DE19807434A1 - Semiconductor device for wide h.f. range use, e.g. in communication equipment, radar systems, data analysis systems, frequency standards and sensors - Google Patents
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Abstract
Description
Halbleitervorrichtungen sind bekannt für viele Anwendungen. Allerdings erfordert jede Anwendung eine andersartige Realisierung. Die jetzt vorhandenen Halbleitervorrichtungen sind nicht geeignet zum Einsatz sowohl im GHz-Bereich als auch bei sehr hohen Frequenzen, insbesondere im Bereich oberhalb 100 GHz und im THz-Bereich. Für eine breite Anwendbarkeit ist es darüber hinaus von besonderer Bedeutung, ein Bauelement zur Verfügung zu haben, das in einen monolithischen elektrischen Stromkreis integriert ist, wobei insbesondere die planare Integration wichtig ist. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine allgemein anwendbare und schnell arbeitende Vorrichtung zu schaffen, die im Bereich unterhalb 1 GHz, im Bereich zwischen 1 GHz und 100 GHz, oberhalb 100 GHz bis weit in den THz-Bereich anwendbar ist, und die monolithisch integrierbar ist und insbesondere auch planar integrierbar ist.Semiconductor devices are known for many applications. However, each requires Use a different implementation. The existing semiconductor devices are not suitable for use in the GHz range or at very high frequencies, especially in the range above 100 GHz and in the THz range. For a wide Applicability is also of particular importance, a component for To have available, which is integrated into a monolithic electrical circuit, wherein Planar integration is particularly important. It is the object of the invention, a general purpose and fast working device to create the field below 1 GHz, in the range between 1 GHz and 100 GHz, above 100 GHz to far in the THz range is applicable, and which can be integrated monolithically and in particular also can be integrated in a planar manner.
Die Aufgabe wird gelöst durch die verwendungsgemäße Halbleitervorrichtung entsprechend dem Oberanspruch 1.The object is achieved accordingly by the semiconductor device used the superordinate claim 1.
Entsprechend der Erfindung enthält eine Halbleitervorrichtung: ein Halbleiterübergitterbauelement (1), das mindestens zwei Übergitter (2, 3) einschließt, wobei jedes mit einem Kontakt (4, 5) versehen ist, welche in einer Ebene liegen, und einem elektrischen Kontakt (6) zwischen den Übergittern (2, 3), wobei zumindest eines der Übergitter so aufgebaut ist, daß der Strom durch das Übergitter eine nichtlineare Stromspannungscharakteristik zeigen kann. According to the invention, a semiconductor device includes: a semiconductor superlattice device ( 1 ) including at least two superlattices ( 2 , 3 ), each provided with a contact ( 4 , 5 ) lying in one plane and an electrical contact ( 6 ) between the superlattices ( 2 , 3 ), at least one of the superlattices being constructed in such a way that the current through the superlattice can exhibit a non-linear current-voltage characteristic.
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung erlaubt es, verschiedene Anwendungen zu realisieren mit demselben Basisbauelement.The semiconductor device according to the invention allows various applications implement with the same basic component.
Die Vorrichtung kann verwendet werden im Gebiet des Mobilfunks, in mobilen Kommunikationsvorrichtungen, in Hochfrequenzkommunikationssystemen, in perso nal-communication-Systemen, in Optoelektronik/Hochfrequenzhybrid-Kommunikationssystemen, in Radarsystemen, einschließlich Abstands- und Geschwindigkeitsmessungssystemen, in Datenanalysesystemen, ferner in Frequenzstandards und Sensoren.The device can be used in the field of mobile radio, in mobile Communication devices, in radio frequency communication systems, in personal nal communication systems, in optoelectronics / high-frequency hybrid communication systems, in radar systems, including distance and speed measurement systems, in Data analysis systems, also in frequency standards and sensors.
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung ist insbesondere geeignet für Hochfrequenzanwendungen, da die intrinsische Relaxationszeit des Übergitterbauelements in der Größenordnung von 10-13 s liegt. Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung hat eine breite Anwendbarkeit. Diese ergibt sich aus dem Mechanismus der im Bauelement zugrunde liegt. Er beruht auf dem nichtlinearen Minibandtransport entlang der Übergitterachse. Die Transporteigenschaften können künstlich eingestellt werden durch entsprechender Wahl der Übergitterschichten und durch die Wahl der Materialien.The semiconductor device according to the invention is particularly suitable for high-frequency applications, since the intrinsic relaxation time of the superlattice component is in the order of 10 -13 s. The semiconductor device according to the invention has wide applicability. This results from the mechanism underlying the component. It is based on the non-linear miniband transport along the superlattice axis. The transport properties can be set artificially by appropriate choice of the superlattice layers and by the choice of materials.
Entsprechend Anspruch 1 enthält die Halbleitervorrichtung zumindest eine Halbleiterübergitterbauelement (1), das aus zwei Übergittern (2, 3) in Serie besteht, weiterhin zwei elektrische Kontakten (4, 5), welche in einer Ebene liegen, und eine elektrischen Verbindung (6) zwischen den Übergittern (2, 3), wobei eines der beiden Übergitter derart ist, daß Strom und Spannung einen nichtlinearen Zusammenhang haben können.According to claim 1, the semiconductor device contains at least one semiconductor superlattice component ( 1 ), which consists of two superlattices ( 2 , 3 ) in series, two electrical contacts ( 4 , 5 ), which lie in one plane, and an electrical connection ( 6 ) between the superlattices ( 2 , 3 ), one of the two superlattices being such that current and voltage can have a non-linear relationship.
Bei einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, daß eine Gleichspannung an den Kontakten zu einer Strom-Spannungskennlinie mit negativem differentiellem Leitwert führt, wenn die Gleichspannung einen entsprechenden Wert überschreitet.In the case of a semiconductor device according to the invention, it can in particular be provided that a DC voltage at the contacts to a current-voltage characteristic with negative differential conductance results when the DC voltage has a corresponding value exceeds.
