DE2000676B2

DE2000676B2 - Halbleiterbauelement zum erzeugen oder verstaerken elektrischer schwingungen und schaltung mit einem derartigen bauelement

Info

Publication number: DE2000676B2
Application number: DE19702000676
Authority: DE
Inventors: Wolfdietrich Georg Eindhoven Kasperkovitz (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-01-17
Filing date: 1970-01-08
Publication date: 1976-12-23
Also published as: US3668555A; DE2000676A1; GB1292213A; NL6900787A; FR2028537A1; SE362988B; FR2028537B1; BE744568A

Description

_fo£r

ist, wobei E_av den Wert der Feldstärke in V/cm, für den im Halbleitermaterial der Ionisationsgrad gleich

-jöj ist, und d die Dicke der Schicht mit niedrigerer

Leitfähigkeit in cm darstellt, während εο die Dielektrizitätskonstante des Vakuums in Farad/cm, Er die relative Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterial, q die Ladung eines Elektrons in Coulomb und ν die Sättigungsdriftgeschwindigkeit in cm/sec der Majoritätsladungsträger darstellt, und daß der Anschlußkontakt (5, 6) der Schicht mit höherer Leitfähigkeit nichtinjizierend ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungskonzentrationsunterschied zwischen den beiden Schichten (8,9) mit verschiedener Leitfähigkeit größer als

5-10⁸

^f0^fr

E.

^- Atorne/cm³

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit eine Leitfähigkeit aufweist, die höchstens gleich dem Zehnfachen der Leitfähigkeit der Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit ist.

4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit höchstens 4 μπι beträgt.

5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkontakte durch an die beiden Schichten (8,9) mit verschiedener Leitfähigkeit grenzenden Halbleitergebiete (2, 5) vom gleichen Leitfähigkeitstyp und mit einer Dotierungskonzentration höher als die der Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit gebildet sind.

6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) aus Germanium oder Silizium besteht und daß die Dotierungskonzentration der Schicht mit höherer Leitfähigkeit höchstens gleich 10¹⁶ Atomen/cm³ und mindestens gleich 10¹⁴ Atomen/cm³ ist.

7. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit und die Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit aneinander angrenzen (F i g. 1 und 2).

8. Halbleiterbauelement nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit und die Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit durch eine Zwischenschicht (21) vom gleichen Leitfähigkeitstyp mit einer Dotierungskonzentration höher als die der Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit und niedriger als

aq

'- {E_av - E_s) Atome/cm³

voneinander getrennt sind, wobei E_s den Wert der Feldstärke in V/cm darstellt, bei dem Sättigung der Driftgeschwindigkeit der Majoritätsträger erreicht wird und a die Dicke der Zwischenschicht (21) in cm ist.

9. Schaltung mit einem Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlußkontanten (2,3,5, 6) eine Gleichspannung mit einer derartigen Polarität angelegt ist, daß im Halbleiterkörper Majoritätsladungsträger aus der Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit in die Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit fließen.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegte Gleichspannung derart hoch ist, daß die Driftgeschwindigkeit von Majoritätsladungsträgern wenigstens in der Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit ihren Sättigungswert er-1 eicht und daß in dieser Schicht (8) der Ionisationsgrad einen Wert annimmt, der zwischen 1 und 10 liegt.

11. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegte Gleichspannung zur Regelung der Schwingungsfrequenz veränderlich ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen mit einem Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial vom einen Leitfähigkeitstyp, der mindestens zwei Schichten vom einen Leitfähigkeitstyp und mit verschiedener Leitfähigkeit enthält, bei dem die Schicht mit der niedrigeren Leitfähigkeit dünner als die Schicht mit der höheren Leitfähigkeit ist und bei dem mindestens die beiden Schichten verschiedener Leitfähigkeit jeweils mit ohmschen Anschlußkontakten versehen und zwischen diesen Anschlußkontakten angeordnet sind.

Es wird hier und im nachstehenden angenommen, daß zwei Schichten zwischen zwei Anschlußkontakten liegen, wenn sie beim Fließen eines Stromes über den Halbleiterkörper von einem zu dem anderen Anschlußkontakt nacheinander in ihrer Dickenrichtung von diesem Strom durchlaufen werden.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Schaltung mit einem derartigen Bauelement.

