WO2006029607A1 - Gunn-diode - Google Patents

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diode
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Arno Förster
Simone Montanari
Hans LÜTH
Mihail Ion Lepsa
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Forschungszentrum Juelich GmbH
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Forschungszentrum Juelich GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N80/00—Bulk negative-resistance effect devices
    • H10N80/10—Gunn-effect devices
    • H10N80/107—Gunn diodes

Definitions

  • the invention relates to a Gunn diode.
  • Gunn diodes are semiconductor components which are used to generate high-frequency radiation in the GHz frequency range.
  • the Gunn effect relates to a phenomenon in which a constant, relatively high electric field strength above 2000 V / cm on an n-doped gallium arsenide crystal causes rapid current fluctuations. It turns out that with very short crystals these current fluctuations occur in coherent oscillations whose frequencies are determined by the length of the crystals and are in the microwave range. Also in other semiconducting Ill-V compounds, such. B. n-doped indium phosphide, arise due to the effect of microwaves, when the electric field strength in them exceeds a lying at a few thousand V / cm critical value.
  • the effect generally occurs in III-V semiconductors, which have two energy bands with different electron mobilities, the distance of the relative maxima and minima of the bands being not too large in energy distance, so that hot electrons easily reach higher bands. If they have a smaller mobility there, a smaller current strength belongs to the larger field strength and a negative-differential resistance results, is the prerequisite for vibration generation and amplification.
  • the Gunn effect is exploited in the so-called Gunn oscillator for microwave generation.
  • a Gunn diode may typically have an AlGaAs layer oriented towards the active layer, which serves to create a potential jump for the emitting electrons and thus to raise them energetically relative to the active diode layer.
  • the active region In this layer of the Gunn diode, which is referred to below as the active region, the actual Gunn effect is created.
  • the graded layer can be formed as a continuous transition to aluminum contents of high concentration. This advantageously minimizes unwanted electron reflection at an otherwise existing potential stage and injects electrons with energies suitable for the energy band with lower electron mobility into the active region of the Gunn diode.
  • the AlGaAs layer causes the electrons to be injected into the active region as hot electrons, that is, electrons whose kinetic energy is increased from the mean thermal energy of the substrate electrons.
  • a higher proportion of electrons is injected into the L-band of the semiconductor, which is important for the Gunn effect, and a more direct generation of the dipole domain is achieved.
  • Such Gunn diodes advantageously have a higher temperature stability than Gunn diodes without a AlGaAs layer, since electrons are suppressed below a certain electron energy. The electrons are more effectively injected without such a layer compared to a Gunn diode.
  • the Gunn diode according to the invention is characterized in that the injector of the Gunn diode is designed as an energy bandpass filter for the electrons to be injected into the active region of the Gunn diode.
  • An inventive energy band pass filter differs from the prior art in that electrons with defined maximum and minimum energy levels are injected into the active region of the Gunn diode.
  • a precisely defined range of electron energies of the injector electrons is advantageously injected into the active region of the Gunn diode.
  • This has the advantage in comparison to a gegradeten layer that one can preselect the let-through energy arbitrarily by the structure of the diode.
  • the precise injection energy for the L band of the semiconductor material of the active layer can be set. This is usually done by changing the thickness of the semiconductor material with the smaller band gap.
  • a resonance tunnel diode can be arranged as an injector in a III-V semiconductor.
  • the temperature stability is substantially improved.
  • the domains are formed directly at the entry point of the active layer, which causes a lower phase noise.
  • a resonance tunnel diode as an injector provides an energy bandpass filter with an energy narrowband passband of electron energies.
  • the half-width of the resonance tunnel diode used has a typical value of 5 meV at room temperature. The half width depends essentially on the thickness of the barrier material and on additional scattering phenomena. In comparison to this, a graded layer acts merely as a simple filter for low electron energies.
  • the injected electrons are injected directly into the L valley of the semiconductor. This advantageously has the effect that the behavior of the Gunn diode, in particular the temperature dependence, the phase noise and also the stability, are improved.
  • the temperature dependence is improved in that, on the one hand, the tunnel current is temperature-independent and, in addition, due to the high injection rates into the L valley, the natural occupation of the L valleys within the active layer no longer has any effect.
  • the injection energy that is, the energy necessary to realize a direct occupation of the electrons in the L-band of the active layer, is essentially due to the materials and thicknesses of the electrons Layers of the tunnel diode are determined.
  • the resonance tunnel diode consists of a semiconductor material with a small band gap (eg GaAs) in the two thin, closely adjacent layers as a double barrier made of a material with a high band gap z.
