DE2061689A1

DE2061689A1 - Halbleiteranordnung zum Erzeugen oder Verstarken elektrischer Schwingungen

Info

Publication number: DE2061689A1
Application number: DE19702061689
Authority: DE
Inventors: Alain Choisy Ie Roi Michel Jacques Villeneuve Saint Georges VaI de Marne Semichon (Frankreich)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-12-24
Filing date: 1970-12-15
Publication date: 1971-07-01
Also published as: BE760706A; US3739243A; NL7018546A; SE369987B; DE2061689B2; GB1330479A; DE2061689C3; FR2077474B1; FR2077474A1; JPS4824670B1

Description

2061683 HcR M. DAVID

Anmeidar: IM PH₁LlP₅' QlOiiimPBlFm Akfe: PHF- 4750

Anmeldung vom« 10. Dez. 1Q7H

"Halbleiteranordnung zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer

Schwingungen".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen mit einer Tunnellaufzeit diode, die einen Körper mit einer Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial enthält, die zwischen einem Gebiet aus einem zweiten mit der Schicht einen gleichrichtenden Kontakt bildenden Material und einem Gebiet aus einem dritten mit der Schicht einen elektrisch gut leitenden Kontakt bildenden Material liegt.

Anordnungen mit Dioden mit einem negativen Differentialwiderstand für sehr hohe Frequenzen, bei denen Lawinenvervielfachung durch Stossionisation in einem Halbleiterkörper in Vereinigung mit der Laufzeit von Ladungs-

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träg-ern in einer Erschöpfungszone benutzt wird, sind bekannt. Wenn bei diesen Anordnungen im Betriebszustand der¹ zum Aufrechterhalten der Lawinenvervielfachung erforderlichen Sperrspannung eine sinusförmige Spannung überlagert wird, wird dadurch periodisch die Dichte bweglicher Ladungsträger mit einer der kummulativen Vervielfachung von Ladungsträgern inhärenten Verzögerung vergrössert. Infolge des starken elektrischen Feldes verschieben sich diese Ladungsträger in der Erschöpfungszone mit einer Sättigungsgeschwindigkeit, die von der Feldstärke unabhängig ist. Während der ganzen Laufzeit fliesst in dem äusseren Kreis ein entsprechender Strom, der gegen die über der Anordnung angelegte Spannung verschoben ist. Diese Verschiebung liegt innerhalb eines gewissen Frequenzintervalls zwischen —-z— und —-— Radianten. Innerhalb des erwähnten Frequenzintervalls ist der reelle Teil der Impedanz der Diode also negativ.

Von derartigen "Lawinenlaufzeitdioden" sind verschiedene Ausführungsformen bekannt, und zwar sowohl sehr einfache Strukturen als auch z.B. die Struktur nach W.T. Read (Bell System Technical Journal, Heft 37, März 1958, S.kOI-hko), bei der die Lawinenvervielfachung in einem sehr engen Bereich an einem pn-Uebergang stattfindet. Die letztere Struktur lässt sich - vom technologischen Standpunkt gesehen - sehr schwer herstellen. Ausserdem weisen diese Lawirienlaufzeitdioden alle den Nachteil auf, dass der Rauschpegel infolge der heftigen StossioriLsa t Lon besonders hoch liegt.

Ferner sind Dioden bekannt, die von V.K. Aladinskii (Soviet Physics Semiconductors, Heft 2, Nr.5, Npvember 10o8)

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und ¥.T. Re,ad (Bell System Technical Journal, Heft 37, März I958, S. hko) beschrieben worden sind und bei denen statt einer Lawinenvervielfachung ein Tunneleffekt an einem pn-Uebergang benutzt wird. Diese Dioden, sogenannte "Tunnellaufzeitdioden", weisen einen erheblich niedrigeren Rauschpegel als die bereits beschriebenen Lawinenlaufzeitdioden auf. Ein grosser Nachteil derartiger Dioden besteht aber darin, dass diese bekannten Strukturen mit einem pn-Tunnel- -übergang sich sehr schwer herstellen lassen. Die Erfindung ύ bezweckt u.a., eine Struktur mit niedrigem Rauschpegel zu schaffen, die innerhalb eines weiten Frequenzbereiches verwendet werden kann und sich ausserdem auf einfache und reproduzierbare Weise herstellen lässt.

