verhindern, soll die Dicke der wirksamen epitaktischen Schicht erheblich kleiner und vorzugsweise zweimal kleiner als die Länge einer Domäne (von der Kathode zu der Anode gerechnet) sein, die sich bei unbeschränkter Schichtdicke bilden könnte. Diese Domänenlänge ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Es läßt sich nachweisen (siehe »Bell System Technical Journal«, Band 46, Dezember 1967, Nr. 10, S. 2257), daß die Domänenlänge nahezu gleich

ist, wobei V den Spannungsabfall in Volt über der Domäne, e._r die relative dielektrische Konstante der Schicht, na die Konzentration von Majoritätsladungsträgern in der Schicht pro m³, e die Elektronenladung in Coulombs und εο die dielektrische Konstante des Vakuums in Farad/m darstellt.

Die minimale Domänenlänge ergibt sich daher bei der kritischen Mindestfeldstärke E_a wobei im betreffenden Material Domänenaufbau auftreten kann. Es stellt sich heraus, daß in der Praxis annähernd gilt:

(H)

wobei L den (Mindest-)Abstand zwischen den Anschlußkontakten darstellt. Die minimale Domänenlänge beträgt also annähernd

en₀

(III)

Die Dicke der epitaktischen Schicht darf also höchstens gleich

en₀

sein, wobei E_c die kritische Feldstärke in V/m ist.

oberhalb deren im Halbleitermaterial der Schicht Domänenaufbau auftreten kann, während L den Mindestabstand in m zwischen den Anschlußkontakten, Er die relative dielektrische Konstante der Schicht, edie Elektronenladung in Coulomb, no die Konzentration von Majoritätsladungsträgern der Schicht pro m^J und ε₀ die dielektrische Konstante des Vakuums in Farad/m ist.

Es sei bemerkt, daß aus »Engineering«, Band 200, vom 20. August 1965, S.244 ein Bauelement bekannt ist, das ein Substrat aus halbisolierendem Galliumarsenid mit einer epitaktischen Schicht aus η-leitendem Galliumarsenid mit einer Dicke von 15 μηι enthält, auf der zwei Anschlußkontakte angebracht sind. Dieses Bauelement ist ein »Gunn-Effekt«-Oszillator, bei dem in der epitaktischen Schicht Domänenaufbau auftritt, wodurch zwischen den Anschlußkontakten elektrische Schwingungen hoher Frequenz erzeugt werden. Derartige Bauelemente, in denen Domänenaufbau auftritt, liegen aber nicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung.

Der verhältnismäßig große Kontaktabstand ermöglicht es u. a., zwischen den Anschlußkontakten eine Steuerelektrode, ζ. B. Analog der Gateelektrode eines MOS-Transistors, dadurch anzubringen, daß eine Metallschicht auf eine auf der epitaktischen Schicht angebrachte Isolierschicht aufgebracht wird. Wegen des geringen Kontaktabslandes war dies bisher bei Bauelementen der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, nicht möglich.

Bei einer Ausführungsform, bei der ein gesonderter Eingangskontakt vorhanden ist, läßt sich unabhängig vom Abstand zwischen den Anschlußkontakten eine optimale Eingangskopplung erzielen. Es läßt sich nämlich errechnen, daß eine optimale Eingangskopplung auftritt, wenn L\ etwa gleich η ■-?■ ist, wobei L\ der

J

Abstand in cm zwischen dem Eingangskontakt und dem ersten Anschlußkontakt, ν die Driftgeschwindigkeit in cm/sec der Majoritätsladungsträger in der epitaktischen Schicht, /die Frequenz der zu verstärkenden Wechselspannung und π eine ganze Zahl ist. Dabei kann für L der Abstand zwischen Kathode und Anode vollständig unabhängig von den an die Eingangskopplung zu stellenden Anforderungen ein in bezug auf die elektrischen Eigenschaften und die Dicke der epitaktischen Schicht optimaler Wert gewählt werden. Bei einer Ausführungsform, bei der nur die beiden Anschlußkontakte mit einem gegenseitigen Abstand L vorhanden sind, soll nämlich zum Erzielen einer maximalen

Verstärkung L^n ~ gewählt werden, wobei η, ν und f

J

die obenerwähnte Bedeutung haben. (Siehe »Transactions I.E.E.E.«, Band ED. 13, Januar 1966, S. 4-21, insbesondere S. 16, Fig. 9) Zwischen den Anschlußkontakten kann außer einem Eingangskontakt auch noch ein Ausgangskontakt angebracht werden. In diesem Falle kann auch unabhängig von anderen Faktoren cinn optimale Alisgangskopplung gesichert werden, für die nach Berechnungen gilt, daß der Abstand zwischen dem Ausgangskontakt und dem zweiten Anschlußkontakt nahezu gleich _ho

/ I \ r

(^m+ 2)'7

sein muß, wobei ν und f die obenerwähnte Bedeutung haben und m wieder eine ganze Zahl ist.

