DE1944147B2

DE1944147B2 - Halbleiterbauelement zur verstaerkung von mikrowellen

Info

Publication number: DE1944147B2
Application number: DE19691944147
Authority: DE
Inventors: Gerard Adriaan; Vlaardingerbroek Marinus Teunis; Eindhoven Acket (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-09-10
Filing date: 1969-08-30
Publication date: 1978-01-26
Also published as: SE362316B; CH518032A; US3754191A; DE1944147C3; DK124156B; FR2019419A1; GB1283395A; DE1944147A1; BE738579A; NL6812862A; ES371301A1; BR6912254D0

Description

1/2

L-,

ist, wobei £_cdie kritische Feldstärke in V/m, über die im Halbleitermaterial der Schicht Domänenbildung ,auftreten kann, L den kleinsten Abstand in m zwischen den Anschlußkontakten, ε_Γ die relative, dielektrische Konstante der Schicht, e die Elektronenladung in Coulomb, no die Konzentration an Mehrheitsladungsträgern der Schicht pro m³ und εο die dielektrische Konstante des Vakuums in F/m bezeichnen.

3. Halbleiterbauelemente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (2) eine Dicke von höchstens 1 μηι hat.

4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch gut leitende Schicht (6), vorzugsweise eine Metallschicht, durch eine auf der Halbleiterschicht angebracht isolierende Schicht (7), vorzugsweise aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid, die vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 0,1 μπι und etwa 1 μηι aufweist, von der Halbleiterschicht (2) getrennt ist.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (6) aus einem Metall besteht, das mit der Halbleiterschicht (7) einen Schottky-Übergang bildet.

6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (2) an eine zweite Halbleiterschicht (1) des entgegengesetzten Leitungstyps mit niedrigerem, spezifischem Widerstand grenzt, die elektrisch von der ersten Schicht durch eine Verarmungsschicht des durch beide Schichten gebildeten vorzugsweise in Sperrichtung geschalteten PN-Überganges getrennt ist.

7. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gut leitende Schicht (6Λ bis 6F) durch einen oder mehrere Schlitze aufgeteilt ist, die praktisch parallel zu den Äquipotentiallinien zwischen den Anschlußkontakten verlaufen.

8. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sut leitende Schicht (6) oder mindestens eine der

Teilschichten (6/4 bis 6F) mit einem Anschlußleiter versehen ist.

9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der wirksamen Halbleiterschicht (2) zwischen den Anschlußkontakten (3, 4) ein Ein- und/oder Ausgangskontakt angebracht ist.

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Ausgangskontakte durch die neben den Anschlußkontakten (3, 4) liegenden Teilschichten (6A bis 6F) gebildet werden.

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement zur Verstärkung von Mikrowellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Bauelemente sind bekannt (z. B. aus »Proc.

IEEE 55 [1967] 5, 718/19) und werden zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Signale hoher Frequenz verwendet. Sie gründen sich auf die Erscheinung, daß in bestimmten Halbleitermaterialien, z. B. in Galliumarsenid, Cadrr.iumtellurid, Indiumphosphid und Zinkselenid, bei hinreichend hoher Feldstärke (Grenzwert für Galliumarsenid etwa 3,5 kV/cm) ein Obergang von Elektronen in das Leitungsband von einem Zustand niedrigerer Energie und höherer Beweglichkeit in einen Zustand höherer Energie und niedrigerer Beweglichkeit auftritt. Infolgedessen tritt ein negativer differentieller Widerstand in einem bestimmten Spannungsbereich auf. Dieser negative differentielle Widerstand läßt sich zur Verstärkung elektrischer Signale benutzen.

Unter Umständen kann bei s.olchen Strukturen der erwähnte Übergang von Elektronen zum Aufbau von Gebieten hoher Feldstärke, sogenannten Domänen, Anlaß geben, die sich in der wirksamen Schicht von dem Kathodenkontakt zu dem Anodenkontakt mit einer Geschwindigkeit bewegen, die annähernd gleich der Driftgeschwindigkeit der Elektronen ist. Es entstehen dadurch zwischen den Anschlußkontakten Hochfrequenzschwingungen, die jedoch bei Bauelementen vorerwähnter Art, auf die sich die Erfindung bezieht, vermieden werden sollen. Die Bildung von Domänen kann verhütet werden, wenn das Produkt der Konzentration /?o von Mehrheitsladungsträgern in der Halbleiterschicht und des Abstandes L zwischen den Anschlußkontakten unterhalb eines bestimmten Grenzwertes liegt. Dies läßt sich wie folgt erklären. Wenn

