DE2540354A1

DE2540354A1 - Als thermoionische injektionsdiode geeignete halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE2540354A1
Application number: DE19752540354
Authority: DE
Inventors: Daniel Delagebeaudeuf; Didier Meignant
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-09-10
Filing date: 1975-09-10
Publication date: 1976-03-18
Also published as: US3992715A; FR2284987B1; JPS5153487A; JPS5755233B2; FR2284987A1; GB1520125A

Description

Als thermoionische Injektionsdiode geeignete

Halbleiterstruktur

Die Erfindung betrifft eine als thermoionische Injektionsdiode geeignete Halbloiterstruktur, die als Verstärker für sehr hohe Frequenzen mit einem geringen Rauschfaktor geeignet ist. Sie hat zum Zweck, eine Verstärkung von Signalen, insbesondere Kleinsignalen, mit einem Rauschfaktor zu ermöglichen, der unter aen Werten liegt, die bisher in der Technik der Injektionsdioden vorhanden waren.

Bekanntlich ist es schwierig, einen Rauschfaktor von weniger als 10 dB bei Injektionsdioden zu erzielen. Im Fall von Reflexionsverstärkern, bei denen thermoionische Injektionsdioden des Typs "BARITT" verwendet werden, mißt man üblicherweise einen Rauschfaktor mit einer Größenordnung von 15 dB. Das Ergebnis 1st noch ungünstiger, wenn man auf Gunn-Dioden zurückgreift. Verstärker mit Tunnel-Dioden scheiden aus anderen Gründen aus, insbesondere wegen ihrer schwierigen Anwendung und vor allem der beschränkten Nutzleistung.

Lei/Ba

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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Halbleiterstruktur, die bei Verstärkung sehr hoher Frequenzen, insbesondere im Frequenzband X,die Erzielung eines Rauschfaktors ermöglicht, der merklich kleiner als 10 dB ist.

Nach der Erfindung ist eine als thermoionische Injektionsdiode geeignete Halbleiterstruktur, die zwischen zwei Außenschichten aus einem zur Erzielung eines ersten Leitungstyps dotierten Halbleitermaterial wenigstens eine Zwischenschicht aus Halbleitermaterial aufweist, das schwächer als die Außenschichten derart dotiert ist, daß es den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist, wobei die Injektionszone der Diode im Betriebszustand zwischen der einen Außensohicht und der Zwischenschicht liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die eine Außenschicht und die Zwischenschicht eine zweite Zwischenschicht eingefügt ist, die aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die erste Zwischenschicht besteht und so dotiert ist, daß sie den gleichen Leitungstyp wie die erste Zwischenschicht, jedoch einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand als diese aufweist, so daß die zweite Zwischenschicht eine Verbreiterung der thermoionischeη Injektionszone ergibt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Halbleiterstruktur nach der Erfindung in einer senkrecht zu den Schichten der Halbleiterstruktur liegenden Ebene und

Fig.2 die Konfiguration des statischen elektrischen Feldes in der Richtung senkrecht zu den Schichten bei einer Halbleiterstruktur nach der Erfindung im Betriebszustand,

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Zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips sei zunächst an einige theoretische Angaben über die Wirkungsweise von thermoionischen Injektionsdioden erinnert.

Die am weitesten verbreiteten Strukturen von thermoionischen Injektionsdioden sind vom Typ PNP. Sie sind also einem Transistor ähnlich, wobei jedoch zu bemerken ist, daß die Basiselektrode nicht vorhanden ist. Sie arbeiten im Durchbruchsbereich, d.tu daß die Vorspannung so groß ist, daß die Raumladungszone, die dem in der Sperrichtung vorgespannten Übergang zugeordnet ist, sich durch die ganze N-Schicht erstreckt und den anderen Übergang erreicht. Die entsprechende Spannung heißt Durchbruchspannung und grenzt den Sperrbereich gegen den Durchlaßbereich ab. Bei jeder angelegten Spannung, die größer als die Durchbruchspannung ist, erfolgt nämlich eine Herabsetzung der Potentialschwelle, welche die Löcher der injizierenden P-Zone überwinden müssen. Diese Löcher können dann in die N-Zone eindringen und diese mit einer Geschwindigkeit durchqueren, die sich umso mehr der Grenzgeschwindigkeit annähert, je stärker das mittlere statische elektrische Feld darin ist.

Im Sinusbetrieb ist der Ladungsträgerstrom auf der Höhe der Injektionsebene (deren Lage vom injizierenden Übergang aus durch die Dicke der Potentialschwelle definiert ist ) in Phase mit dem Wechselfeld in dieser Ebene, und die injizierten Ladungsträger gehen dann dur_ch die Raumladungszone, welche die N-Schicht vollständig einnimmt. Eine einfache Überlegung läßt erkennen, daß ein negativer Widerstand besteht, wenn der Laufzeitwinkel in der Nähe von 3 π/2 liegt.