In bezug auf die letzteren bevorzugten Ausführungsformen sei noch bemerkt, daß aus »I.E.E.E. Transactions Electron Devices« F.D. 14, September 1967, S. 612-615 ein Halbleiterbauelement bekannt ist, das einer Halbleiterkörper aus sehr hochohmigem n-leitendem Galliumarsenid enthält, der mit Anschlußkontakten zum Einstellen eines negativen differentiellen Widerstandes und mit einem Eingangskontakt und einem Ausgangskontakt versehen ist. Dieses bekannte Bauelement ist gleich wie die letztere bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung, vom »Wanderwellen«-typ mil Verstärkung im negativen Widerstandsgebiet ohne Domänenbildung. Der Halbleiterkörper besteht dabei aber aus einem sehr schwer auf reduzierbare Weise herstellbaren homogenen Galliumarsenidkörper mil hohem spezifischem Widerstand (>100Ω ■ cm), weil im Gegensatz zu dem Bauelement nach der Erfindung dieses bekannte Bauelement, gleich wie die bereit! beschriebenen bekannten, an ein /?oL-Produkt in der Größenordnung von 1O¹²Cm-² gebunden ist, wodurch auch in diesem Falle der höchstzulässige Abstanc zwischen den Kontakten in Abhängigkeit von dei Dotierungskonzentration verhältnismäßig gering ist.

Bei dem Bauelement nach der Erfindung kanr hingegen der Abstand zwischen den Kontakten unc insbesondere der Abstand zwischen dem Eingangskon takt und dem Ausgangskontakt verhältnismäßig groß z. B. mindestens gleich 200 μιτι, gewählt werden, so daf; gegebenenfalls zwischen diesen Kontakten eine z. B. dei Gateelektrode eines MOS-Transistors analoge Steuer elektrode dadurch angebracht werden kann, daß eine Metallschicht auf eine auf der epitaktischen Schien¹ angebrachte Oxydschicht aufgebracht wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand Zeichnun gen an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiter bauelements nach der Erfindung,

Fig.2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Feldstärke E und der Stromdichte / ir Richtung der Feldstärke geteilt durch die spezifische Leitfähigkeit σο bei geringer Feldstärke für n-leitende; Galliumarsenid,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines anderer Halbleiterbauelements nach der Erfindung und

Fig.4 eine perspektivische Ansicht eines dritter Bauelements nach der Erfindung.

Der Deutlichkeit halber sind die Fig. 1, 3 und ' schematisch und nicht maßstäblich dargestellt. Die; trifft insbesondere für die Abmessungen in dei Dickenrichtung zu.

Fig. I zeigt ein Halbleiterbauelement nach dei Erfindung. Das Bauelement enthält ein Substrat 1 au: halbisolierendem Galliumarsenid mit einem spezifi sehen Widerstand von IC⁴O -cm, einer Dicke vor 75 μιη, einer Länge von 200 μιη und einer Breite vor 100 μΐη, auf dem eine epitaktische Schicht 2 au: n-lcitendem Galliumarsenid mit einem spezifischer Widerstand von 1 Ω · cm und einer Dicke von 1 μη angebracht ist. Auf der Oberseite dieser Schicht ist cir Kathodenkontakt 3 und ein Anodenkontakt 4 in Forn von legierten parallelen Zinnstreifen, angebracht.

Die Schicht 2 grenzt an eine Grenzschicht an, die be dieser Ausführungsform durch das ganze Substrat
gebildet wird. Unter Umständen kann das Substra jedoch auch ohne Bedenken aus einer stark doticrtei Grundlage 5 bestehen, auf der ein durch eine an dei Schicht 2 angrenzende Schicht 6 aus halbisolicrcndcn Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand voi 10⁴Ω · cm und einer Dicke von ζ. Β. ΙΟμπι gebildete: Grenzgebiet angebracht, wobei die beiden Substratge

biete 5 und 6 durch die strichpunktierte Linie 7 (siehe Fig. t) voneinander getrennt sind.

Der gegenseitige Abstand L der Kontakte 3 und 4 beträgt 120 μπι. In der Schicht 2 kann bei genügend hoher Gleichspannung zwischen den Kontakten 3 und 4 ein negativer differentieller Widerstand eingestellt werden. Dies ist aus Fig. 4 ersichtlich, in der für n-leilendes Galliumarsenid die Beziehung zwischen der Feldstärke E im Material und der Stromdichte J, die infolge der Feldstärke in Richtung dieser Feldstärke auftritt, dargestellt ist. Diese Stromdichte / ist ferner von der Leitfähigkeit o₍₎ des Materials für niedrige Feldstärken linear abhäbngig, so daß in F i g. 2 der Wert

J .
von — aufgetragen ist. _|5

Sowohl — wie auch E haben in Fig. 2 die "o

Dimension von kV/cm. Aus dem Verlauf der Kurve geht hervor, daß jenseits einer kritischen Feldstärke E₁ von etwa 3,5 kV/cm ein Gebiet mit negativem differentiel- 2ii lern Widerstand anfängt. Bei den oben beschriebenen Vorrichtungen beträgt daher der kritische Spannungsunterschied zwischen Kathode und Anode 0,012 · 3500 = 42 V.

