DE1932842B2

DE1932842B2 - Laufzeitdiodenoszillator

Info

Publication number: DE1932842B2
Application number: DE19691932842
Authority: DE
Inventors: Jun-ich Dr.-Ing.; Okabe Takeaki Dipl.-Ing.; Okamoto Kotaro Dr.-Ing.; Sendai Nishizawa (Japan)
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 1968-08-01
Filing date: 1969-06-28
Publication date: 1972-08-17
Also published as: DE1932842A1; US3602840A; GB1275091A

Description

Die Erfindung betrifft einen Laufzeitdiodenoszillator mit einem Halbleiterköiper, der zwei Bereiche mit entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, die einen pn-Übeigang bilden, auf dessen beiden Seiten die Fremdstoffkonzentration über 10¹⁸ cm"³ beträgt, und mit einem hochohmigen n- oder p-Raumladungsbereich, der eine solche Länge aufweist, daß eine Phasenverschiebung von π/2 bis 3π/2 erzielt wird, und in den durch Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an den pn-Übergang Ladungsträger injiziert werden, die den Raumladungsbereich durchlaufen.

Es sind Laufzeitdiodenoszillatoren bekannt, bei denen ein Lawinendurchbruch stattfindet.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Laufzeitdiodenoszillator zu schaffen, der in der Lage ist, eine wirksame Injizierung von Ladungsträgern auch bei hohen Frequenzen oberhalb 100 GHz auszuführen, ohne eine Lawineninjizierung zu verwenden. Erfindungsgemäß wird hierfür vorgeschlagen, daß bei dem .eingangs erläuterten Laufzeitdiodenoszillator die Dicke des Teils des hohen elektrischen Feldes des Raumladungsbereiches unter 800 Ängström beträgt. Dieser Ausbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß in einer extrem schmalen Raumladungsschicht eine Lawineninjizierung nicht wirksam ausgeführt werden kann, während eine Tunnelinjizierung sehr leicht stabil ausgeführt wird.

Das Prinzip dei Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, die spezielle Beispiele zeigt, und praktische Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, in der die F i g. la, Ib und Ic Fiemdstoffverteilung, elektrische Feldverteilung und Energiebandmodell einer PNIN-Diode zeigen, die mit einem Tunnelinjizierungsübergang versehen ist. F i g. 2 ist ein Schnitt einer Punktkontaktdiode mit einem einzelnen Tunnelinjizierungsübergang. Die Fig. 3a, 3b und 3 c zeigen Fremdstoffverteilung, elektrische FeIdverteilung und Energieband einer PN-Diode der steilen Art, in der eine Tunnelinjizierung ausgeführt ist. F i g. 4a und 4b zeigen die Fremdstoffverteilung einer Übergangsdiode der steilen Art, in der eine Tunnelinjizierung an allen Orten des Übergangs ausgeführt

ίο wird. F i g. 5 zeigt eine Fremdstoffverteilung und das Energieband einer Diode mit einer Ausbildung, die sich der Ausbildung der Diode mit allmählichem Übergang nach den F i g. 4 a und 4 b annähert. F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Durchbruchspannung und dem Temperaturkoeffizient einer aufgedrückten Spannung unter der Bedingung, daß die Stromdichte 10 und 100 A/cm² ist. F i g. 7 ist ein Schnitt, der den Mittelteil eines Resonators zeigt, der bei einer Ausführungsform der Ei findung verwendet wird.

F i g. 1 a, 1 b und 1 c zeigen Fremdstoffverteilung, elektrische Feldverteilung und Energiebandmodell einer Diode mit einer Ausbildung, die der Ausbildung der Read-Diode gleichartig ist. Mit 1 ist die N-Schicht, mit 2 die I-Schicht, mit 3 die N-Schicht, mit 4 die P-Schicht bezeichnet, und mit 5 sind die Elektronen bezeichnet, die von dem Valenzband der P-Schicht zu dem Leitungsband der N-Schicht tunnelinjiziert werden. In dem PN-Übergangsteil wird der Übergang in Rückwärtsrichtung durch die Betriebsspannung voigespannt, und der Tunneldurchbruch tritt auf. Die Breite L des Bereichs des hohen elektrischen Feldes ist so gewählt, daß die Lawine nicht gut anwachsen kann.