Die bekannten Halbleiterbauelemente dieser Ait können in zwei Gruppen geteilt werden, deren Wirkung auf ganz verschiedenen physikalischen Mechanismen beruht. Diese Gruppen sind unter den Bezeichnungen »Lawinendioden« und »Gunn-Effekt-Bauelemente« bekannt

Bei einer Lawinendiode, wie sie z. B. in der USA-Patentschrift 33 24 358 beschrieben wurde, werden dadurch elektrische Schwingungen erzeugt, daß infolge eines Lawinendurchschlags in der Strom-Spannungskennlinie einer derartigen Diode ein Gebiet mit negativem Differentialwiderstand auftritt Dieser Lawinendurchschlag wird durch eine heftige Stoßionisation herbeigeführt und ist nicht genau reproduzierbar, so daß Bauelemente dieser Art im allgemeinen einen verhältnismäßig hohen Rauschpegel aufweisen.

Bei Gunn-Effekt-Bauelementen, wie. sie z.B. in »Electronic Design«, 2. August 1966, S. 26, beschrieben wurden, werden elektrische Schwingungen durch die Bildung von Domänen mit hoher Feldstärke in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit erzeugt, welche Domänen sich von der Kathode zu der Anode durch die Schicht bewegen und zwischen der Anode und der Kathode elektrische Schwingungen hervorrufen, deren Frequenz von der Laufzeit der erwähnten Domänen durch die Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit abhängig ist Diese Gunn-Effekt-Bauelemente können nur aus Materialien hergestellt werden, die eine bestimmte Bandstruktur aufweisen, die das Auftreten derartiger Domänen ermöglicht, wie GaAs und einigen anderen Stoffen. Außer dieser Beschränkung in der Wahl des Materials haben Gunn-Effekt-Bauelemente den Nachteil, daß sie sich schwer herstellen lassen. Ferner kann bei keiner der beschriebenen bekannten Bauelemente die Frequenz der erzeugten Schwingungen auf einfache Weise verändert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen zu schaffen, dessen Wirkung auf einem anderen Prinzip beruht und bei dem die erwähnten bei bekannten Bauelementen auftretenden Nachteile vermieden oder wenigstens in erheblichem Maße verringert werden, während die Frequenz der erzeugten Schwingungen auf besonders einfache Weise elektronisch verändert werden kann.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch passende Wahl des Dotierungskonzentrationsunterschledes zwischen den Schichten mit höherer und niedrigerer Leitfähigkeit ein Bauelement erhalten werden kann, in dem bei einer Gleichspannung zwischen den Anschlußkontakten, bei der nur eine mäßige Lawinenvervielfachung auftritt, elektrische Schwingungen erzeugt werden können, deren Frequenz von dem Wert dieser Gleichspannung abhängig ist.

Ein Bauelement der eingangs erwähnten Art ist somit nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungskonzentrationsunterschied zwischen wenigstens den einander zugewandten Grenzgebieten jeder der beiden Schichten mit verschiedener Leitfähigkeit kleiner als

5 . jo»»

k_ Atome/cm³

ist, wobei £_avden Wert der Feldstärke in V/cm darstellt, für den im Halbleitermaterial der lonisationsgrad gleich

-joj ist, wobei d die Dicke der Schicht mit niedrigerer I pitfähiekeit in cm darstellt, während εο die Dielektrizitätskonstante des Vakuums in Farad/cm, ε_Γ die relative Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials, q die Ladung eines Elektrons in Coulomb und ν die Sättigungsdriftgeschwindigkeit in cm/sec der Majoritätsladungsträger darstellt und daß der Anschlußkontakt der Schicht mit höherer Leitfähigkeit nichtinjizierend ist

Unter dem lonisationsgrad ist dabei auf übliche Weise die Anzahl von Elektron-Loch-Paaren zu verstehen, die von einem Majoritätsladungsträger pro zurückgelegter Zentimeter in Richtung des elektrischen Feldes ausgelöst werden (siehe z. B. »Physical Review«, Band 94,1954, S. 877, den letzten Absatz).