π α a ι '; / η 7 7 7

Hinsichtlich des Rauschens läßt sich zeigen, daß die Dicke der Potentialschwelle eine beträchtliche Rolle spielt, ebenso wie die Gesetzmässigkeit der Änderung der Geschwindigkeit als Funktion des durchlaufenen Weges in der Durchgangszone. Bei einer einfachen PNP-Struktur ist der einzige wichtige Parameter die Dotierung der mittleren Schicht, und unter diesen Bedingungen zeigt die Rechnung, daß der Rauschfaktor eine Größenordnung von wenigstens 10 dB erreicht. Bei einer Struktur mit mehreren N-Schichten werden dagegen zusätzliche Parameter eingeführt. Es ist eine Optimalisierung erwünscht, die einen kleineren Rauschfaktor ergibt. In den Laboratorien der Anmelderin sind Rechnungen an einem technologisch realisierbaren Modell, insbesondere aus Silizium, unter Berücksichtigung der verschiedenen Effekte durchgeführt worden, insbesondere der mit der beweglichen Raumladung verknüpften Effekte. Diese Rechnungen haben es ermöglicht, die Rolle jedes Parameters für die Erzeugung des Rauschens auszusondern. Die Dicke der Injektionszone und die Änderung der Geschwindigkeit in der Durchgangszone hängen von den verschiedenen Parametern ab und sind insbesondere im Hinblick auf den Rauschfaktor von Bedeutung«/ Die günstigsten Bedingungen sind im Fall einer Struktur mit αχοί N-Schichten vereinigt, die, sandwichartig zwischen zwei (stark dotierten) Halbleiterschichten des Leitungstyps P+ oder zwischen zwei Metallschichten angeordnet sind.

Fig.1 zeigt ein Beispiel einer Siliziumstruktuar nach der Erfindung, die für den Betrieb im Frequenzband X bestimmt ist. Eine der Außenschichten hat hier die Form eines Substrats B aus Silizium mit einer P-Störstoffdichte von mehr als 10 Atomen/cm . Auf dieses Substrat sind die folgenden mehr oder weniger stark dotierten Siliziumschichten epitaktisch der Reihe nach aufgebracht:

6 Π 9 8 1 ? / Π 7 7 7

- eine Schicht F der Dicke 1, von der Größenordnung 6 bis

Mikron mit einer N-Störstoffdichte von der Größenordnung

14 ^5
10 Atome/cnr;

- eine Schicht C der Dicke I₂ von der Größenordnung eines Mikron mit einer N-Störstoffdichte von der Größenordnung 6 · 10 ^ Atome/cnr;

- eine Schicht D der Dicke I^ von der Größenordnung 0,35 Mikron mit einer N-Störstoffdichte von der Größenordnung 1 bis 2· 10 Atome/cm·⁵; diese Schicht D ist nicht unbedingt notwendig; die Gesaratdicke der Schichten C und D bestimmt die Laufzeit, die einem Laufzeitwinkel von 3 π/2 bei der Betriebsfrequenz der Injektionsdiode entspricht;

- eine Schicht A, deren Dicke ein bis mehrere Mikron betragen kann, und deren P-Störstoffdichte von der gleichen Größenordnung wie diejenige des Substrats B ist.

Damit eine solche Struktur als elektronisches Bauelement verwendbar ist, muß sie in der bekannten Weise fertiggestellt werden, wozu beispielsweise die Metallisierung enes Abschnitts der Schicht A (Klemme +) und des Substrats B(Klemme - ) gehören, damit eine Basis für das Anlöten der Anschlußleiter geschaffen wird, sowie gegebenenfalls das Einschließen der Struktur in ein Gehäuse.

Fig.2 zeigt die theoretische Konfiguration des elektrischen Feldes inKilovolt pro Zentimeter (entlang dor Ordinatenachse E) beim Anlegen einer positiven elektrischen Gleichsspannung zwischen der Schicht A und dem Substrat B in der Weise, daß der Übergang zwisehen den Schichten A und D in der Durchlaß-

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richtung vorgespannt wird. Die Abszissenachse χ gibt die senkrecht zu den Schichten von der Schicht A aus durchlaufenen Räume an. Die das Feld E darstellende Kurve besteht aus einer Folge von Strecken E^-E₂; E₂-E₅; E, - E^;" E^- Ec i E^-E₆. Die Strecken E^- E₂ und E₅- Eg sind nahezu parallel zu der E-Achse, und die Strecke Ep-E, ist nahezu parallel zu der x-Achse. Die Strecke E-,-E^ schneidet die x-Achse am Punkt I; sie ist stark geneigt, während die Strecke E^-Ec eine sehr viel geringere Neigung hat. Die schraffierte Fläche mit dem Umriß E^-E₂-E₃-I definiert die sogenannte "Injektionszone" und entspricht einer Potentialschwelle von etwa 0,8 V. Das maximale Feld liegt in der Größenordnung von 100 kV/cm; die theoretische Durchbruchspannung liegt in der Größenordnung von 85 V.

