DE1950873A1

DE1950873A1 - Impatt-Diode

Info

Publication number: DE1950873A1
Application number: DE19691950873
Authority: DE
Inventors: Masaichi Shinoda; Fukukawa Dipl-Ing Yukio
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1968-10-17
Filing date: 1969-10-09
Publication date: 1970-04-30
Also published as: US3663874A; JPS4822374B1; FR2022282A1; DE1950873B2; FR2022282B1; GB1236157A

Description

KLA

_DR CUUS RÄNDER DIPL-ING.KLAUS BERNHARDT

D-8 MÖNCHEN 60

BÄCKERSTRASSI3

6/96

EUJIISU LIMITED

Ko.1015 Kamiködanaka

Kawasaki, Japan

Impatt-Diode

Priorität: 17. Oktober 1968 Japan 43-75978

Kurzfassung der Beschreibung

Eine Impatt-Diode, bei welcher der Übergangsbereich, in dem ein Lawinendurchbruch auftritt, in dem Halbleiter eingebettet ist, enthält eine Halbleiterunterlage mit geringem Widerstand und einem Leitfähigkeitstyp. Eine Epitaxialschicht ist auf der Unterlage gebildet und hat den der Unterlage entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp. Eine erste Diffusionsschicht hat den einen Leitfähigkeitstyp und ist angenähert in der Mitte der Epitaxialschicht angeordnet und erstreckt sich über die Epitaxialschicht zu der Unterlage* Eine zweite Diffusionsschicht mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ist in der Epitaxialschicht gebildet und enthält die Fläche der ersten Diffusionsschicht, wobei ein Lawinendurchbruch im wesentlichen in dem Übergangsbereich statt-

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findet j dar zwischen der ersten und der zweiten Diffusionssehieht gebildet ist. Die gesamte obere •and untere Eben® ä@r Scheibe sind aus Schichten mit gegenseitig verschiedenen Sypen der leitfähigkeit gebildet, so daß eine umgedrehte Bindung ermöglicht wird.

Beschreibung^der_i

Die Erfindung bezieht eich auf einen J'estkörper-Mikro·=-, wellengenerato^j der bei Mikrowellen und Millimetervrellen schwl&gsn kann, und insbesondere auf eine Impatt-Diode mit ©ia©m darin eingebetteten Übergangsbereich, wobei ein giaiehförmiger Sawinendurehsehlag an dieser Übergangefläefe© stattfindet» ; - -

Ein Pestkörper-Mikrowglleageagrmtpr ist die Impatt» ... „;.,.-_-; Diode (Aufschlagslawinen- und Iia'ii£seit»»35Lode), die jetzt das Reflexklystron in Mikrowellen-Hochfreqtüenzanordnungen ersetzt. Das Arbeitsprinzip umfasst die Kombination einer lawinenstromvervielfachung und einer laufzeitverzögerung, um einen negativen Widerstand bei Mikrowellenfreguenzen zu erzeugen. Es ist sehr wesentlich, einen gleichförmigen Lawinendurchschlag in der Iahe eines in Gegenrichtung vorgespannten p-n~Übergangs zu bewirken, um den Wirkungsgrad und das Rauschen zu verbessern. Üblicherweise ist der Mesa-Syp als vorteilhafter angesehen worden als der Planar-Typ, um einen gleichförmigen Lawinendurchbruch innerhalb des Übergangsbereiches zu bewirken und den Druckwiderstand zu verbessern. Da bei dem Planar-IEyp dessen Fläche normalerweise

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mit Siliziumdioxyd überzogen ist und an diesem Grenzbereich ein hohes elektrisches PeId bestrebt ist, aufgrund der Ionisierung, Verzerrung usw. gebildet zu werden, beginnt der Durchschlag von diesem hohen elektrischen Feld. Des weiteren ist aufgrund der Übergangsausbildung bei dem Planar-Typ das elektrische I'eld in dem gebogenen Teil konzentriert, um den Durchschlag zu beschleunigen. Währenddessen ist der Mesa-Typ, obwohl

er frei von den obigen, der planaren Anordnung anhaftenden Nachteile ist, fähig, durch Umgebungsbedingungen beeinflusst zu werden,und ihm fehlt die Zuverlässigkeit, da der Übergang freiliegt.

