DE2553701A1

DE2553701A1 - Mit dem gunn-effekt arbeitende halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE2553701A1
Application number: DE19752553701
Authority: DE
Inventors: Jean-Jacques Godard; Paul Cyril Moutou
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1976-08-12
Also published as: GB1514240A; FR2293068A1; FR2293068B1; JPS5182575A

Description

75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen; T 1893

Mit dem Gunn-Effekt arbeitende Halbleitereinrichtung

Die Erfindung betrifft eine mit dem Gunn-Effekt arbeitende Halbleitereinrichtung, deren Struktur das Verändern des elektrischen Feldes längs der Probe gestattet.

Es ist bekannt, daß die Bedingungen der Str cm ein leitung auf der Höhe der Katode einer solchen Einrichtung einen großen Einfluß auf ihren Betrieb haben können. In dem Fall einer ausreichend dotierten Probe, bei welcher das Produkt (η χ I) aus der Anzahl von Ladungs-

12 -2 trägern η und der Probenlänge I größer als 10 cm ist und welche als Oszillator arbeiten soll, benutzt man im allgemeinen einen ohmschen Kontakt. Diese Art von Kontakt ist durch ein elektrisches Feld gekennzeichnet, welches in der unmittelbaren Nähe der Katode

809823/0785

"-■ ^ S17 Γ¹1

praktisch gleich Null ist. Dagegen ist in dem Fall einer Diode, welche als Verstärker oder im "bereichsfreien" Betrieb, der gewöhnlich abgekürzt mit LSA (Limited Space charge Accumulation)-Betrieb bezeichnet wird, arbeiten soll und ein

12 -2
Produkt (η χ I) von etwa 10 cm hat, die Verwendung eines nichtohmschen Kontaktes erwünscht. Unter diesen Bedingungen ist nämlich die Strom einleitung begrenzt, wodurch das Vorhandensein eines von Null verschiedenen Feldes in äer unmittelbaren Nähe der Katode und eine gleichmäßigere Verteilung des elektrischen Feldes auf der gesamten Länge der Probe sichergestellt wird. Ein solcher ohmscher Kontakt ist sehr schwierig zu benutzen.

Darüberhinaus wird in dem Fall der bekannten Einrichtungen, ob nun der Katodenkontakt überdies ohmisch oder nichtohmisch ist, dieser letztere mittels einer Elektrode hergestellt, welche die Seite (die Katodenseite) der Einrichtung gleichmäßig bedeckt. Unter diesen Bedingungen pflanzt sich die Stromfront parallel zu der Einleitungsfläche fort: diese Fortpflanzung kann dann als einseitig gerichtet bezeichnet werden.

Die Erfindung betrifft eine mit Gunn-Effekt arbeitende Einrichtung, deren Struktur gestattet, einerseits einen zu einer begrenzten Stromeinleitung führenden Katodenkontakt und andererseits eine Fortpflanzung der Stromfront zu erzielen, die nicht mehr einseitig gerichtet, sondern ungerichtet ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

609823/078 £

ORIGINAL INSPECTED

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform

eines Teils einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch eine Schnittansicht einer

Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 schematisch eine abgewandelte Aus

führungsform einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Weiterbildung der Einrichtung

nach der Erfindung, und

Fig. 5 schematisch noch eine Weiterbildung

der Einrichtung nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 besteht eine Einrichtung nach der Erfindung vor allem aus einem N-leitenden Halbleiter plättchen 1 , beispielsweise aus GaAs, welches den aktiven Teil darstellt, in dem sich der Gunn-Effekt ausbildet und das seinerseits auf einem N -Substrat aus sehr stark dotiertem gleichem Halbleitermaterial hergestellt ist und den Anodenkontakt 2 bildet. Der Katodenkontakt 3, der auf die von dem Anodenkontakt 2 abgewandte Seite des Plättchens 1 aufgebracht ist, besteht gemäß der Erfindung aus einem Mosaik mit zwei Mustern, von denen in Fig. 1 das eine mit A und das andere mit B bezeichnet ist. Die Gesamtheit jeder dieser Arten von Mustern legt eine Reihe von Zonen fest, von denen die einen in der Lage sind, Strom einzuleiten, während die anderen unter diesen Bedingungen ihn blockieren, und umgekehrt.

