DE1944147C3 - Halbleiterbauelement zur Verstärkung von Mikrowellen - Google Patents

Description

1/2

· I- ■ 'O'r ('/I₀

ist, wobei l·', die kritisch·.: I eidstärke in V/m, über die im Halbleitermaterial der Schicht Domänenbildung auftreten kann, /. den kleinsten Abstand in m zwischen den Anschlußkontakten, t, die relative, dielektrische Konstante der Schicht, <.· die Elektronenladung in Coulomb, //» die Konzentration an Mehrheitsladiingsträgerii der Schicht pro m^! und f.» die dielektrische Konstante des Vakuums in F-Viii bezeichnen.

J. Halbleiterbauelemente nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Haibleitersehichl (2) eine Dicke von höchstens I μηι hat.

4.1 lalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch gut leitende Schicht (6), vorzugsweise eine Metallschicht, durch eine auf der Halblciterschicht angebracht isolierende Schicht (7), vorzugsweise aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid, die vorzugsweise eine Dicke zwischen etwa 0,1 μιη und eiwa I μηι aufweist, von der Flalbleiterschicht (2) gelrennt ist.

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

6. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (2) an eine zweite Halblcitcrschicht (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. Flalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gut leitende Schicht (6/A bis 6f) durch einen oder mehrere Schlitze aufgeteilt ist, die praktisch parallel zu den Äqiiipotentiallinien /wischen den Anschlul.lkontakten verlaufen.

8.1 lalbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gut leitende Schicht (6) oder mindestens eine der Teilschichten (64 bis 6/) mit einem Anschlußleiter versehen ist.

9. I lalbleiterbauelemenl nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der wirksamen Halblciterschicht (2) zwischen den Anschlußkontakten (J, 4) ein Kin- und/oder Ausgangskontakt angebracht ist.

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daü die Ein- und Ausgangskontakte durch die nebenden Anschlußkontakten(J, 4) liegenden Teilschichlcn (64 bis 6F) gebildet werden.

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement zur Verstärkung von Mikrowellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Bauelemente sind bekannt (/_ U. 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, /.. B. in Galliumarsenid, Cadiniumlcllurid, Indiumphosphid und Zinkselenid, bei hinreichend hoher l'cldstärkc (Grenzwert für Galliumarsenid etwa 3,5 kV/cni) ein Übergang 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 differenlieller Widerstand in einem bestimmten Spannungsbereich auf. Dieser negative differentielle Widerstand läßt sich zur Verstärkung elektrischer Signale benutzen.

Unter Umständen kann bei solchen Strukturen der erwähnte Übergang von Elektronen /um Aufbau von Gebieten hoher Eeldstärke. sogenannten Domänen, Anlaß geben, die sich in der wirksamen Schicht von dein Kathodenkontakt zu dem Anodenkontakt mit einer Geschwindigkeit bewegen, die annähernd gleich tier Driftgeschwindigkeit der Elektronen ist. Es entstehen dadurch zwischen den Ansclilußkonlakten llochfrequenzschwingungen, 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 /in von Mehrheitsladungsträgern in der Halbleiterschicht und des Abstandes /. zwischen den Anschlußkontakten unterhalb eines bestimmten Grenzwertes liegt. Dies läßt sich wie folgt erklären. Wenn zwischen dem Kathodenkontakt und dem Anodenkontakt eine örtliche Abweichung in der mittleren Elektrodendichtc und somit ein Kaumladungsgebiet 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 differcnliellen Widerslandes, der durch den .Spannungsunterschied zwischen Kathode und Anode in der Halblciterschicht erzeugt wird. Das Anwachsen dieses Raumladungsgebictes soll beschränkt werden, da bei einem zu starken Wachsen die vorerwähnte Domänenbildung eintritt. Bei den bekannten Bauelementen ist der Abstand /. /wischen Anode und Kathode auf einige μιη beschränkt, während die Dotierungskonzentration n,, der Schicht nicht allzu hoch sein soll. Außerdem, wenn keine äußeren Ursachen der Erzeugung von Ladungsträgern, wie Bestrahlung, vorhanden sind, entspricht der Wert /;,ι praktisch tier Dotierungskonzentration. Bei

einer epitaktischen Schicht ;ius N-Ieiiciuiein Galliiimarsenid, die in diesen Bauelementen häufig verwendet wird, liegt dieser Grenzwert von n» ■ L in der Größenordnung von 10'-' cm - (n„ in Elektronen cm* 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 ve; laufenden Richtung und damit eine Hemmung der Domänenbildung zu erreichen

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

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

Infolge der Anwesenheit der gut !eilenden Schicht lenken sich die von der erwähnten Raumladung ausgehenden Feldlinien um einen grollen Teil in einer zur Halbleiterschicht <juer veilaufenden Richtung ab und verlaufen weiterhin inneihalb der gut leitenden Schicht, wodurch die bereits erwähnte günstige Wirkung, d. h. die I lemmiing tier Domänenbildung und somit die Vergrößerung des maximal /illässigen /Jo/.-l'roduktes erzielt wird.

