DE2014677C3

DE2014677C3 - Halbleiteroszillatorelement mit Übergitter

Info

Publication number: DE2014677C3
Application number: DE2014677A
Authority: DE
Inventors: Leo Chappaqua Esaki; Rudolph Katonah Ludeke; Raphael Yorktown Heights Tsu
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-04-01
Filing date: 1970-03-26
Publication date: 1979-07-19
Also published as: US3626257A; DE2014677A1; DE2014677B2

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiteroszillatorelement, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.

Ein Halbleiteroszillatorelement der im Patent 08 043 erwähnten Art gehört zur Klasse von Bauelementen, welche infolge eines Volumeneffektes einen negativen differentiellen Widerstand aufweisen. Für die Wirkungsweise des Bauelements ist weder ein Ladungsträger injizierender Übergang noch eine Bänderstruktur mit Satellitenenergietälern erforderlich, wie dies z. B. beim Gunn-Oszillator der Fall ist und z. B. in der französischen Patentschrift 14 97 937 beschrieben ist. Die Wirkungsweise des Halbleiteroszillatorelementes gemäß der Erfindung beruht vielmehr auf dem Vorhandensein des Übergitters, welches seinerseits gleichbedeutend ist mit einer Vielzahl von Minizonen im Momentraum, wodurch sich der gewünschte negative differentielle Widerstand einstellt.

Bei Halbleiterbauelementen mit PN-Übergängen ergibt sich eine obere Grenzfrequenz durch das Vorhandensein der Übergangskapazitäten. Bei Volumeneffekt-Halbleiterbauelementen, denen der Gunn-Effekt zugrunde liegt, kann zwar Funktionsfähigkeit bis zu höchsten theoretisch vorausgesagten Frequenzen von 10¹² Hz experimentell nachgewiesen werden, jedoch lassen sich derartige Halbleiterbauelemente noch nicht in Serie fertigen und nicht ohne weiteres in den Fällen anwenden, bei denen ein negativer Gleichstromwiderstand erforderlich ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zagrunde, eine neue Klasse von Halbleiteroszillatorelementen zu schaffen, die einen negativen differentiellen Widerstand aufweisen, in verschiedensten Schaltungsbeispielen bei sehr hohen Arbeitsfrequenzen im Tera-Hertz-Bereich anwendbar und relativ einfach herstellbar sind; hierbei sollen die den Volumeneffekt bestinunenden Parameter

ίο innerhalb eines relativ großen Bereiches willkürlich wählbar sein.

Das Halbleiteroszillatorelement zur Lösung der gestellten Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Patentanspruch 1 beansprucht

Man erhält somit nach der Lehre der vorliegenden Erfindung neue Halbleiteroszillatorbauelemente mit Volumeneffekt, die auch bei extrem hohen Frequenzen noch sicher zu arbeiten vermögen. Sie zeigen außerdem auch einen negativen Gleichstromwiderstand und können in Oszillator-, Impuls- und Verstärkerschaltungen benutzt werden. Da den genannten Halbleiteroszillatorelementen als wirksames Phänomen die Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern und der periodischen Potentialverteilung eines Übergitters zugrunde liegt, ist die Arbeitsgeschwindigkeit nicht durch eine irgendwie geartete, die Lebensdauer der Minoritätsträger verringernde Stoßionisation begrenzt Desgleichen liegen keine störenden hohen Kapazitätswerte vor. Bei derartigen Halbleiteroszillatorelementen gemäß

jo der Erfindung wird die obere Grenzfrequenz theoretisch dann erreicht wenn das der Frequenz entsprechende Energiequant mit dem Energiebandabstand des Halbleitermaterials vergleichbar wird. Die Realisierung derartiger vorteilhafter Halbleiter-

r> Oszillatorelemente erfolgt wie bereits im Hauptpatent beschrieben, durch Bereitstellen einer periodischen

Energiebandkantenstruktur innerhalb des Halbieiter-

körpers, die mit Übergitter bezeichnet wird.

Das Übergitter entspricht einer eindimensionalen,

räumlichen, periodischen Änderung der Energie der Bandkante. Bei der Formulierung der Gesetzmäßigkeiten für dip Dynamik der Ladungsträger im Halbleiterkörper ist dieser zusätzliche periodische Energieverlauf zu berücksichtigen, was dann auch zu dem gewünschten

v-, Volumeneffekt führt Die Übergitterstruktur selbst wird durch eine Vielzahl aufeinanderfolgender Halbleiterzonen verschiedener Dicke und unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder Leitungstyp realisiert, die sich dadurch in ihren Energiebändern untereinander unterscheiden.