  • a small band gap eg GaAs
  • AlAs are inserted. Between these barriers arise quantum mechanical states, which act like an energy bandpass filter for electrons. The electrons in front of the double barrier can overcome these if their energy matches the energy of the quasi-binding states.
  • the resonance tunnel diode as energy bandpass filter can be at least two, a few monolayer thick layers, for. B. from AlAs, of an intermediate layer, for. B. are separated from each other GaAs.
  • the two monolayer thick layers may in this case comprise gallium in more or less high concentration.
  • the resonance tunnel diode as energy band pass filter comprises more than two, few monolayer thick layers.
  • the undoped layers of the injector are preferably also made of GaAs.
  • the undoped layers advantageously have the effect that the current-voltage characteristic has a pronounced non-linear behavior, that is to say a Schottky-type behavior at low voltages.
  • Such a layer sequence serves as output layer sequence for Gunn diodes and Gunn oscillators. Then close to the highly doped (III-V) semiconductor layers further layers for such electronic components.
  • III-V semiconductor material it can also be InP in place of the GaAs and used as material for the energy bandpass filter, for example, as a material.
  • a double barrier AlGaInAs can be used to form the RTD.
  • the III-V semiconductor material it is also possible to use lattice-matched AlGaInAs in place of the GaAs, wherein the concentration of aluminum in the energy passband filter z. B. a double barrier, is higher than in the remaining layers of the Gunn diode.
  • GaN may also be used instead of the GaAs and as the material for the energy bandpass filter, for example.
  • a double barrier AlN can be used to form the RTD.
  • the double barrier of AlN layers as the energy bandpass filter may comprise Ga.
  • the Gunn diode according to the invention can be used not only for generating but also for amplifying microwaves.
  • FIG. 1 shows a layer sequence according to the invention for a Gunn diode in cross section.
  • the III-V semiconductor material is GaAs.
  • the Gunn diode has a 700 nanometer GaAs layer 1. This is doped with a silicon concentration of 4.3 10 18 cm -3 . This layer 1 represents the collector of the Gunn diode and is with a Contact for applying a voltage to the Gunn diode provided (not shown).
  • This Gunn-effect layer 2 which is doped with 1.1 ⁇ 10 16 cm -3, is also made of GaAs and is approximately 1600 nanometers thick.
  • a so-called delta-doped layer 3 is arranged, which serves to fine-tune the potential structure in the subsequent injector.
  • the injector comprises a layer sequence comprising an undoped layer 4, a double barrier 5a, 5b, 5c and a further undoped layer S 1 in such a way that the double barrier extends from both sides opposite to the adjacent highly doped GaAs layers 3 and 7 undoped layers 4, 6 is separated.
  • the undoped layers 4 and 6 serve as segregation or diffusion stop layer, so that no doping atoms can enter the injector from the highly doped layers 3 and 7.
  • the segregation stop layer 6 is followed by a heavily doped lead layer 7 with an electrical contact (not shown).
  • the energy bandpass filter here comprises two 6-layer AlAs layers 5c, 5a and a trench 5b separating them, which consists of 17 monolayers of GaAs.
  • the energy bandpass filter is designed as a resonance tunnel diode.
  • the Gunn diode is operated in such a way that the electrons are injected from the lead layer 7 as an emitter via the double barrier of the layers 6, 5, 4 and 3 in the active layer 2 (forward direction) and then back to the collector layer 1 again Voltage source flow.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the band profile of the Gunn diode with an injector comprising a resonant tunnel diode (RTD injector).
  • RTD injector a resonant tunnel diode
  • a band structure for a resonant tunneling diode can be seen in this figure, followed by a section of the low-doped layer of a Gunn diode.
  • the transmission energies 8, 9 of the energy-selective filter of the RTD 5c, 5b and 5a are indicated by the solid horizontal lines between the barriers 5c, 5a.
  • the transmission energies 8, 9 are adapted to the layer structure such that the electrons injected into the active layer 2 by the first transmission energy level 8 are at the same energy level as those of the L-band of GaAs in the active layer 2.
  • This principle can be transferred particularly advantageously to any Gunn diode with layer sequences of other semiconductor materials.
  • the invention is not limited to the indicated fürlouergie ⁇ levels according to FIG. 2. Rather, other pass energies can be used to generate
  • Microwaves are formed by another suitable layer sequence with other materials and / or layer thicknesses.
  • FIG. 3 shows a DC current-voltage characteristic of a Gunn diode with RTD injector.