Der Erfindung liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass eine derartige Struktur dadurch erhalten werden kann, dass als Tunnelübergang ein in der Sperrichtung zu polarisierender Metall/Halbleiterübergang verwendet wird.

Eine Halbleiteranordnung der in der Einleitung erwähnten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Metall ist, und dass wenigstens der dieses Metall kontaktierende Teil der Halbleiterschicht derart hoch dotiert ist, dass beim Anlegen einer Sperrspannung über dem Metall/Halbleiterübergang sich Ladungsträger infolge eines Tunneleffekts über diesen Uebergang bewegen.

Da ein gleichrichtender Metall/Halbleiterübergang (Schottky-Uebergang) der erwähnten Art bei einer verhält-

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nismässig niedrigen Temperatur hergestellt werden kann, lässt sich die Anordnung nach der Erfindung viel einfacher als die erwähnten bekannten Tunnellaufzeitdioden von Aladinskii und Read auf reproduzierbare. Weise herstellen. Ausserdem stellt sich heraus, dass die Anordnung nach der Erfindung innerhalb eines breiteren Frequenzbereiches als die bekannten Anordnungen gebraucht werden kann.

Eine besonders günstige Ausführungsform ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht aus einem hochdotierten Substrat vom einen Leitfähigkeitstyp besteht, auf dem eine epitaktische Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp angebracht ist, die mit dem erwähnten Metall einen gleichrichtenden Kontakt bildet, während die von der epitaktischen Schicht abgekehrte Seite des Substrats mit dem dritten Material in Kontakt steht. Dabei wird das dritte Material im allgemeinen mit der erwähnten Halbleiterschicht einen nicht gleichrichtenden Kontakt bilden. Unter Umständen kann als drittes Material aber auch ein Material Anwendung finden, das mit der vorerwähnten Halbleiterschicht einen gleichrichtenden Kontakt bildet, der im betriebszustand in der Durchlassrichtung polarisiert ist.

Die epitaktische Schicht kann homogen aufgebaut sein. Nach einer besonders günstigen Ausführungsform ist die epitaktische Schicht auf zwei aufeinander folgenden Zonen mit verschiedenen Dotierungskonzentrationen zusammengesetzt, wobei die Zone mit der höchsten Dotierung mit dem erwähnten Metall den gleichrichtenden Metall/Halbleiterkontakt bildet.

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Die Zone mit der höchsten Dotierung ist dabei vorteilhaft eine in die epitaktische Schicht hineindiffundierte Schicht, aber kann auch auf andere Weise, z.B. durch Ionenimplantation in die epitaktische Schicht oder durch Aenderung der Dotierung während des epitaktischen Anwachsens, erhalten werden.

Als Materialien für die erwähnte Halbleiterschicht werden vorzugsweise Silicium oder Galliumarsenid verwendet.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Dotierungsprofil über einem Querschnitt einer bekannten Diode nach Read,

Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch eine Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 schematisch einen Querschnitt durch eine andere Anordnung nach der Erfindung, und

Fig. 4 schematisch der Verlauf des elektrischen Feldes in der Anordnung nach Fig.3.