so zwischen dem Kathodenkontakl und dem Anodenkontakt eine örtliche Abweichung in der mittleren Elektrodendichte und somit ein Raumladungsgebiet entsteht, z. B. infolge eines zwischen Anode und Kathode angelegten Eingangssignals, bewegt sich dieses Raumladungsgebiet von der Kathode zu der Anode und wächst dabei infolge des negativen differentiellen Widerstandes, der durch den Spannungsunterschied zwischen Kathode und Anode in der Halbleiterschicht erzeugt wird. Das Anwachsen dieses Raumladungsgebietes soll beschränkt werden, da bei einem zu starken Wachsen die vorerwähnte Domänenbildung eintritt. Bei den bekannten Bauelementen ist der Abstand L zwischen Anode und Kathode auf einige μηι beschränkt, während die Dotierungskonzentration no der Schicht nicht allzu hoch sein soll. Außerdem, wenn keine äußeren Ursachen der Erzeugung von Ladungsträgern, wie Bestrahlung, vorhanden sind, entspricht der Wert no praktisch der Dotierungskonzentration. Bei

einer epitaktischen Schicht aus N-Ieitendem Galliumarsenid, die in diesen Bauelementen häufig verwendet v.'ird, liegt dieser Grenzwert von no ■ L in der Größenordnung von 10^l2cm-² (na in Elektronen cm^J und L in cm).

Der Erfindung liegt die Aufgabe .zugrunde, auf besonders einfache Weise eine wirksame Ablenkung der von der Raumladung ausgehenden Feldlinien in einer quer zur Halbleiterschicht verlaufenden Richtung und damit eine Hemmung der Domänenbildung zu in erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art bei einem Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch beanspruchten Maßnahmen gelöst.

Es wird dabei unter Schichtwiderstand, wie üblich, der spezifische Widerstand der Schicht geteilt durch ihre Dicke verstanden. Dieser Schichtwiderstand wird in Ohm pro Quadrat angegeben.

Infolge der Anwesenheit der gut leitenden Schicht lenken sich die von der erwähnten Raumladung ausgehenden Feldlinien um einen großen Teil in einer zur Halbleiterschicht quer verlaufenden Richtung ab und verlaufen weiterhin innerhalb der gut leitenden Schicht, wodurch die bereits erwähnte günstige Wirkung, d. h. die Hemmung der Domänenbildung und somit die Vergrößerung des maximal zulässigen floL-Produktes erzielt wird.

Die in dem Bauelement nach Anspruch 1 erzielte m Ablenkung der Feldlinien ist besonders wirksam, da dk erhaltene Feldverteilung annähernd der Feldverteilung entspricht, die erreicht werden würde, wenn sich an die Halbleiterschicht ein Grenzgebiet mit einer unendlich großen dielektrischen Konstante anschließen würde.

Ein weiterer, wichtiger Vorteil des Bauelements nach Anspruch 1 besteht darin, daß bei vielen bekannten Bauelementen die von der Halbleiterschicht isolierte gut leitende Schicht praktisch ohne zusätzliche Herstellungsstufen angebracht werden können, wodurch das Bauelement durch ein sehr wenig arbeitsintensives Verfahren hergestellt werden kann.

Obgleich grundsätzlich die Halbleiterschicht aus polykristallinem Material bestehen kann, wird mit Rücksicht auf häufig an Korngrenzen auftretende Übergangswiderstände und andere Störungen eine Einkristallschicht bevorzugt.

Die Dicke der Halbleiterschicht kann nicht unbeschränkt groß gewählt werden. Wenn die Dicke der wirksamen, epitaktischen Schicht in bezug auf die Abmessung des Raumladungsgebietes in der Schichtrichtung groß ist, wird trotz der Anwesenheit der von der Halbleiterschicht isolierten gut leitenden Schicht ein verhältnismäßig großer Teil der Feldlinien innerhalb der Schicht von der Kathode zu der Anode verlaufen. Um die Bildung von Domänen möglichst zu vermeiden, soll die Dicke der wirksamen, epitaktischen Schicht erheblich kleiner und vorzugsweise mindestens zweimal kleiner als die Länge einer Domäne von der Kathode zu der Anode sein. Es kann nachgewiesen werden (siehe to »Bell System Technical-Journal« Band 46, Dezember 1967 Nr. !0 Seite 2257), daß die Domänenlänge praktisch gleich

¹ 2V_F„

ε, die relative dielektrische Konstante der Schicht, n_u die Konzentration von Mehrheitsladungstriigern in der Schicht pro cmA edie Elektronenladung in Coulomb und tu die dielektrische Konstante des Vakuums in Farad/m bezeichnen.