Der Ionisationsgrad α ist als Funktion der Feldstärke für viele Halbleitermaterialien gemessen (siehe z. B. für Germanium und Silizium, »Philips: Transistor Engineering, New York 1962«, S. 135, Fig. 6-9). Der Wert der Feldstärke £,* der zu

gehört, kann daher für ein bestimmtes Halbleitermaterial ohne weiteres aus diesen Kurven abgelesen werden.

Das Bauelement nach der Erfindung weist im Vergleich zu den erwähnten bekannten Bauelementen den erheblichen Vorteil auf, daß nicht, wie bei den bekannten Lawinendioden, eine heftige Stoßionisation auftritt so daß der Rauschpegel erheblich niedriger ist. Außerdem beruht die Wirkung, wie nachstehend noch näher beschrieben wird, nicht auf der Bildung von Domänen mit hoher Feldstärke, so daß im Gegensatz zu den erwähnten Gunn-Effekt-Bauelementen sich die Wahl des Materials nicht auf sehr spezielle Halbleitermaterialien mit einer besonderen Bandstruktur beschränkt. Die einzige Bedingung, der das gewählte Halbleitermaterial entsprechen muß, ist die, daß Sättigung der Driftgeschwindigkeit von Majoritätsladungsträgern bei einer Feldstärke auftritt, die niedriger als die Feldstärke ist, bei der Lawinenvervielfachung eintritt Dies ist bei nahezu allen bisher untersuchten Halbleitermaterialien der Fall.

Die Wirkung des Bauelements nach der Erfindung läßt sich auf folgende Weise erklären. Wenn bei einem Bauelement nach der Erfindung zwischen den Anschlußkontakten eine Gleichspannung mit einer derartigen Polarität angelegt wird, daß Majoritätsladungsträger aus der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit in die Schicht mit höherer Leitfähigkeit fließen, wird bei Erhöhung dieser Gleichspannung antänglich die Stromstärke nahezu proportional mit der Spannung zunehmen, wobei die Feldstärke in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit größer als die in der Schicht mit höherer Leitfähigkeit ist. Wenn die Feldstärke in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit einen bestimmten Wert, die Sättigungsfeldstärke E₅ (füi Elektronen in Germanium etwa 3 · 10³ V/cm), überschreitet erreicht die Driftgeschwindigkeit der Majoritätsladungsträger einen Sättigungswert ν (für Elektronen in Germanium etwa 6 ■ 10⁶ cm/sec). Eine weitere Erhöhung der Gleichspannung führt nahezu keine weitere Erhöhung der Stromstärke, dagegen wohl eine erhebliche Erhöhung der Feldstärke in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit herbei.

In der Schicht mit höherer Leitfähigkeit bildet sich nach dem Überschreiten der Sättigungsfeldstärke E₅ in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit auf der Seite dieser Schicht ein Raumladungsgebiet, dadurch, daß die Majoritätsladungsträger, die an Anschlußkontakt aus

der Schicht mit höherer Leitfähigkeit abgesaugt werden, nicht in ausreichendem Maße aus der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit ergänzt werden. Dieses Raumladungsgebiet erstreckt sich in der Schicht mit höherer Leitfähigkeit bis zu der Stelle, an der die Feldstärke auf die Sättigungsfeldstärke abgefallen ist.

Bei weiterer Erhöhung der angelegten Gleichspannung macht sich in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit, in der die Feldstärke stets höher als in der Schicht mit höherer Leitfähigkeit ist, beim Erreichen einer bestimmten Feldstärke (für Germanium etwa 1,7 · 10⁵ V/cm) der Anfang von Lawinenvervielfachung bemerkbar, wodurch Elektron-Loch-Paare gebildet werden. Dabei durchlaufen die zusätzlichen Majoritätsladungsträger unter der Einwirkung des elektrischen Feldes mit der Sättigungsgeschwindigkeit das Raumladungsgebiet

Diese zusätzlichen Majoritätsladungsträger im Raumladungsgebiet führen Änderung in dem Strom und in der Feldstärke und somit auch in dem lonisationsgrad herbei. Zwischen diesen Strom- und Feldstärkeänderungen treten infolge der endlichen Laufzeit der Majoritätsladungsträger durch das Raumladungsgebiet Phasenunterschiede auf. Infolge dieser verzögerten Rückkopplung können Stromschwingungen auftreten, deren Frequenz der Laufzeit der Majoritätsladungsträger durch das Raumladungsgebiet nahezu umgekehrt proportional ist Da die Sättigungsgeschwindigkeit konstant ist, ist dieser Laufzeit ferner nahezu lediglich von der Gesamtdicke D des Raumladungsgebiets abhängig, die ihrerseits von der angelegten Gleichspannung abhängig ist so daß die Schwingungsfrequenz innerhalb bestimmter Grenzen auf einfache Weise mittels der angelegten Gleichspannung verändert werden kann.