Fig. 1 zeigt schematisch über einem Querschnitt das Dotierungsprofil einer bekannten Read-Diode. In einer derartigen Anordnung findet bei genügend grosser Sperrspannung über dem pn-Uebergang an einem sehr engen pn-Uebergang Lawinerivervielfachung statt, wobei sich die Ladungsträger durch eine angrenzende Erschcjpfungszone bewegen, die eine derartige Dicke aufweist, dass die Laufzeit der Träger in dieser Zone etwa eine halbe Periode der gewählten He tri ebsf'iequenz beträgt (diese Laufzeit ist gLeLch dem

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Verhältnis zwischen der Dicke der durchlaufenen Zone und der Sättigungsgeschwindigkeit der· Ladungsträger, welche Sättigungsgeschwxndigkeit für Silicium etwa 10 cm/sec beträgt. Die Gebiete 1 und 2 bilden den schroffen pn-Uebergang an der Stelle, wo die Lawine lokalisiert ist; die Zone 3 ist die von den erzeugten Ladungsträgern durchlaufene Zone, und das Gebiet h ist ein Halbleitersubstrat mit einer sehr hohen Dotierung beliebiger Dicke, das als Grundschicht dient.

Das Dotierungsprofil bestimmt mit der über der Diode angelegten Spannung die Feldverteilung in den verschiedenen Zonen. Es ist dabei erforderlich, dass sich die Lawine auf ein möglichst dünnes Gebiet an dam pn-Uebergang zwischen den Zonen 1 und 2 beschränkt und dass die elektrische Feldstärke in der Zone 3 genügend (^.10 V.cm" ) ist, um zu sichern, dass die Ladungsträger diese Zone mit der Sättigungsgeschwindigkeit durchlaufen, wobei diese Feldstärke aber nicht zu hoch gewählt wird, weil sich die Lawine nicht bis zu dieser Zone 3 erstrecken soll. Die Herstellung einer derartigen Diode bereitet daher grosse Schwierigkeiten, insbesondere technogischer Art.

Eine erste Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung zeigt Fig. 2. Die Anordnung ent hält eine e iiikristalline Siliciumscheibe (2,3) mit einer Gesamtdicke von etwa 50 /um. Eine Metallschicht h, die durch eine 0,I /um dicke Titanschicht und eine diese Schicht überziehende Goldschicht gebildet wird, bildet einen ohmsehon Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 3 aus n-Ie i tendöin Silicium mit einer Do-

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tierung von 5 · 10 Donatoratomen/cni .

Die Zone 2 hat eine Dicke von etwa 1 /um und ist

epitaktiseh auf dem Substrat 3 angewachsen. Die zone 2 hat

1 ft ^

eine praktisch homogene Dotierung von 10 Donatoratomen/cm

Die Zone 1 besteht aus einer auf der Zone 2 angebrachten Platinschicht, die mit der Zone 2 einen gleichrichtenden Metall/Halbleiterkontakt bildet.

Die Struktur nach Fig. 2 wird mit einer Sperrspannung über dem Metall/Halbleiterkontakt (1,2) betrieben,

wobei die angelegte Spannung derart hoch ist, dass sich die ^ gebildete Erschöpfungszone über die ganze Zone 2 erstreckt.

Die Dotierung der Zone 2 ist derart hoch, dass sich infolge eines Tunneleffekts zwischen den Zonen-1 und 2 Ladungsträger über den Metall/Halbleiterübergang (1,2) bewegen.

Die Betriebsfrequenz wird durch die Dicke der Erschöpfungszone bestimmt und beträgt in diesem Beispiel, bei einer Erschöpfungszone mit einer Dicke von 1 ,um, 100 GHz (10¹¹ see-¹).

Nach einer weiteren Ausführungsform (siehe Fig. 3) M enthält die Anordnung eine einkristalline Halbleiterscheibe (2, 3, *0 mit einer Gesamtdicke von 50 /um. Eine Metallschicht 5f die aus einer mit Gold überzogenen Titanschicht mit einer Dicke von 0,1 ,um besteht, bildet einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat k aus η-leitenden Silicium.. Die Zonen 2 und 3 werden durch eine auf dem Substrat k angewachsene epitaktische Schicht gebildet, in der die Zone 2 durch Diffusion von z.B. Phosphor angebracht ist. Die Zone 2

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weist eine Dicke von 0,2 /um auf und hat an der Oberfläche eine Dotierungskonzentration von 10 Donatoratomen/cm ; die Zone 3 weist eine Dicke von h i\x.m und eine praktisch