Gemäß Anspruch 3 können die Übergitter quasifreie Elektronen oder Löcher enthalten, mit einer Dichte zwischen 1015 cm-3 und 1018 cm-3 oder die Übergitter können undotiert sein, wobei die Ladungsträger durch optische Anregung erzeugt werden. According to claim 3, the superlattice can contain quasi-free electrons or holes with a density between 10 15 cm -3 and 10 18 cm -3 or the superlattice can be undoped, the charge carriers being generated by optical excitation.
Nach Anspruch 4 ist bevorzugt, daß eine optische Anregung von mindestens einem der Übergitter zur Erzeugung von Ladungsträgern führt, und/oder daß die optisch erzeugten Ladungsträger eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie erzeugen, und/oder daß die Strom-Spannungskennlinie durch die optische Bestrahlung geändert wird, und/oder daß die Halbleitervorrichtung ein Photodetektor ist.According to claim 4 it is preferred that an optical excitation of at least one of the Superlattice leads to the generation of charge carriers and / or that the optically generated Charge carriers generate a non-linear current-voltage characteristic, and / or that the Current-voltage characteristic is changed by the optical radiation, and / or that the Semiconductor device is a photodetector.
Eine besondere Eigenschaft der Halbleitervorrichtung liegt darin, daß diese nach Anspruch 5 bei Zimmertemperatur betrieben werden kann, aber auch bei anderen Außentemperaturen. Die bevorzugten Frequenzbereiche liegen im Bereich von 1 GHz bis 100 GHz, aber auch bei Frequenzen unter 1 GHz und Frequenzen oberhalb von 100 GHz.A special property of the semiconductor device is that it is in accordance with claim 5 can be operated at room temperature, but also at other outside temperatures. The preferred frequency ranges are in the range from 1 GHz to 100 GHz, but also Frequencies below 1 GHz and frequencies above 100 GHz.
Nach Anspruch 6 ist bevorzugt, daß die Strom-Spannungskennlinie des Übergitterbauelementes derartig ist, daß bei Ahlegen einer Gleichspannung an die Kontakte ein Gleichstrom durch das Übergitterbauelement zur Folge hat, daß dieser mit der Spannung ansteigt, ein relatives Maximum besitzt und für eine angelegte Gleichspannung zwischen 0,5 V und 2 V ein relatives Strommaximum zeigt und daß der Strom zu höheren Spannungen abnimmt, um schließlich bei höheren Spannungen wieder anzusteigen, wobei das Bauelement auch im Bereich des ansteigenden Stromes eingesetzt werden kann.According to claim 6 it is preferred that the current-voltage characteristic of Superlattice component is such that when a DC voltage is applied to the contacts a direct current through the superlattice component has the result that this with the voltage increases, has a relative maximum and for an applied DC voltage between 0.5 V and 2 V show a relative current maximum and that the current to higher voltages decreases, finally to rise again at higher voltages, the component can also be used in the area of increasing current.
Nach Anspruch 7 ist bevorzugt, daß die Strom-Spannungskennlinie einen Stromsprung oder Stromsprünge zeigt.According to claim 7 it is preferred that the current-voltage characteristic is a current jump or Shows jumps in current.
Eine grundlegende Eigenschaft ergibt sich nach Anspruch 8, wonach eines der Halbleiter-Über gitter derart ist, daß die Halbleitervorrichtung bei Anlegen einer Gleichspannung an das Halbleiterübergitterbauelement eine Stromoszillation zeigt, so daß die Grundfrequenz in einem Bereich von unterhalb 1 GHz bis oberhalb 100 GHz liegen kann, und daß die Grundfrequenz durch Verändern der Gleichspannung an den Kontakten abstimmbar ist.A basic property arises according to claim 8, according to which one of the semiconductor vias is such that the semiconductor device when a DC voltage is applied to the Semiconductor superlattice device shows a current oscillation, so that the fundamental frequency in a range from below 1 GHz to above 100 GHz, and that the Fundamental frequency can be tuned by changing the DC voltage on the contacts.
Eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 9 gegeben. Danach entsteht in der Halbleitervorrichtung eine Stromoszillation, die frequenzgekoppelt ist an die Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung, d. h. es entsteht eine Synchronisation (frequency locking, phase locking) an die angelegte Hochfrequenzspannung. Die frequenzgekoppelte Stromoszillation ist ebenfalls nach Anspruch 9 die Quelle für Hochfrequenzstrahlung. Die Frequenz der Hochfrequenzstrahlung und damit die Frequenz der erzeugten Hochfrequenzstrahlung veränderlich sind, die Veränderung erfolgt durch Verändern der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung (Frequenzmitnahme).A further preferred embodiment of the invention is given in claim 9. After that creates a current oscillation in the semiconductor device, which is frequency-coupled to the Frequency of the applied radio frequency voltage, i. H. there is a synchronization (frequency locking, phase locking) to the applied high-frequency voltage. The frequency-coupled current oscillation is also the source for Radio frequency radiation. The frequency of the high-frequency radiation and thus the frequency of the generated high-frequency radiation are variable, the change is made by changing the frequency of the applied high-frequency voltage (frequency sweep).
Nach Anspruch 10 wird bevorzugt, daß der Hochfrequenzstrom quasiperiodisch ist oder chaotisches Verhalten zeigt, und daß die entsprechende Hochfrequenzstrahlung mit einem Spektrum entsteht, das quasiperiodischen oder chaotischen Charakter hat.According to claim 10 it is preferred that the high-frequency current is quasi-periodic or shows chaotic behavior, and that the corresponding high-frequency radiation with a Spectrum arises that has quasi-periodic or chaotic character.