Für die hier verwendete Schicht 2 aus η-leitendem 2> Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand -on 1 Ω · cm ist:

E₁= 3,5 · ΙΟ⁶ Vm-',

L= 1,210-· m, jo

ε_ο = 8,854 · 10-'² Fm-¹,

ε,-= 13,5,

e=l,6 ■ 10-'⁹C,

π_ο=1Ο²¹ m-³.

Aus Gleichung (III) ergibt sich eine minimale Domänenlänge von 5,6 μπι. Die Schicht 2 hat in diesem Reispiel eine Dicke von weniger als die Hälfte dieser minimalen Domänenlänge, wodurch die Domänenbildung gehemmt wird. Dadurch kann der verhältnismäßig große Abstand zwischen Kathode und Anode von 120μΓη angewandt werden, ohne daß die Gefahr von Domänenaufbau besteht. Das noL-Produkt beträgt in diesem Falle 1,2 · 10'³cm-², was um etwa eine Größenordnung höher als der bei den bekannten Bauelementen dieser Art zulässige Wert ist.

Das Bauelement wird auf folgende Weise betrieben (siehe Fig. 1).

Zwischen den Anschlußkontakten 3 und 4 wird in Reihe mit einer Drossel eine Gleichspannung Vi; von so 54 V angelegt. Dadurch wird in der Schicht 2 eine Feldstärke von 4,5 kV/cm zwischen der Kathode und der Anode erzeugt, wodurch der Arbeitspunkt des Bauelements (siehe F i g. 2) auf dem Punkt A fällt und somit ein negativer differentieller Widerstand zwischen v> Kathode und Anode eingestellt wird. Über ein Koaxialkabel mit einem Kern 8 und einem Mantel 9 wird unter Verwendung einer Entkopplungskapaz'ität zwischen den Kontakten 3 und 4 eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 0,8GHz (0,8 · 10^qsek-') und w> einer genügend geringen Amplitude angelegt, damit die resultierende Feldstärke stets innerhalb des Gebietes mit negativem differenticllem Widerstand bleibt. Siehe Fig. 2, in der die Feldstärkeänderung zwischen den Werten A\ und A2 um den Punkt A der Deutlichkeit halber dargestellt ist. Der Mantel 9 und die Kathode 3 werden geerdet (siehe Fig. I).

Das Eingangssignal wird in der Schicht 2 verstärkt

J5

40

45 und in verstärker Form wieder als ein reflektiertes Signal über das koaxiale Kabel (8, 9) abgeführt. Da ferner bei der angelegten Gleichspannung die Driftgeschwindigkeit i'der Elektronen von der Kathode zu der Anode etwa 10⁷ cm/sec beträgt, während der Abstand L zwischen Kathode und Anode 0,012 cm ist, ist die Frequenz des Eingangssignals, wie aus Obenstehendem

hervorgeht, nahezu gleich -=- , so daß die maximale

Verstärkung erzielt wird.

Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines anderen Bauelements nach der Erfindung. Bei diesem Bauelement bestehen das Substrat 1 und die epitaktische Schicht 2 aus den gleichen Materialien wie in Fig. I, während auch die gleichen Dicken und Dotierungen angewandt werden. Im Gegensatz zu dem Bauelement nach Fig. 1 sind aber bei dem Bauelement nach F i g. 3 zwischen dem Kathodenkontakt 3 und dem Anodenkontakt 4 ein Eingangskontakt 11 und ein Ausgangskontakt 12, gleichfalls in Form von legierten Zinnstreifen mit einer Breite von 15μπι, angebracht Dabei ist der Abstand L\ zwischen den Kontakten 3 und 11 (siehe F i g. 3) gleich 100 μηι, der Abstand a zwischen den Kontakten 11 und 12 gleich 250 μπλ und der Abstand Li zwischen den Kontakten 12 und 4 gleich 150 μίτι.

Im Betriebszustand wurde z. B. bei dem Bauelement nach F i g. 3 zwischen dem Kathodenkontakt 3 und dem Anodenkontakt 4, deren gegenseitiger Abstand, wie aus obenstehendem hervorgeht, 530 μπι beträgt, eine Gleichspannung von 240 V angelegt, damit, gleich wie im Beispiel nach Fig. 1, zum Einstellen eines Arbeitspunktes im Gebiet mit negativem Differentialwiderstand in der Schicht 2 eine Feldstärke von etwa 4,5 kV/cm erzeugt wird.