  • a steep increase in current as a function of the voltage is followed by the maximum of the drift speed after reaching the critical minimum field strength.
  • the characteristic curve buckles. This is a typical progression for a Gunn diode. There is an asymmetry of the characteristic with respect to the voltage direction. If the electrodes are moved in the forward direction from layer 7 to layer 1, they are injected into the active Gunn diode layer 2 via the RTD injector 4 to 6 (see FIGS.
  • layer sequences are conceivable in which the principle of protecting a graded layer by undoped interlayers as diffusion or segregation stoppers can be applied, for example a layer sequence based on InP.
  • the layer sequences according to the invention for Gunn diodes are z. B. for the production of microwaves in Automobil ⁇ area and in the safety testing of objects used in airports.

Landscapes

  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gunn-Diode, umfassend einen, einen Gunn-Effekt ausübenden aktiven Bereich (2) und einen Injektor (4, 5, 6), dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor einen Energiebandpassfilter für die in den aktiven Bereich injizierten Elektronen umfasst. Der Energiebandpassfilter ist viertagsweise als Resonanztunneldiode bestehend aus Barriereschichten (5a, 5c) und einer Zwischenschicht (5b) ausgelegt.

Description

B e s c h r e i b u n g Gunn-Diode
Die Erfindung betrifft eine Gunn-Diode.
Als Gunn-Dioden werden Halbleiterbauelemente bezeich¬ net, die zur Erzeugung von Hochfrequenzstrahlung im GHz-Frequenzbereich benutzt werden.
Der Gunn-Effekt betrifft eine Erscheinung, bei der eine konstante, relativ hohe elektrische Feldstärke über 2000 V/cm an einem n-dotierten Galliumarsenidkristall schnelle Stromschwankungen verursacht. Es zeigt sich, dass bei sehr kurzen Kristallen diese Stromfluktuatio- nen in zusammenhängende Schwingungen übergehen, deren Frequenzen durch die Länge der Kristalle festgelegt sind und im Mikrowellenbereich liegen. Auch in anderen halbleitenden Ill-V-Verbindungen, wie z. B. n-dotiertem Indiumphosphid, entstehen infolge des Effektes Mikro- wellen, wenn die elektrische Feldstärke in ihnen einen bei einigen tausend V/cm liegenden kritischen Wert überschreitet .
Der Effekt tritt allgemein in III-V-Halbleitern auf, die zwei Energiebänder mit unterschiedlichen Elektro- nenbeweglichkeiten besitzen, wobei der Abstand der relativen Maxima und Minima der Bänder einen nicht zu großen energetischen Abstand haben, so dass heiße Elektronen leicht in höherliegende Bänder gelangen. Haben sie dort eine kleinere Beweglichkeit, so gehört zur größeren Feldstärke eine kleinere Stromstärke und es resultiert ein negativ-differentieller Widerstand, der Voraussetzung für eine Schwingungserzeugung und Verstärkung ist. Der Gunn-Effekt wird im sogenannten Gunn-Oszillator zur Mikrowellenerzeugung ausgenutzt.
Ab einer bestimmten Feldstärke entstehen in einer aktiven Schicht der Gunn-Diode spontane Dipoldomänen, die mit einer konstanten Geschwindigkeit die aktive Schicht des Halbleiters durchlaufen. Elektronen gelan¬ gen ausgehend von einem Emitter in die aktive Schicht und enden im Kollektor der Diode. Ist eine Domäne am Kollektor der Diode angekommen, kann eine weitere
Domäne am Anfang der aktiven Schicht gebildet werden. Die Art und Weise, wie die Elektronen in die aktive Schicht injiziert werden, ist von besonderer Bedeutung für die Entstehung der Domänen.
Eine Gunn-Diode kann typischerweise eine zur aktiven Schicht gerichtete AlGaAs-Schicht aufweisen, die dazu dient einen Potentialsprung für die emittierenden Elektronen zu schaffen und sie somit energetisch rela¬ tiv zur aktiven Diodenschicht anzuheben. In dieser, im weiteren als aktiver Bereich genannten Schicht der Gunn-Diode, entsteht der eigentliche Gunn-Effekt.