Eine erste alternierende Zonenfolge besitzt eine Bandkantenenergie, welche sich von derjenigen einer zweiten alternierenden Zonenfolge unterscheidet. Eine solche Struktur erhält man durch Legieren oder durch Dotieren des Halbleiterkörpers, in dem der Volumenef-

τ> fekt auftreten soll, wobei man im wesentlichen eine eindimensionale räumlich periodische Variation der Bandkantenenergie im Halbleiterkörper erhält. Damit die den Halbleiterkörper durchlaufenden Ladungsträger mit der eingebauten periodischen Energieband-

bo struktur in Wechselwirkung treten können, muß die Periode der räumlichen Energiebandänderung kleiner als die freie Weglänge der Ladungsträger innerhalb des betrachteten Halbleitermaterials sein. Weiterhin müssen eine genügende Zahl dieser räumlichen Perioden

b^r) vorhanden sein, um eine ausreichend intensive Wechselwirkung zur Erzeugung des gewünschten negativen differentiellen Widerstands zu gewährleisten. Andererseits muß die Periode der räumlichen Energieänderung

ausreichend groß sein, damit das so gebildete Obergitter im Wellenvektorraum k einer genügenden Anzahl von Minizonen entspricht, die somit sehr viel kleiner als die Brillouin-Zone des entsprechenden Kristallgitters sein müssen. Infolgedessen ergibt sich ein negativer differentieller Widerstand bereits bei einer angelegten Spannung, die geringer ist als die, wie sie i-ur Hervorrufung eines Tunneleffektes zwischen den Minizonen erforderlich wäre, da der unter der Wirkung des anliegenden Feldes von den Ladungsträgern erreichte Im₄JuIs zwischen den einzelnen Stößen für die Entstehung des negativen diff erentiellen Widerstandes groß genug ist

In den Figuren ist die Erfindung näher eriäutert

Es zeigt

F i g. 1 das Ha'bleiteroszillatorelement gemäß Anspruch 1,

F i g. 1A eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereiches der F i g. 1 mit angedeutetem Übergitter,

Fig.2 das Energiediagramm eines Übergitters, dessen aneinandergrenzende Schichten durch Dotierung erzeugt sind,

Fig.3 das Energiediagramm eines Übergitters, bei der die aneinandergrenzenden Schichten durch Legierung erzeugt sind,

F i g. 4 die Energie E in Abhängigkeit vom Wellenvektor Ar,

Fig. 5 die Ableitung _dl< der Energie E(k) nach dem

Wellenvektor k für eine normale Kristallgitterstruktur und für ein Übergitter,

d²t" F i g. 6 die zweite Ableitung _αιί der Energie E(k)nach

dem Wellenvektor k,

F i g. 7 den Strom, der das Halbleiteroszillatorelement gemäß der Erfindung durchfließt, in Abhängigkeit von einer dimensionslosen Variablen z, wobei ζ = ecF/hkd.

F i g. 1 stellt ein Halbleiteroszillatorelement dar. Der gesamte Halbleiterkörper 10 trägt an seinen Enden zwei Bereiche 12 und 14, weiche ziemlich stark N-leitend sind und zwischen denen sich ein zentraler Bereich 16 befindet, in dem ein Übergitter eingebaut ist. Zwei ohmsche Kontakte 18 und 20 befinden sich an den Enden des Halbleiteroszillatorelementes.

Diese Bereiche 12 und 14 sind für die Arbeitsweise des Halbleiteroszillatorelementes an sich nicht erforderlich. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß die starke Dotierung der Endbereiche das Aufbringen der erforderlichen ohmschen Kontakte erleichtert. Zur Lösung von Schaltungsproblemen in der Hochfrequenztechnik, ζ. B. bei Mikrowellenvorrichtungen, werden die Elektroden zwecks Kontaktierung der Ubergitterstruktur direkt an den Halbleiterkörper angebracht. Diese Elektroden werden so ausgeführt, daß sie für den betreffenden elektromagnetischen Wellenbereich fansparent sind, so daß die Energie durch diese Bereiche zum Übergitter hin und vom Übergitter abgeführt werden kann. Auf diese Weise kann der gesamte Halbleiterkörper aus einer Übergitterstruktur bestehen, an der Kontakte angebracht sind; es können aber auch weitere Zonen hinzugefügt werden, entsprechend den Erfordernissen der jeweils vorliegenden Problemstellung.