Somit werden die Donatorendichte NDO und die

Akzeptorendichte NAO des PN-Übergangsteils bestimmt. Der durch den Tunneldurchbruch erzeugte Ladungsträger, d. h. die Elektronen laufen durch die I-Schicht, die der Hauptdurchgangsbereich ist, und wenn der Abstand Lt so bestimmt ist, daß die Phasenverschiebungsdrehung von etwa 3π/2 während dieses Durchganges erhalten werden kann, wird ein negativer Widerstand zwischen den beiden Anschlüssen erzeugt. Aus diesem Grunde muß die I-Schicht ein solches hohes elektrisches Feld haben, daß die I-Schicht durchstanzt wird und der Ladungsträger bei der gesättigten Geschwindigkeit eintrifft, wenn die I-Schicht in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, hierbei jedoch eine Elektronenlawine in dem Hauptbereich nicht auftritt. Es ist wünschenswert, daß der Rückwärtsstrom nach der Durchstanzung der I-Schicht schnell ansteigt und der Tunneldurchbruch diesem Erfordernis genügt.

Beispiele von numerischen Werten, die man mit einer Diode der Ausbildung nach F i g. 1 durch die Verwendung von Silizium erhält, sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Selbstverständlich kann die Fremdstoffverteilung der F i g. 1 auch mit anderen Halbleitern als Silizium durch die Verwendung von bekannten Verfahren erhalten werden, wie z. B. dem sogenannten Legierungs-

	Beispiel	Möglicher Bereich
NDO	5 · 10¹⁸/cm³ 2 · 10^l7cm³ 200 Ä 5 μ	10¹⁷ bis 10^Z0/cm³ 10¹⁷ bis 10²⁰/cm^:i unter 800 Ä 0,5 bis 20 μ
NAO
L ...
Lt

Nachdiffusionsverfahren, das zuerst Fremdstoffe diffundiert, die eine Leitfähigkeitsart ergeben, die gleichartig der Leitfähigkeitsart der Fremdstoffe ist, die dem Halbleiter zugegeben werden, und dann ein Legierungsmaterial einschließlich eines großen Betrages von Fremdstoffen mit einer Leitfähigkeitsart, die der besagten Leitfähigkeitsart entgegengesetzt ist, legiert und einen p-n-Übergang bildet. Auch kann das Legierungsdiffusionsverfahren angewendet werden, das ein Legieren und eine Diffusion gleichzeitig durch die Verwendung eines Legierungsmaterials mit Akzeptoren- und Donatoren-Fremdstoffen ausführt. Des weiteren kommen in Frage das Doppeldiffusionsverfahien, das Verfahren des epitaxialen Wachsens, das die vorbestimmte Fremdstoffkonzentrationsverteilung erreicht, indem während des Wachsens des Kristalls in der gasförmigen Phase Fremdstoffe in geeigneter Weise zugegeben werden, und das Rückschmelzvtrfahren.