Ausgehend von einem vereinfachten eindimensionalen Modell, läßt sich errechnen, daß die betreffende Schwingungsfrequenz in der Nähe von

AN see"

liegt, wobei ΔΝ den Dotierungskonzentrationsunterschied zwischen der Schicht mit höherer und der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit darstellt und die übrigen Größen die vorerwähnte Bedeutung haben. Da im obenbeschriebenen Mechanismus bei Frequenzen über etwa 5 - 10¹⁰ see-¹ u. a. durch Diffusion von Majoritätsladungsträgern in das Raumladungsgebiet sehr starke Störungen auftreten, wodurch Schwingen kaum oder gar nicht möglich ist soll nach der Erfindung, wie bereits erwähnt wurde.

ΛΝ < 51O¹⁰

£0 Cr

qv

Atome/cm³

gewählt werden.

Obgleich auch bei niedrigeren Frequenzen der beschriebene Mechanismus auftreten kann, wird unterhalb einer Frequenz von etwa 5 · 10⁸SeC^-1 das benötigte Raumladungsgebiet derart ausgedehnt sein müssen, daß bei diesen niedrigeren Frequenzen im allgemeinen die Verwendung von Transistorschaltungen bevorzugt wird, die sich bei diesen Frequenzen bewährt haben. Daher wird vorteilhaft der erwähnte Dotierungskonzentrationsunterschied zwischen den Schichten mit verschiedener Leitfähigkeit größer als

5 · ΙΟ⁸

gewählt

Atome/cm³

Nach einer besonderen Ausführungsform wird die Leitfähigkeit der Schicht mit höherer Leitfähigkeit höchstens gleich dem Zehnfachen der Leitfähigkeit der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit gewählt. Dadurch ist für nahezu alle bekannte Halbleitermaterialien die vorerwähnte Bedingung in bezug auf den Dotierungskonzentrationsunterschied zwischen den beiden Schichten erfüllt.
Die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit

ίο wird vorteilhaft möglichst klein gewählt. Das Verhältnis von der höchsten zu der niedrigsten Frequenz, das durch Regelung der angelegten Gleichspannung erhalten werden kann, ist dem Verhältnis zwischen der Höchst- und der Mindestdicke des Raumladungsgebietes nahezu proportional. Dieses Verhältnis und somit die Veränderbarkeit der Schwingungsfrequenz ist größer, je nachdem die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit in bezug auf die der Schicht mit höherer Leitfähigkeit geringer ist.

Ein anderer Grund, aus dem vorzugsweise die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit möglichst klein gewählt wird, ist der, daß dann unnötige Verlustleistung infolge eines unnötigen Spannungsfalls in dieser Schicht vermieden wird.

Daher beträgt bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Bauelements nach der Erfindung die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit

höchstens 4 μπι.

Die ohmschen Anschlußkontakte, die nach dei Erfindung wenigstens auf der Schicht mit höherei Leitfähigkeit nichtinjizierend sein müssen, können am einfachsten durch hochdotierte Halbleitergebiete vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Schichten mil verschiedener Leitfähigkeit gebildet werden. Daher isi eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet daß die Anschlußkontakte durch an die Schichten mit verschiedener Leitfähigkeil grenzende Halbleitergebiete vom gleichen Leitfähig keitstyp und mit einer höheren Dotierungskonzentra tion als die der Schicht mit höherer Leitfähigkei! gebildet werden.