Eine bevorzugte Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ergibt sich nach Anspruch 11. Durch Anlegen einer schmalbandigen Hochfrequenzspannung an die Kontakte wird zumindest eines der beiden Übergitter derart beeinflußt, daß die Halbleitervorrichtung einen Hochfrequenzgenerator zur Erzeugung von schmalbandiger Hochfrequenzstrahlung darstellt.A preferred application of the semiconductor device according to the invention arises according to claim 11. By applying a narrow-band high-frequency voltage at least one of the two superlattices is influenced at the contacts in such a way that the Semiconductor device a high-frequency generator for generating narrow-band Represents high frequency radiation.
In Anspruch 12 ist dargelegt, daß die Halbwertsbreite der Hochfrequenzstrahlung bevorzugt eine Halbwertsbreite im Bereich um 1 HZ hat, wobei Halbwertsbreiten darüber und darunter einstellbar sind durch die Wahl der angelegten Hochfrequenzspannung.In claim 12 it is stated that the full width at half maximum of the high-frequency radiation is preferred has a half-value width in the range around 1 Hz, with half-value widths above and below can be set by selecting the high-frequency voltage applied.
Nach Anspruch 13 ist bevorzugt, daß optische Strahlung das Hochfrequenzverhalten der Halbleitervorrichtung kontrollieren.According to claim 13 it is preferred that optical radiation the high frequency behavior of the Check the semiconductor device.
Nach Anspruch 14 erzeugt die Einstrahlung von optischer Strahlung zu verschiedenen Hochfrequenzzuständen der Halbleitervorrichtung.According to claim 14, the radiation from optical radiation to different High frequency states of the semiconductor device.
Eine besondere Ausführung ist in Anspruch 16 dargestellt, wonach die Halbleitervorrichtung als Schalter wirkt.A special embodiment is shown in claim 16, according to which the semiconductor device acts as a switch.
Ein weiterer besonders bevorzugter Einsatz der Halbleitervorrichtung ergibt sich aus Anspruch 17, wonach die Halbleitervorrichtung ein Impulsgenerator für Hochfrequenzpulse mit hoher Wiederholrate ist.Another particularly preferred use of the semiconductor device results from Claim 17, according to which the semiconductor device is a pulse generator for high-frequency pulses with a high repetition rate.
Die Halbleitervorrichtung kann bevorzugt nach Anspruch 18 eingesetzt werden als Frequenzvervielfacher, nach Anspruch 19 als Frequenzmischer und nach Anspruch 20 als ultraschneller Detektor für Hochfrequenzstrahlung. The semiconductor device can preferably be used according to claim 18 Frequency multiplier, according to claim 19 as a frequency mixer and according to claim 20 as ultra-fast detector for high-frequency radiation.
Eine wichtige Anwendung ergibt sich aus Anspruch 21, wonach die Halbleitervorrichtung als Korrelator eingesetzt wird mit einer Zeitauflösung in der Größenordnung von 10-13 s.An important application results from claim 21, according to which the semiconductor device is used as a correlator with a time resolution in the order of 10 -13 s.
Der Mechanismus der Halbleitervorrichtung beruht auf den Eigenschaften der Übergitter, wie in Anspruch 22 dargestellt. Wesentlich sind die Minibänder, die die Ursache der Nichtlinearitäten sind.The mechanism of the semiconductor device relies on the properties of the superlattices, such as presented in claim 22. The essentials are the mini bands that cause the Are nonlinearities.
Die Ansprüche 23 und 24 kennzeichnen spezielle Ausführungen hinsichtlich des Materials der Übergitter und der Zahl der Perioden und der Anspruch 25 kennzeichnet bevorzugte Substrate für die Herstellung der Übergitter.Claims 23 and 24 characterize special designs with regard to the material the superlattice and the number of periods and claim 25 characterize preferred Substrates for the production of superlattices.
Anspruch 26 charakterisiert die Größe der beiden Übergitter und Anspruch 27 charakterisiert den Herstellungsprozeß und Anspruch 28 den Einbau in Schaltungen.Claim 26 characterizes the size of the two superlattices and Claim 27 characterizes the manufacturing process and claim 28 installation in circuits.
Eine spezielle Ausführung ist in den Fig. 1 bis 4 beschrieben. Fig. 5 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.A special embodiment is described in FIGS. 1 to 4. Fig. 5 shows the principle of the semiconductor device according to the invention.
Fig. 1a zeigt ein schematisches Bild des Übergitterbauelements (SLED = Superlattice Electronic Device = Übergitterbauelement). Das Übergitterbauelement besitzt ein kleines Übergitter (8 µm×4 µm), das größere Übergitter eine Fläche von 100 µm×300 µm. Jedes der beiden Übergitter trägt einen elektrischen Kontakt aus AuGeNi. Die Übergitter sind miteinander verbunden über ein n⁺-GaAs-Substrat. Die Übergitter sind isoliert und geschützt durch eine Poliemidschicht. Fig. 1a shows a schematic diagram of the superlattice device (SLED = superlattice Electronic Device = superlattice component). The superlattice component has a small superlattice (8 µm × 4 µm), the larger superlattice an area of 100 µm × 300 µm. Each of the two superlattices carries an electrical contact made of AuGeNi. The superlattices are connected to one another via an n⁺ GaAs substrate. The superlattices are insulated and protected by a layer of polyamide.
Fig. 1b zeigt den Einbau der Übergitterdiode (SLED) in einen Wellenleiter. Fig. 1b shows the installation of the superlattice diode (SLED) in a waveguide.
Fig. 1c zeigt weitere Einzelheiten des Einbaus der Übergitterdiode in einen Wellenleiter. Auf der einen Seite wird die Übergitterdiode an die Wellenleiterstruktur angelötet mit Indiumlot (Indium solder), der andere Kontakt wird über einen feinen Draht (wire) mit einer Koaxialleitung verbunden. Zur Isolierung wird Glimmer (mica) und Poliemid verwendet. Fig. 1c shows further details of the installation of the superlattice diode into a waveguide. On one side the superlattice diode is soldered to the waveguide structure with indium solder (Indium solder), the other contact is connected to a coaxial line via a fine wire. Mica and poliemid are used for insulation.