Der zentrale, das Übergitter beherbergende Teilbereich, unterscheidet sich von herkömmlichen Halbleiterkörpern darin, daß in diesem Bereich eine eindimensionale räumliche Änderung des Energiebetrages der Bandkante stattfindet, welche dem periodischen Gitterpotentialverlauf überlagert ist. Diese Variation verläuft in der Längserstreckung des Halbleiterkörpers zwischen den Kontakten 18 und 20, wobei entsprechende Energiewerte im wesentlichen unabhängig von hierzu senkrecht liegenden Richtungen ist Das Übergitter innerhalb des minieren Zentralbereiches 16 ist in Fig. IA angedeutet, und die zugehörige Energiebandstruktur für zwei verschiedene Realisierungsmöglichkeiten sind in Fig.2 und in Fig.3 dargestellt

ίο Wie aus Fig. IA ersichtlich, zerfällt der Zentralbereich des Halbleiterbauelementes in eine Folge von Schichtea Eine erste sich in der Längserstreckung wiederholende Schichtfolge ist mit 16a bezeichnet, in die jeweils alternierend eine zweite Schichtfolge 166 eingefügt ist Die Schichten 16a und 166 stellen nicht etwa diskrete Teile des Körpers dar, sie sind vielmehr zusammen mit den kontaktierenden Endbereichen 14 und 16 Teile eines einzigen einkristallinen Halbleiterkörpers. Es bestehen jedoch innerhalb dieses homogenen Körpers Unterschiede bezüglich des Energieverlau fes an den Bandkanten der aufeinanderfolgenden Schichten 16a und 166. Die Herstellung eines in der genannten Weise strukturierten einkristallinen Halbleiterkörpers erfolgt unter Anwendung eines epitaxialen Prozesses.

Das schichtartige Übergitter von F i g. 1A wird durch in der Halbleitertechnik gebräuchliche Dotierungsoder Legierungsverfahren realisiert Wird ein Dotierungsverfahren zugrundegelegt und Germanium als jo Halbleitermaterial benutzt, so ist der in Fig. IA als unterste Schicht mit entsprechender Wiederholung in Erscheinung tretende Bereich des Halbleiterkörpers die N-leitende Zone. Jede der Schichten 16a 'st als N-Zone bei epitaxialem Aufwachsen mit etwa 10¹⁴ bis 10¹⁷ r> Fremdatomen/cm³ dotiert, und jede der Schichten 16Zj stellt aufgrund des angewendeten Züchtungsverfahrens eine eigenleitende Zone dar. In diesem Fall besteht also der mittlere Bereich des Halbleiteroszillatorelementes aus einer Zahl von Zonen oder Schichten, welche 4(i zwischen N-Leitungstyp und Eigenleitfähigkeit alternieren. Die Schichten 16a und 166 besitzen beim speziellen Ausführungsbeispiel eine gleichbleibende Dickenabmessung und jedes Paar dieser Schichten bildet eine vollständige räumliche Periode des Übergitters. Eine dieser räumlichen Perioden ist in Fig. IA mit d bezeichnet

Eine solche Periode, deren Länge später noch genau in nm angegeben wird, besitzt große Bedeutung für die Kennlinie des Übergitters; sie liegt vorzugsweise zwischen den Werten 5 und 50 nm, so daß die Dickenabmessung der Einzelschichten 16a und 166 zwischen den Werten 2,5 und 25 nm schwankt

Die Schichten 16a und 166 brauchen nicht notwendigerweise zwischen N- und Eigenleiifähigkeii cm alternieren, dieser Wechsel kann auch zwischen den Leitfähigkeitstypen N + und N stattfinden. Die alternierenden Schichten können auch eine N-P-Leitungstypfolge bilden. Der ausschlaggebende Gesichtspunkt besteht in einem periodischen Wechsel der Energiebandsirukbo tür, wie es etwa in der F i g. 2 dargestellt ist Diese zeigt die Energiebandkanten für das Valenzband und für das unterste Leitungsband. Die Abszisse der Darstellung von F i g. 2 verläuft entlang der Längserstreckung des Übergitterbereiches; als Einheit ist der Wert einer b5 räumlichen Periode d gewählt. Wie ?v.z der Fig.3 hervorgeht entspricht d der Dicke eines Paares der alternierenden Schichten 16a und 166. Zu jeder räumlichen Periode d gehört ein vollständiger Zyklus

der Energiebandstruktur. Die erste räumliche Periode wird gebildet durch die beiden untersten Schichten 16a und 166 (Fig. IA). Diese Größe ist in Fig. 2 mit d\ bezeichnet und findet sich direkt wieder in dem idealisiert mäanderformig dargestellten, wellenförmigen Verlauf der Kurven 26 und 28. Diese Kurven setzen voraus, daß jede Schicht 16a und 166 bezüglich ihrer Dicke homogen ist und daß ein abrupter Übergang von einem Gebiet zum anderen stattfindet.

Der Energiebandabstand E_g ist in Fig.2 über das ganze Gebiet der Übergitterstruktur hinweg im wesentlichen der gleiche. Bei den betreffenden Energiewerten handelt es sich um die Elektronenenergie oder allgemeiner um die Energie der Ladungsträger.