Ein Beispiel dieser Verfahren wird nun im einzelnen beschrieben. Eine P-Schicht mit hohem Widerstand einer Dicke von 30 μ wird mit dem Verfahren des epitaxialen Wachsens auf einer P-Silizium-lrägerscheibe gebildet, die mit Bor bei einer Konzentration von 1 · 10²⁰/cm³ gedopt ist. Der spezifische Widerstand dieser epitaxialen Schicht muß über 0,5 Ohm cm liegen. Dann wird die Trägerscheibe in Pastillen von 4 mm² geschnitten. Punkte aus einer Legierung von Ag, Pb, Sb und Al, in der das Gewichtsverhältnis der Bestandteilsmetalle 20: 20: 10:1 beträgt, weruen auf den epitaxialen Schichtflächen der Pastillen angeordnet, und eine Legierung und Diffusion wird gleichzeitig auf diesen innerhalb eines Vakuums von 2·10^β bis 10 · 10-" Torr bei einer Temperatur von 950⁰C für 20 Minuten ausgeführt. Es ist hierbei eine Steuerung wichtig, so daß die Tiefe der Zwischenfläche zwischen der flüssigen Phase und der festen Phase, die in der Schicht des epitaxialen Wachsens während des Legierungsvorganges fortschreitet, der vorbestimmte Wert wird. Bei dem vorliegenden Beispiel wurde diese Tiefe 25 μ, gemacht. Als nächstes wird eine ohmsche Elektrode an der Rückfläche der Scheibe unter Verwendung einer eutektischen Legierungsfolie aus Al-Si als Lötmittel angebracht, und eine Wärmebehandlung für die Zwecke der Legierung auf einem nickelplattierten Molybdänstüek wird im Vakuum von 2 bis 10 · 10"° Torr bei einer Temperatur von 750⁰C für 10 Minuten durchgeführt. Durch Einbau der so hergestellten NPIN-Diode innerhalb eines Hohlraumresonators und durch Anlegen einer Betriebsspannung von Rechteckimpulsen in Rückwärusrichtung der Diode kann eine Mikrowellenschwingung durch Tunnelinjektion erhalten werden. Eine Schwingung mit einer Frequenz von 256 GHz und einem Ausgang von 1 mW kann mit einer Betriebsspannung von 8 V erhalten werden. Die Tatsache, daß die Ladungsträgerinjektion auf Grund des Tunnels erfolgt, wurde durch die Tatsache bestätigt, daß die Betriebsspannung bei Ansieigen der Umgebungstemperatur verringert wird.

Eine weitere Ausführungsform zur Erzeugung der Fremdstoffverteilung der F i g. 1 a wird nun gezeigt. Eine p-GaAs-Schichl mit hohem Widerstand und einer Fremdstoffkonzentration von etwa W/cm³ wird bis zu einer Dicke von 20 μ auf einer Gallium-Arsenid-Trägerscheibe (GaAs) mit einer (lOO)-Fläche gebildet, die mit Zink bei einer Konzentration von 2 · 10¹⁹/cm³ durch das Verfahren des epitaxialen Wachsens gedopt ist. Diese Scheibe wird in eine durchsichtige Quarzampulle eingesetzt, und des weiteren wird in dieser Ampulle Zink und Arsen dicht eingeschlossen, und eine Zinkdiffusion wird mit einem Vakuum von 2,'j · ΙΟ"⁶ Torr bei einer Temperatur von 85O°C 3 Stunden lang durchgeführt. Hierbei wird das Arsen in der Ampulle zu dem Zweck dicht eingeschlossen, eine Zersetzung des GaAs während der Hitzebehandlung für die Diffusion zu verhindern. Bei dieser Diffusionsbehandlung wird Zink nicht nur von der Fläche der Wachstumsschicht des GaAs, sondern auch von der Seite der mit Zink gedopten Scheibe bei hoher Konzentration in die epitaxiale Schicht mit niedriger Konzentration mit dem Ergebnis diffundiert, daß die Breite des Bereiches der niedrigen Fremdstoffkonzentration innerhalb der epitaxialen Schicht allmählich verengt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde die Breite 5 μ gemacht, jedoch kann dies in Abhängigkeit von dem Zustand des Aufbaus der Vorrichtung geändert werden. Als nächstes wird Zinn auf die Fläche der epitaxialen Schicht verdampft, um einen p-n-Übergang zu bilden, und Indium wird auf die Rückseite der Scheibe verdampft, um einen ohmschen Kontakt zu erhalten, und dann wird die Legierung ausgeführt, indem die Wärmebehandlung im Vakuum bei einer Temperatur von 500⁰C 5 Minuten lang ausgeführt wird. Dann wird die Scheibe in eine Größe von 1 mm² geschnitten, und eine NPIP-Diode wird hergestellt. Durch Befestigung dieser Diode in einem Mikrowellcnhohlraum und durch Vorspannen einer Betriebsspannung der Rückwärtsrichtung kann eine Mikrowellenschwingung durch Tunnelinjizierung erhalten werden.