Fig. 2 Strom-Spannung (current voltage)-Charakteristik der Übergitterbauelement. Im schraffierten Bereich (range of oscillation) stellt das Übergitterbauelement, eingebaut in die Wellenleiterstruktur einen Hochfrequenzgenerator für Millimeterwellen dar. Fig. 2 current-voltage characteristic of the superlattice device. In the hatched area (range of oscillation), the superlattice component, built into the waveguide structure, represents a high-frequency generator for millimeter waves.
Fig. 3 zeigt Emissionslinien des Millimeterwellengenerators bei einer Spannung von 3 V an den beiden Kontakten des Übergitterbauelements. Angegeben ist in der verikalen Skala die Leistung, die mit einer Bandbreite von 0,1 MHz gemessen wurde. Für die Messung der einzelnen Linien wurden Abschwächer (40 dB bzw. 10 dB bzw. 6 dB) verwendet. Die einzelnen Kurven geben Hochfrequenzstrahlung bei der zweiten Harmonischen einer Grundfrequenz an, und bei höheren Harmonischen. Die Frequenz ν2 ∼ 72 entspricht der zweiten Harmonischen einer Grundfrequenz von 36 GHz. Darüber hinaus ist angegeben die dritte Harmonische bei 109 GHz, die vierte Harmonische ν4 bei 145 GHz und die fünfte Harmonische ν5 bei 181 GHz. Die Halbwertsbreiten der einzelnen Linien liegen in der Größenordnung von 1 MHz. Fig. 3 shows the emission lines of the millimeter wave generator at a voltage of 3 V at the two contacts of the superlattice device. The performance, which was measured with a bandwidth of 0.1 MHz, is given on the vertical scale. Attenuators (40 dB, 10 dB and 6 dB) were used to measure the individual lines. The individual curves indicate high-frequency radiation at the second harmonic of a fundamental frequency and at higher harmonics. The frequency ν 2 ∼ 72 corresponds to the second harmonic of a basic frequency of 36 GHz. In addition, the third harmonic is given at 109 GHz, the fourth harmonic ν 4 at 145 GHz and the fifth harmonic ν 5 at 181 GHz. The half-widths of the individual lines are in the order of 1 MHz.
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der Frequenz von der Spannung am Übergitterbauelement (unterer Teil des Bildes) und die Abhängigkeit der Leistung (power) von der Spannung (oberer Teil des Bildes). FIG. 4 shows the dependence of the frequency on the voltage at the superlattice component (lower part of the picture) and the dependence of the power on the voltage (upper part of the picture).
Im folgenden sollen noch weiter Angaben zu den Figuren gemacht werden.In the following, further details on the figures are to be made.
Das in Fig. 1a gezeigte Übergitterbauelement enthält zwei Übergitter, die folgendermaßen hergestellt wurden: Zunächst wurde mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie auf einem 100-orientierten n⁺-GaAs-Substrat (Dotierung 2×1018 cm-3) ein Übergittersubstrat hergestellt. Dieses hat 100 Perioden von 51 Å dicken GaAs und 9 Å dicken AlAs-Schichten. Das Übergittersubstrat (Dotierung 1,4×1017 cm-3) ist bedeckt mit einer 300 nm dicken n⁺ GaAs-Schicht (Dotierung 2×1018 cm-3). Durch naßchemisches Ätzen und einer Methode zur Herstellung von Kontakten wurde das Übergitterbauelement erhalten. Das Übergitterbauelement stellt ein quasiplanares Zweiterminal-Bauelement dar (SLED = Superlattice Electronic Device). Das Übergitterbauelement besteht aus einem n⁺ GaAs-Substrat (Fläche 300×400 µm2, Höhe 40 µm), das aus einem Übergittersubstrat ausgeschnitten wurde und zwei Übergittermesas, die mit ohmschen Kontakten versehen sind. Das Mesa mit dem kleineren Querschnitt (4×8 µm2) ist das aktive Element des Übergitterbauelementes. Es ist verbunden über einen ohmschen Kontaktpfad (100 µm lang und 25 µm breit); der ohmsche Kontakt befindet sich teilweise auf einem Poliemidfilm, der über das n⁺ GaAs-Substrat herausragt. Das andere Mesa mit einem großen Querschnitt (300×100 µm2) ist verbunden mit dem zweiten metallischen Kontakt. Die Kontakte, aus AuGeNi-Gemisch hergestellt, sind elektrochemisch auf die Übergitter aufgebracht. Die Kontakte und die Kontaktpfade sind verstärkt durch eine 1 µm dicke Goldschicht. Bei einer Gleichspannung, die an das Übergitterbauelement angelegt wird, fließt ein elektrischer Strom, zunächst durch eines der beiden Übergitter, dann durch das n⁺ GaAs-Substrat und danach durch das andere Übergitter. Die Strom-Spannungskennlinie des Übergitterbauelementes ist hautsächlich bestimmt durch das aktive Übergitter, während das Übergitter mit der größeren Fläche (d. h. mit dem kleineren Widerstand) und die n⁺-GaAs-Bereiche, ohmsche Serienwiderstände darstellt.The superlattice component shown in FIG. 1a contains two superlattices which were produced as follows: First, a superlattice substrate was produced with the aid of molecular beam epitaxy on a 100-oriented n⁺-GaAs substrate (doping 2 × 10 18 cm -3 ). This has 100 periods of 51 Å thick GaAs and 9 Å thick AlAs layers. The superlattice substrate (doping 1.4 × 10 17 cm -3 ) is covered with a 300 nm thick n⁺ GaAs layer (doping 2 × 10 18 cm -3 ). The superlattice component was obtained by wet chemical etching and a method for producing contacts. The superlattice component is a quasi-planar two-terminal component (SLED = Superlattice Electronic Device). The superlattice component consists of a n⁺ GaAs substrate (area 300 × 400 µm 2 , height 40 µm), which was cut out of a superlattice substrate and two superlattice mesas, which are provided with ohmic contacts. The mesa with the smaller cross section (4 × 8 µm 2 ) is the active element of the superlattice component. It is connected via an ohmic contact path (100 µm long and 25 µm wide); the ohmic contact is partly on a polyimide film that protrudes over the n⁺ GaAs substrate. The other mesa with a large cross section (300 × 100 µm 2 ) is connected to the second metallic contact. The contacts, made of AuGeNi mixture, are electrochemically applied to the superlattice. The contacts and the contact paths are reinforced by a 1 µm thick gold layer. With a DC voltage that is applied to the superlattice component, an electrical current flows, first through one of the two superlattices, then through the n⁺ GaAs substrate and then through the other superlattice. The current-voltage characteristic of the superlattice component is primarily determined by the active superlattice, while the superlattice with the larger area (ie with the smaller resistance) and the n⁺-GaAs ranges represents ohmic series resistances.