Die in dem Bauelement mich Anspruch 1 erzielte Ablenkung der Feldlinien ist besonders wirksam, da die erhaltene Feldverteilung annähernd der Feldverteiluiig entspricht, die erreicht werden würde, wenn sich an die llalbleilcrschicht ein (irenzgebiet mit einer unendlich großen dielektrischen Konstante anschließen würde.

Ein weiterer, wichtiger Vorteil des Bauelements nach Anspruch I bestellt darin, daß bei vielen bekannten Bauelementen die von der I lalbleiterschicht isolierte gut leitende Schicht praktisch ohne zusätzliche llerstellungsstufen angebracht werden können, wodurch das Bauelement clinch ein sehr wenig arbeitsintensives Verfahren hergestellt werden kann.

Obgleich grundsätzlich die Halbleiterscliicht aus polykristallinen! Material bestehen kann, wird mil Rücksicht auf häufig an Konigrenzen auftretende Übergangswiderstände und andere Störungen eine Einkristallsehicht bevorzug!.

Die Dicke der Halbleiterscliicht kann nicht unbeschränkt groß gewählt werden. Wenn die¹ Dicke der wirksamen, epitaktischen Schicht in bezug auf die Abmessung des Raumladiingsgebictes in der Schichtrichtung groß ist, wird trotz der Anwesenheit der von der Halbleitersehicht 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. F.s kann nachgewiesen werden (siehe »Bell System Technical Journal« Band 46, Dezember 1967 Nr. 10 Seite 22^r>7), dall die Domänenlänge praktisch gleich

ι-, die relative dielektrische Konsi.inie der Schicht, /?, die Konzentration von Mehrheitsladungsträgcrn in der Schicht proem¹, fdie Elektronenladiing in Coulomb iiin.1 (■„ die dielektrische Konstante des Vakuums in Farad/m ) be/eichncn.

Die minimale Domänenlänge tritt somit auf der bei der kritischen Minimumfeldstärke /T₁. bei der im betreffenden Material Domänenbildung auftreten kann. In Praxis zeigt sich, daß annähernd gilt.daß

V =

wobei /. der (minimale) Abstand zwischen den Anschlußkontaklen ist. Die minimale Domünenlünge beträgt also annähernd:

Die Dicke der epitaktischen Schicht ist also maximal gleich:

1/2

ι'ίί,,

ist, wobei V⁷IIc¹Ii Spannungsabfall in Voll über die /one, wobei /:, die kritische Feldstärke in Volt/m ist. oberhalb deren im Ilalbleiterinateial der Schicht llocliieldzoneiibildung aultreten kann, /. ilen kleinsten Abstand in m zwischen den Anschlußkontaklen ι, die relative dielek-Irische Konstante der Schicht ο die Fleklroncnladung in Coulomb. /Io die Konzentration von Mehrheitsladiingstrügen! der Schicht pro m¹ und t» die dielektrische· Konstante des Vakuums in Farad/m bezeichnen. Dies ergibt eine obere Grenze für das Verhältnis zwischen Schichtdicke und Kontaklabstand, unterhalb deren die Domänenbildung sehr stark gehemmt wird.

Wird die elektrisch gut leitende Schicht durch Schlitze in I'eilschichten aufgeteilt, so brauchen die Schlitze und die einander zugewandten Ränder der Anoden- und Kathodenkontakte dabei selbstverständlich nicht gerade zu sein. Fs können z. Ii. auch konzentrische Anschlulikoniakie und dazu konzentrische, ringförmige Schlitze oder andere, verwickeitere goemeirische Anordnungen verwendet werden.

Die Aufteilung der elektrisch gut leitenden Schicht in Teilsehichlen hat den Vorteil, daß zu große Polentialsprünge über die Sperrschicht verhütet werden können, da die Teilschichtcn zueinander verschiedene Potentiale führen werden.