Wenn der Halbleiterkörper aus Germanium odei Silizium besteht wird vorzugsweise die Dotierungskon zentration der Schicht mit höherer Leitfähigkei höchstens gleich 10¹⁶ Atomen/cm³ und mindesten; gleich 10^M Atomen/cm³ gewählt Bei sehr niedrigei Dotierung ergibt sich eine zu starke Temperaturabhän gigkeit der Ladungsträgerkonzentration und somit dei Schwingungsfrequenz, während bei höheren Dotierun gen die Erzielung des gewünschten Dotierungsunter schiedes zwischen den Schichten technologisch« Schwierigkeiten bereitet

Nach einer besonderen Ausführungsform grenzen dii erwähnten Schichten mit verschiedener Leitfähigkei direkt aneinander an. Dadurch wird eine besonder einfache Struktur erhalten.

Unter Umständen kar η es jedoch vorteilhaft sein, dal die Schicht mit niedrigerer und die Schicht mit höhere Leitfähigkeit durch eine Zwischenschicht vom gleichei Leitfähigkeitstyp, aber mit einer Dotierungskonzentra tion höher als die der Schicht mit höherer Leitfähigkei und niedriger als

(E_n - E,) Atomen/cm³

voneinander getrennt sind, wobei δ, ε* q und E_1n, di obenerwähnte Bedeutung haben, während E, den Wei der Feldstärke in V/cm, für den die Sättigungsdriftgc

«■-SBSSA.V--

schwindigkeit von Majoritätsladungsträgern erreicht wird, und a die Dicke der Zwischenschicht in cm darstellt. Das Vorhandensein dieser Zwischenschicht hat zur Folge, daß der Spannungsabfall und somit die Verlustleistung herabgesetzt wird, während die vorerwähnte obere Grenze der Dotierungskonzentration der Zwischenschicht, welche Grenze von der Dicke der Zwischenschicht abhängig ist, sicherstellt, daß im Betriebszustand die Driftgeschwindigkeit in dem ganzen Raumladungsgebiet zur Vermeidung von Verzerrung oder Unterdrückung der Schwingungen der Sättigungsgeschwindigkeit gleich bleibt.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Schaltung mit einem Halbleiterbauelement der oben beschriebenen Art, bei dem zwischen den Anschlußkontakten eine Gleichspannung mit einer derartigen Polarität angelegt ist, daß im Halbleiterkörper Majoritätsladungsträger aus der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit in die Schicht mit höherer Leitfähigkeit fließen. Dabei wird diese Gleichspannung vorzugsweise derart hoch gewählt, daß die Driftgeschwindigkeit der Majoritätsladungsträger wenigstens in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit ihren Sättigungswert erreicht und daß in dieser Schicht der Ionisationsgrad einen Wert annimmt, der zwischen 1 und 10 liegt Infolge dieses niedrigen Ionisationsgrades ist das auftretende Geräusch erheblich niedriger als in den beschriebenen bekannten Bauelementen. Die angelegte Gleichspannung wird in diesen Schaltungen zur Regelung der Schwingungsfrequenz vorzugsweise veränderlich gewählt.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Bauelements nach der Erfindung,

F i g. 2 ein eindimensionales Modell des Bauelements nach F ig. 1,

F i g. 3—5 schematisch den Verlauf der Dotierung, der Elektronenkonzentration, der Feldstärke und des Potentials im Betriebszustand des Bauelements nach Fig. 2,

F i g. 6 das Bauelement nach F i g. 1 in einer Herstellungsstufe,

F i g. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Bauelemems nach der Erfindung,

F i g. 8 ein eindimensionales Modell des Bauelements nach F i g. 7 und

F i g. 9— 11 schematisch den Verlauf der Dotierung, der Elektronenkonzentration, der Feldstärke und des Potentials im Betriebszustand des Bauelements nach Fig. 8.

Die Figuren sind schematisch und nichtschematisch gezeichnet, wobei der Deutlichkeit halber insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtungen stark übertrieben dargestellt sind Entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt ein Halbleiterbauelement Dieses Bauelement enthält einen Halbleiterkörper 1 aus η-leitendem Germanium, der mit zwei ohmschen nicht-injizierenden Anschlußkontakten . versehen ist Ein Anschlußkontakt besteht aus einer hochdotierten η-leitenden Schicht 2 (mittlere Donatorkonzentration etwa 10¹⁸ Atome/cm³), auf der eine Metallschicht 3 und ein AnschluSleiter 4 angebracht sind. Der andere Anschlußkontakt besteht aus einem hochdotierten η-leitenden Gebiet 5 (mittlere Donatorkonzentration etwa 3 · 10¹⁷ Atome/cm³), auf dem eine Metallschicht 6 und ein Anschlußleiter 7 angebracht sind.