Fig. 1b zeigt den Einbau der Übergitterdiode in einen Wellenleiter für Millimeterwellen. Der Rechteck-Wellenleiter hat eine untere Grenzfrequenz von 45 GHz und eine Impedanz von 100 Ohm. Der Wellenleiter ist abgeschlossen mit einer Metallplatte in einem Abstand von 1,5 mm zum Übergitterbauelement. Ein Taper paßt den Wellenleiter an einen Ausgangswellenleiter (WR 15) an. FIG. 1b shows the installation of the superlattice diode into a waveguide for millimeter waves. The rectangular waveguide has a lower cut-off frequency of 45 GHz and an impedance of 100 ohms. The waveguide is closed with a metal plate at a distance of 1.5 mm from the superlattice component. A taper adapts the waveguide to an output waveguide (WR 15 ).
Fig. 1c zeigt, daß der eine Kontakt auf dem Übergitterbauelement verbunden ist mit der metallischen Wand des Wellenleiters durch Indiumlot und der Kontaktpfad mit einem Draht (Durchmesser 50 µm) verbunden ist. Der Draht ist elektrisch isoliert vom Metall des Wellenleiters durch Glimmer und hat Kontakt zum inneren Draht eines Koaxialkabel, das zur Spannungsquelle führt. Der Draht, die Glimmerplatte und das Metall des Wellenleiters bilden einen Tiefpassfilter, der eine Wechselwirkung von hochfrequenten Feldern mit der Gleichspannungsversorgung verbindet. Die Millimeterstrahlung wird vom Ausgang des Wellenleiters zu einem Abschwächer geleitet und danach in einem Mischer, der mit einem Spektrumanalysator verbunden ist. Der Abschwächer verhindert eine Sättigung des Mischers. Fig. 1c shows that the one contact is connected to the superlattice device (50 microns diameter) is connected to the metallic wall of the waveguide by indium solder and the contact path with a wire. The wire is electrically isolated from the metal of the waveguide by mica and is in contact with the inner wire of a coaxial cable that leads to the voltage source. The wire, the mica plate and the metal of the waveguide form a low-pass filter that connects an interaction of high-frequency fields with the DC voltage supply. The millimeter radiation is directed from the output of the waveguide to an attenuator and then in a mixer that is connected to a spectrum analyzer. The attenuator prevents the mixer from being saturated.
Fig. 2 zeigt, daß die Strom-Spannungskennlinie des Übergitterbauelementes ohmsches Verhalten hat bei kleineren Gleichspannungen und bei größeren Gleichspannungen Bereiche mit negativem differentiellem Leitwert aufweist. Der Strom zeigt ein Maximum mit einer Stromdichte von 50 kA/cm2. Er nimmt nach dem Maximum ab und zeigt, mit zunehmender Spannung, Sprünge aufwärts bzw. abwärts. Dazwischen sind Bereiche, in denen sich der Strom mit der Spannung kontinuierlich ändert. Der Inset der Fig. 2 zeigt, daß die Strom-Spannungskennlinie nahezu antisymmetrisch bei Spannungswerten bis etwa 0,5 V ist, hingegen bei höheren Spannungen zeigen Abweichungen von der Antisymmetrie zeigt. Diese sind auf eine Antisymmetrie des aktiven Übergitterelementes zurückzuführen. Fig. 2 shows that the current-voltage characteristic of the superlattice component has ohmic behavior with smaller DC voltages and with larger DC voltages has areas with negative differential conductance. The current shows a maximum with a current density of 50 kA / cm 2 . It decreases after the maximum and shows, with increasing tension, jumps upwards or downwards. In between are areas in which the current changes continuously with the voltage. The inset of FIG. 2 shows that the current-voltage characteristic is almost antisymmetric at voltage values of up to approximately 0.5 V, whereas higher voltages show deviations from the antisymmetry. These are due to an anti-symmetry of the active superlattice element.
Aus Fig. 3 geht hervor, daß der Oszillator, bei einer Gleichspannung von 3 V am Übergitterbauelement betrieben, ein Emissionsspektrum hat mit Linien, die bei der zweiten, dritten, vierten und fünften Harmonischen (ν2, ν3, ν4, ν5) einer Grundharmonischen von etwa 36 GHz liegen. Die Halbwertsbreiten lagen zwischen 1 MHz und 3 MHz. Dies entspricht einem Verhältnis der Halbwertsbreiten zu den Linienzentren in der Größenordnung von 10-5.From Fig. 3 it is apparent that the oscillator operates at a direct voltage of 3 V at the superlattice device, an emission spectrum has with lines ν in the second, third, fourth and fifth harmonics (2, ν 3, ν 4, ν 5 ) have a basic harmonic of around 36 GHz. The half-widths were between 1 MHz and 3 MHz. This corresponds to a ratio of the half-widths to the line centers of the order of 10 -5 .