Die F i g. 2 und 3 zeiger. Raumperioden d, welche zwei symmetrische Teilbereiche von gleicher Länge umfassen. Dieses braucht bei praktischen Anwendungen nicht unbedingt der Fall zu sein. Das einzige Erfordernis besteht darin, eine räumliche Periodizität bezüglich der Bandkantenenergie zu realisieren. Man kann diesen Sachverhalt durch folgende Beziehungen allgemein ausdrücken: Es besteht die Forderung:

V(x) = V(x + nd),

wobei

V... die potentielle Energie der Ladungsträger;

χ ... der Abstand entlang der Längsausdehnung des

Übergitters;
π ... eine ganze Zahl;
d ... die räumliche Periode

bedeuten.

Solche Bauelemente können z. B. dadurch hergestellt werden, daß man für entsprechende Steuerung des Kristallwachstums sorgt, so daß Schichten 16a und 166 in der Fig. IA mit unterschiedlichen Dickenabmessungen entstehen.

Wird, wie bisher vorausgesetzt Germanium als Halbleitergrundmaterial bzw. als Substrat und für die Endbereiche 12 und 14 in Fig. 1 und IA entartet N-dotiertes Germanium benutzt, dann bestehen die alternierenden Zonen 16a und 166 in typischer Weise aus Germanium bzw. aus einer Legierung aus Germanium und Silicium. Speziell kann die erste alternierende Schicht 16a aus N-leitendem Germanium und die zweite alternierende Schicht 166 aus einer Legierung von Germanium und Silicium bestehen, deren Zusammensetzung durch die Beziehung Gei -,Si₁ festgelegt ist

Die Germanium-Silicium-Legierung hat einen größeren Energiebandabstand als reines Germanium. Die letztgenannten Materialien führen zu einer periodischen Energiebandstruktur entsprechend den unter 22A, 24Λ, 26 A und 48Λ in Fig.3 gezeigten Kurven. Wird eine Schichtfolge aus Germanium und einer Germanium-Silicium-Legierung benutzt, so liegen brauchbare Werte für χ zwischen 0,1 und OZ Andere Beispiele für Legierungen, die für den vorgenannten Zweck mit Erfolg angewendet werden können, sind die bekannten intermetallischen IH-V und H-VI-Verbindungen.

So kann beispielsweise als Ausgangsmaterial für den Halbleiterkörper des Halbleiteroszillatorelementes Galliumarsenid benutzt werden, wobei die N+-Zonen 12 und 14 aus entartet dotiertem N+-leitendem Galliumarsenid, die Schichten 16a aus N-leitendem Galliumarsenid und die Schicht 166 aus einer Legierung Ga)_j,Al»As bestehen, wobei der Wert χ typischerweise zwischen 0,1 und 0,4 liegt. Die Legierung aus Gallium-Aluminium-Arsenid besitzt einen höheren Energiebandabstand als reines Galliumarsenid, so daß j sich insgesamt die gewünschte periodische Struktur ergibt. Je größer der Wert von χ ist, um so größer ist auch die Variation der Bandkantenenergie. Ein weiteres charakteristisches System besteht aus InAs und Ini-,Ga₁As. Bei dieser Zusammensetzung kann der

κι Wert χ über einen sehr großen Wertebereich variieren und zwar von einem Wert, bei welchem die mittlere Schicht völlig aus Galliumarsenid besteht, bis zum anderen Extremwert, bei dem * den Wert 0 annimmt (reines Indiumarsenid).

υ Was das Halbleitermaterial anbetrifft, so können Übergitterstrukturen nach der Lehre vorliegender Erfindung sowohl in Germanium- als auch in Siliciumhalbleiterkörper eingebaut werden, wobei diese Materialien eine komplexe Bandstruktur aufweisen. Es

_'o handelt sich hierbei um Materialien mit indirekten Bandübergängen, die zwei Typen von Defektelektronen mit unterschiedlichen Massen aufweisen Durch Anwenden von hydrostatischem Druck können bei diesen Materialien bestimmte gewünschte Modifikationen der

2) Bandcharakteristik realisiert werden, welche dann der Übergitterstruktur überlagert erscheinen. Obwohl sich die bevorzugten Ausführungsbeispiele auf N-leitende Zonen stützen und damit Elektronen als wechsel wirkende Ladungsträger ausnutzen, wobei die Wechselwir-

Ki kung zwischen den Trägern und dem periodischen Potential des Leitfähigkeitsbandes stattfindet, kann die Erfindung auch unter Zugrundelegen von P-Ieitenden Zonen realisiert werden, bei denen dann die Wechselwirkung zwischen dem periodischen Potentialverlauf

I! des Valenzbandes und den Defektelektronen stattfindet.