Aus der Druckschrift Greenwald et al . ist eine Gunn- Diode bekannt, welche eine Schichtenfolge mit einer AlGaAs-Schicht von konstantem Aluminium-Gehalt von 23 % aufweist (Greenwald, Z. Woodard, D. W., Calawa, A.R. , Eastman, L. F. (1988) . The effect of a high energy injection on the Performance of millimeter wafe gunn oscillators. Solid-State Electronics 31, 1211-1214) . Aus den Druckschriften US 4,801,982 sowie Hutchinson et al . (Hutchinson, S., J. Stephens, M. Carr and M. J, Kelly. Implant isolation scheme for current confinement in graded-gap Gunn diodes, IEEE Electronics Letters, 32(9) , 851-852, 1996) ist bekannt, eine AlGaAs-Schicht mit veränderlichem, das heißt in Richtung der aktiven Schicht, linear ansteigendem Aluminium-Gehalt von Null auf bis zu 30 % anzuordnen. Eine solche AlGaAs-Schicht stellt einen sogenannten graded-gap Injektor innerhalb der Gunn-Diode dar. Diese Schicht wird im englischen Sprachgebrauch als graded layer und im weiteren als gegradete Schicht bezeichnet .
Die gegradete Schicht kann als stufenloser Übergang zu Aluminium-Gehalten hoher Konzentration ausgebildet sein. Hierdurch wird vorteilhaft eine unerwünschte Elektronenreflektion an einer ansonsten vorhandenen Potentialstufe minimiert und Elektronen mit Energien passend zum Energieband mit niedrigerer Elektronenbe¬ weglichkeit in den aktiven Bereich der Gunn-Diode injiziert.
Die AlGaAs-Schicht bewirkt, dass die Elektronen als heiße Elektronen, das heißt als Elektronen, deren kinetische Energie gegenüber der mittleren thermischen Energie der Substratelektronen erhöht ist, in den aktiven Bereich injiziert werden. Hierdurch wird ein höherer Elektronenanteil in das für den Gunn Effekt wichtige L-Band des Halbleiters injiziert und eine direktere Erzeugung der Dipol-Domäne erreicht. Derartige Gunn-Dioden weisen vorteilhaft eine höhere Temperaturstabilität auf, als Gunn-Dioden ohne eine AlGaAs-Schicht, da Elektronen unterhalb einer bestimm¬ ten Elektronenenergie unterdrückt werden. Die Elektro¬ nen werden im Vergleich zu einer Gunn-Diode ohne eine solche Schicht effektiver injiziert.
Aus der Druckschrift DE 102 61 238 Al ist bekannt, zwischen einer AlGaAs-Schicht und den an diese Schicht angrenzenden hochdotierten Schichten je eine undotierte Zwischenschicht anzuordnen. Die undotierten Zwischen¬ schichten bewirken, dass Dotierstoffe aus den hochdo- tierten Schichten bei der Herstellung und im Betrieb der Gunn-Diode nicht in die AlGaAs-Schicht diffundie¬ ren, bzw. segregieren. Hierdurch wird bewirkt, dass die Diode ein Schottkytypartigeres Verhalten in Bezug auf ihre I/U-Kennlinie zeigt, als eine Gunn-Diode mit einer gegradeten Schicht, die direkt an einer hochdotierten Schicht angrenzt.
Nachteilig muss bei der Herstellung einer Gunn-Diode mit einer gegradeten Schicht vermieden werden, dass Dotierstoffmaterial in die gegradete Schicht diffun- diert und dadurch deren effektive Potentialhöhe verän¬ dert. Ebenfalls nachteilig ist, dass die Höhe der angrenzenden Delta-Dotierung die effektive Potentialhö¬ he verändert und somit genau eingehalten werden muss. Die Gunn-Dioden sind nur schlecht reproduzierbar. Die effektive Potentialhöhe ist der Abstand zwischen dem
Fermi-Niveau der aktiven Schicht und des Energieniveaus der injizierten Elektronen. Die Energie der injizierten Elektronen hängt sowohl vom Al-Gehalt wie auch von der Höhe der Delta-Dotierung ab, weil die Delta-Dotierung zu einer Bandverschiebung führt . Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gunn- Diode bereit zu stellen mit der gezielter als bisher möglich, Elektronen aus dem Emitter direkt in das L- Band des aktiven Bereichs der Gunn-Diode injiziert werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Gunn-Diode gemäß Hauptan¬ spruch gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Die Gunn-Diode ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeich- net, dass der Injektor der Gunn-Diode als Energieband¬ passfilter für die in den aktiven Bereich der Gunn- Diode zu injizierenden Elektronen ausgelegt ist. Ein erfindungsgemäßer Injektor mit Energiebandpassfil¬ ter unterscheidet sich vom Stand der Technik darin, dass Elektronen mit definiertem maximalen und minimalen Energieniveaus in den aktiven Bereich der Gunn-Diode injiziert werden.