Während die Diode bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform den Aufbau NPIP hat, kann eine Schwingung einer Millimeterwelle durch einen gleichartigen Vorgang mit dem Aufbau PNIN erhalten werden. Der gleichartige Vorgang kann mit dem Punktkontaktaufbau der F i g. 2 an Stelle der Fremdstoffverteilung nach der F i g. la ausgeführt werden. Gemäß F i g. 2 ist die Metallelektrode 6 mit dem Halbleiterträger 7 mit gleichrichtendem Kontakt verbunden, und die Elektrodenschicht 9 ist ohmisch mit dem Träger 7 verbunden. Durch Anlegen der Betriebsspannung zwischen den Elektroden 6 und 9 in Gegenrichtung zu dem Übergang werden Elektronen von der Seite der Metallelektrode 6 in den Raumladungsbereich 8 auf Grund des Tunneleffektes injiziert und durchlaufen den Raumladungsbereich 8. Der injizierte Träger schwächt das elektrische Feld in dem Raumladungsbereich 8 und verhindert die folgende Ladungsträgcrinjizierung. Wenn die Phase um π/2 bis 3/2 π auf Grund der Zeitverzögerung durch diesen Durchgang verzögert wird, wird ein negativer Widerstand erzeugt, ""bei dem~Beispiel der F i g. 3 wird durch Anlegen einer Betriebsspannung an einen steilen Übergang der N-Schicht 10 und der P-Schicht 11 in Rückwärtsrichtung eine Ladungsträgerinjizierung 12 in dem Mittelteil des Überganges durchgeführt, wo die Feldstärke auf Grund des Tunneleffekles am größten ist, und folglich wird die Feldstärke des Injizierungspunktes in dem Mittelteil des Überganges durch das elektrische Feld, das von dem Ladungsträger erzeugt wird, verringert, und die nachfolgende Tunnelinjizierung wird verhindert. Am Ende des Durchganges des injizierten Ladungsträgers durch den in der Zeichnung nicht dargestellten Raumladungsbereich wild die Feldstärke des Injizierungspunktes bis zu einem Wert neu gespeichert, der gi oß genug ist, um eine Tunnelinjizierung zu bewirken. Somit wird eine Slromschwingung durch

den die Tunnelinjizierung verhindernden Effekt des Ladungsträgers selbst und den Laufzeiteffekt des Ladungsträgers verursacht. Beim vorliegenden Beispiel kann eine Schwingung durch Tunnelinjizierung bewirkt werden, falls die maximale elektrische Feldstärke £»i bei umgekehrter Vorspannung groß genug ist, um einen Tunneldurchbruch zu bewiiken. und die Breite L des Raumladungsbereiches schmal genug ist, um das Wachsen einer Lawine zu verhindern. Die Schwingungsfrequenz ist durch die Breite L des Raumladungsbereichs bestimmt, und deshalb ist eine Schwingung mit einer höheren Frequenz möglich. So ist z. B. eine Schwingung mit 100 bis 1000 GHz möglich. Ein Beispiel der Fremdstoffkonzentration einer Siliziumdiode, bei der eine Schwingung durch Tunnelinjizierung beobachtet werden konnte, ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

	Beispiel	Möglicher Bereich
NA	2 · 10¹⁸/cm³ 5 · 10¹⁹/cm³ 500 Ä	10¹⁸ bis 10²¹/cm³ 10¹⁸ bis 10"/cm³ unter 800 Ä
ND
L

Der Diodenoszillator bei dem vorliegenden Beispiel wurde hergestellt, indem eine n-GaAs-Schicht auf einer Trägerscheibe aus p-Gallium-Arsenid mit einei Fremdstoffkonzentration von 10¹⁸ bis 10²⁰/cm³ durch das Lösungs-Wachs-Verfahren gewachsen ist.