Bei Realisierung der Struktur von F i g. 1A nach dem

Energiediagramm der Fig.3 bilden die ersten beiden Schichten 16a und 166 unmittelbar oberhalb des N+ -leitenden Bereiches 12 eine räumliche Periode der

4(i Übergitterstruktur, welche sich in der im Energiediagramm der Fig.3 gezeigten Weise durch den Halbleiterkörper hindurch erstreckt, wobei die Periodenlänge mit d\ bezeichnet ist In F i g. 3 ist der den Schichten 16A aus elementarem Halbleitermaterial

■r> zugeordnete Bandabstand mit E_g\ und der größere Bandabstand für die Schichten 16ß aus legiertem Material mit E_gi bezeichnet Es sei bemerkt daß der Legierungsprozeß auch so ausgeführt werden kann, daß jede der Schichten 16a und 166 eine Legierung

->(i darstellen. In einem solchen Fall ist z. B. innerhalb der Schicht 16a der Wert χ kleiner zu wählen, als dies für die Legierung der Schicht 166 der Fall ist damit sich insgesamt wiederum ein Übergitter ergibt.

Die Anzahl der Schichten und daher auch die Anzahl der räumlichen Perioden spielt eine große Rolle bei der Auslegung von praktisch brauchbaren Halbleiteroszillatorelementen. Es sollten mindestens etwa 10, vorzugsweise jedoch 20 Schichten vorgesehen sein. 20 Schichten entsprechend einer Folge von 10 räumlicher

bo Perioden stellen eine ausreichende Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern und Übergitter sicher, so da£ sich praktisch die gewünschten Leitfähigkeitseigenschaften für das Halbleiteroszillatorelement einstellen. Große Sorgfalt muß bei Herstellung der Schichter 16a und 166 aufgewendet werden. Deshalb ist e; angebracht, die epitaxialen Schichten in einem Hochva kuumsystem aufwachsen zu lassen, obwohl grundsätzlich auch übliche Verfahren für epitaxiale Wachstums-

prozesse aus der Dampfphase oder aus einer festen Lösung anwendbar sind. Zweckmäßigerweise werden für die verschiedenen, zur Erzeugung einzelner Schichten benötigten Bestandteile getrennte Tiegel, sowie Trennsperren für die aus diesen Tiegeln entströmenden Substanzen benutzt.

Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge zwischen Energie E und Wellenzahlvektor k, welche grundlegend für die nach der Lehre der Erfindung zu erstellenden Halhleiieroszillatorelemente sind, sei auf Fig.4, 5 und 6 zurückgegriffen. Hier sind bestimmte Eigenschaften des Übergitters in Abhängigkeit vom Wellenzahlvektor k, aufgezeichnet. Der Wert für k ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge, die dem Elektron im Räume zugeordnet wird. Eine derartige Zuordnung von sogenannten Materiewellen λ zur Masse m bzw. zum Impuls ρ = m ■ ν (ν Geschwindigkeit) von Materie-Teilchen ist seit de Broglie in der Physik üblich (λ · ρ = h).

In den F i g. 4, 5 und 6 ist der Wert k von einem im Zentrum der Figuren liegenden Ursprung aus als Vielfaches der Einheit nid aufgetragen, wobei d der räumlichen Periode entspricht. An den äußeren Enden der Abszisse ist der Wert ±n/a aufgetragen, wobei der Wert a der normalen Gitterkonstante des Halbleitermaterials entspricht. Bei den Halbleitermaterialien Germanium und Galliumarsenid beträgt diese Gitterkonstante etwa 0,5 nm. Der in den F i g. 4, 5 und 6 vorkommende Wert d besitzt einen Wert von etwa 3 nm, so daß der

Wert nid gegeben ist durch:- ^. Für praktische

Zwecke ist der Betrag der minimalen räumlichen Periode bei vorliegender Erfindung etwa zu 5 nm gewählt.

Fig.4 zeigt die Abhängigkeit der Energie E der Bandkante, und zwar einmal für die eigentliche kristalline Struktur ohne Übergitter und zum anderen für die gleiche, jedoch mit einem Übergitter versehene Struktur. Der Fall des »natürlichen« Gitters entspricht der stetigen Kurve 30, welche an bestimmten Stellen jedoch strichliert gezeichnet ist und die sich von links oben über den Nullpunkt dann weiter nach rechts oben erstreckt Diese Kurve repräsentiert die normale Energiebandstruktur. Es handelt sich hier um einen typischen Kurvenverlauf, der unter dem Namen Brillouin-Zone bekannt ist und der sich von dem Wert —n/a bis +n/a erstreckt Wird einer derartigen, sozusagen »natürlichen« Struktur ein Übergitter überlagert, welches durch einen Wert d charakterisiert ist, der das Sechsfache des Wertes a beträgt, so ergeben sich innerhalb des Materials zwölf Einzelzonen, die hier mit Minizonen bezeichnet sind. Die mittlere, in der Gegend des Nullpunktes gelegene Minizone ist mit 32 bezeichnet und etwas stärker ausgezogen als die übrigen Minizonen. Diese Kurve repräsentiert die Energiebandstruktur für das unterste Energieband innerhalb des Übergitters. Die Energiekurve erfährt bei jedem weiteren Vielfachen von ±n/d eine Unterbrechung, so daß jeweils ein neues Band bei einem etwas höher gelegenen Energiewert innerhalb der nächsten Zone beginnt Der Gesamtkurvenverlauf unter Einbeziehung der strichliert ausgezogenen Bereiche entspricht hierbei dem Verlauf der Kurve, wie bei einer »natürlichen« kristallinen Gitterstruktur ohne Übergitter. Das gesamte Energieverhalten ist so, wie wenn sich die Kurve 32 für die niedrigste Energiestufe zyklisch durch alle Zonen hindurch wiederholte, wodurch eine Periodizität innerhalb des Momentenraumes gegeben

