DE2843071A1

DE2843071A1 - Halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE2843071A1
Application number: DE19782843071
Authority: DE
Inventors: Daniel Delagebeaudeuf; Michel Lescroel
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-10-04
Filing date: 1978-10-03
Publication date: 1979-04-12
Also published as: GB2005472A; FR2408221B1; FR2408221A1; GB2005472B; JPS5460871A

Description

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-lng.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Frnsberger si ras se 19

8 München 60

3. Oktober 1978

THOMSOlf - OS?

173, Bö. Hai;ssmann

75008 PARIS / Prankreich

Unser Zeichen: T 3171

Halbleiterstruktur

Die Erfindung betrifft eine Struktur des Metall-Germanium-Galliumarsenid-Typs, die zum Schwingen im Laufzeitmodus bestimmt ist. Die Erzeugung von elektromagnetischen Wellen sehr hoher Frequenz in einer solchen Struktur ist vom IMPATT-Typ (impact avalanche and transit time im englischen Sprachgebrauch) und vereinigt in sich die Stoßionisationserscheinung und die Ausnutzung der Laufzeit der Ladungsträger.

Die Theorie der Betriebsweise der Avalanche- oder Lawinendioden zeigt die wichtige Rolle des Verhältnisses zwischen dem Spannungsabfall in der Avalanchezone und der Gesamtspannung beim Durchbruch bezüglich der Leistungsausbeute der Diode, die auch als Umformungswirkungsgrad bezeichnet wird. Gemäß der elementarsten Theorie ist der Wirkungsgrad proportional zu der Größe:

-] VA

VO
wobei VA die Spannung in der Avalanchezone und VO die Gesamt-

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-A-

vorspannung beim Durchbruch, bezeichnet. Es sind bereits zur Erzielung von hohen Wirkungsgraden Dioden geschaffen worden, die durch ihr mehr oder weniger komplexes Dotierungsprofil ein niedriges Verhältnis VA/VO und damit einen guten Wirkungsgrad aufweisen.

Solche Profile sind in industriell reproduzierbarer Weise schwierig herstellbar, was einen ersten Nachteil dieser Dioden darstellt.

Ein zweiter Nachteil ergibt sich aufgrund der experimentellen Tatsache, daß es noch nicht gelungen ist, mit Dioden, die solche Profile aufweisen, einen sicheren Betrieb mit Millimeterwellen zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und dabei ein leicht herstellbares Strukturmodell zu schaffen.

Die Struktur nach der Erfindung enthält in Reihe:

- einen Metall-Germanium-Übergang, wobei das Germanium durch ein erstes einkristallines Halbleitermaterial mit hohem spezifischem Widerstand ersetzt werden kann, das in der Lage ist, die Avalancheerscheinung zu zeigen, und zwar für eine Schicht bestimmter Dicke aufgrund eines vorbestimmten internen elektrischen Feldes (senkrecht zu der Schicht);

- einen HeteroÜbergang, der das erste Halbleitermaterial (z.B. Germanium) und ein zweites einkristallines Halbleitermaterial (z.B. Galliumarsenid) mit niedrigem spezifischem Widerstand aufweist, das nicht in der Lage ist, die Avalancheerscheinung zu zeigen, wenn das interne elektrische Feld in dem zweiten Halbleitermaterial gleich dem vorbestimmten elektrischen Feld ist.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a einen Schnitt durch eine Oszillator

einrichtung mit einer Struktur nach der Erfindung,

Fig. 1b eine zu dem Schnitt von Fig. lage

hörende Karte des elektrischen Feldes, und

die Fig. 2 und 3 Erläuterungsdiagramme.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden eine HeteroStruktur untersucht:

Metall - eigenleitendes Ge - AsGa des Typs N.

Fig. 1a zeigt ein halbendliches elektronisches Bauelement, das zur Benutzung als Avelancheoszillator vorgesehen ist. Es enthält einen Block 10 aus Halbleitermaterial, der aus einem Substrat 4 aus einkristallinem, N -dotiertem (Dichte der Fremdatome größer als 10 at/cm ) Galliumarsenid, auf welchem durch Epitaxie eine Schicht 3 aus einkristallinem, N-dotiertem Galliumarsenid (dessen Dotierung und Dicke in Abhängigkeit von der zu erzielenden Schwingungsfrequenz berechnet werden können) aufgewachsen ist.

Auf der Schicht 3 ist durch Epitaxie eine Schicht 2 aus eigenleitendem Germanium aufgewachsen.