Dadurch wird im Betrieb vorteilhaft ein genau definier¬ ter Bereich an Elektronenenergien der Injektor- Elektronen in den aktiven Bereich der Gunn-Diode inji¬ ziert. Dies hat im Vergleich zu einer gegradeten Schicht den Vorteil, dass man die Durchlassenergie beliebig durch die Struktur der Diode vorwählen kann. Hierdurch kann die genaue Einschussenergie für das L- Band des Halbleitermaterials der aktiven Schicht einge¬ stellt werden. Dies geschieht in der Regel durch Verän¬ dern der Dicke des Halbleitermaterials mit dem geringe¬ ren Bandabstand. Als Energiebandpassfilter kann beispielsweise eine Resonanz-Tunneldiode als Injektor in einem III-V-HaIb- leiter angeordnet sein. Dadurch wird, energetisch be¬ trachtet, besonders vorteilhaft ein scharfes Energie- spektrum in den aktiven Bereich der Gunn-Diode inji¬ ziert .
Es wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass über die gegradete Schicht nachteilig auch Elektronen mit zu hoher Energie in den aktiven Bereich der Gunn-Diode injiziert werden. Die Injektionsbarriere zeigt vom Prinzip her eine Temperaturabhängigkeit gemäß des Richardson-Gesetzes.
Bei den erfindungsgemäßen Gunn-Dioden mit einem Ener¬ giebandpassfilter im Injektor hingegen ist die Tempera- turstabilität wesentlich verbessert. Darüber hinaus werden die Domänen unmittelbar am Eintrittspunkt der aktiven Schicht gebildet, was ein geringeres Phasenrau¬ schen bewirkt .
Durch eine Resonanz-Tunneldiode als Injektor wird ein Energiebandpassfilter mit einem energetisch schmalban- digen Durchlassbereich der Elektronenenergien bereit gestellt. Die Halbwertsbreite von der verwendeten Resonanz-Tunneldiode hat bei Raumtemperatur einen typi¬ schen Wert von 5 meV. Die Halbwertsbreite hängt im wesentlichen von der Dicke des Barrierenmaterials und von zusätzlichen Streuphänomenen ab. Im Vergleich hier¬ zu wirkt eine gegradete Schicht lediglich als einfacher Filter für niedrige Elektronenenergien. Durch Einbringen eines Energiebandpassfilter mittels einer Resonanz-Tunneldiode, werden die injizierten Elektronen direkt in das L-Valley des Halbleiters injiziert. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass das Verhalten der Gunn-Diode, insbesondere die Temperaturabhängig¬ keit, das Phasenrauschen und auch die Stabilität ver¬ bessert werden. Die Temperaturabhängigkeit wird dadurch verbessert, dass einerseits der Tunnelstrom temperatur- unabhängig ist und zusätzlich durch die hohen Injekti¬ onsraten in das L-Valley die natürliche Besetzung des L-Valleys innerhalb der aktiven Schicht keine Wirkung mehr hat .
Im Falle einer Resonanz-Tunneldiode (RTD) als Injektor ist die Injektionsenergie, das heißt die Energie, die nötig ist, um eine direkte Besetzung der Elektronen im L-Band der aktiven Schicht zu realisieren, im wesentli¬ chen durch die Materialien und Dicken der Schichten der Tunneldiode bestimmt.
Die Resonanz-Tunneldiode besteht aus einem Halbleiter¬ material mit einem geringen Bandabstand (z. B. GaAs) in das zwei dünne, nah benachbarte Schichten als Doppel- barriere aus einem Material mit hohem Bandabstand z. B. AlAs eingefügt sind. Zwischen diesen Barrieren entste- hen quantenmechanische Zustände, die wie ein Energie¬ bandpassfilter für Elektronen wirken. Die Elektronen vor der Doppelbarriere können diese überwinden, wenn deren Energie mit der Energie der Quasibindungszustände überein stimmen. Die Resonanz-Tunneldiode als Energiebandpassfilter kann mindestens zwei, wenige Monolagen dicke Schichten, z. B. aus AlAs umfassen, die von einer Zwischenschicht, z. B. aus GaAs voneinander getrennt sind. Die beiden wenige Monolagen dicken Schichten, die von einer Zwi¬ schenschicht voneinander getrennt sind, bilden die Doppelbarriere für die in den aktiven Bereich injizier¬ ten Elektronen. Die beiden wenige Monolagen dicken Schichten können in diesem Fall Gallium in mehr oder weniger hoher Konzentration umfassen.