Die minimale Domänenlänge tritt somit auf der bei der kritischen Minimumfeldstärke E₀, bei der im betreffenden Material Domänenbildung auftreten kann. In Praxis zeigt sich, daß annähernd gilt, daß

V =

wobei L der (minimale) Abstand zwischen den Anschlußkontakten ist. Die minimale Domänenlänge beträgt also annähernd:

E_c ■ L · f_Of_r

Die Dicke der epitaktischen Schicht ist also maximal gleich:

1/2

en₀

en_n

ist, wobei Vden Spannungsabfall in Volt über die Zone, wobei £f_cdie kritische Feldstärke in Volt/m ist, oberhalb deren im Halbleitermateial der Schicht Hochfeldzonenbildung auftreten kann, L den kleinsten Abstand in m zwischen den Anschlußkontakten ε_Γ die relative dielektrische Konstante der Schicht edie Elektronenladung in Coulomb, no die Konzentration von Mehrheitsladungsträgern der Schicht pro m³ und so die dielektrische Konstante des Vakuums in Farad/m bezeichnen. Dies ergibt eine obere Grenze für das Verhältnis zwischen Schichtdicke und Kontaktabstand, unterhalb deren die Domänenbildung sehr stark gehemmt wird.

Wird die elektrisch gut leitende Schicht durch Schlitze in Teilschichten aufgeteilt, so brauchen die Schlitze und die einander zugewandten Ränder der Anoden- und Kathodenkontakte dabei selbstverständlich nicht gerade zu sein. Es können z. B. auch konzentrische Anschlußkontakte und dazu konzentrische, ringförmige Schlitze oder andere, verwickeitere goemetrische Anordnungen verwendet werden.

Die Aufteilung der elektrisch gut leitenden Schicht in Teilschichten hat den Vorteil, daß zu große Potentialsprünge über die Sperrschicht verhütet werden könne:n, da die Teilschichten zueinander verschiedene Potentiale führen werden.

Die erwähnten Teilschichten können im Betrieb elektrisch schwebend sein, in welchem FaHe das Potential jeder Teilschicht sich an das Potential des unter ihr liegenden Teiles der Halbleiterschicht anpaßt.

Die Spaltbreite zwischen benachbarten Teilschichten soll vorzugsweise so gering sein, daß in der wirksamen Halbleiterschicht zwischen diesen Teilschichten keine Domänenbildung auftreten kann oder mit anderen Worten in den Schlitzen soll der Grenzwert des vorerwähnten no Z._s-Produktes (wobei L_s die Spaltenbreite bezeichnet) nicht überschritten werden. Dies ergibt eine obere Grenze für L_s. Die minimale Spaltbreite wird selbstverständlich durch die Durchschlagspannung zwischen den Teilschichten bestimmt. Im Hinblick darauf wird in der Praxis die Spaltbreite vorzugsweise möglichst klein gewählt.

Die wirksame Halbleiterschicht besteht vorzugsweise aus N-leitendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand zwischen etwa 0,1 und 10 Ohm ■ cm.

Die Halbleiterschicht kann vorieilhafterweise auf einem Substrat aus halb isolierendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 1000 Ohm ■ cm angebracht werden, wodurch auch auf der Seite des Substrats eine zusätzliche Verstärkung der Feldlinienablenkung auftritt.

Wird auf der wirksamen Halbleiterschicht zwischen den Anschlußkontakten ein Ein- und/oder Ausgangskontakt angebracht, so wird zwischen dem Eingangskontakt und dem ersten Anschlußkontakt ein zu verstärkendes Signal zugeführt. Bei einer solchen Ausführungsform, bei der ein gesonderter Eingangskontakt vorhanden ist, kann eine optimale Eingangskopplung unabhängig von dem Abstand zwischen den Anschlußkontakten erzeilt werden. Es kann errechnet werden, daß eine möglichst günstige Eingangskopplung auftritt, wenn L\ etwa gleich π · -j ist, wobei L\ den Abstand in cm zwischen dem Eingangskontakt und dem ersten Anschlußkontakt, ν die Driftgeschwindigkeit in cm/sec der Mehrheitsladungsträger in der epitaktischen Schicht, /'die Frequenz der zu verstärkenden Wechselspannung und η eine ganze Zahl bezeichnen. Dabei kann für L, den Abstand zwischen Kathode und Anode, ganz unabhängig von den an die Eingangskopplung zu stellenden Anforderungen, ein mit Rücksicht auf die elekrischen Eigenschaften und die Dicke der epitaklischen Schicht möglichst günstiger Wert gewählt werden. Bei einer Ausführungsform, in der nur die beiden Anschlußkontakte mit einem gegenseitigen jn Abstand L vorhanden sind, muß nämlich für eine