Zwischen den Kontakten 3 und 11 wird eine Eingangswechselspannung U\ über einen Entkopplungskondensator angelegt (siehe F i g. 3). Die dadurch herbeigeführte Raumladungswelle durchläuft die Schicht von der Kathode zu der Anode und wird dabei infolge des negativen Differentialwiderstandes verstärkt, wodurch zwischen den Kontakten 12 und 4 ein verstärktes Ausgangssignal U₂ gleicher Frequenz entnommen werden kann. Die Frequenz der Signale U\ und U₂ beträgt 1 GHz(10«sek-'). Da die Driftgeschwindigkeit i'der Elektronen in der Schicht 2 bei der angelegten Feldstärke 10⁷ cm/sec beträgt, gilt für die Frequenz /der Signale U\ und U₂ praktisch:

λ JL.
2 L₂ '

so daß eine optimale Eingangs- und Ausgangskopplung erhalten werden.

In Fig.4 wird ein drittes Bauelement nach der Erfindung gezeigt. Dieses Bauelement enthält ein Substrat 1 aus halbisolicrendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10⁴O- cm, aul dem eine epitaktische Schicht 2 aus n-lcitendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ω · cm und einer Dicke von 1 μπι angebracht ist. Aul dieser Schicht sind ein Kathodenkontakt 3 und ein Anodenkontakt 4 in Form von legierten Zinnstreifen angebracht.

Auf der Schicht 2 und den Kontakten 3 und 4 ist eine Schicht 23 angebracht, die aus einem Epoxydharz mit etwa 40 Vol.-% Bariumlitanat besteht. Bariumtitanat hat eine relative dielektrische Konstante, die die von

Galliumarsenid weit überschreitet, wodurch die relative dielektrische Konsante der Schicht 23 erheblich, d. h. um mindestens einen Faktor 5, höher als die der Schicht 2 ist. Bei diesem Bauelement wird die Schicht 2 somit durch ein erstes durch das Substrat 1 gebildetes Grenzgebiet und durch ein zweites durch die Schicht 23 gebildetes Grenzgebiet begrenzt. Dadurch wird der Effekt der Verringerung der Feldstärkekomponente der Raumladung in der Schichtrichtung im Vergleich z. B. zu der Vorrichtung nach Fig. 1 erheblich verstärkt. Zum Erzielen eines homogenen elektrischen Feldes in der Schicht 2 wird vorzugsweise, wie in Fig.4 angegeben, die Bariumtitanatschicht 23 sich wenigstens bis zu den Kontakten 3 und 4 erstrecken. Der Abstand L zwischen dem Kathodenkontakt 3 und dem Anodenkontakt 4 beträgt, gleich wie bei dem Bauelement nach Fig. 1, 120μιη, während auch die Länge und die Breite der Schicht 2 gleich denen der Schicht 2 in F i g. 1 sind. Das Bauelement wird auf gleiche Weise wie das Bauelement nach F i g. 1 geschaltet und betrieben.

Das Substrat kann statt aus halbisolierendem Galliumarsenid auch aus anderen Materialien oder aus einem niederohmigen Teil mit einer auf diesem angebrachten hochohmigen Schicht bestehen. Das hochohmige Substrat kann ferner mit der aktiven epitaktischen Schicht einen pn-Übergang bilden. Ferner können die Abmessungen des Bauelements und insbesondere die Geometrie der Kontakte innerhalb weiter Grenzen geändert werden, z. B. wenn statt streifenförmiger Kontakte konzentrische Kontakte verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement zum Verstärken von Mikrowellen, das eine auf einem Substrat angebrachte Halbleiterschicht aus Galliumarsenid noch höchstens 5 μΐη Dicke mit mindestens zwei AnschluBkontakten enthält, bei dem in der Halbleiterschicht bei genügend hoher Gleichspannung zwischen den Anschlußkoniakten ein negativer differ- ι ο entieller Widerstand eingestellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Halbleiterschicht (2) aus n-Ieitendem Galliumarsenid an ein Substrat (1) aus halbisolierendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von mindestens lOOOOhm-cm angrenzt, dessen spezifischer Widerstand den der epitaktischen Halbleiterschicht überschreitet, und die Anschlußkontakte auf der epitaktischen Halbleiterschicht in der Schichtrichtung in einem solchen Abstand voneinander liegen, daß der Aufbau von Domänen in der epitaktischen Halbleiterschicht verhindert wird.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der epitaktischen Halbleiterschicht (2) höchstens gleich

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein FJngangskontakt (11) und ein Ausgangskontakt (12) vorgesehen sind, deren gegenseitiger Abstand mindestens gleich 200 μιη ist.