Es ist denkbar, dass die Resonanz-Tunneldiode als Energiebandpassfilter mehr als zwei, wenige Monolagen dicke Schichten, umfasst.
Die undotierten Schichten des Injektors bestehen vor- zugsweise ebenfalls aus GaAs.
Die undotierten Schichten bewirken vorteilhaft, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie ein ausgeprägtes nichtli¬ neares Verhalten, das heißt Schottky-typartiges Verhal¬ ten bei kleinen Spannungen aufweist.
Eine solche Schichtenfolge dient als Ausgangsschichten- folge für Gunn-Dioden und Gunn-Oszillatoren. Dann schließen sich an die hochdotierten (III-V) -Halbleiter- Schichten weitere Schichten für derartige elektronische Bauelemente an.
Es kann als III-V-Halbleitermaterial an Stelle des GaAs auch InP und als Material für den Energiebandpassfil¬ ter, z. B. einer Doppelbarriere AlGaInAs verwendet werden, um die RTD zu bilden. Es kann als III-V-Halbleitermaterial an Stelle des GaAs durchgängig auch gitterangepasstes AlGaInAs verwendet werden, wobei die Konzentration an Aluminium im Ener¬ giebandpassfilter z. B. einer Doppelbarriere, höher ist, als in den übrigen Schichten der Gunn-Diode.
Es kann als III-V-Halbleitermaterial an Stelle des GaAs auch GaN und als Material für den Energiebandpassfil¬ ter, z. B. einer Doppelbarriere AlN verwendet werden, um die RTD zu bilden. Die Doppelbarriere aus AlN- Schichten als Energiebandpassfilter kann Ga umfassen.
Die erfindungsgemäße Gunn-Diode kann nicht nur zur Erzeugung sondern auch zur Verstärkung von Mikrowellen verwendet werden.
Als Dotierstoff für die Schichten kommen insbesondere die Elemente Silizium und Tellur in Frage. Diese bewir¬ ken vorteilhaft reine Elektronenleitfähigkeiten.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausfüh¬ rungsbeispiels und der beigefügten Figuren näher erläu¬ tert.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schichtenfolge für eine Gunn-Diode im Querschnitt. Das Material des III-V- Halbleiters besteht aus GaAs.
Die Gunn-Diode weist eine 700 Nanometer dicke GaAs- Schicht 1 auf. Diese ist mit einer Silizium-Konzentra- tion von 4,3 1018 cm'3 dotiert. Diese Schicht 1 stellt den Kollektor der Gunn-Diode dar und ist mit einem Kontakt zur Anlegung einer Spannung an die Gunn-Diode versehen (nicht dargestellt) .
Auf der Kollektorschicht 1 ist der aktive Bereich 2 angeordnet. Diese, den Gunneffekt ausübende, und mit 1,1 1016 cm"3 dotierte Schicht 2 besteht ebenfalls aus GaAs und ist etwa 1600 Nanometer dick.
Auf dieser Schicht ist eine sogenannte Delta-dotierte Schicht 3 angeordnet, die der Feinabstimmung der Poten¬ tialstruktur im anschließenden Injektor dient. Der In- jektor umfasst eine Schichtenfolge aus einer undotier¬ ten Schicht 4, einer Doppelbarriere 5a, 5b, 5c und einer weiteren undotierten Schicht S1 in der Weise, dass die Doppelbarriere von beiden Seiten gegenüber den angrenzenden hochdotierten GaAs-Schichten 3 und 7 durch undotierte Schichten 4, 6 getrennt ist. Die undotierten Schichten 4 und 6 dienen als Segregations- bzw. Diffu¬ sionsstopschicht, so dass aus den hochdotierten Schich¬ ten 3 und 7 keine Dotieratome in den Injektor gelangen können.
An die Segregationsstopschicht 6 schließt sich eine hochdotierte Zuleitungsschicht 7 mit einem elektrischen Kontakt an (nicht dargestellt) .
Der Energiebandpassfilter umfasst hier zwei 6 Monolagen dicke AlAs-Schichten 5c, 5a und einen diese trennenden Graben 5b, welcher aus 17 Monolagen GaAs besteht. Der Energiebandpassfilter ist als Resonanztunneldiode aus¬ gelegt. Die Gunn-Diode wird in der Weise betrieben, dass die Elektronen von der Zuleitungsschicht 7 als Emitter über die Doppelbarriere der Schichten 6, 5, 4 und 3 in die aktive Schicht 2 injiziert werden (Vorwärtsrichtung) und dann über die Kollektorschicht 1 wieder zurück zur Spannungsquelle fließen.
Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze des Bandverlaufes der Gunn-Diode mit einem Injektor umfassend eine Resonanz- Tunneldiode (RTD-Injektor) . Man erkennt in dieser Ab- bildung eine Bandstruktur für eine Resonanz-Tunnel- diode, gefolgt von einem Ausschnitt der niedrig dotier¬ ten Schicht einer Gunn-Diode. Die Durchlassenergien 8, 9 des energieselektiven Filters der RTD 5c, 5b und 5a sind durch die durchgezogenen waagerechten Striche zwischen den Barrieren 5c, 5a angedeutet. Die Durch¬ lassenergien 8, 9 sind so an die Schichtstruktur ange- passt, dass die durch das erste Durchlassenergieniveau 8 in die aktive Schicht 2 injizierten Elektronen auf dem gleichen Energieniveau liegen, wie diejenigen des L-Bands von GaAs in der aktiven Schicht 2.
Dieses Prinzip kann besonders vorteilhaft auf jedwede Gunn-Diode mit Schichtenfolgen aus anderen Halbleiter- Materialien übertragen werden.
Man erkennt in der Abbildung zwei mögliche Durchlass- energien, wobei die wesentliche Injektion über den ersten Quasibindungszustand geschieht. Die meisten Elektronen befinden sich am Fermi-Niveau 11, das als strichpunktierte Linie eingezeichnet ist. Die Leitungs- bandkante 10 ist durch die durchgezogene Linie charak¬ terisiert.
Die Erfindung ist auf die angegebenen Durchlassenergie¬ niveaus gemäß der Fig. 2 nicht beschränkt. Vielmehr können auch andere Passenergien zur Erzeugung von
Mikrowellen durch eine andere geeignete Schichtenfolge mit anderen Materialien und/oder Schichtdicken gebildet werden.
In Fig. 3 ist eine DC-Strom-Spannungskennlinie einer Gunn-Diode mit RTD-Injektor abgebildet.
Einem steilen Stromanstieg als Funktion der Spannung folgt nach Erreichen der kritischen Mindestfeldstärke das Maximum der Driftgeschwindigkeit. Die Kennlinie knickt ab. Dies ist ein typischer Verlauf für eine Gunn-Diode. Es liegt eine Unsymmetrie der Kennlinie bezüglich der Spannungsrichtung vor. Werden die Elekt¬ ronen in Vorwärtsrichtung ausgehend von Schicht 7 bis hin zu Schicht 1 bewegt, so werden sie über den RTD- Injektor 4 bis 6 (s. Fig. 1 und 2) in die aktive Gunn- Dioden Schicht 2 injiziert.
In Rückwärtsrichtung, ausgehend von Schicht 1 bis zur Schicht 7, liegt lediglich eine normale Gunn-Diode mit einer nachgeschalteten Resonanz-Tunneldiode als Serien¬ widerstand am Ende der Strecke vor. Die Maximalströme im Strompeak in Vorwärtsrichtung sind deutlich kleiner als die Ströme in Rückwärtsrichtung. Dies zeigt die Funktionsfähigkeit des Injektors. Da die Elektronen über die Resonanz-Tunneldiode 4 bis 6 direkt ins L-Band des GaAs Halbleiters 2 injiziert werden, ist die Drift- geschwindigkeit der Elektronen in Vorwärtsrichtung kleiner als in Rückwärtsrichtung.
Zusätzlich wurden Hochfrequenzmessungen in Form von S- Parameter Messungen an den Strukturen durchgeführt . Diese zeigen, dass das Verhalten der Diode in Vorwärts¬ richtung (Fig. 4) einen deutlich schärferen Peak zeigt, als in Rückwärtsrichtung (Fig. 5) . Die Elektronen werden definiert ins L-Valley der Schicht 2 injiziert. An der Stelle des ersten, großen Peaks liegt eine kleine räumliche Zone vor, in der sich der Beginn der Domänenbildung befindet. Zusätzlich ist in Fig. 4 die zweite Harmonische gemessen. Eine größere statistische Verteilung des örtlichen Einsatzes der Domäne bleibt aus. Dies führt zu einer scharfen Laufzeit, was sich in einer scharfen Bande in den S-Parametern auswirkt. In der Rückwärtsrichtung (Fig. 5) ist diese Bande deutlich breiter. Dies deutet auf einen größeren Bereich der statistischen Verteilung der Domänenstartposition hin und damit zu einem größeren Phasenrauschen der Gunn Diode.