maximale Verstärkung L»n · -r gewählt werden

wobei η, ν und f die vorerwähnte Bedeutung haben, (siehe hierzu »Transactions IEEE«, Band ED 13, Januar 1966, S. 4-21, insbesondere Seite 16, Fig. 9). Noch günstiger ist in dieser Beziehung eine Ausführungsform, bei der zwischen den Anschlußkontakten nicht nur ein Eingangskontakt sondern auch ein Ausgangskontakt vorgesehen ist. In diesem Falle kann außerdem unabhängig von anderen Faktoren eine optimale Ausgangskopplung vorgesehen werden, für die nach Berechnungen gilt, daß der Abstand zwischen dem Ausgangskontakt und dem zweiten Anschlußkontakt praktisch gleich (m+ U2) ■ -γ sein muß, wobei vund /"die ^4> vorerwähnte Bedeutung haben und f_m wieder eine ganze Zahl darstellt. Die Ein- und Ausgangskontakte können durch die neben den Anschlußkontakten liegenden Teilschichten gebildet werden. Wenn ein PN-Übergang als Sperrschicht verwendet wird, kann die zweite Schicht des der Halbleiterschicht entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit einem Anschlußleiter versehen werden und einen gemeinsamen Ein- und Ausgangskontakt des Bauelementes bilden. 5^r>

Bei der Aufteilung der gut leitenden Schicht in mehrere Tcilsehichten, von denen mindestens eine mit einem Anschlußleiter versehen ist, kann mindestens einer diese Anschlußleiter im Betrieb mit einem äußeren Potenial verbunden sein, das praktisch gleich dem wi mittleren Potential desjenigen Teiles der wirksamen Halbleiierschicht ist, auf dem die betreffende Tcilschicht angebracht ist, zuzüglich der Vorspannung über der Sperrschicht. Auf diese Weise wird die erwünschte Polentialverteiliing über die verschiedenen Teilschich- to ten sichergestellt.

Im Betriebszustand ist die gut leitende Schicht oder wenigstens eine der Tcilsehichten mit einem äußeren.

veränderlichen Potential verbunden, wodurch die Verstärkung der Vorrichtung moduliert werden kann. Wenn der betreffenden Schicht ein solches Potential zugeführt wird, daß über eine Verarmungsschicht in der wirksamen Halbleiterschicht induziert wird, wird die Verstärkung der von der Kathode zu der Anode laufenden Raumladungswelle infolge des Fehlens von Elektronen in der Verarmungsschicht verringert. Durch Änderung der Modulationsspannung kann somit Ver-Stärkungsmodulation erzielt werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Ilrfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. I schematisch und perspektivisch ein Bauelement nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch und perspektivisch ein anderes Bauelement nach der Erfindung und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines Bauelements nach der Erfindung.

Die Figuren sind schematisch und der Deutlichkeit halber sind die Abmessungen nicht maßstäblich angegeben. Dies gilt insbesondere für die Abmessungen in der Dickenrichtung.

In Fig. 1 ist schematisch und perspektivisch ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung dargestellt. Es enthält ein Substrat 1 aus halb isolierendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von 10⁴ Ohm · cm, einer Dicke von 75 μηι, einer Länge von 400 μηι und einer Breite von ΙΟΟμιτι, auf dem eine epitaktische Schicht 2 aus N-leitendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm · cm und einer Dicke von 1 μίτι angebracht ist. Auf dieser Schicht sind in der Schichtrichtung in einem Abstand voneinander zwei Anschlußkontakte, ein Kathodenkontakt 3 und ein Anodenkontakt 4 in Form legierter, paralleler Zinnstreifen angebracht.

Der Abstand L zwischen den Kontakten 3 und 4 beträgt 315 μΐη.

In der Schicht 2 kann zwischen den Kontakten 3 und A ein negativer Differentialwiderstand eingestellt werden Dazu muß zwischen diesen Kontakten eine so hohe Gleichspannung angelegt werden, daß die Feldstärke ir der Schicht einen kritischen Wert von etwa 3,5 kV/crr überschreitet. Bei dem vorliegenden Bauelement beträgt somit der kritische Spannungsunterschied zwi sehen Kathode und Anode 0,0315 · 350O=IlOV.