Auf dem Block 10 ist auf der Seite der Germaniumschicht eine Schicht 1 aus Gold, Aluminium oder Wolfram (Schottky-Kontakt) aufgebracht worden. Auf die entgegengesetzte Fläche des Halbleiterblockes ist ein ohmscher Kontakt 11 aufge-

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bracht worden, der dafür bestimmt ist, zusammen mit dem Schottky-Kontakt mit den entgegengesetzten Polen einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle verbunden zu werden. Der positive Pol ist mit dem Kontakt 11 zu verbinden. Die Dicken der Schichten 2, 3 und 4 sind mit L

bzw. Lp bzw. L-. bezeichnet.

Fig. 1b zeigt die Karte des elektrischen Feldes für die Struktur von Fig. 1a. Auf der Abszisse sind die Strecken aufgetragen, die ab dem Ursprung in Richtung der zu der Schicht 1 senkrechten X-Achse zurückgelegt werden. Auf der Ordinate ist die Stärke E des elektrischen Feldes aufgetragen. Da das elektrische Feld in der metallischen Schicht null ist, besteht das Diagramm aus einer gebrochenen Linie I E E₁ E I„. Der Abschnitt EE.. ist in dem Fall von Germanium mit unendlich großem spezifischem Widerstand parallel zu der x-Achse. Es ist ein Sprung des elektrischen Feldes an der Grenzfläche der beiden Halbleitermaterialien vorhanden (Punkt I₁ auf der x-Achse). Durch Anwenden des Poisson ;chen Gesetzes auf die beiden Raumladungsgebiete, die in den Medien 2 und 3 mit den relativen Dielektrizitätskonstanten ε. und ε_ erzeugt werden, ergibt sich folgende

(1)

Gleichung:	I 1	E 2	^ε1
I 1	E 1	ε 2

In dem Fall von Germanium und von Galliumarsenid gilt im wesentlichen

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Das eigenleitende Germanium kann durch schwach N- oder P-dotiertes Germanium ersetzt werden.

Im folgenden werden die Bedingungen für den Betrieb der in Fig. 1a dargestellten Struktur als Avalancheoszillator untersucht.

E₁ und E₂ seien die elektrischen Felder im Germanium bzw. im Galliumarsenid. E₁ und Ε_ρ2 seien die kritischen elektrischen Felder in jedem dieser Materialien. Damit die Avalancheerscheinung ausschließlich im Germanium auftritt, muß beim Durchbruch gelten:

E~ — T? (9 I

(3)

Die Diagramme der Fig. 2 und 3 gestatten, die verschiedenen Möglichkeiten für die gleichzeitige Realisierung der Bedingungen (2) und (3) zu untersuchen.

Wenn nämlich dem kritischen Feld ÜL.. ein fester Wert gegeben wird, ergibt das Diagramm von Fig. 2 (das für Germanium mit

15 einem Dotxerungsverhältnis in der Größenordnung von 10 at/cm aufgezeichnet worden ist) die Länge des Materials, die erforderlich ist, um die Stoßionisationsbedingung zu erfüllen. Aus dem Diagramm wird die Dicke L₁ der Germaniumschicht 2 (Fig. 1) entnommen.

Aus dem Feldbild von Fig. Tb wird durch Integration des Flächeninhalts des Rechteckes I₀ EE τ der mittlere Spannungsabfall V in der Avalanchezone entnommen. Das Feld E₂ wird der Gleichung (1) entnommen.

Zum Konstruieren des Abschnittes E₂ I₂ von Fig. 1b muß

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zuvor die Dotierung Q„ (Dichte der Fremdatome des Typs N) des Galliumarsenids bekannt sein.

Das Diagramm von Fig. 3 gibt aber den Wert des kritischen

_ 15 18

Feldes E „ für Dotierungen Q an, die von 10 bis 10 Atome pro Kubikzentimeter gehen.

Unter Berücksichtigung dieses Diagramms und der oben festgelegten Bedingung (3) kann eine minimale Dotierung definiert werden. Für zunehmende Dotierungen Q nehmen die Werte von E_c2 nämlich ebenfalls zu. Wenn diese minimale Dotierung gewählt ist, beispielsweise:

Q_n = 10¹⁶ at/cm³

wird mit diesem Wert die Steigung des Abschnittes E„ I„ in Fig. 1b und durch Integration der mittlere Spannungsabfall in dem Galliumarsenid ermittelt.

Während des Betriebes als Oszillator ergibt sich darüber hinaus ein Spannungshub um den Mittelwert. Der maximale Hub

ΔΕ des elektrischen Feldes in dem Galliumarsenid ist in max

dem Fall des gewünschten Betriebes:

^{= E}C2 " ^E2 ⁽

Durch Berechnung kann leicht gezeigt werden, daß für den Modulationsgrad m, gilt:

m, =

E
2

Außerdem kann unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der

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LaufWinkel etwa gleich π/2 sein soll, die optimale

Dicke (L_) . des Galliumarsenids berechnet werden. Wenn F 2 opt

die Schwingungsfrequenz ist, gilt:

U) - -¥- (5) "Vopt - _4F ⁽⁵⁾

wobei V die Geschwindigkeit der Ladungsträger hoher Beweglichkeit in Metern pro Sekunde (in der Größenordnung von

4
6.10 m/s) und F die Schwingungsfrequenz in Hertz ist.