Dies wild nachfolgend im einzelnen beschrieben. Die Fläche einer p-GaAs-Trägerscheibe mit einer (lOO)-Fläche, die mit Zink bei einer Konzentration von 1 · 10¹⁹/cm³ gedopt ist, wird bis zu einer Spiegelfläche durch mechanisches Polieren und chemisches Ätzen fein behandelt. Diese Trägerscheibe wird an einem Ende einer Ofenröhre aus transpai entern Quarz angeordnet, und eine gesättigte Lösung einer Legierung von 1,5 g Zinn und 1,5 g Gallium bei einer Temperatur von 710⁰C wird an dem anderen Ende angeordnet. Die flache Röhre wird so geneigt, daß das gelöste Metall die Trägerscheibe bedecken kann, und wird dann mit einer Geschwindigkeit von 10°C/Min. gekühlt, damit eine n-GaAs-Einkristallschicht mit einer Dicke von 30 μ wächst. Diese Schicht enthält Zinn mit 2 bis 5 · 10¹⁸/cm³ als Donatorenfremdstoff. Daraufhin werden beide Flächen der Scheibe leicht mit Karborundpulver eingehüllt, und dann werden ohmsche Elektroden angebracht. Die Scheibe wird z. B. zuerst mit Nickel plattiert und wird dann für etwa 10 Minuten in einem Vakuum von 10~^e Toir bei einer Temperatur von 550° C erhitzt und wird dann wieder mit Nickel plattiert und wird des weiteren vergoldet, und die Bildung der Elektrode wird vervollständigt. Als nächstes wird diese Scheibe in Quadrate oder Rechtecke geschnitten. Die Fläche dieser Pastillen kann z.B. 4-10-⁴ bis 10-⁵cm² gemacht werden. Diese Diodenpastille 19 wird dann an das Ende eines Kupferfußes 20 gelötet und in dem Resonator 21 der F i g. 7 angebracht. Dieser Resonator hat eine bewegbare KuTZSchlußplatte 22. einen £-Zweig 29 und einen F-Zweig 24, und sein Mittelteil ist mit einem Teil 25 versehen, der der Bedingung einer hohen Impedanz gegenüber der Schwingung mit niedriger Frequenz und der Bedingung einer niedrigen Impedanz gegenüber einer Schwingung mit hoher Frequenz genügt Die Höhe des Resonators beträgt 1,27 mm, die Breite 2.54 mm. und die Länge ist innerhalb des Bereiches von 60 bis 75 mm variabel. Wenn eine Impulsspannung mit einer Impulslänge von lOOnsec und 100 Impulse pro Sekunde so angelegt wurde, daß die Diode in Gegenrichtung voigespannt ist. konnte eine Schwingung von 129 GHz erhalten werden. Die Voispannungs-Stromdichte betrug 2 · 10⁵A/cm\ dei Ausgang betrug 1 mW. Die maximale Feldstärke der Raumlad ungsschicht erreichte 3 ■ 10⁶ bis 10⁷V/cm. In gleichartiger Weise wurden Dioden mit verschiedenen Betriebsspannungen hergestellt. Die Beziehung zwischen der Durchbruchsspannung VB und dem Temperaturkoeffizienten β (T) der angelegten Spannung jeder dieser Dioden unter der Bedingung, daß die Stromdichte / 10 A/cm² und 100 A/cm² beträgt, ist in F i g. 6 gezeigt. In diesem Diagramm zeigt A ein Muster, bei dem eine Schwingung von 129 GHz erhalten werden konnte, und die Tatsache, daß β (T) negativ ist, zeigt, daß der Durchbruch auf Grund des Tunneleffektes vorherrscht. Die Schwingungsstart-

ao spannung dieses Musters beträgt 35 V, jedoch ergibt sich aus der Vorwärts-Kennlinie der Diode, daß ein Serienwiderstand vorhanden ist, und falls deshalb dieser Serienwiderstand berücksichtigt wird, kann gezeigt werden, daß die vorbezeichnete Durchbruchsspannung an dem Übergang angelegt worden ist, und eine Schwingung mit einer sehr hohen Frequenz kann durch die Injizierung des Ladungsträgers auf Grund des Tunneleffektes erhalten werden. Während bei dem vorliegenden Beispiel p-GaAs beschrieben worden ist, kann derselbe Effekt durch n-GaAs oder durch die Verwendung von Si, Ge und GaP erreicht weiden.