Auf der Halbleiterschicht 2 ist eine Goldschicht 6 mi einer Dicke von 1 μίτι angebracht, die: durch Schlitze f mit einer Breite von 5 μΐη in die Teilschichten 6A bis 6/ aufgeteilt ist, die die Form zueinander und zu der Anschlußkontakten 3 und 4 parallel verlaufendei Streifen mit einer Breite von 40μαι aufweisen. Dk Teilschichten 6 sind von der Halbleiterschicht 2 durcl eine Schicht 7 aus Siliciumnitrid mit einer Dicke vor 0.5 μηι elektrisch getrennt. Der Schichtwiderstand dei Goldschicht beträgt 2,4 · 10~² Ohm pro Quadrat und is somit erheblich geringer als der .der Galliumarsenid Schicht 2, der 10⁴ Ohm pro Quadrat beträgt.

Für die hier verwendete Schicht 2 aus N-lcitenden Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand vor 1 Ohm · cm ist:

/7	3,5 · 10" V/m¹
L =	3,15 · H)-⁴IH
Hd =	8,854 · 10 ¹²F/m
*l^;r =*	13,5
*C —*	1,6 · 10 ¹¹¹C
/Id =	10·'¹ m -'

Es folgt daraus eine minimale Domänenlänge von 11,4 μΐη. Die Schicht 2 hat in diesem Beispiel somit eine Dicke, die kleiner ist als die Hälfte dieser minimalen Domänenlänge, wodurch die Domänenbildung in hohem Maße gehemmt wird. Dies erlaubt, den verhältnismäßig großen Kathodenabstand von 315 μΐπ zu verwenden, ohne die Gefahr der Bildung einer Domäne.

Die Goldschicht 6 hat die Eigenschaft, mit N-leitendem Galliumarsenid einen Schottky-Übergang bilden zu können. Infolgedessen wird, wenn die Nitridschicht 7 Löcher aufweisen sollte, die Goldschicht keinen Kurzschluß mit dem Galliumarsenid herbeiführen, sondern durch einen Schottky-Übergang elektrisch getrennt bleiben.

Die Schlitze 5 verlaufen gemäß Äquipotentiallinien, die in dieser Struktur durch zueinander und zu den Anoden- und Kathodenkontakten 3 und 4 parallel verlaufende Linien gebildet werden, wenn eine Gleichspannung zwischen den Kontakten 3 und 4 angelegt wird.

Die Teilschichten 6/4 bis 6Fhaben alle Anschlußleiter 8 (siehe F i g. 1). Die Schichten 6ß bis 6 F sind kapazitiv mit einer äußeren, veränderlichen Modulationsspannungsquelle V_m verbunden, während sie untereinander kapazitiv durch die Kondensatoren 9 miteinander verbunden sind. Zwischen dem Kathodenkontakt 3 und der benachbarten Teilschicht 6/4 kann kapazitiv ein Eingangssignal V, zugeführt werden, während zwischen dem Anodenkontakt 4 und der benachbarten Teilschicht 6Fkapazitiv ein Ausgangssignal V_u entnommen werden kann (siehe Fig. 1).

Im Betriebszustand wird zwischen den Anschlußkontakten 3 und 4 in Reihe mit einer Drosselspule eine Gleichspannung Ve (siehe Fig. 1) von 160 V angelegt. Es entsteht infolgedessen in der Schicht 2 eine Feldstärke von 5 kV/cm zwischen Kathode 3 und Anode 4, wodurch der Arbeitspunkt des Bauelements in dem Gebiet des negativen differentiellen Widerstandes eingestellt wird. Zwischen den Kontakten 3 und 6A wird eine Eingangswechselspannung V, angelegt. Die dadurch hervorgerufene Raumladungswelle durchläuft die Schicht 2 von der Kathode zu der Anode und wird infolge des negativen Differentialwiderslandes verstärkt, wodurch zwischen den Kontakten 6Fund 4 ein verstärktes Ausgangssignal V₁, gleicher Frequenz entnommen werden kann.

Der Abstand L\ zwischen dem Kathodenkontakt 3 und der Teilschicht 6/4 beträgt 20 μιη, während der Abstand Li zwischen der Teilschicht 6F und dem Anodenkontakt 4 30 μηι beträgt. Die Frequenz der Signale K, und V₁₁ beträgt 5 GHz (5 - IC see-')· Da die Driftgeschwindigkeit ν der Elektronen in der Schicht 2 bei der angelegten Feldstärke dwa 10⁷ cm/sec beträgt, gilt für die Frequenz/"der Signale V,und V₁, praktisch:

r = L. ₌ ³ JL

so daß eine möglichst günstige Eingangs- und Ausgangskopplug erhalten werden.