Aus den voranstehenden Gründen sind ein Sicherheitsringaufbau für die planaren Vorrichtungen und die Bildung eines Schutzüberzuges für die Mesa-Aufbauten vorgeschlagen worden.

Ein weiteres wesentliches Problem bei der Impatt-Diode liegt in der Verringerung des thermischen Widerstandes. Ihr Schwingungsausgang wird wesentlich durch Temperaturanstieg verringert und auch eine geringe Änderung des WärmewiderStandes beeinflusst den Ausgang wesentlich„

Der Zweck der Erfindung besteht deshalb darin, einen Festkörper-Mikrowellengenerator zu schaffen, bei dem der Aufbau des Überganges so ausgebildet ist, daß ein gleichförmiger lawinendurehschlag erzeugt wird.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Impatt-Diode zu schaffen, bei welcher der Hauptarbeitsbereich der Übergangsebene, in der ein gleichförmiger

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Lawinendurchbrueh auftritt, in den Halbleiter eingebettet ist, so daß er frei von dem Einfluß von Luftverunreinigungen auf den flächen des Halbleiters ist.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Impatt-Diode zu schaffen, die auf einem Wärmeaufnahmekörper anbringbar ist, um den thermischen Widerstand von dem Obergang des Hauptarbeitsbereiches zu verringern, der in Gegenrichtung vorgespannt ist und eine große Wärme für den Wärmeableitkörper erzeugt.

Gemäß der Erfindung wird im allgemeinen eine ep it axiale Halbleiterschicht mit hohem Widerstand und zu der Unterlage entgegengesetzter leitfähigkeit auf einer Fläche der Halbleiterunterlage mit niedrigem Widerstand und einer Leitfähigkeit gebildet. In der angenäherten Mitte der epitaxialen Schicht wird eine rohrförmige erste Diffusionsschieht des einen Leitfähigkeitstyps gebildet, die sich über die epitaxiale Schicht von einem bestimmten Flächenbereich erstreckt und zu der Unterlage reicht.

Darüber hinaus ist eine plattenförmige zweite Diffusionsschicht mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, welche die Fläche der ersten Diffusionsschicht einschließt; innerhalb der epitaxialen Schicht vorgesehen. Der Halbleiterbereich des einen Leitfähigkeitstyps ragt somit von der Halbleiterunterlage zu der epitaxialen Schicht mit entgegengesetzter Leitfähigkeit um einen bestimmten Abstand in der Form eines Mesa-Halbleiters vor. Folglich wird ein hutförmiger p-n-Übergang zwischen der Halbleiter-

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unterlage und der epitaxialen Schicht, zwischen der epitxialen Schicht und der ersten Diffus ions schicht und zwischen der ersten und der zweiten !Diffusionsschicht gebildet.

Gemäß der Erfindung wird die !Durchschlagsspannung des p-n-Übergangs zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsschicht "bei einem Pegel ausgewählt, der niedriger als der des Umfangsüberganges ist, der zwischen der Halbleiterunterlage und der epitaxialen Schicht gebildet wird, und wird bei einem Pegel ausgewählt, welcher der Durchbruchsspannung der Impatt-Diode enbpricht.

Ein lawinendurchbruch der Diode erfolgt somit im wesentlichen gleichförmig und konzentriert in der Nähe der flachen und eingebetteten Übergangsfläche zwischen der ersten und der zweiten Diffusionsschicht. Somit wird der Hauptarbeitsbereich der Diode innerhalb des Halbleiters begrenzt.

Der zwischen der Halbleiterunterlage und der epitaxial©!) Schicht gebildete Übergang liegt an der Seitenwand der Unterlage frei, obwohl die freigelegten Seile mit einem Schutzüberzug, wie einem Siliziumoxydfilm, bedeckt sein können, so daß kein Einfluß durch die Umgebungsbedingungen ausgeübt wird.