Die verschiedenen Schichten haben im Betrieb der Halbleiterstruktur die folgenden Rollen: Die Injektion findet in der Schicht D von 0,35yum Dicke statt, die schwach dotiert ist, damit die Potentialschwelle verbreitert wird, was zur Verringerung des Rauschfaktors beiträgt. Die Schicht C, deren Dicke in der Größenordnung von 1 Mikron liegt, und die stärker dotiert ist, ermöglicht den Ladungsträgern das Erreichen derGrenzgeschwindigkeit mit einer Änderungsfunktion, welche die Verringerung des Rauschens begünstigt. Schließlich wird durch die Schicht F mit einer Dicke von 6 bis 7 Mikron im Fall einer für das X-Band bestimmten Struktur die Ionisationserscheinung dadurch vermieden, daß der Feldgradient und damit der Maximalwert der Feldstärke am Ende der Struktur begrenzt wird.

Die Herstellung der Struktur kann, wie bereits zuvor angegeben wurde, dadurch erfolgen, daß nacheinander Schichten epitaktisch auf ein Substrat aufgebracht werden.

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Die Bildung von Schichten mit einer Dicke von weniger als 1 Mikron erweist sich jedoch als schwierig und erfordert das Aufbringen einer dickeren Schicht, die anschließend nach einem der bekannten Verfahren abgetragen wird. Man kann die verschiedenen Schichten auch dadurch erhalten, daß die Epitaxieverfahren und die Ionenimplantationsverfahren kombiniert werden.

Die Erfindung eignet sich für die Herstellung von elektronischen Bauelementen, die für die Verstärkung von elektromagnetischen Höchstfrequenzwellen, insbesondere im X-Band bestimmt sind.

Die Struktur kann auch als Höchstfrequenzgenerator verwendet werden.

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Claims

254035 A

Patentansprüche

/1. !Als thermoionische Injektionsdiode geeignete Halbleiter- -^struktur, die zwischen zwei Außenschichten aus einem zur Erzielung eines ersten Leitungstyps dotierten Halbleitermaterial wenigstens eine Zwischenschicht aus Halbleitermaterial aufweist, das schwächer als die Außenschichten derart dotiert ist, daß es den entgegengesetzten Leitungstyp aufweist, wobei die Injektionszone der Diode im Betriebszustand zwischen der einen Außenschicht und der Zwischenschicht liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die eine Außenschicht (A) und die Zwischenschicht (C) eine zweite Zwischenschicht (D) eingefügt ist, die aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die erste Zwischenschicht (C) besteht, und so dotiert ist, daß sie den gleichen Leitungstyp wie die erste Zwischenschicht (C), jedoch einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand als diese aufweist, so daß die zweite Zwischenschicht (D) eine Verbreiterung der thermoionischenlnjektionszone ergibt.
2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dritte Zwischenschicht (F), die zwischen der anderen Außenschicht (B) und der ersten Zwischenschicht (C) angeordnet ist und aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die erste Zwischenschicht (C) besteht, das so dotiert ist, daß es den gleichen Leitungstyp wie die erste Zwischenschicht (C), jedoch eine geringere Störstoffkonzentration als diese aufweist, so daß der statische Feldgradient in der Richtung senkrecht zu den aufeinanderfolgenden Schichten verringert wird.

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2 5 k Π 3 5 U
3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten (A, B) den Leitungstyp P und die Zwischenschichten (C, D) den Leitungstyp N haben.
4. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten (A, B) den Leitungstyp N und die Zwischenschichten (C, D) den Leitungstyp P haben.
5. Halbleiterstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten(A, B) den Leitungstyp P haben und stark dotiert sind, und daß die Zwischenschichten (C, D, F) den Leitungstyp N haben und schwach dotiert sind.
6. Halbleiterstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten (A, B) den Leitungstyp N haben und stark dotiert sind, und daß die Zwischenschichten (C, D, F) den Leitungstyp P haben und schwach dotiert sind.
7. Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis β, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Außenschichten einen Teil eines HalbleiterSubstrats bildet, das die anderen Schichten trägt.
8. Halbleiterstruktur nach Anspruch 2, die zum Betrieb im Frequenzband X bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten aus Silizium gebildet sind, und daß die Dicke und die N-Störstoffkonzentration der aufeinanderfolgenden Zwischenschichten in den folgenden Größenordnungen liegen:

Ί Zj. 1Ix 'S

0,35 Aim bzw. 10 bis 2·10 Atome/cnr bei der zweiten Zwi s ehe ns chi cht (D);

1 .um bzw. 6· 10 -* Atome/cnr⁵ bei der ersten Zwischenschicht (C);

6 bis 7/Um bzw. 10 Atome/cnr bei der dritten Zwischenschicht (F).

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