Du die Schicht 6 in Tcilschichten aufgeteilt ist, wird verhütet, daß an dem Rande der Goldschicht 6 eine so hohe Spannung über der Nitridschicht 7 auftritt, daß diese durchschlägt. Das Potential jeder der Teilschichten paßt sich an das des darunter liegenden Teiles der I lalbleiterschicht 2an.

Die Mntliiliitionsspiinnung V_n, wird über die Kapazitäten 9 und 10 den Teilschichten 6S bis 6£ zugeführt, z. B. in Form von in bezug auf die Kathode negativen Spannungsimpulsen. Diese führen in der Schicht 2 Verarmungsgebiete herbei, von denen eines (11) in der Figur gestrichelt angedeutet >st. Infolgedessen wird zeitweilig örtlich die Gesamtmenge der Ladungsträger und somit die Verstärkung in der Schicht 2 verringert.

Die Bildung von Hochfeldzonen in der Schicht 2 wird nicht nur durch die Anwesenheit der Schichten 6 und 7

ίο sondern auch durch die Anwesenheit des hochohmigen Substrats 1 gehemmt. Auch dadurch können die Zwischenräume zwischen den Metallschichten 3 und 6/4 bzw. 4 und 6Fzum Erzielen einer optimalen Ein- und Auskopplung verhältnismäßig groß sein.

Das Bauelement nach Fig. 1 läßt sich wie folgt herstellen. Es wird von einer Platte halb isolierenden Galliumarsenids mit einem spezifischen Widerstand von 10⁴ Ohm · cm ausgegangen. Diese wird poliert und geätzt um eine Oberfläche mit einem Mindestmaß an Kristallfehlern zu erhalten. Auf dieser Oberfläche wird eine Schicht 2 aus N-leitendem Galliumarsenid epitaktisch aus der Dampfphase niedergeschlagen. Dies erfolgt bei etwa 750⁰C durch die Reaktion zwischen Gallium und Arsen, wobei das Gallium durch Zersetzung von Galliummonochlorid und das Arsen durch die Reduktion von Arsentrichlorid mit Wasserstoff erhalten werden. Gleichzeitig mit dem epitaktischen Niederschlagen des Galliumarsenids wird ein Donator z. B. Silicium, Tellur, Zinn oder Selen in einer solchen Menge

jo niedergeschlagen, daß eine epitaktische Schicht 2 mit einer gleichmäßigen Donatorkonzentration von etwa 10¹⁵At/cm³ gebildet wird, was einem spezifischen Widerstand von etwa 1 Ohm · cm entspricht. Das epitaktische Niederschlagen wird so lange fortgesetzt, bis eine Schicht mit einer Dicke von 1 μπι gebildet ist.

Auf der epitaktischen GaAs-Schicht 2 wird dann eine Siliciumnitrid-Schicht 7 mit einer Dicke von 0,5 μίτι angebracht. Dies kann zweckmäßig durch die Zersetzung von Hydrazin und Silan unter der Wirkung von

4i) Ultrnviolettlicht erfolgen, wobei das Galliumarsenid auf einer Temperatur von etwa 400⁰C während des Niederschiagens der Nitridschicht gehalten wird. Die Nitridschicht wird dann an den Rändern der Platte durch übliche Photoätzungstechniken entfernt, wobei

Phosphorsäure als Ätzflüssigkeit verwendet wird, um die Schicht 2 teilweise freizulegen. Auf den freigelegten Rändern der wirksamen Schicht 2 und teilweise auf der Nitridschicht werden dann Zinnstreifen 3 und 4 angebracht, die bei einer Temperatur von 650⁰C in einer Wasserstoffatmosphäre einlegiert werden. Es werden auf diese Weise ohmsche Kontakte auf der Schicht 2 gebildet.

Darauf wird eine Goldschicht mit einer Dicke von 1 μιτι durch Aufdampfen auf der Oberfläche angebracht,

Vi worauf durch übliche Photomaskicrungs- und Ätzungstechniken die Teilschichten 6A bis 6F gebildet werden. An diesen Teilschichtcn und an den Zinnstreifen 3 und 4 werden darauf Anschlußleiter befestigt, worauf das Ganze in einer passenden Hülle untergebracht wird.

wi An Stelle der Siliciumnitrid-Schicht 7 läßt sich vorteilhaft eine Sliciumoxid-Schicht anbringen. Anstatt einer Goldschicht kann für die Schicht 6, wenn auf den Vorteil des Schottky-Übergungcs im Falle von Störstellen in der Schicht 7 verzichtet wird, das gleiche Metall

(i^r> wie für die Kontakte 3 und 4 verwendet werden, in welchem Falle die Schichten 3, 4 und 6 sich gleichzeitig anbringen lassen.