Es ist im Rahmen der Erfindung denkbar, eine erfin¬ dungsgemäße Schichtenfolge für weitere elektronische Bauelemente, die als Injektionsschicht eine Potential- barriere benötigen, zu verwenden.
Es sind weitere Schichtenfolgen denkbar, bei denen das Prinzip, eine gegradete Schicht durch undotierte Zwi¬ schenschichten als Diffusions- bzw. Segregationsstop- schichten zu schützen, angewendet werden kann, bei¬ spielsweise eine auf InP basierende Schichtenfolge. Die erfindungsgemäßen Schichtenfolgen für Gunn-Dioden sind z. B. zur Erzeugung von Mikrowellen im Automobil¬ bereich und bei der Sicherheitsprüfung von Gegenständen in Flughäfen verwendbar.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Gunn-Diode, umfassend einen, einen Gunn-Effekt ausübenden aktiven Bereich (2) und einen Injektor (4, 5a, 5b, 5c, 6) , dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (4, 5a, 5b, 5c, 6) einen Energie¬ bandpassfilter (5a, 5b, 5c) für die in den akti¬ ven Bereich (2) injizierten Elektronen umfasst.
2. Gunn-Diode nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Resonanz-Tunneldiode als Energiebandpassfil¬ ter.
3. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor als Energiebandpassfilter eine Dop¬ pelbarriere aus mindestens zwei voneinander durch eine Zwischenschicht (5b) getrennten Schichten (5a, 5c) aufweist.
4. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei voneinander durch eine Zwischenschicht (5b) getrennten Schichten (5a, 5c) eine Dicke von wenigen Monolagen aufweisen.
5. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem aktiven Bereich (2) und dem Energie¬ bandpassfilter (5a, 5b, 5c) eine Delta-dotierte Schicht (3) angeordnet ist.
6. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, gekennzeichnet durch einen mindestens eine undotierte Schicht (4, 6) umfassenden Injektor.
7. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine undotierte Schicht (4, S) des In¬ jektors an hochdotierte Bereiche angrenzt.
8. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Patent- ansprüche, aus III-V-Halbleitermaterial, insbesondere aus GaAs, GaN, InP oder gitterangepasstem AlGaInAs.
9. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, gekennzeichnet durch AlAs, AlN oder AlGaInAs als
Material zur Bildung des Energiebandpassfilters (5a, 5b, 5c) .
10. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, gekennzeichnet durch
Silizium oder Tellur als Dotierstoff für die do¬ tierten Schichten (1, 2, 3, 7) .
11. Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, gekennzeichnet durch einen Gunn-Oszillator.
12. Verstärker, umfassend eine Gunn-Diode nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008095639A1 (de) 2007-02-09 2008-08-14 Technische Universität Darmstadt Gunn-diode

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996002964A2 (en) * 1994-07-15 1996-02-01 Philips Electronics N.V. A transferred electron effect device
DE10261238A1 (de) * 2002-12-20 2004-07-15 Forschungszentrum Jülich GmbH Schichtenfolge

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19962037A1 (de) * 1999-12-22 2001-07-12 Vishay Semiconductor Gmbh Leuchtdiode in p-oben-Konfiguration

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996002964A2 (en) * 1994-07-15 1996-02-01 Philips Electronics N.V. A transferred electron effect device
DE10261238A1 (de) * 2002-12-20 2004-07-15 Forschungszentrum Jülich GmbH Schichtenfolge

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KARTASHOVA O A ET AL: "Numerical analysis of the submicrometer GaAs Gunn diode with resonance-tunneling injector", RUSSIAN MICROELECTRONICS, vol. 24, no. 1, January 1995 (1995-01-01), pages 29 - 32, XP009057478, ISSN: 1063-7397 *
STOROZHENKO I P ET AL: "Simulation of short Gunn diode with resonant-tunneling cathode", FIFTH INTERNATIONAL KHARKOV SYMPOSIUM ON PHYSICS AND ENGINEERING OF MICROWAVES, MILLIMETER, AND SUBMILLIMETER WAVES MSMW'04, KHARKOV, UKRAINE, 21-26 JUNE 2004, vol. 2, 21 June 2004 (2004-06-21), pages 549 - 551, XP010731970, ISBN: 0-7803-8411-3 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008095639A1 (de) 2007-02-09 2008-08-14 Technische Universität Darmstadt Gunn-diode
JP2010518611A (ja) * 2007-02-09 2010-05-27 テヒニッシェ ウニフェルジテート ダルムシュタット ガンダイオード

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