Im folgenden werden zwei Anwendungsbeispiele angegeben: Erstes Beispiel:

Es soll ein X-Band-Oszillator hergestellt werden. Als Ausgangshypothese für den Aufbau der Vorrichtung wird angenommen :

E₁ = 2, 5.1O⁵ V/cm

= 10¹⁶ at/cm³ für AsGa (10¹⁵ für Ge)

Der Gleichung (1) und dem Diagramm von Fig. 2 werden nacheinander entnommen:

E₂ = 3,5. 10 V/cm

L. = 0,24 μΐη

Durch das Diagramm von Fig. 3 wird bestätigt, daß die Bedingung (3) erfüllt ist, da die gewählte Dotierung Q_n durch das Galliumarsenid bekannt ist. Wenn für das kritische Feld

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E₀₀ =4,5 V/cm

liegt der maximale Hub des elektrischen Feldes in der Größenordnung von 1.10 V/cm.

Die mittleren Spannungsabfälle betragen 6 V in der Avalanchezone (Germanium) und 38 V in der Laufzone der Länge LT ~ im Galliumarsenid·

Der Modulationsgrad m beträgt ungefähr 0,65; der Spannungshub bei Hochfrequenz beträgt 24,9 V.

Die Länge L„ beträgt wenigstens 1,3 μπι. (Wert von LT~) .

Die optimale Schwingungsfrequenz (für einen Laufwinkel von π/2) beträgt 11,6 GHz.

Der theoretische Wirkungsgrad liegt in der Größenordnung von 36%.

Zweites Beispiel:

Es soll ein ΥΆ-Band-Oszillator (Millimeterwellenoszillator) geschaffen werden.

Als Ausgangspunkt werden genommen:
E₁ =3,3 . 10⁵ V/cm
Q_n = 5.1O¹⁶ at/cm³ für AsGa (10¹⁵ für Ge)

Der Gleichung (1) und dem Diagramm von Fig. 2 werden nacheinander entnommen:

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= 4,6 . 10 V/cm (ungefähr)

L₁ = 0,06 μπι

Dann in derselben Weise wie bei dem vorangehenden Beispiel:

LT„ = 0,4 μΐϋ
m_t = 0,47
F = 36 GHz
Der theoretische maximale Wirkungsgrad beträgt 26%.

Die Herstellung einer Germaniumschicht mit ebenso geringer Dicke (einige Hundertstel Mikrometer) ist möglich, indem die Technik des Aufdampfens in einem Mikroofen, der sich im Vakuum befindet, angewandt wird, bei der mit einem "Molekularstrahl" gespritzt wird.

Die Dichte von N- oder P-Fremdatomen in dem Germanium

15 3 soll gleich oder kleiner als 10 at/cm sein.

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Claims

_Df _¥ .., 28A3071

Patentanwälte

Dipl-Ing. Dipl.-Chem Dipl-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

E: r η s b e r cj e r s t r a s b R 19

8 München 60

THOMSON - CSF 3. Oktober 1978

173, Bd. Haussmann

75008 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: T 3171

Patentansprüche :

'ViI Halbleiterstruktur, die zum Schwingen im Laufzeitmodus bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie nacheinander enthält:

- eine Metallschicht;

- eine Schicht, die aus einem ersten Halbleitermaterial mit hohem spezifischem Widerstand besteht und in der Lage ist, die Avalancheerscheinung aufgrund eines vorbestimmten internen elektrischen Feldes zu zeigen; und

- eine Schicht, die aus einem zweiten Halbleitermaterial besteht und in der die Avalancheerscheinung nicht auftreten kann, wenn sie in dem ersten Material auftritt.
2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleitermaterial ein kristallines Germanium ist und daß das zweite Halbleitermaterial einkristallines Galliumarsenid ist.
3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Material mit Fremdatomen des Typs N dotiert ist.
4. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Dotierungsfremdatome pro Kubikzentimeter

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für Germanium kleiner oder gleich 10 und für Galliumarse-

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nid größer als 10 ist.
5. Oszillator sehr hoher Frequenz, gekennzeichnet durch
eine Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht des zweiten Materials so gewählt ist, daß bei der Schwingungsfrequenz eine Phasenverschiebung
hervorgerufen wird, die im wesentlichen gleich π/2 rad ist.

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