Die erwähnten Teilschichtcn können im Betrieb elektrisch schwebend sein, in welchem I alle das Potential jeder Tcilschicht sich an das Potential des unter ihr liegenden Teiles der Halbleitersehicht anpaßt.

Die Spaltbreite zwischen benachbarten Teilschichtcn soll vorzugsweise so gering sein, daß in der wirksamen Halbleitersehicht zwischen diesen Teilschichten keine Domänenbildung auftreten kann oder mit anderen Worten in den Schlitzen soll der Grenzwert des vorerwähnten /in /.,-Produktes (wobei /., die Spalten breite bezeichnet) nicht überschritten werden. Dies ergibt eine obere Grenze für /.,. Die minimale Spaltbreite wird selbstverständlich durch die Durchschlagspannung zwischen den Teilschichlen bestimmt. Im Hinblick darauf wird in der Praxis tue Spallbreite vorzugsweise möglichst klein gewühlt.

Die wirksame Halbleilerschicht besieht vorzugsweise aus N-Ieitendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand zwischen clw,ι 0.1 und IO Ohm · cm.

Die I lalblcilcrschicht kann vorieilhafierweise aul einem .Substrat aus halb isolierendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 1000 Ohm · ein angebracht werden, wodurch auch aul dv\ Seile iles .Substrats eine zusätzliche Verstärkung der I ekllinicnahlcnkung auftritt.

Wird aiii der wirksamen Halbleiterschicht /wischen den Anschliißkonlakten ein Hin- und/oder Ausgangs kontakt angebracht, so wird /wischen dem Hingangs kontakt und dem ersten Anschlußkontaki ein zu verstärkendes Signal zugeführt. Bei einer solchen Auslühriingsiorm. bei der ein gesonderter F.ingangskon takt vorhanden ist. kann eine optimale Hingangskopp lung unabhängig von dem Absland zwischen den Anschlußkonlaklen erzeilt werden. Hs kann errechnet werden, daß eine möglichst günstige Hingangskopplimg

auftritt, wenn i.\ etwa gleich η ■ -r ist. wobei l.\ den

Abstand in cm /wischen dem Hingangskontakt und dem ersten Anschlußkoniakt, r die Driftgescliwindigkeil in cm/sec der Mehrheitsladungsträger in der epilaklischen Schicht, /die Frequenz der zu verstärkenden Wechselspannung und π eine ganze Zahl bezeichnen. Dabei kann für /., den Abstand /wischen Kathode und Anode, gan/ unabhängig von den an die Hingangskopplung zu stellenden Anforderungen, ein mit Rücksicht aiii die elckrischcn Higenschaftcn und die Dicke der epilaklischen Schicht möglichst günstiger Wert gewählt werden. Bei einer Ausführungsform, in der nur die beiden Anschlußkontakle mil einem gegenseitigen Abstand /. vorhanden sind, muß nämlich für eine

maximale Verstärkung l. = n- -7- gewählt werden

wobei /). \ und / die vorerwähnte Bedeutung haben, (siehe hierzu »Transactions IFHH«, Band HD 13, laniiar 1966. S. 4-21. insbesondere Seile 16. Fig. 9). Noch günstiger ist in dieser Beziehung eine Ausführungsform. bei der zwischen den Anschlußkontaktcn nicht nur ein l.ingangskonlakl sondern auch ein Ausgangskontakt vorgesehen ist. In diesem Falle kann außerdem unabhängig von anderen Faktoren eine optimale Alisgangskopplung vorgesehen werden, für die nach Berechnungen gilt, daß der Abstand zwischen dem Ausgangskontakt und dem zweiten Anschlußkontaki

praktisch gleich (in '■ '/.?) ■ γ sein muß. wobei iund /die vorerwähnte Bedeutung haben und f,„ wieder eine ganze Zahl darstellt. Die Hin- und Ausgangskoniakte können durch die neben den Anschlußkontakten liegenden Teilschichtcn gebildet werden. Wenn ein PN-Übergang als Sperrschicht verwendet wird, kann die zweite Schicht des der Halbleitcrschicht entgegengesetzten I.eitfähigkeitstyps mit einem Anschlußleiter verschen werden und einen gemeinsamen Hin- und Ausgangskontakt des Bauelementes bilden.