ist. Es besteht eine eindeutige Unterbrechung bezüglich der Energiewerte an den Stellen der Abszisse, die Vielfachen von nid entsprechen. An diesen Stellen erfolgt jeweils eine scharfe Trennung zwischen dem oberen Bereich der Minizone niedriger Energie und dem unteren Bereich der nächsthöheren Minzone. Die Größe dieses Energiebandabstandes an den Enden der ersten Minizone zwischen der voll ausgezogenen Kurve 32 und den Kurven 34 und 36 der nächsthöheren zweiten Minizone ist für die mit der vorliegenden Erfindung zusammenhängenden Überlegungen von besonderer Bedeutung. Die Größe dieses Energiebandabstandes ist durch den Amplitudenwert der Variation der in den F i g. 2 und 3 gezeigten Bandkanten bestimmt. Mit wachsender Amplitude dieser periodischen Variationen nimmt ebenfalls der Energiebandabstand zwischen dem oberen Energiezustand der Kurve 32 und des nächst höheren Energiebandes entsprechend den Kurven 34 und 36 zu. Bei einem größeren Energiebandabstand ergibt sich eine kleinere Wahrscheinlichkeit dafür, daß es einem Ladungsträger vermöge eines Tunnelprozesses gelingen kann, vom niedrigen Energieband 32 zu den höheren Energiebändern 34 bzw. 36 zu gelangen. Diese Abschwächung bzw. Unterdrückung des Tunneleffektes ist für die Halbleiteroszillatorelemente nach vorliegender Erfindung von großer Bedeutung.

Aus der in F i g. 4 dargestellten Kurve ist ersichtlich, daß sich durch Einfügen einer Übergitterstruktur in den Momentenraum anstelle einer Brillouin-Zone eine Vielzahl derartiger Zonen jeweils geringerer Abmessung ergibt, welche infolgedessen oben bereits als Minizonen bezeichnet sind. Weiterhin ist ersichtlich, daß sich durch eine Vergrößerung des Wertes ddie Zahl der in einer Brillouin-Zone enthaltenen Minizonen erhöht. Da d mit der Dicke der Schichten 16a und 166 in Fig. IA anwächst, könnte man annehmen, daß d möglichst groß gemacht werden sollte. Eine beliebige Vergrößerung des Wertes dist jedoch nicht möglich, da die Bedingung besteht daß d nicht größer als ein Fünftel der mittleren freien Weglänge der Ladungsträger innerhalb der Struktur sein soll; denn bei Nichterfüllung dieser Bedingung würde man eine verschwindende Wahrscheinlichkeit für die Wechselwirkung zwischen Ladungsträger und Übergitter erhalten. Hierdurch ergibt sich eine obere Grenze für die Anzahl der Minizonen, die in das Halbleitermaterial zum Erreichen des für die Halbleiteroszillatorelemente nach vorliegender Erfindung erforderlichen, die gewünschten Leitfähigkeitseigenschaften erzeugenden Volumeneffektes eingebaut werden können.

Der Zusammenhang der bisher gemachten Energiebetrachtungen mit dem negativen differentiellen Widerstand geht aus den F i g. 5 und 6 hervor. F i g. 5 zeigt die

erste Ableitung der Energie -ττ- nach dem Wellenzahlvektor k. Der strichlierte Bereich der Kurve 40 entspricht einer natürlichen Gitterstruktur und der stark ausgezogene Kurvenbereich 42 einer Übergitterstruktur. Wie man sieht, beschränkt sich die letztgenannte Kurve auf den Bereich der ersten Minizone entsprechend der Kurve 32 in Fig.4. Die zweite Ableitung

j ρ der in F ig. 4 dargestellten Kurve nach dem Wellenzahlvektor k ist in F i g. 6 zu sehen. Die zweite Ableitung der Energie ist umgekehrt proportional der effektiven Masse p_crr der Ladungsträger. Die in Fig.6 stark ausgezeichnete Kurve 44 entspricht dem Verlauf

von \l\ieff innerhalb der Minizone, wohingegen die gestrichelt gezeichnete Kurve 46, die wiederum für Vergleichszwecke eingezeichnet ist, den Verlauf von \l\ietf innerhalb der Brillouin-Zone eines »natürlichen« Kristallgitters repräsentiert.