In der Diodenpastille nach der Erfindung erstreckt sich der p-n-Übergang weder zu der Fläche der Unterlage noch zu der Fläche der epitaxialen Schicht. Folglich kann die epitaxiale Schicht sicher in Berührung mit einem

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Wärmeableitkörper kommen, wenn die Pastille auf diesem angebracht wird« Somit wird eine "umgedrehte Bindung"_? auf die üblicherweise Bezug genommen wird, leicht möglich. In diesem lalle ist der thermische Widerstand von dem Hauptarbeitsbereich zu dem Wärmeableitkörper wesentlich verringert. Bei einer üblichen Mesa-Yorrich=- tung wird die von dem in. Gegenrichtung vorgespannten Übergang erzeugte Wärme nur über den Mesa-Ieil albgeführt. Demgegenüber kann bei der Diode nach der Erfindung die Wärme über die epitaxial© Schicht abgeführt werden, die den Hauptarbeitsbereich umgibt_a so daß der Temperaturanstieg an dem Übergang erleichtert werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, in der sind

Pig. 1 ein Querschnitt der impatt-Diw-de'nacii der Erfindung, die in der Mitte geschnitten ist, und

Hg, 2 eine perspektivische Ansicht, die den Packungsaufbau der Impatt-Diode nach der Erfindung zeigt.

Gemäß Fig» 1 ist eine epitaxiale Siliziumschicht mit einer Dicke von 4j5/U, die mit nicht mehr als 10 cm ,

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Bor dotiert ist, auf der !fläche einex* H -Siliziumunterläge 1 mit geringem Widerstand und einem spezifischen Widerstand von nicht mehr als 0,01 Ohm cm und mit Antimon als Dotant gebildet.

Phosphor wird von der Pläche der epitaxialen Schicht durch bekannte Einrichtungen zum selektiven Diffundieren auf™ diffundiert, um eine rohrförmige erste Diffusionsschicht

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zu bilden. Die Plächenausbildung der ersten Diffusionsschicht beträgt 150/U im Durchmesser uiid die Flächenkonzentration kann 10 'cm ^J sein. Der !Typ der Leitfähigkeit der Diffusionsschicht 3 ist dem IT-Typ umgekehrt, ü.h, identisch mit dem der Unterlage Die zweite Biffusionssehicht 4 hat eine Flächenausbildung von 17Oyu im Durchmesser einschließlich der Fläche der ersten Diffusionsschicht und deren Tiefe ist t /U als Ganzes und stellt in der Form eine Schale oder Platte dar. Die zweite Diffusionsschicht 4- kann durch bekannte Einrichtungen der selektiven Diffusion gebildet werden. Bezüglich der Dotierungsfremdstoffe kann Bor verwendet werden und die Flächenkonzentpation des Bor kann etwa 10 ^ci sein. Der bei der Ausführungsform der Fig. 1 gebildete Übergang ist bezeichnet mit A-B-C-D-E-E. Die Durehbruchspannung in dem C-D-Übergangbereich beträgt bei dieser Ausführungsform etwa 70 V, während sie bei A-B und E-F in beiden Fällen etwa 500 beträgt. Deshalb findet ein stabiler Lawinendurcttbruch vornehmlich an der flachen C-D-Übergarigsebene statt und der wirksame Arbeitsbereich der Diode wird innerhalb des Halbleiters beschränkt. Somit wird der Bereich durch die äußere Atmosphäre kaum beeinflusst. Die Diode nach der Erfindung kann als P⁺ M⁺-Diode oder P NIH⁴-Diode in Abhängigkeit von der Art der Verteilung der Dotantenkonzentration betrachtet werden. Bei der osigen Ausführungsform wird ein X-Band-Impatt-Diodenelement erhalten.