Bei der Aufteilung der gut leitenden Schicht in mehrere Teilschichten. von denen mindestens eine mit einem Anschlußleiter versehen ist, kann mindestens einer diese Ansehlußleiter im Betrieb mit einem äußeren Potcnial verbunden sein, das praktisch gleich dem mittleren Potential desjenigen Teiles der wirksamen Halbleiterschicht ist, auf dem die betreffende Teilschicht angebracht ist, zuzüglich der Vorspannung über der Sperrschicht. Auf diese Weise wird die erwünschte Potentialverteilung über die verschiedenen Teilschich-1 cn sichergestellt.

Im Betriebszustand ist die gul leitende Schicht oder wenigstens eine der Teilschichten mit einem äußeren. veränderlichen Potential verbunden, wodurch die Verstärkung ^Wr Vorrichtung moduliert werden kann Wenn der beireifenden Schicht ein solches Potential /iigelühri wird, daß über eine Verarmungsschicht in dei wirksamen I lalhleiterschichi induziert wird, wird die Verstärkung dct \on der kathode /u der Anode hüllenden Kaiimludungswcllc infolge des Fehlens von Hleklronen in der Verarmungsschicht verringert. Durch Änderung der Modulationsspannung kann somit Versiärkungsniodulaiion er/ielt weiden.

Hinige Ausführungsbcispiele der Hrfindung werden im folgenden an I land der Zeichnungen näher erläutert 1 λ/cigI

l'ig. 1 scheinaliscli und perspektivisch ein Bauelement nach der I ι bildung.

I ig. 2 schematisch und peispckliv isch ein anderes Bauelement nachdei Hründung und

I i g. 3 eine dritte Auslührungslorm eines Bauelements nach der Hrlindung.

Die Figuren sind schemalisch und der Deullichkcil halber sind die Abmessungen nicht maßstäblich angegeben. Dies gilt insbesondere lürdie Abmessungen in der Dickenrichiung.

In l'ig. 1 ist scheinaliscli und perspektivisch ein I lalbleitei bauelement nach der l.ilindung dargestellt. Hs enthält ein Substrat I aus halb isolierendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widersland von K)⁴ Ohm ■ cm. einer Dicke von 75 μηι. einer Hänge von 400 μηι und einer Breite von 100 (im. auf dem eine epitaktische Schicht 2 aus N-Ieilendem Galliumarsenid mit einem spc/ilischcn Widerstand von 1 Ohm · cm und einer Dicke von 1 μηι angebracht ist. Auf dieser Schicht sind in der Schichlrichuing in einem Absland voneinander zwei Anschlußkontakte, ein kathodenkonlakt 3 und ein Anodcnkonlakt 4 in Form legierter, paralleler Zinnstreifen angebracht.

Der Abstand /. /wischen den kontakten 3 und 4 beträgt 315 μιη.

In der Schicht 2 kann zw iscben ilen Koniakten 3 und 4 ein negativ.·!· Differential« iderstand eingestellt werden Dazu muli /wischen diesen Kontakten eine so hohe Gleichspannung angelegt werden, daß die Feldstärke in der Schicht einen kritischen Wert von etwa 3.5 kV/cm überschreitet. Bei dem vorliegenden Bauelement beträgt somit der kritische .Spannungsunterschied zwischen Kathode und Anode 0.0315 · 350O=IIOV.

Auf der I lalblciterschichl 2 ist eine Goldschicht 6 mit einer Dicke von 1 μηι angebracht, die durch Schlitze 5 mil einer Breie von 5 um in die Teilschichtcn 64 bis 6/ aufgeteilt ist. die die Form zueinander und zu den Anschlußkontakten 3 und 4 parallel verlaufender Streifen mit einer Breite von 40 μηι aufweisen. Die Tcilschichtcn 6 sind von der I lalblciterschichl 2 durch eine Schicht 7 aus Siliciumnitrid mit einer Dicke von 0.5 um elektrisch getrennt. Der Schichtwiderstand der Goldschichl bclrägl 2,4 ■ 10 - Ohm pro Quadrat und ist somit erheblich geringer als der der Galliumarscnid-Schicht 2. der 10' Ohm pro Quadrat beträgt.

Für die hier verwendete Schicht 2 aus N-leitendem Galliumarsenid mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm ■ cm ist:

10'' V/m
10 "m

/7o

3.5 ■
3.15
8.854 - 10
13.5

1.6 ■ 10 '
10-'m '

F/ni

Ls folgt daraus cine minimale Domänenlänge von 11.4 μηι. Die Schicht 2 hat in diesem Beispiel somit eine Dicke, die kleiner ist als die Hälfte dieser minimalen Domänenliingc, wodurch die Domänenbildung in hohem Maße gehemmt wird. Dies erlaubt, den ·> verhältnismäßig großen Kathodcnubsiand von 3Ii um zu verwenden, ohne die Gefahr der Bildung einer Domäne.