Die Linie bei 73 GHz ist am stärksten, die Ausgangsleistung beträgt 100 µW. Dies entspricht einer Effizienz für die Konversion von Gleichstromleistung in Strahlung von 0,4%. Die Leistung der anderen Linien ist kleiner (160 nW bei 109 GHz, 109 nW bei 145 GHz und 25 nW bei 182 GHz).The line at 73 GHz is the strongest, the output power is 100 µW. This matches with an efficiency for the conversion of direct current power into radiation of 0.4%. The The performance of the other lines is lower (160 nW at 109 GHz, 109 nW at 145 GHz and 25 nW at 182 GHz).
Fig. 4 zeigt das Abstimmverhalten der stärksten Linie ν2. Diese ist kontinuierlich abstimmbar in einem Bereich von 66 GHz bei einer Gleichspannung am aktiven Übergitter von etwa 0,1 V bis zu 73 GHz bei einer Spannung von 3,2 V. Dies entspricht einem Abstimmbereich von 10% um eine Frequenz um 70 GHz herum. Fig. 4 zeigt auch, daß die Leitung des Millimeterwellenoszillators sich um etwa einen Faktor 3 änderte, wenn die Frequenz um 10% verstimmt wurde. In Fig. 4 sind die Punkte, Meßpunkte während die durchgezogene Linie lediglich eine Hilfslinie darstellt. Fig. 4 shows the tuning of the strongest line ν. 2 This can be continuously tuned in a range from 66 GHz with a DC voltage at the active superlattice of approximately 0.1 V to 73 GHz at a voltage of 3.2 V. This corresponds to a tuning range of 10% around a frequency around 70 GHz. Figure 4 also shows that the millimeter wave oscillator's line changed by a factor of 3 when the frequency was detuned by 10%. In Fig. 4 the points are measurement points while the solid line represents only an auxiliary line.
Mit Hilfe eine Kronig-Penney-Modells ergab sich eine Minibandbreite von 43 meV für das niedrigste Miniband des Übergitters.With the help of a Kronig-Penney model, a mini bandwidth of 43 meV was found for this lowest mini band of the superlattice.
Aus der Strom-Spannungskennlinie ergibt sich die Stromdichte (50 kA/cm2) und daraus ergibt sich eine maximale Driftgeschwindigkeit von 2,2×106 cm/s bei einer Spannung (∼ 0,6 V), bei der das Strommaximum auftritt. Im Bereich des negativen differentiellen Leitwerts bilden sich laufende Domänen aus, die die Ursache der Stromoszillation und der Mikrowellenstrahlung darstellen. The current density (50 kA / cm 2 ) results from the current-voltage characteristic curve, and this results in a maximum drift speed of 2.2 × 10 6 cm / s at a voltage (∼ 0.6 V) at which the current maximum occurs. Running domains form in the area of the negative differential conductance, which are the cause of the current oscillation and the microwave radiation.
Fig. 5 zeigt das Prinzip des Halbleiterübergitterbauelementes. Das Übergitterbauelement besteht aus zwei Übergittern (2, 3), die durch Strukturierung aus einem Übergittersubstrat hergestellt worden sind. Die beiden Übergitter sind auf der einen Seite bedeckt mit zwei Kontakten (4, 5). Die Übergitter haben elektrischen Kontakt über einen elektrischen Kontakt (6). Fig. 5 shows the principle of the semiconductor superlattice device. The superlattice component consists of two superlattices ( 2 , 3 ) which have been produced by structuring from a superlattice substrate. The two superlattices are covered on one side with two contacts ( 4 , 5 ). The superlattices have electrical contact via an electrical contact ( 6 ).
Claims (28)
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der Übergitter so ist, daß das Anlegen einer Gleichspannung an die Kontakte einen Gleichstrom durch die Übergitter erzeugt und,
daß der Gleichstrom mit der Spannung ansteigt, ein relatives Maximum besitzt, insbesondere für eine angelegte Gleichspannung zwischen 0,5 V und 2 V und,
daß der Strom abnimmt zu höherer Spannung hin und schließlich bei noch höheren Spannungen wieder ansteigt und das die Halbleitervorrichtung auch benutzt werden kann im Bereich des ansteigenden Stroms.6. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that at least one of the superlattices is such that the application of a direct voltage to the contacts generates a direct current through the superlattices and,
that the direct current increases with the voltage has a relative maximum, in particular for an applied direct voltage between 0.5 V and 2 V and,
that the current decreases towards a higher voltage and finally rises again at even higher voltages and that the semiconductor device can also be used in the region of the rising current.
dadurch gekennzeichnet,
daß eines der Übergitter derart ist, daß in der Strom-Spannungskennlinie des Übergitters ein Stromsprung oder Stromsprünge auftreten können,
daß die Halbleitervorrichtung eine Stromoszillation zeigt bei einer Grundfrequenz im Bereich unterhalb 1 GHz oder im Bereich zwischen 1 GHz und 100 GHz oder bei Frequenzen oberhalb 100 GHz und,
daß die Grundfrequenz abstimmbar ist durch Verändern der Gleichspannung an den Kontakten.7. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that one of the superlattices is such that a current jump or jumps can occur in the current-voltage characteristic of the superlattice,
that the semiconductor device shows a current oscillation at a fundamental frequency in the range below 1 GHz or in the range between 1 GHz and 100 GHz or at frequencies above 100 GHz and,
that the fundamental frequency can be tuned by changing the DC voltage on the contacts.
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Hochfrequenzspannung, die an die Kontakte angelegt wird, eine Stromoszillation erzeugt, die frequenzgekoppelt ist mit der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung und/oder daß eine frequenzgekoppelte Stromoszillation die Quelle ist für Hochfrequenzstrahlung bei der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung ist, und
daß die Frequenz der Stromoszillation und die Frequenz der erzeugten Hochfrequenzstrahlung eine Mitnahme durch die Frequenz angelegte Hochfrequenzspannung erfährt.9. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that a high frequency voltage applied to the contacts produces a current oscillation frequency-locked to the frequency of the applied high frequency voltage and / or that frequency-locked current oscillation is the source of high frequency radiation at the frequency of the applied high frequency voltage, and
that the frequency of the current oscillation and the frequency of the high-frequency radiation generated is driven by the frequency of the high-frequency voltage.