ORIGINAL INSPECTED

.,•^ ■— r- >-s r— j—,

Z ¹Ti b ο 'O

Die Abmessungen und die Dichte dieser Zonen legen die Dichte des eingeleiteten Stroms fest. Die Fläche, auf der die Katodensteuerelektrode hergestellt ist, enthält somit gleichzeitig Teile mit ohmschem oder nichtohmschem Kontakt (also Teile, die den Durchgang eines begrenzten Stroms gestatten) und Teile von Gleichrichterkontakten, welche untereinander zusammenwirken, um einerseits den Strom zu begrenzen und um andererseits seine Ausbreitung in drei Richtungen im Innern des aktiven Halbleiters sicherzustellen.

In dem Fall von Fig. 1 sind es die Zonen A, die in der Lage sind, den Strom einzuleiten. Ihr 3 Form ist nicht darauf beschränkt, sondern wird in Abhängigkeit von den Leistungen optimiert, die die Einrichtung liefern soll. Die Katodensteuerelektrode, die zur Zuführung des Stroms dient und der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 nicht dargestellt ist, ist bei 30 in Fig. 2 dargestellt. Es kann sich um eine Metallegierung handeln, welche die gesamte Oberfläche der Einrichtung bedeckt. Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstetlung einer Einrichtung nach der Erfindung, auf der die Zonen A und die Zonen B erscheinen. In allen Figuren tragen gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Wenn eine Spannung an die Anode und die Katode der Einrichtung angelegt wird, fließt der Strom auf der Höhe der Zonen A (vgl. die Pfeile 10 in Fig. 2), während sich auf der Höhe der Zonen B eine Raumladung 31 bildet, die in Fig. 2 schematisch durch gestrichelte Linien begrenzt ist. Unter diesen Bedingungen findet, im Gegensatz zum Stand der Technik, eine Ausbreitung in den drei Richtungen statt. Eine solche Ausbreitung kann in diesem Fall als dreidimensional bezeichnet werden.

609 8 2-3/0

ORIGINAL INSPECTED

Eine solche Struktur kann verwirklicht werden, indem die bekannten Verfahren der Maskierung, der lokalisierten Epitaxie, der Diffusion, der Aufdampfung im Vakuum, der Elektrofornrung, usw. angewandt werden.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung nach der Ei— findung wird im folgenden als Beispiel angegeben, das keineswegs als Einschränkung zu verstehen ist.

Auf einem stark dotierten Halbleitersubstrat 2 aus GaAs vom N -Typ, beispielsweise, bildet eine Schicht 1 aus dem gleichen Material, aber vom N-Typ, den aktiven Teil der Einrichtung. In dieser Schicht 1 bildet sich der Gunn-Effekt aus. Auf der von der Anode abgewandten Seite der Probe wird dann eine P-leitende Schicht auf der gesamten Probenoberfläche durch irgendeine der bekannten Maßnahmen erzeugt, beispielsweise durch eine Epitaxie, eine Diffusion oder eine Ionenimplantation. Durch eine geeignete Maske hindurch, welche die Konfiguration der Muster A und B des oben angegebenen Mosaiks wiedergibt, gestattet eine Ätzung, diese P-leitende Schicht örtlich auszuhöhlen und die aktive Schicht auf der Höhe freizulegen, wo die Zonen A geschaffen werden sollen. Die P-leitende Schicht, die stehenbleibt, bildet die Zonen B. Anschließend wird ein Metallüberzug (beispielsweise eine Germanium-Gold—Legierung) auf der gesamten Oberfläche der auf diese Weise bearbeiteten Probe geschaffen. Dieser Überzug füllt die zuvor freigelegten Bereiche aus und bedeckt die P-leitende Schicht (Zonen B) und erfüllt so eine doppelte Aufgabe: die des Kontaktes, der den Strom auf der Höhe der Zonen A einleitet, und die der Katodensteuer elektrode 30, welche zum Zuführen des Stroms und zum