Die Goldsehicht 6 hat die Eigenschaft, mit N-Ieiiendcm Galliumarsenid einen Schottky-l'lbcrgang bilden /u in können. Infolgedessen wird, wenn die Nitridschicht 7 Löcher aufweisen sollte, die Guldschichl keinen Kurzschluß mit dem Galliumarsenid herbeiführen, sondern durch einen Schotiky-Übergang elektrisch getrennt bleiben. r>

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

Die Teilschichten 64 bis 6Fhaben alle Anschlußleiter 8 (siehe F i g. 1). Die Schichten 6ß bis 6£ sind kapazitiv mit einer äußeren, veränderlichen Modulationsspannungsquelle V_n, verbunden, während sie untereinander 2"> kapazitiv durch die Kondensatoren 9 miteinander verbunden sind. Zwischen dem Kathodenkontakt 3 und der benachbarten Teilschicht 64 kann kapazitiv ein Eingangssignal V, zugeführt werden, während zwischen dem Anodenkontakt 4 und der benachbarten Teilschicht jo 6Fkapazitiv ein Ausgangssignal V₁, entnommen werden kann (siehe Fig. 1).

Im Betriebszustand wird zwischen den Anschlußkontakten 3 und 4 in Reihe mit einer Drosselspule eine Gleichspannung V_l; (siehe Fig. 1) von 160 V angelegt, j-, 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 64 wird 4ii eine Eingangswechselspannung V, angelegt. Die dadurch hervorgerufene Raumladungswelle durchläuft die Schicht 2 von der Kathode zu der Anode und wird infolge des negativen Differentialwiderstandes verstärkt, wodurch zwischen den Kontakten 6Fund 4 ein 4> verstärktes Ausgangssignal V₁, gleicher Frequenz entnommen werden kann.

Der Abstand L] zwischen dem Kathodenkontakt 3 und der Teilschicht 64 beträgt 20 μηι, während der Abstand L2 zwischen der Teilschicht 6F und dem >o Anodenkontakt 4 30 μιτι beträgt. Die Frequenz der Signale V₁ und V_u beträgt 5 GHz (5 · 10" see-'). Da die Driftgeschwindigkeit ν der Elektronen in der Schicht 2 bei dei angelegten Feldstärke etwa 10⁷ cm/sec beträgt, gilt für die Frequenz /der Signale V/und V₁₁ praktisch:

^J L₁ 2 L₂ '

so daß eine "Möglichst günstige Eingangs- und bo Ausgangskopplug erhalten werden.

Da die Schicht 6 in Teilschichten aufgeteilt ist, wird verhütet, daß an dem Rande der Goldsehicht 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 Halbleiterschicht 2 an.

Die Modulationsspannung V_n, wird über die Kapazitäten 9 und 10 den Teilschichten 6/i bis 6f zugeführt, z. ß. in Form von in bezug auf die Kathode negativen Spunnungsimpulscn. Diese führen in der Schicht 2 Verarmungsgebiete herbei, von denen eines (11) in der Figur gestrichelt angedeutet ist. 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 sondern auch durch die Anwesenheit des hochohmigcn Substrats 1 gehemmt. Auch dadurch können die Zwischenräume zwischen den Mclallschichtcn 3 und 6A 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 I0⁴0hm · 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 cpitaklisch aus der Dampfphase niedergeschlagen. Dies erfolgt bei etwa 75O°C 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 niedergeschlagen, daß eine epitaktische Schicht 2 mit einer gleichmäßigen Donatorkonzentration von etwa 10"At/cm^J 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 μηι gebildet ist.

Auf der epitaktischen GaAs-Schicht 2 wird dann eine Siliciumnitrid-Schicht 7 mit einer Dicke von 0.5 μπι angebracht. Dies kann zweckmäßig durch die Zersetzung von Hydrazin und Silan unter der Wirkung von Ultraviolettlicht erfolgen, wobei das Galliumarsenid auf einer Temperatur von etwa 400°C 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 650°C 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 um durch Aufdampfen auf der Oberfläche angebracht, worauf durch übliche Photomaskierungs- und Ätzungstechniken die Teilschichten 64 bis 6Fgebildet werden. An diesen Teilschichten und an den Zinnstreifen 3 und 4 werden darauf Anschlußleiter befestigt, worauf das Ganze in einer passenden Hülle untergebracht wird.