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homogene Dotierungskonzentration von 5·10 Donatoratomen/cm auf; die Substratzone k weist eine Dotierungskonzentration von 10 Donatoratomen/cm auf. Auf der Oberfläche der Zone ist eine Platinschicht angebracht, die mit der Zone 2 einen gleichrichtenden Metall/Halbleiterübergang bildet. Dabei ist die Dotierungskonzentration der Zone 2 an der Stelle des Metall/Halbleiterkontakte derart hoch, dass im Betriebszustand beim Anlegen einer derartigen Spannung über der Anordnung dass der Metall/Halbleiterkontakt in der Sperrichtung polarisiert wird, infolge eines Tunneleffekts Ladungsträger über den Metall/Halbleiterübergang fliessen. Dabei verschwinden die Löcher direkt in das Metall 1, während die Elektronen die Zone 3 durchlaufen, wobei sie inJdem äusseren Kreis einen Strom herbeiführen. Die Spannung über der Anordnung wird wenigstens derart hoch gewählt, dass die Erschöpfungszone sich über die Zonen 2 und 3 erstreckt.

Fig. h zeigt schematisch das Profil der Feldstärke über der Anordnung.

Es ist einleuchtend, dass sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abarten möglich sind. Z.B. kann das verwendete Halbleitermaterial auch aus anderen Halbleitern, wie Galliumarsenid, bestehen und kann der Halbleiterkörper aus zwei oder mehr verschiedenen Halb-

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leiterraafceriali-en bestehen. Die Kontakte (3, ^) in Fig. 2 bzw. (4, 5) in Fig. 3 können auch in der Durchlassrichtung polarisierte gleichrichtende Uebergänge sein. Die Zone 2 in Fig. 3 kann statt durch Diffusion auch durch Dotierungsänderung während des epitaktischen Anwachsens oder durch Ionenimplantation gebildet werden. Die Anordnung nach der Erfindung kann aus einer Diode der obenbeschriebenen Art in Vereinigung mit anderen Schaltungselementen bestehen und auf diese Weise eine, gegebenenfalls monolithische, inte- λ grierte Schaltung bilden. Die beschriebenen Dioden können auf gleiche Weise wie die bekannten Lawinenlaufzeitdioden verwendet und bis zu beträchtlich höheren Frequenzen oberhalb 50 GHz (5 . 1O¹⁰ see-"¹) betrieben werden.

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Claims

Patentansprüche;

Halbleiteranordnung zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen mit Hilfe einer Tunnellaufzeitdiode, die einen Körper mit einer Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial enthält, die zwischen einem Gebiet aus einem zweiten mit der Schicht einen gleichrichtenden Kontakt bildenden Material und einem Gebiet aus einem dritten mit der Schicht einen elektrisch gut leitenden Kontakt bildenden Material liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Metall ist und dass wenigstens der mit diesem Metall in Kontakt stehende Teil der Halbleiterschicht derart hoch dotiert ist, dass sich beim Anlegen einer Sperrspannung über dem Metall/ Halbleiterübergang infolge eines Tunneleffekts Ladungsträger über diesen Uebergang bewegen.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht aus einem hochdotierten Substrat vom einen Leitfähigkeitstyp besteht, auf dem eine epitaktische Schicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp an-

W gebracht ist, die mit dem erwähnten Metall einen gleichrichtenden Kontakt bildet, während die von der epitaktischen Schicht abgekehrte Seite des Substrats mit dem dritten Material in Kontakt steht.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die epitaktische Schicht aus zwei aufein» ander folgenden Zonen verschiedener Dotierungskonzentrationen zusammengesetzt ist, wobei die Zone mit der höchsten Dotierung mit dem erwähnten Metall den gleichrichtenden Metall/Halb-

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leiterkontakt bildet.

h. Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone mit der höchsten Dotierung eine in die epitaktische Schicht hineindiffundierte Schicht ist.

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