609823/078S

Herstellen der Potentialgleichheit zwischen den Zonen A und B dient. Unter diesen Bedingungen wird der Strom auf der Höhe der Zonen B durch den PN-Übergang blockiert und auf der Höhe der metallischen Zonen A eingeleitet.

Ein PN-Übergang, wie er zuvor beschrieben wurde, ist nicht das einzige Element, das in der Lage ist, die Einleitung des Stroms zu blockieren. Tatsächlich kann jedes Element, das in der Lage ist, eine Potentialschwelle zu bilden, diese Funktion verwirklichen. Es kann sich insbesondere um eine Schottky-Sperrschicht handeln. In diesem Fall wird ein erster Metallüberzug (beispielsweise aus einer Germanium-Gold-Legierung) 300 auf die gesamte Oberfläche der aktiven Schicht aufgebracht,die von der Anode abgewandt ist. Durch eine geeignete Maske hindurch, welche die Konfiguration der Muster A und B des oben angegebenen Mosaiks wiedergibt, wird dieser erste Metallüberzug auf der Höhe der Zonen B geätzt und örtlich ausgehöhlt, bis auf dieser Höhe die aktive Schicht 1 freigelegt ist. Die Zonen 300 (Fig. 3), wo dieser erste Metallüberzug bestehen bleibt, entsprechen den Zonen A. Ein zweiter Metallüberzug, der in der Lage ist, mit dem darunterliegenden Halbleitermaterial eine Schottky-Sperrschicht zu bilden, wird auf die gesamte Oberfläche der so bearbeiteten Probe aufgebracht. Es kann sich um einen Überzug aus Platin, Nickel, usw. handeln. Dieser zweite Überzug erfüllt dann eine doppelte Aufgabe: die des Kontaktes, der die Stromeinleitung auf der Höhe der Zonen B verhindert und die der Katodensteuerlektrode 30, welche zur Zuführung des Stroms dient, der dann durch die metallischen Zonen A hindurch eingeleitet wird.

609823/07 85

Die Zonen A können ihrerseits in unterschiedlicher Weise realisiert werden. In den beschriebenen Beispielen handelte es sich um Metallüberzüge und somit um ohmsche Kontakte. Schichten aus sehr stark dotiertem Halbleitermaterial (beispielsweise vom Typ N ) können ebenfalls diese Funktion erfüllen,, ebenso wie jede Kombination, die zu einem ohmschen Kontakt oder zu einem nichtohmschen Kontakt führt, d.h. in der Lage ist, einen begrenzten Strom einzuleiten.

In dem Fall der Struktur von Fig. 2 liegen die Außenseiten der Zonen A und B, die die Steuerelektrode 30 empfangen, in derselben Ebene. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform können die Zonen A dagegen in bezug auf die Zonen B erhaben hergestellt sein, und umgekehrt. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, welche, wie in dem Fall von Fig. 2, eine Schnittansicht einer Einrichtung nach der Erfindung zeigt. Eine Ionenimplantation oder irgendein anderes bekanntes Verfahren gestattet, durch eine Maske hindurch die Zonen B auf dem aktiven Plättchen 1 vom N-Typ herzustellen. Diese Zonen B erscheinen dann als P-leitende Bereiche. Die Zonen A werden mit Hilfe eines Überzugs aus einer Germanium-Gold-Legierung erhalten, der gegenüber den Zonen B erhaben erscheint. Die Steuerelektrode 30 bedeckt die Anordnung, wobei sie dem Relief folgt.

