DE2061689C3

DE2061689C3 - Tunnel-Laufzeitdiode mit Schottky-Kontakt

Info

Publication number: DE2061689C3
Application number: DE2061689A
Authority: DE
Inventors: Jacques Villeneuve Saint-Georges Michel; Alain Choisy-Le-Roi Semichon
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-12-24
Filing date: 1970-12-15
Publication date: 1978-08-17
Also published as: JPS4824670B1; GB1330479A; FR2077474B1; DE2061689A1; US3739243A; SE369987B; DE2061689B2; BE760706A; NL7018546A; FR2077474A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Tunnel-I aufzeitdiode mit Schottky-Kontakt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus »Solid State Electronics«, 12 (i369) 2, Seiten 107—109, ist eine Laufzeitdiode spezieller Art, eine sogenannte Lawinenlaufzeitdiode (IMPATT-Diode) mit Schottky-Kontakt bekannt, die einen Körper mit einer Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial enthält, die zwischen einem mit der Schicht einen gleichrichtenden (Schottky-)Kontakt bildenden Metall und einem Gebiet aus einem mit der Schicht einen elektrisch gut leitenden Kontakt bildenden Material liegt, bei dem der an den Schottky-Kontakt angrenzende Teil der Halbleiterschicht mit 5 χ 10¹⁵ Fremdstoffatomen pro cm³ dotiert ist.

Diese sogenannte »Lawinenlaufzeitdiode« weist den Nachteil auf, daß der Rauschpegel infolge heftiger Stoßionisation verhältnismäßig hoch liegt

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Laufzeitdiode mit erheblich niedrigerem Rauschpegel zu schaffen, die innerhalb eines weiten Frequenzbereiches verwendet werden kann und sich außerdem auf einfache und reproduzierbare Weise herstellen läßt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch beanspruchte Tunnel-Laufzeitdiode gelöst.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Dotierungsprofil einer bekannten Laufzeitdiode nach Read,

Fig.2 schematisch einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispie! einer Tunnel-Laufzeitdiode nach der Erfindung,

Fig.3 schematisch einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Tunnel-Laufzeitdiode nach der Erfindung und

Fig.4 schematisch den Verlauf des elektrischen Feldes in der Diode nach F i g, 3,

F i g. 1 zeigt schematise!) das Dotierungsprofil einer bekannten Laufzeitdiode nach Read. In einer derartis gen Diode findet bei genügend großer Sperrspannung über dem PN-Übergang an einem sehr engen PN-Übergang Lawinenvervielfachung statt, wobei sich die Ladungsträger durch eine angrenzende Verarmungszone bewegen, die eine solche Dicke aufweist daß die Laufzeit der Träger in dieser Zone etwa eine halbe Periode der gewählten Betriebsfrequenz beträgt (diese Laufzeit ist gleich dem Verhältnis zwischen der Dicke der durchlaufenden Zone und der Sättigungsgeschwindigkeit der Ladungsträger, welche Sättigungsgeis schw-ndigkeit für Silicium etwa 10⁷ cm/sec beträgt). Die Gebiete 1 und 2 bilden den schroffen PN-Übergang an der Stelle, wo die Lawine lokalisiert ist; die Zone 3 ist die von den erzeugten Ladungsträgern durchlaufene Zone, und das Gebiet 4 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 dem PN-Übergang zwischen den Zonen 1 und 2 beschränkt, und daß die elektrische Feldstärke in der Zone 3 ausreichend (>10*Vcm-·) ist, um sicherzustellen, daß die Ladungsträger diese Zone mit der Sättigungsge schwindigkeit durchlaufen, wobei diese Feldstärke aber nicht zu hoch gewählt werden darf, weil sich die Lawine nicht bis zu dieser Zone 3 erstrecken soll. Die Herstellung einer derartigen Diode bereitet daher große Schwierigkeiten.

Ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer Laufzeitdiode nach der Erfindung zeigt F i g. 2. Die Diode enthält eine einkristalline Siliciumscheibe (2,3) mit einer Gesamtdikke von etwa 50 μπι. Eine Metallschicht 4, die durch eine 0,1 μπι dicke Titanschicht und eine diese Schicht überziehende Goldschicht gebildet wird, bildet einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 3 aus

N-Ieitendem Silicium mit einer Dotierung von 5 χ 10¹⁸ Donatoratomen/cm³. Die Zone 2 hat eine Dicke von etwa 1 μπι und ist

epitaktisch auf dem Substrat 3 angewachsen. Die Zone 2 hat eine praktisch homogene Dotierung von 10¹⁸ Donatoratomen/cm³.