Statt der Schichten 64 und 6F können auch die

ίο

Kontakte 3 und 4 als Ein- und Ausgangskontakte dienen. Es kann dabei z. B. über ein koaxiales Kabel zwischen den Kontakten 3 und 4 ein Eingangssignal zugeführt werden, das dann über die Kontakte 3 und 4 und durch das gleiche koaxiale Kabel in Form eines reflektierten, verstärkten Signals entnommen wird. Um eine günstige Eingangskopplung zu erzielen, soll gemäß vorstehendem die Frequenz des Signals vorzugsweise gleich v/L oder einem Vielfachen dieses Wertes sein. Die Driftgeschwindigkeit ν ist dabei etwa 10⁷cm/sec, der Kontaktabstand L3\5 μιη = 3,15 ■ 10-²cm und die

10⁹
optimale Frequenz γτ^- =0,32 GHz oder ein Vielfaches dieses Wertes.

Fig.2 zeigt schematisch und perspektivisch ein anderes Bauelement nach der Erfindung. Seine Struktur ist gleich der nach F i g. 1, mit dem Unterschied jedoch, daß die Isolierschicht 7 durch eine Sperrschicht ersetzt ist, die durch den Schottky-Übergang zwischen der Goldschicht 6 (in Teilschichten 6/4 bis 6Faufgeteilt) und der darunter liegenden Galliumarsenid-Schicht 2 gebildet wird. Im übrigen sind die Abmessungen und die Materialien dieser Vorrichtung gleich denen des vorhergehenden Bauelements sowie die im Betrieb benutzten Spannungen und die Frequenzen der Ein- und Ausgangssignale V,bzw. V_u.

Die Anschlußleiter der Teilschichten 6A bis 6F sind hier mit einem aus Widerständen (R], /?2, Ri) bestehenden Spannungsteiler verbunden, der derart bemessen ist, daß die Schichten 6Λ bis 6F ein äußeres Potential annehmen, das praktisch gleich dem mittleren Potential des Teiles der Halbleiterschicht 2 ist, auf dem die betreffende Teilschicht angebracht ist, zuzüglich einer negativen Spannung von einigen Volt, um den Schottky-Übergang in der Sperrichtung zu polarisieren. Auf diese Weise wird der Spannungsabfall über den Schottky-Übergang unter jeder Teilschicht auf einen Wert beschränkt, bei dem kein Durchschlag auftreten kann. Die Anzahl von Teilschichten kann entsprechend der erforderlichen Spannung zwischen Anode und Kathode höher gewählt werden.

Das Bauelement nach Fig. 2 läßt sich in vollkommen gleicher Weise wie das Bauelement nach F i g. 1 hersteilen, jedoch mit dem Unterschied, daß keine isolierende Schicht auf die Halbleiterschicht 2 aufgewachsen wird, sonderm die Goldschicht 6 direkt auf die wirksame Halbleiterschicht 2 aufgedampft wird.

Das in F i g. 3 schematisch und perspektivisch dargestellte Bauelement enthält ähnlich wie die Bauelemente nach den Fig. 1 und 2 eine N-Ieitende Galliumarsenid-Schicht 2 mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm · cm mit einem Kathodenkontakt 3 und einem Anodenkontakt 4, aber sie ist im übrigen auf etwas andere Weise aufgebaut. Das Substrat besteht hier aus einer Schicht 31 aus P-leitendem Galliumarsenid mit einer Dotierung von etwa 10^löAt/cm ^J (spezifischer Widerstand 0,001 Ohm · cm). Das gut leitende Substrat 31 wird elektrisch von der Galliumarsenid-Schicht 2 durch die Verarmungsschicht des zwischen dem Substrat 3) und der Schicht 2 gebildeten PN-Übergangs 32 getrennt (siehe Fig. 3), der im Betrieb in der Sperrichtung vorgespannt ist.

Das Substrat 31 hat eine Länge von 150 μηι, eine Breite von 100 μηι und eine Dicke von 75 μΐη. Der Abstand zwischen Kathodenkontakt 3 und Anodenkontakt 4 beträgt 100 μηι. Das Substrat 31 hat eine einlegierte Zinnschicht 33 (siehe Fig. 3) mit einem geringen Prozentsatz an Zink, weiche Zinnschicht mit dem Substrat einen ohmschen Kontakt herstellt.