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Hochfrequenzfeld, das an die Kontakte angelegt wird, zumindest eines der beiden Übergitter so beeinflußt, daß ein Hochfrequenzstrom mit quasiperiodischem oder chaotischem Verhalten fließt, oder
daß Hochfrequenzstrahlung mit einem Spektrum entsteht, das quasiperiodischen oder chaotischen Charakter hat. 10. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that a high-frequency field, which is applied to the contacts, influences at least one of the two superlattices in such a way that a high-frequency current flows with quasi-periodic or chaotic behavior, or
that high-frequency radiation arises with a spectrum that is quasi-periodic or chaotic in character.
dadurch gekennzeichnet,
daß eine schmalbandige Hochfrequenzspannung, die an die Kontakte angelegt wird, zumindest eines der beiden Übergitter in solcher Weise beeinflußt, daß ein Hochfrequenzstrom entsteht, der frequenzgekoppelt ist mit der angelegten Hochfrequenzspannung, und
daß die Grundfrequenz der Stromoszillation schmalbandig ist, und/oder
daß die Halbleitervorrichtung die Quelle ist von Hochfrequenzstrahlung bei der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung, und/oder
daß die Halbwertsbreite der Emissionslinie des Frequenzbandes bei der Grundfrequenz der erzeugten Hochfrequenzspannung eine Halbwertsbreite im Bereich zwischen 100 kHz und 1 Hz oder unter 1 Hz besitzt.11. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that a narrow-band high-frequency voltage, which is applied to the contacts, influences at least one of the two superlattices in such a way that a high-frequency current arises, which is frequency-coupled to the applied high-frequency voltage, and
that the fundamental frequency of the current oscillation is narrow-band, and / or
that the semiconductor device is the source of radio frequency radiation at the frequency of the radio frequency voltage applied, and / or
that the half-value width of the emission line of the frequency band has a half-value width in the range between 100 kHz and 1 Hz or below 1 Hz at the fundamental frequency of the high-frequency voltage generated.
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Hochfrequenzspannung, die an die Kontakte angelegt wird, zumindest eines der beiden Übergitter so beeinflußt, daß die Halbleitervorrichtung schmalbandige Hochfrequenzstrahlung bei der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung und/oder bei ultraharmonischen der Frequenz der angelegten Hochfrequenzspannung erzeugt, und
daß die Halbwertsbreiten der Emissionslinien bei den Ultraharmonischen im Bereich zwischen 100 kHz und 1 Hz oder unter 1 Hz liegen, und
daß die Leistung der Hochfrequenzstrahlung, die durch die Halbleitervorrichtung erzeugt wird, sehr viel größer ist als die Leistung der angelegten Hochfrequenzspannung.12. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that a high frequency voltage applied to the contacts affects at least one of the two superlattices so that the semiconductor device generates narrow band high frequency radiation at the frequency of the applied high frequency voltage and / or at ultraharmonic the frequency of the applied high frequency voltage, and
that the half-widths of the emission lines in the ultra-harmonic range between 100 kHz and 1 Hz or below 1 Hz, and
that the power of the high frequency radiation generated by the semiconductor device is much larger than the power of the applied high frequency voltage.
dadurch gekennzeichnet,
daß optische Strahlung zumindest in einem der Übergitter absorbiert wird, derart, daß
die Halbleitervorrichtung eine Stromoszillation zeigt, und/oder
daß modulierte optische Strahlung, welche von einem der Übergitter absorbiert wird, zur Stromoszillation in der Halbleitervorrichtung und/oder zur Erzeugung von Hochfrequenzstrahlung bei der Modulationsfrequenz der optischen Strahlung führt, und/oder
daß mindestens zwei verschiedene Laserstrahlen, welche von zumindest einem der Übergitter absorbiert werden, Stromoszillationen verursachen und/oder zur Erzeugung von Hochfrequenzstrahlung führen und/oder zur Unterdrückung der Erzeugung-von Hochfrequenzstrahlung führen, und
daß die Halbleitervorrichtung, bei der sich zumindest eines der Übergitter unter dem Einfluß von optischen Femtosekundenimpulsen befindet, Hochfrequenzstrahlung erzeugt.13. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that optical radiation is absorbed in at least one of the superlattices, such that
the semiconductor device shows current oscillation, and / or
that modulated optical radiation, which is absorbed by one of the superlattices, leads to current oscillation in the semiconductor device and / or to the generation of high-frequency radiation at the modulation frequency of the optical radiation, and / or
that at least two different laser beams, which are absorbed by at least one of the superlattices, cause current oscillations and / or lead to the generation of high-frequency radiation and / or suppress the generation of high-frequency radiation, and
that the semiconductor device, in which at least one of the superlattices is under the influence of optical femtosecond pulses, generates high-frequency radiation.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleitervorrichtung eine periodische, quasiperiodische oder chaotische Stromoszillation zeigt, wenn eine Hochfrequenzspannung und/oder optische Strahlung zumindest eines der Übergitter beeinflußt, und/oder
daß unter dem Einfluß einer Hochfrequenzspannung und/oder optischer Strahlung die Halbleitervorrichtung Hochfrequenzstrahlung erzeugt, dessen Spektrum periodisch, quasiperiodisch oder chaotisches Verhalten zeigt.14. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the semiconductor device exhibits a periodic, quasi-periodic or chaotic current oscillation when a high-frequency voltage and / or optical radiation affects at least one of the superlattices, and / or
that under the influence of a high-frequency voltage and / or optical radiation, the semiconductor device generates high-frequency radiation, the spectrum of which shows periodic, quasi-periodic or chaotic behavior.