Zwischen diesen beiden Anschlußkontakten (2,3) und (5, 6) befinden sich zwei aneinander angrenzende η-leitende Schichten 8 und 9 mit verschiedener Leitfähigkeit. Die Schicht 8 hat in den an die Schicht 9 grenzenden Gebiet eine Dotierung von 1,5 · 10¹⁵ Atome/cm³ und eine Leitfähigkeit von etwa

1 Ω-¹ cm-¹. Die Schicht 9 hat in dem an die Schicht 8 grenzenden Gebiet eine Dotierung von 3 · 10¹⁵ Atomen/cm³ und eine Leitfähigkeit von etwa

2 Ω-¹ cm-'. Die Schicht 8 hat eine Dicke d von 1 μπι (= 10-⁴ cm), die Schicht 9 von 20 μπι, die Schicht 2 von 1 μΐη und das Gebiet 5 von 200 μπι.

Der Unterschied zwischen den obenerwähnten Dotterungskonzentrationen in den Schichten 8 und 9 beträgt 1,5 · 10¹⁵ Atome/cm³, welcher Unterschied kleiner als

5 . in¹⁰ ^Fo ^fr . <">

und größer als

i°£i

5 . ίο« -i°£i- . _*·££_ Atome/cm³ q ν

ist. Für η-leitendes Germanium gilt nämlich, daß: F₀ = 8,85 · 1(T¹⁴ Farad/m

r_r = 16

q = 1,6 · HT¹⁹ Coulomb

ν = 6 · 10⁶ cm/'sec

(für E > E₅ = 3 · 10³ V/cm),

während die Feldstärke E_m bei einem Ionisations grad von

10d 10 -KT

etwa gleich 1,6 · 10^s V/cm ist; daraus folgt, daß:

5 1O⁸

eo^fr	D
q

₌ 1,2 · 10¹⁶ Atome/cm³

U · 1Ö¹³ Atome/cm³

Das oben beschriebene Bauelement kann beil Anlegen einer vorzugsweise veränderbaren Gleid spannung zwischen den Anschlußkontakten (2,3) und ( 6) schwingen, wobei (siehe Fig. 1) die Spannung a Kontakt (5,6) in bezug auf die am Kontakt (2,3) posit ist, so daß sich Elektronen von der Schicht 8 rr niedrigerer Leitfähigkeit zu der Schicht 9 mit höhen Leitfähigkeit bewegen. Das Bandelement schwingt b einer Gesamtspannung von etwa 100 V zwischen d( Anschlußleitern 4 und 7. Diese Schwingungsfrequei

609552/2

kann von etwa 6,6 · lO'sec-¹ zu etwa 3,6 · 10⁹sec-' durch Änderung der angelegten Gleichspannung zwischen etwa 85 V und etwa 160 V variieren. Bei einer Spannung von 110 V beträgt die Schwingungsfrequenz etwa 5,1 · 10⁹sec-'. Die elektrischen Schwingungen können einer Spule 10 (siehe F i g. 1) zugeführt werden, deren Magnetfeld z. B. mit dem eines Wellenleiters gekoppelt werden kann.

Fig.2 zeigt schematisch in vereinfachter Form die Struktur des Bauelements nach F i g. 1 als ein eindimensionales Modell, während in den F i g. 3, 4 und 5 die Donatorkonzentration Nd, die Elektronenkonzentration n, die Feldstärke E und der Potentialverlauf V im Betriebszustand für dieses eindimensionale Modell in Abhängigkeit von dem Abstand zu den Anschlußkontakten schematisch dargestellt sind. Das Raumladungsgebiet erstreckt sich (siehe F i g. 3) über einen Abstand D in der Schicht 9 mit höherer Leitfähigkeit. Dieser Abstand D beträgt in diesem Beispiel 12μπι bei einer Gleichspannung von 110 V über den Anschlußkontakten. In dem ganzen Raumladungsgebiet ist die Feldstärke höher als d:ie Sättigungsfeldstärke E_s (siehe F ig. 4).