In den oben beschriebenen Beispielen erscheinen die Zonen, die in der Lage sind, den Strom einzuleiten, inmitten der Zonen B versenkt, welche den übrigen Teil der Oberfläche der Probe darstellen. Wie oben bereits erwähnt, kann es vorkommen, daß für den einwandfreien Betrieb der Einrichtung statt dessen die Zonen B inmitten der Zonen A versenkt sind.

60982 3/0785

— CS "~

Fig. 5 zeigt schematisch eine Weiterbildung der oben beschriebenen Einrichtung nach der Erfindung, welche eine bessere Kontrolle des in die Einrichtung eingeleiteten Stroms erlaubt. Eine dielektrische Schicht 50, welche die Zonen A von den Zonen B isoliert, gestattet das Erzielen dieses Resultats. Das in Fig. 5 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Einrichtung des in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Typs.

Verschiedene Herstellungsverfahren können angewandt werden, um eine solche Struktur zu bilden. Eines von ihnen besteht beispielsweise darin, auf die Oberfläche des aktiven Teils der Einrichtung nach der Bildung der P-leitenden Zonen B eine dielektrische Schicht 50 aufzubringen, die auf der Höhe graviert wird, auf der die Zonen A hergestellt werden sollen. Diese letzteren können aus einer sehr stark dotierten Halbleiterschicht (GaAs-Schicht) vom N -Typ bestehen, die durch Epitaxie erhalten wird. Die metallische Steuerelektrode 30, die durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht ist, . bedeckt die Gesamtheit der dielektrischen Schicht und der Zonen A.

Unter diesen Bedingungen sind die Zonen A von den Zonen B elektrisch isoliert. Eine erste negative Vorspannungsquelle P kann somit mit der Katodensteuerelektrode 30 und eine zweite Vorspannungsquelle P , die ebenfalls negativ ist, mit der Gesamtheit der P—leitenden Zonen B verbunden werden. Es ist dann möglich, durch mehr oder weniger negatives Vorspannen der Zonen B in bezug auf die Zonen A den eingeleiteten Strom elektronisch zu steuern. Es liegt dann eine Gunn-Triode vor.

6.09823/OM-fr

Claims

Patentansprüche:

( \ j Mit

dem Gunn—Effekt arbeitende Halbleitereinrichtung mit einer aktiven Schicht, welche aus einem Halbleitermaterial gegebenen Leitungstyps hergestellt ist, mit einem ersten Anodenkontakt und mit einem zweiten Katoden kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kontakt wenigstens eine erste Zone, die in der Lage ist, den Strom in die Einrichtung einzuleiten, und eine zweite Zone enthält, die in der Lage ist, den Strom zu blockieren, wobei die erste Zone und die zweite Zone auf der von dem ersten Anodenkontakt abgewandten Fläche der aktiven Schicht angeordnet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial GaAs ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine metallische Steuerelektrode enthält, welche auf die erste Zone und die zweite Zone aufgebracht ist und zur Zuführung des Stroms dient.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (A) aus einem ersten Metallüberzug besteht und daß die zweite Zone (B) aus einem zweiten Metallüberzug besteht, der mit der aktiven Schicht in Kontakt ist und mit dieser eine Schottky-Sperrschicht bildet.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht N-ieitend, die zweite Zone (B)

609823/0785

255370T

P-leitend und die erste Zone (A) metallisch ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht N-leitend, die zweite Zone (B) P-leitend und die stark dotierte erste Zone (A) N -leitend ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Schicht aus dielektrischem Material die erste Zone (A) von der zweiten Zone (B) isoliert.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone mittels einer ersteh Potentialquelle vorspannbar ist und daß die zweite Zone (B) unabhängig von der ersten Zone (A) mittels einer zweiten Potentialquelle vorspannbar ist.

60982 3/0785