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der Übergitter derart ist, daß die Halbleitervorrichtung ein Autokorrelator für Hochfrequenzstrahlung ist und/oder für die Autokorrelation von THz-Strahlungspulsen geeignet ist, und
daß der Korrelator eine Zeitauflösung in der Größenordnung von 10-13 s hat.21. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that at least one of the superlattices is such that the semiconductor device is an autocorrelator for high-frequency radiation and / or is suitable for the autocorrelation of THz radiation pulses, and
that the correlator has a time resolution of the order of 10 -13 s.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Übergitter breite Minibänder haben, und
daß der Stromtransport hauptsächlich bestimmt ist durch Minibandtransport und/oder
daß der Stromtransport hauptsächlich bestimmt wird durch Interminibandtransport oder daß der Stromtransport durch beides, Minibandtransport und Interminibandtransport bestimmt ist, und
daß das unterste Miniband ein Breite hat, die größer oder gleich 10 meV ist.22. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the superlattices have wide mini bands, and
that the electricity transport is mainly determined by mini-band transport and / or
that the current transport is mainly determined by interminiband transport or that the current transport is determined by both miniband transport and interminiband transport, and
that the lowest miniband has a width that is greater than or equal to 10 meV.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Übergitter aus GaAs und GaxAl1-xAs (x=0-1) oder aus InGaAs/InAlAs oder
InAs/GaSb bestehen, und
daß die Übergitter dotiert sind, und
daß die Übergitter aus mehr als 10 Perioden dieser Materialien bestehen.24. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the superlattice made of GaAs and Ga x Al 1-x As (x = 0-1) or InGaAs / InAlAs or
InAs / GaSb exist, and
that the superlattices are doped, and
that the superlattices consist of more than 10 periods of these materials.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindung zwischen den beiden Übergittern aus n⁺-dotiertem GaAs besteht,
oder daß die Verbindung aus n⁺-dotiertem InP besteht, oder
daß die Verbindung der beiden Übergitter durch elektrisch leitendes Material, z. B. Metall besteht.25. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the connection between the two superlattices consists of n⁺-doped GaAs,
or that the connection consists of n⁺-doped InP, or
that the connection of the two superlattices by electrically conductive material, for. B. consists of metal.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Übergitter etwa 0,5 µm beträgt, eines der beiden Übergitter einen kleineren Querschnitt hat als das andere Übergitter, wobei der Querschnitt des einen Übergitters bevorzugt bei 3 µm×3 µm oder 1 µm×1 µm liegt und der Querschnitt des anderen Übergitters bevorzugt zwischen 10 µm×10 µm und 100 µm×100 µm, und
daß das Übergitter mit dem kleinen Querschnitt verantwortlich ist für die nichtlineare Strom-Spannungskennlinie, und
daß das Übergitter mit dem größeren Querschnitt einen ohmschen Widerstand darstellt. 26. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the length of the superlattice is about 0.5 microns, one of the two superlattices has a smaller cross section than the other superlattice, the cross section of one superlattice preferably being 3 µm × 3 µm or 1 µm × 1 µm and the cross section of the other Superlattice preferably between 10 µm × 10 µm and 100 µm × 100 µm, and
that the superlattice with the small cross section is responsible for the non-linear current-voltage characteristic, and
that the superlattice with the larger cross section represents an ohmic resistance.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Übergitter durch Molekularstrahlepitaxie oder einen anderen Prozeß für die Herstellung epitaxialer Schichten erzeugt werden, und
daß Strukturierungstechniken benutzt werden zur Herstellung der Übergittermesas.27. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the superlattices are produced by molecular beam epitaxy or another process for the production of epitaxial layers, and
that structuring techniques are used to make the superlattice mesas.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleitervorrichtung ganz oder teilweise monolithisch aufgebaut ist, wobei das Übergitterbauelement in die Vorrichtung integriert ist, oder
daß die Halbleitervorrichtung teilweise oder vollständig quasiplanar aufgebaut ist, wobei das Übergitterbauelement in den Aufbau integriert ist, und/oder
daß die Halbleitervorrichtung als Hybridsystem aufgebaut ist, wobei es Teile in Wellenleitertechnologie enthält.28. The semiconductor device according to at least one of the preceding claims,
characterized,
that the semiconductor device is constructed in whole or in part monolithically, the superlattice component being integrated in the device, or
that the semiconductor device is partially or completely quasi-planar, the superlattice component being integrated in the structure, and / or
that the semiconductor device is constructed as a hybrid system, wherein it contains parts in waveguide technology.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1998107434 DE19807434A1 (en) | 1998-02-23 | 1998-02-23 | Semiconductor device for wide h.f. range use, e.g. in communication equipment, radar systems, data analysis systems, frequency standards and sensors |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE1998107434 DE19807434A1 (en) | 1998-02-23 | 1998-02-23 | Semiconductor device for wide h.f. range use, e.g. in communication equipment, radar systems, data analysis systems, frequency standards and sensors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19807434A1 true DE19807434A1 (en) | 1999-08-26 |
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ID=7858567
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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|---|---|
| DE (1) | DE19807434A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114864711A (en) * | 2022-06-08 | 2022-08-05 | 西安电子科技大学 | Pn-type beta-Ga based on polar two-dimensional material quantum well 2 O 3 Solar blind deep ultraviolet photoelectric detector |
-
1998
- 1998-02-23 DE DE1998107434 patent/DE19807434A1/en not_active Ceased
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114864711A (en) * | 2022-06-08 | 2022-08-05 | 西安电子科技大学 | Pn-type beta-Ga based on polar two-dimensional material quantum well 2 O 3 Solar blind deep ultraviolet photoelectric detector |
| CN114864711B (en) * | 2022-06-08 | 2023-07-28 | 西安电子科技大学 | Pn beta-Ga based on polar two-dimensional material quantum well 2 O 3 Solar blind deep ultraviolet photoelectric detector |
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