An Stelle der Siliciumnitrid-Schicht 7 läßt sich vorteilhaft eine Sliciumoxid-Schieht anbringen. Anstatt einer Goldschicht kann für die Schicht 6, wenn auf den Vorteil des Schottky-Oberganges im Falle von Störstellen in der Schicht 7 verzichtet wird, das gleiche Metall wie für die Kontakte 3 und 4 verwendet werden, in welchem Falle die Schichten 3, 4 und 6 sich gleichzeitig anbringen lassen.

Stau der Schichten 64 und 6F können auch die

Kontakte 3 und 4 als Ein- und Ausgangskonlaktc 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 ι ist dabei etwa lO'cm/sec, der i< > Kontaktabstand L 315 μηι = 3,15 · IO -cm und die

10⁹
optimale Frequenz -^-— =0,32 GH/, oder ein Vielfaches dieses Wertes.

Fig. 2 zeigt schematisch und perspektivisch ein r, anderes Bauelement nach der Erfindung. Seine Struktur ist gleich der nach Fig. 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 6A 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 >ϊ Ausgangssignale V₁ bzw. V₁₁-

Die Anschlußleiter der Teilschichten 6/4 bis 6Fsind hier mit einem aus Widerständen (R₁, R2, Ri) bestehenden Spannungsteiler verbunden, der derart bemessen ist, daß die Schichten 6A bis 6Fein äußeres w 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, r, 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 ad Kathode höher gewählt werden.

Das Bauelement nach F i g. 2 läßt sich in vollkommen gleicher Weise wie das Bauelement nach Fig. I herstellen, jedoch mit dem Unterschied, daß keine isolierende Schicht auf die HaIbIe.terschicht 2 aufge- 4^r> wachsen wird, sonderm die GoldscHcht 6 direkt auf die wirksame Halbleiterschicht 2 aufgedampft wird.

Das in Fig. 3 schematisch und perspektivisch dargestellte Bauelement enthält ähnlich wie die Bauelemente nach den Fig. 1 und 2 eine N-leitende >n 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-Ieitendem Galliumarse- 5-, nid mit einer Dotierung von etwa 10¹⁸At/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 31 und der Schicht 2 gebildeten <,o PN-Übergangs 32 getrennt (siehe Fig.3), der im Betrieb in der Sperrichtung vorgespannt ist.

Das Substrat 31 hat eine Länge von 150μιη, eine Breite von 100μιη und eine Dicke von 75 μιτι. Der Abstand zwischen Kathodenkontakt 3 und Anodenkon- b5 takt 4 beträgt 100μηι. Das Substrat 31 hat eine einlegieric Zinnschicht 33 (siehe Fig. 3) mit einem geringen Prozentsatz an Zink, welche 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 K 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 V₁ zugeführt, während zwischen dem Substrat und dem Anodenkontakt 4 ein verstärktes Signal V₁, 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. I 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-Ieitenden 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 Fig. 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 Teilschichten 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 beiden Seiten mit einer Isolierung und einer gut leitenden Schicht versehen werden kann. Die Maßnahme nach der Erfindung läßi sich weiterhin in jeder möglichen Kombination mit einem bereits vorher vorgeschlagenen Grenzgebiet hohen spezifischen Widerstandes und/oder hoher dielektrischer Konstante durchführen, wie dies in den F i g. 1 und 2 angedeutet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement zur Verstärkung von Mikrowellen mit einer \ lalbleitcrschicht von hoch- ί slens 5 μηι Dicke aus einer A^IMB^V-Verbindung mit mindestens zwei Anschlußkoniakten, bei dem in der Halbleiterschicht bei hinreichend hoher Gleichspannung zwischen den Anschlußkontakten ein negativer differenlieller Widerstand eingestellt werden kann, κι 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 Halblciterschicht ist, und ti daß die Anschlußkontakte (J, 4) in der Schichtrichtung in einem solchen Abstand voneinander angebracht sind, daß in der I lalbleitcrschicht keine Domänen aufgebaut werden können.

2. F lalblciterbauclemcnt nach Anspruch 1. dadurch .'» gekennzeichnet, daß die Dicke der Halbleiterschicht (2) maximal gleich