•rfie verstehend erwähnt worden ist, kann die Dlodenpastiirie l rail einem Wärmeableitkörper verbunden sein. Mit

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einer solchen Bindung kann die C-D-Übergangsfläche_$ die durch die Betriebsspannung in Gegenrichtung vorgespannt ist und einen großen Wärmebetrag erzeugt, sehr nahe an dem Wärmeableitkörper angeordnet werden* und folglich wird der thermische Widerstand merklich verringert werden. Dadurch wird der Temperaturanstieg an der C-D-Übergangsebene verringert und der Ausgang kann wesentlich verbessert werden.

Ein Beispiel eines Packungsaufbaus der Diode, bei der die Diodenpastille umgedreht mit einem Wärmeableitkörper verbunden ist, ist in Fig. 2 gezeigt.

Gemäß Pig. 2 ist 5 eine goldplattierte Kupfer-Ständerbasis, die der Wärmeableitkörper ist. 6 ist ein Metallstücks das an der Basis befestigt und hermetisch abgedichtet ist. 7 ist ein Keramikrohr. 8 ist ein Metallstück ;, das auch durch hermetische Dichtung angebracht ist. 9 ist eine Endkappe. 10 ist eine Diodenpastille und 11 ist eine Goldbandleitung.

Bei der ersten Ausführungsform besteht die Diode aus Silizium, jedoch können anstelle von Silizium auch Germanium oder Verbindungen der Gruppen III-V des periodischen Systems, wie Galliumarsenit usw., verwendet werden. Da ein Ii-Stoff mit geringem Widerstand als Ausgangsmaterial verwendet wird, wird eine Read-Diode oder P⁺Mi⁺-DiOdC erhalten. Wenn aber eine P-Unterlage mit geringem Widerstand als Ausgangsmaterial verwendet wird, kann selbstverständlich eine lf⁺PP⁺-Diode oder eine N⁺PIP⁺-Diode erhalten werden.

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Selbstverständlich, ist die Diode nach der Erfindung nicht auf den in Fig. 2 dargestellten Packungsaufbau beschränkt, vielmehr sind verschiedene bekannte Verfahren zur Befestigung des in Fig. 1 dargestellten Diodenelementes nach der Erfindung anwendbar.

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Claims

6/96 Patentansprüche

Impatt-Diode, gekennzeichnet durch

(a) eine Halbleiterunterlage mit geringem Widerstand eines Leitfähigkeitstyps,

Cb) eine epitaxiale Halbleiterschicht mit hohem Widerstand, die auf der Unterlage gebildet ist und den zu der Unterlage entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist,

Cc)- eine rohrförmige erste Diffusionssehieht des einen Leitfähigkeitstyps, die sich von einem begrenzten Bereich auf der Fläche der epitaxialen Schicht zu der Unterlage erstreckt, und

(d) eine schalenförmige zweite Diffusionssehieht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die einschließlich der Fläche der ersten Diffusionssehieht gebildet ist, wobei der flache eingebettete Übergangsteil, der zwischen den beiden Diffusionsschichten gebildet ist, eine Durchbruchsspannung hat, die niedriger als die des anderen Übergangsteils ist,und wobei ein Lawinendurchschlag im wesentlichen an dem flachen und eingebetteten Übergangsteil auftritt.
2. Impattdiode, gekennzeichnet durch

Ca) eine Üf-Ealbleiterunterlage mit geringem Widerstand, Cb) eine epitaxiale P-Halbleiterschicht mit hohem Widerstand, die auf der Unterlage gebildet ist, Cc) eine rohrförmige erste N-Diffusionsschicht, die sich

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von einem "begrenzten Bereich der Fläche der epitaxialen Schicht zu der Unterläge erstreckt, und

(d) eine schalenförmige zweite P-Duffusionsschicht, die einschließlich der Fläche der ersten Diffusbnsschicht gebildet ist, wobei der flache und eingebettete Übergangsteil, der zwischen den beiden Diffusionsschichten gebildet ist, eine Durchbruchsspannung hat, die niedriger als die des anderen Übergangsteils ist, und wobei ein Lawinendurchbruch im wesentlichen an dem flachen und eingebetteten Übergangsteil stattfindet.
3. Impatt-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterunterlage aus Silizium besteht.

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