Das Bauelement nach F i g. 1 läßt sich z. B. auf folgende Weise herstellen. Es wird von einer n-leitenden Germaniumplatte 5 mit einer Dotierungskonzentration von 3 · 10^ir Atomen/cm³, einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 250 μΐη ausgegangen. Auf einer derartigen Platte können zu gleicher Zeit eine Vielzahl von Bauelementen hergestellt werden, die dann auf übliche Weise durch Sägen und/oder Brechen voneinander getrennt werden. Die Herstellung wird daher nachstehend an Hand eines einzigen Bauelements beschrieben, wobei also die unterschiedlichen erwähnten Bearbeitungen gleichzeitig bei sämtlichen Bauelementen der Platte durchgeführt werden.

Eine Oberfläche der erwähnten Germaniumplatte wird abgeschliffen, geätzt und poliert, damit eine Oberfläche mit einer möglichst geringen Anzahl von Kristallfehlern erhalten wird. Nach dieser Bearbeitung beträgt die Dicke der Platte etwa 200 μπι.

Auf die geätzte und polierte Oberfläche wird nun auf in der Halbleitertechnik allgemein übliche Weise epitaktisch eine η-leitende Germaniumschicht 9 mit einer Dicke von 15 μιη durch thermische Zersetzung von GeCl₄ in H2 bei einer Temperatur von 88O⁰C aufgewachsen. Diese Schicht wird mit Arsen dotiert und die Dotierungskonzentration beträgt 3 ■ 10¹⁵ Atome/ cm³. Diese Dotierung erfolgt vorzugsweise durch Funkdotierung (»spark doping«), wie ausführlich in J. Goorissen und H. G. Bruijning, »Philips Technical Review«, Band 26, 1965, S. 194—207, und A. Stirling, »Solid State Electronics«, Band 10,1967, S. 485—490, beschrieben wurde. Dabei kann die Dotierung auf besonders einfache Weise durch Änderung der Funkenfrequenz geregelt werden, was insbesondere bei der Herstellung dünner Schichten günstig ist Die Dotierung kann jedoch auch dadurch erfolgen, daß dem zu zersetzenden Gas AJctivatoren, z. B. in Form von Hydriden, zugesetzt werden.

Auf der Schicht 9 wird anschließend auf gleiche Weise eine zweite η-leitende Schicht 8 mit einer Konzentration von 1,5 · 10¹⁵ Arsefliatornen/cm³ und einer Dicke von 1 μιη angebracht, wonach schließlich eine mit Antimon dotierte Schicht 2 mit einer Dicke von 1 μπι und mit einer Dotierungskonzentration von 10¹⁸ Atomen/cm³ aufgewachsen wird Diese ganze epitaktische Schichtstruktur kann grundsätzlich hergestellt

werden, ohne daß der Halbleiterkörper aus den Behandlungsraum entfernt wird.

Auf den Schichten 5 und 2 werden nun ohmschi Kontakte in Form aufgedampfter Metallschichten 6 un< 3 angebracht, die aus einer Chromschicht bestehen, dii unmittelbar auf dem Germanium angebracht und mi einer Goldschicht überzogen ist. Dadurch ist di< Struktur nach F i g. 6 erhalten.

Dann wird durch Ätzen, erforderlichenfalls ir Vereinigung mit einem mechanischen (z. B. Ultraschall-Verfahren zum Entfernen von Material bis zu dei gestrichelten Linie 12 (siehe Fig.6), die effektive Oberfläche des Bauelements zur Herabsetzung dei Verlustleistung verkleinert. Die effektive Oberfläche entspricht nun der der aus den Schichten 9, 8 und 1 aufgebauten MESA-Struktur und beträgt etwa 2,5 · 10-³mm². Dann werden die Anschlußleiter angebracht, wonach das Bauelement auf übliche Weise in einer geeigneten Umhüllung untergebracht wird. F i g. 7 zeigt schematisch im Querschnitt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung. Dieses Bauelement ist in bezug auf Abmessungen und Dotierungen des Bauelement nach Fig. 1 nahezu ähnlich, mit dem Unterschied, daß die Schicht 9 mit höherer Leitfähigkeit und die Schicht 8 mit niedrigerer Leitfähigkeit in diesem Falle durch eine η-leitende Zwischenschicht 21 mit einer Dicke a von 2 μιη und einer Dotierungskonzentration von 5 · 10¹⁵ Atomen/cm³ voneinander getrennt sind. Die Dotierimgskonzentration dieser Zwischenschicht 21 ist höher als die der Schicht 9 und niedriger als