Im Betrieb wird über eine Drosselspule zwischen den Kontakten 3 und 4 eine Gleichspannung von 50 V angelegt, wodurch die Feldstärke in der Schicht 2 wieder 5 kV/cm beträgt. Das Substrat 31 wird über den Kontakt 33 durch die Spannungsquelle V_s auf eine negative Spannung von 2 V in bezug auf die Kathode 3 geführt. Daher ist im Betrieb der PN-Übergang 32 überall in der Sperrichtung vorgespannt.

In diesem Beispiel bildet das Substrat 31 mit dem Kontakt 33 und dem Anschlußleiter 34 einen gemeinsamen Ein- und Ausgangskontakt des Bauelements.

Zwischen dem Substrat 31 und dem Kathodenkontakt 3 wird auf kapazitivem Wege eine Signalspannung V,-zugeführt, während zwischen dem Substrat und dem Anodenkontakt 4 ein verstärktes Signal V_u entnommen wird.

Das Bauelement nach F i g. 3 kann durch die gleichen Techniken wie bei der Herstellung der Bauelemente nach den F i g. 1 und 2 hergestellt werden, wobei jedoch in diesem Falle die Schicht 2 auf einem niederohmigen Substrat des entgegengesetzten Leitungstyps angewachsen wird und außer den Kontakten 3 und 4 auch auf der Unterseite des Substrats 31 eine Zinnschicht 33 einlegiert wird.

Es sei bemerkt, daß bei der letzten Ausführungsform statt eines Substrats 31, das ganz aus niederohmigem P-leitendem Material besteht, auch ein Substrat anderen Materials, aber mit einer Oberflächenschicht niederohmigen P-leitenden Materials verwendbar ist, auf dem die Schicht 2 angewachsen wird. Auch können das Material, auf dem die Schicht 2 aufgewachsen wird, und das Material der Schicht 2 an sich verschiedene Zusammensetzungen haben. Weiterhin lassen sich in dem Bauelement nach F i g. 3 auf der Schicht 2 ein gesonderter Eingangskontakt und ein Ausgangskontakt zwischen den Kontakten 3 und 4 statt des gemeinsamen Kontaktes 33 auf dem Substrat in diesem Beispiel anbringen. Schließlich kann über das Substrat 31 auch eine Modulationsspannung über dem PN-Übergang 32 angelegt werden, wodurch die Dicke der Verarmungsschicht in der Schicht 2 auf ähnliche Weise wie die Verarmungsschichten 11 nach Fig. 1 geändert werden kann.

Für die Schicht 2 können auch andere Materialien verwendet werden, z. B. CdTe, InP oder ZnSe. Die Strukturen brauchen weiterhin nicht rechteckig zu sein.

Es lassen sich insbesondere auch Strukturen mit einem konzentrischen Anoden- und Kathodenkontakt verwenden, wobei zwischen diesen Kontakten eine nichtlineare Potentialverteilung auftritt. Die Schlitze, die die Metallschichten 6 der Fig. 1 und 2 in Tcilschichten aufteilen, werden stets so gewählt, daß sie praktisch entsprechend den Äquipotentiallinien verlaufen. Es sei ferner bemerkt, daß die wirksame Halbleiterschicht gegebenenfalls im frei tragenden Zustand nicht nur auf einer Seite, sondern auch auf

bi) beiden Seiten mit einer Isolierung und einer gut leitenden Schicht versehen werden kann. Die Maßnahme nach der Erfindung läßt sich weiterhin in jeder möglichen Kombination mit einem bereits vorher vorgeschlagenen Grenzgebiet hohen spezifischen

h5 Widerstandes und/oder hoher dielektrischer Konstante durchführen, wie dies in den F i g. I und 2 angedeutet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement zur Verstärkung von Mikrowellen mit einer Halbleiterschicht von höchstens 5 μπι Dicke aus einer A'"B^V-Verbindung mit mindestens zwei Anschlußkontakten, bei dem in der Halbleiterschicht bei hinreichend hoher Gleichspannung zwischen den Anschlußkontakten ein negativer differentieller Widerstand eingestellt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Seite der Halbleiterschicht (2) eine von ihr isolierte elektrisch gut leitende Schicht (6) angebracht ist, die einen Schichtwiderstand aufweist, der geringer als der der Halbleiterschicht ist, und daß die Anschlußkontakte (3, 4) in der Schichtrichtung in einem solchen Abstand voneinander angebracht sind, daß in der Halbleiterschicht keine Domänen aufgebaut werden können.

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