Beim Vergleich der in den Fig.4, 5 und 6 dargestellten Kurven fallen eine Reihe von Unterschieden bezüglich der Eigenschaften einer »natürlichen« Gitterstruktur und einer Übergitterstruktur auf. Zunächst sieht man, daß die Periode 2nld im Momentenraum für das Übergitter wesentlich kleiner als die Periode 2nla für das natürliche Gitter ist. Ferner ergeben sich die Maximalwerte der Energie und deren erste Ableitung für das Übergitter bei viel kleineren Werten des Wellenzahlvektors (E_max bei ± k_d in F i g. 5, dE/dk_max bei ±ki in Fig.6). Wie weiterhin aus Fig.6 ersichtlich, erfolgt im Mornentenraum das Anwachsen der Masse der Ladungsträger (Elektronen im bevorzugt benutzten N-leitenden Halbleiter) im Falle des Übergitters sehr viel schneller als dies für eine »natürliche« Gitterstruktur der Fall ist, und die effektive Masse μ_ε« nimmt innerhalb der Minizonen sogar negative Werte an. Da sich die Elektronen hauptsächlich im niedrigsten Energiezustand innerhalb des untersten Energiebandes, für das betrachtete Übergitter somit im Gebiet der Kurve 32 in F i g. 4, befinden, kann diese Kurve als eine sich wiederholende Grundkurve angesehen werden, sofern mar. sich im wesentlichen auf die Betrachtung der Wechselwirkung der Elektronen beschränkt. Die Energie £Ί des höchsten Energiezustandes des untersten Bandes 32 des Übergitters liegt sehr viel niedriger als die Energie Ei des höchsten Energiezustandes der die analogen Energieverhältnisse eines »natürlichen« Gitters beschreibenden Kurve 30. Ein sehr schwerwiegendes Hindernis besteht bei Benutzung einer natürlichen Kristallgitterstruktur darin, daß die Stoßzeiten der Ladungsträger innerhalb des Halbleitermaterials so begrenzt sind, daß die Ladungsträger (Elektronen) die Energiezustände gar nicht erreichen können, welche zur Sicherstellung der gewünschten Leitfähigkeitseigenschaften erforderlich wären. Diese Schwierigkeit wird durch Benutzung eines Übergitters überwunden. Obwohl bei einer solchen Struktur die jeweilige Stoßzeit als solche zwar kürzer wird, können die Ladungsträger doch aufgrund der kleineren Minizonen die erforderlichen Energiezustände erreichen, bevor sie durch Stoßvorgänge daran gehindert werden.

Wird nun ein elektrisches Feld an ein Halbleiteroszillatorelement nach F i g. 1 angelegt, in das ein Übergitter eingebaut ist, so erfolgt zunächst ein Anwachsen der effektiven Masse der Ladungsträger, wie es aus der Kurve 44 in F i g. 6 zn ersehen ist. An der Stelle A₁ des Momentenraumes geht die effektive Masse \L_en des Elektrons von einem positiven zu einem negativen Wert über. Dieser Vorzeichenwechsel ist für das Auftreten des negativen Gleichstromwiderstandes im Halbleiter verantwortlich. Die Stellen dieses Vorzeichenwechsels ± Ar₁ sind in F i g. 6 durch die Wendepunkte der Kurve

d²ß
dfc²

festgelegt

erF 1
Wie aus Fig. 7 für den Wert-= _Λλ. = , hervorgeht,

nimmt der Strom an dieser Stelle ein Maximum im Verlauf der Kurve 60 an, nach dessen Erreichen er bei weiterwachsendem ζ abnimmt, wie dies für negative differentielle Widerstände charakteristisch ist.

Für die Parameter des vorliegenden Ausführungsbeispieles erhält man unter Benutzung einer Gitterkonstante d = 10 nm folgende typische Werte:

τ ... 6,7 · 10-¹³S

k_d ... π ■ 10⁶cm-'