aq

(E_QV - E_s) Atome/cm³ ,

welcher Wert nach den obenerwähnten Daten nahezu 7 · ΙΟ'=Atome/cm³beträgt

Durch das Vorhandensein der Zwischenschicht 21 tritt im Betriebszustand im Vergleich zu dem Bauele-

ment nach Fi g. 1 eine etwas andere Feldverteilung auf. r ig.8zeigt das Bauelement nach Fig. 7 im Querschnitt schematisch in vereinfachter Form als ein eindimensionales Modell, wobei in F i g. 9 die Dotierungskonzentration N_D und die Elektronenkonzentration η im

Betriebszustand schematisch für die unterschiedlichen schichten dargestellt sind, während Fig. 10 für den betreffenden Fall die Feldstärke £ und Fig. 11 das Potential Vdarstellt

<n <*i ^u ^Fei^df^t.^ärke- "nd Potentialverteilung, die bei einer gleichen Gleichspannung zwischen den Metallschichten J und 6 auftreten würden, wenn die Schicht 21 die gleiche Dotierung wie die Schicht 9 hätte (so daß eine aer nach Fi g. 2 analoge Struktur gebildet wird) sind in aen t ig. 10 und 11 mn strichpunktierten Linien angegebea Daraus ist ersichtlich, daß durch das Vorhandensem der stärker dotierten Schicht 21 der Spannungsabfall über dem Bauelement und somit auch die Verlustleistung erheblich herabgesetzt ist Aus r^& /^{eht weiter} ^herv°r, daß in dem ganzen Raumladungsgebiet die Feldstärke oberhalb des Sätti-

HÜ.^ng^!H^eS £ ^bleibt-^{so daß in} Lesern ganzen Gebiet die Driftgeschwindigkeit der Elektronen den Sättigungswert ν hat, wodurch Verzerrung und/oder Unterdrückung der Schwingungen vermieden wird uas Bauelement nach den Fig.7-11 kann auf das vorangehende Ausführungsbeiwerden. Es sei bemerkt, daß die anch diffundierte Schichten enthalten

Jft*

kann. Ein anderes Herstellungsverfahren, das unter Umständen zur Bildung einer dünnen Schicht 8 mit niedrigerer Leitfähigkeit besonders vorteilhaft sein kann, ist die sogenannte »re-melt«-Technik (siehe H u η t e r, »Handbook of Semiconductor Electronics«, New York 1956, S. 7-11, Paragraph 7.4b, Fig. 7.8). Bei dieser Technik wird durch Schmelzen und Rekristallisation bei Abkühlung einer Oberflächenschicht eines hochdotierten Kristalls eine schwach dotierte Schicht gebildet, die an der Oberfläche wieder stärker dotiert ist,

was zur Bildung eines guten ohmschen Kontakts günstig ist.

Es können statt η-leitender Strukturen auch p-leitende Strukturen unter Umkehr der Polarität der angelegten Gleichspannung angewandt werden. Ferner können statt Germanium andere Halbleitermaterialien Anwendung finden, während auch die Geometrie der Halbleiterstruktur verschieden sein kann. So können statt flacher Schichten z. B. auch zylindrische Schichten Planarstrukturen u. dgl. verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zcichnunticn

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen mit einem Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial vom einen Leitfähigkeitstyp, der mindestens zwei Schichten vom einen Leitfähigkeitstyp und mit verschiedener Leitfähigkeit enthält, bei dem die Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit dünner als die Schicht mit höherer Leitfähigkeit ist und bei dem mindestens die beiden Schichten verschiedener Leitfähigkeit jeweils mit ohmschen Arischlußkontakten versehen und zwischen diesen Anschlußkontakten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungskonzentrationsunterschied zwischen wenigstens einander zugewandten Grenzgebieten der beiden Schichten (8,9) mit verschiedener Leitfähigkeit kleiner als