F i g. 4 zeigt Fremdstoffverteilung und Energieband

einer Diode, in der eine Tunnelinjizierung an allen

Plätzen des Überganges ausgeführt worden ist. Bei dieser Diode bestehen nebeneinander der Injizierungsbereich und der Durchgangsbereich, und die Diode ist für eine Schwingung mit höherer Frequenz geeignet. Mit 13 und 14 sind eine η-Schicht und eine p-Schicht bezeichnet, und mit 15 sind die tunnelinjizierten Elektronen bezeichnet. Der Übergang der F i g. 4 kann durch den allmählichen Übergang der F i g. 5 a angenähert werden.

Wie sich aus der vorangehenden Erläuterung ergibt, wird gemäß der Erfindung eine umgekehrte Vorspan-

nung an einen sehi schmalen Übergang angelegt, und ein Ladungsträger wird durch den Tunneleffekt injiziert und veranlaßt, den Raumladungsbereich des Überganges zu durchlaufen, und gleichzeitig wird das maximale elektrische Feld verringert, und die nachfolgende Tunnelinjizierung wird durch das elektrische Feld verhindert, das durch den injizierten Ladungsträger erzeugt wird, und eine Schwingung mit sehi hoher Frequenz kann durch den Laufzeiteffekt de; Ladungsträgers erhalten werden. In dem Fall dei Injizierung auf Grund des Tunneleffektes ist die Durch bruchsspannung im Vergleich mit dem Fall de: Lawineninjizieiung geringer, und deshalb ist eini geringere zugeführte elektrische Energie erforderlich und deshalb kann ein Diodenoszillator mit einem seh guten Wirkungsgrad und einer hohen Betriebssicher heit realisiert werden. Ein geringer Betrag des Lawinen Stroms fließt manchmal zusammen mit dem Tunnel strom, jedoch beeinträchtigt dies nicht nachteilig di wesentliche Wirkung der Vorrichtung nach dei Ei findung. Einige der Halbleitermaterialien, die bei de Erfindung verwendet werden können, sind oben unte Bezugnahme auf die Ausführungsformen beschriebei jedoch kann im Prinzip jedes beliebige Halbleitei

il verwendet werden. Um aber den Tunneleffekt eichter darstellen zu können und den Betrieb her Frequenz ausführen zu können, ist es erhter, Halbleitermaterialien mit großer Bewegt in dem Durchgangsraum zu verwenden, und

in dieser Hinsicht sind Verbindungshalbleiter der ArI mit direktem Übergang und mit großer Beweglichkeit, wie GaAs und InSb, am besten geeignet. Außer diesen sind auch Si und Ge verwendbar, wobei Si eine höhere Stabilität als Ge hat.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

tD9 534/388

Claims

Patentanspiüche:

1. Laufzeitdiodenoszillator mit einem Halbleiterkörper, der zwei Bereiche mit entgegengesetzter Leitfähigkeit aufweist, die einen pn-Übergang bilden, auf dessen beiden Seiten die Fremdstoffkonzentration über 10¹⁸ cm~³ beträgt, und mit einem hochohmigen n- oder p-Raumladungsbereich, der eine solche Länge aufweist, daß eine Phasenverschiebung von π/2 bis 3π/2 erzielt wird, und in den durch Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an den pn-Übergang Ladungsträger injiziert werden, die den Raumladungsbereich durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Teils des hohen elektrischen Feldes des Raumladungsbereichs unter 800 Ängström betiägt.

2. Laufzeitdiodenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silizium besteht.

3. Laufzeitdiodenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Germanium besteht.

4. Laufzeitdiodenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus GaAs besteht.

5. Laufzeitdiodenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus InSb besteht.