ki ... 0,75 ■ k_d

F ... 1 · 10³V/cm

e ... 1,6 ■ 10-¹⁹C

h ... 1,0544 ■ 10-²⁴Js

Das Arbeitsverhalten des Halbleiteroszillatorelementes mit eingebautem Übergitter kann noch verbessert werden, indem man durch Herabsetzen der Temperatur für eine entsprechende Vergrößerung der Stoßzeiten sorgt. In allen Arbeitsmoden stellt die Temperatur einen begrenzten Parameter dar, was bei der Auslegung betrachtet werden muß. Dieser Sachverhalt spiegelt sich in der Weite des zu durchtunnelnden Abstandes wieder, wie dieser beispielsweise zwischen den Kurven 32 und 36 in Fig.4 dargestellt ist. Die freie Weglänge eines Elektrons im vorzugsweise N-leitenden Halbleiter des Halbleiterbauelementes beträgt bei Zugn'ndelegen eines Wertes von t/= 10 nm mehr als 30 nm. Unter diesen Voraussetzungen u i^rd ein Elektron im allgemeinen aufgrund seiner lebensdauer die Möglichkeit haben, wenigstens mit drei räumlichen Perioden (6 Schichten 16a und 166 in Fig. IA) in Wechselwirkung zu treten, was zum Herbeiführen der negativen Widerstandseigenschaften des in Betracht gezogenen Halbleiteroszillatorelementes ausreichen dürfte. Für das genaue Ausmaß der Wechselwirkung ist die Amplitude der Variation der Bandkantenenergie maßgebend, wie sie in den F i g. 2 und 3 dargestellt ist Das gleiche gilt auch für die Tunnelungswahrscheinlichkeit zum Übergang vom niedrigsten Energieband des Übergitters zum nächst höheren Band. Fernerhin hängt das Ausmaß der Wechselwirkung von der Anzahl der Minizonen ab, die innerhalb einer Brillouin-Zone liegen. Beim Anwachsen der Anzahl der Minizonen und entsprechend steigendem d erfolgt eine Abnahme der Energiebandabstände zwischen den Energiebändern in benachbarten Zonen.

Aus diesen Überlegungen ergibt sich, daß die räumliche Periode d vorzugsweise zwischen 5 nm und 50 nm gewählt werden sollte, wobei jedoch die höheren Werte eine längere Ladungsträgerlebensdauer erfordern als dies normalerweise bei Raumtemperatur realisiert werden kann. Die geringeren Werte von 5 nm für eine Raumperiode d sind aufgrund der zur Zeit verfügbaren Herstellungstechniken und wegen Begrenzung infolge von Stoßprozessen vorzuziehen.

Mit Verbesserung der Herstellungstechnologie und Verfeinerung der vom Halbleitermaterial her vorgegebenen Bedingungen können dann auch niedrigere Werte für d realisiert werden.

Die geringste Anzahl von räumlichen Perioden, wie sie für speziell hier in Betracht gezogene Anwendungsbereiche brauchbar sind, liegen bei einem Minimum von 5 Perioden und höchstens bei etwa 10 Raumperioden. Für besondere Bauelemente sind gegebenenfalls mehr als 10 Perioden angebracht, im allgemeinen jedoch wird man mit einer Übergitterstruktur in der Größenordnung von 5 Raumperioden auskommen können.

Der Anwendungsbereich des Halbleiteroszillatorelementes ist nicht auf einfache Oszillator- oder bistabile Schaltungen begrenzt Eine Anwendung ist darüber

hinaus auch bei den verschiedensten Schaltungstypen, bei denen ebenfalls negative differentielie Widerstände erforderlich sind, denkbar, wobei insbesondere an den Betrieb in Hochfrequenz-Bereichen gedacht ist, wo das Bauelement gemäß der Erfindung durchaus brauchbar

sein dürfte. Beispielsweise lassen sich Halbleiteroszillatorelemente gemäß der Erfindung so in Verstärkerschaltungen in Verbindung mit den verschiedenen Typen von Übertragungsleitungen und Hohlraumleiterstrukturen mit Nutzen anwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteroszillatorelement bestehend aus einem Halbleiterkristall, zwischen dessen Elektroden eine Schichtstruktur aus periodisch abwechselnden, unterschiedlichen Halbleiterzonen mit Übergängen senkrecht zur Richtung der Ladungsträgerbewegung liegt welche bei Betrieb zu einem negativen differentiellen Widerstandbereich der Strom-Spannungs-Kennlinie des Halbleiteroszillatorelements führt, indem die Schichtstruktur als ein dem Kristallgitter des Halbleiters überlagertes eindimensionales Übergitter ausgebildet ist das eine entsprechende periodische Änderung der Bandkanten-Energie in Richtung der Ladungsträgerbewegung über mehrere, durch die Halöleiterzonen gebildete, räumliche, jeweils als Vielfaches der KristaUperiode auftretende Perioden aufweist die jeweils mindestens fünfmal kleiner als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger sind, nach Patent 2008043, dadurch gekennzeichnet, daß das eindimensionale Übergitter durch eine Folge von in nicht gleichen Abständen aufeinanderfolgenden, mittels Epitaxieverfahren bereitgestellter Halbleiterzonen von je zwischen 0,5 und 50 nm aufweisender Dicke realisiert ist.

2. Halbleiteroszillatorelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine unter Einwirkung eines hydrostatischen Druckes auf den Germanium- bzw. Siliciumkristall bewirkte Modifikation der Energiebandstruktur.