Die Zone 1 besteht aus einer auf der Zone 2 angebrachten Platinschicht, die mit der Zone 2 einen

so gleichrichtenden Metall/Halbleiterkontakt bildet

Die Diode nach F i g. 2 wird mit einer Sperrspannung über dem Metall/Halbleiterkontakt (1, 2) betrieben, wobei die angelegte Spannung derart hoch ist, daß sich die gebildete Verarmungszone 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 Verarmungszone bestimmt und beträgt in diesem Beispiel, bei einer Verarmungszone mit einer Dicke von

1 μπι, 100GHz(IOIiSeC-').

Nach einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel (siehe

Fig.3) enthält die Diode eine einkristalline Halbleiterscheibe (2, 3) mit einer Gesamtdicke von 50 μιη. Eine Metallschicht 4, die aus einer mit Gold überzogenen Titanschicht mit einer Dicke von 0,1 μπι besteht, bildet

einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 3 aus N-leitenden Silicium. Die Zonen M und 2B werden durch eine auf dem Substrat Ϊ angewachsene epitaktische Schicht gebildet, in der die Zone IA durch Diffusion von z. B. Phosphor angebracht ist. Die Zone 2A weist eine Dicke von 0,2 μτη auf und hat an der Oberfläche eine Dotierungskonzentration von 10¹⁸ Donatoratomen/cm³; die Zone 23 weist eine Dicke von 4 μτη und eine praktisch homogene Dotierungskonzentration von 5 - 1O¹⁺ Donatoratomen/cm³ auf; die Sub- ίο stratzone 3 weist eine Dotierungskonzentration von 10¹⁹ Donatoratomen/cm? auf- Auf der Oberfläche der Zone IA ist eine Platinschicht, die mit dieser Zone einen gleichrichtenden MetauVHalbleiterübergang bildet Dabei ist die Dotierungskonzentration der Zone 2Λ an der Stelle des Metall/Halbleiterkontakts derart hoch, daß im Betriebszustand beim Anlegen einer solchen Spannung, daß der Metall/Halbleiterkontakt in der Sperrichtung polarisiert wird, infolge eines Tunneleffekts Ladungsträger über den Metall/Halbleiterübergang fließen. Dabei verschwinden die Löcher direkt in dem Metall 1, während die Elektronen die Zoue 2B durchlaufen, wobei sie in dem äußeren Kreis einen Strom herbeiführen. Die Spannung über der Anordnung wird wenigstens derart hoch gewählt, daß die Verarmungszone sich über die Zonen IA und 2B erstreckt

Fig,4 zeigt schematisch das Profil der Feldstärke über der Diode nach F i g. 3.

Als Halbleitermaterial können auch andere Materialien, z. B. Galliumarsenid, verwendet werden. Der Halbleiterkörper kann auch aus zwei oder mehr verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen. Die Kontakte (3,4) in den F i g. 2 und 3 können auch in der Durchlaßrichtung polarisierte gleichrichtende Obergänge sein. Die Zone 2Λ in Fig.3 kann statt durch Diffusion auch durch Dotierungsänderung während des epitaktischen Anwachsens oder durch Ionenimplantation gebildet werden. Die Diode nach der Erfindung kann mit anderen Schaltungselementen vereinigt werden und auf diese Weise eine, gegebenenfalls monolithische, integrierte Schaltung bilden. Die beschriebenen Dioden können auf gleiche 'Yeise wie die bekannten Lawineniaufzeitdioden verwendet rind bis zu beträchtlichen höheren Frequenzen oberhalb 50 GHz (5 χ 10¹⁰ see-') betrieben werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Tunnel-Laufzeitdiode mit Schottky-Kontakt zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen, bestehend aus einem an der Unterseite mit einem Anschlußkontakt versehenen, hochdotierten Substrat aus einem Halbleitermaterial von einem Leitfähigkeitstyp auf dem eine epitaktische Halbleiterschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp angebracht ist, die mit einem Metall den Schottky-Kontakt bildet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der mit dem Metall (1) in Kontakt stehende Teil der epitaktischen Halbleiterschicht (2) eine Dotierung von wenigstens tO¹⁸ Fremdstoffatomen pro cm³ aufweist

2. Tunnel-Laufzeitdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Schicht (2) aus zwei aufeinanderfolgenden Zonen (2A, 2B) verschiedener Dotierungskonzentrationen zusammengesetzt ist, wobei die Zone (2AJ mit der höchsten Dotierung mit dem Metall (1) den Schottky-Kontakt bildet

3. Tunnel-Laufzeitdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (2A)m\t der höchsten Dotierung eine in die epitaktische Schicht (2) hineindiffundierte Schicht ist