[go: up one dir, main page]

RU2091911C1 - High-frequency gunn-effect device - Google Patents

High-frequency gunn-effect device Download PDF

Info

Publication number
RU2091911C1
RU2091911C1 RU9595115310A RU95115310A RU2091911C1 RU 2091911 C1 RU2091911 C1 RU 2091911C1 RU 9595115310 A RU9595115310 A RU 9595115310A RU 95115310 A RU95115310 A RU 95115310A RU 2091911 C1 RU2091911 C1 RU 2091911C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gaas
region
parameter
layer
cathode
Prior art date
Application number
RU9595115310A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU95115310A (en
Inventor
Василий Иванович Каневский
Юрий Ефимович Сухина
Анатолий Александрович Пономаренко
Original Assignee
Василий Иванович Каневский
Юрий Ефимович Сухина
Анатолий Александрович Пономаренко
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Василий Иванович Каневский, Юрий Ефимович Сухина, Анатолий Александрович Пономаренко filed Critical Василий Иванович Каневский
Priority to RU9595115310A priority Critical patent/RU2091911C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2091911C1 publication Critical patent/RU2091911C1/en
Publication of RU95115310A publication Critical patent/RU95115310A/en

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

FIELD: radio equipment for generating microwaves. SUBSTANCE: current-injecting cathode region of device uses Gunn effect and is made in the form of local heteroinjectors built of material whose forbidden gap is smaller than that of material n-GaAs,ALxGa1-xAs with constant value of x parameter contacting on one side n-GaAs material and forming with the latter abrupt heterojunction; on other side, it contacts AlxGa1-xAs layer with parameter x descending to zero towards n++-GaAs layer on cathode contact side; layer whose parameter xAlxGa1-xAs linearly varies and which is placed between material AlxGa1-xAs having constant x parameter of same value as that of the former on contacting barrier and n++-GaAs layer. Heteroinjector is surrounded with region limiting current injection which is made in the form of Schottky barrier. Parameter x is found from condition 0<x≅0,23 and energy ε accumulated by carriers on heteroinjector length meets condition ε ≅ ΔγL, where ΔγL is energy gap between GaAs valleys γ and L. Carrier concentration in n+-layer satisfies condition n<n+<n++, where n++ and n concentrations are chosen from conditions 8·1017≅n≅5·1018,cm-3, 3·1015≅n≅1,4·1016,cm-3. Local heteroinjectors are made in the form of cylindrical regions directed inside semiconductor material; cylinder bases are located in device cathode contact plane and their generating line is perpendicular to cathode contact plane. EFFECT: improved design. 4 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым прибором на основе переноса электронов и может быть использовано в радиотехнической аппаратуре для генерирования СВЧ колебаний. The invention relates to electronic equipment, namely to a semiconductor device based on electron transfer and can be used in electronic equipment to generate microwave oscillations.

Существующие приборы на основе эффекта Ганна (диоды Ганна) не позволяют эффективно работать в субмиллметровом диапазоне длин волн, так как конструкции таких приборов приводят к ограничению частотного диапазона, коэффициента полезного действия вследствие большой зоны начального разогрева носителей ("мертвой" зоны). "Мертвой" или "холодной" зоной называют обычно область примыкающую к катоду прибора, в которой электроны приобретают энергию равную энергетическому зазору между Г и L долинами полупроводникового материала ΔГL (см. Обзоры по электронной технике, сер. 1:Электроника СВЧ, вып. 4 (1008), Кальфа А.А. Пореш С.Б. Тагер А.С. Эффект Ганна на высоких частотах, 1984 г. с 16) [1]
Дальнейшее продвижение в субмиллиметровый диапазон частот может быть осуществлено при обеспечении дополнительного разогрева носителей в прикладной области приборов типа диодов Ганна.
Existing devices based on the Gunn effect (Gunn diodes) do not allow efficient operation in the submillimeter wavelength range, since the designs of such devices limit the frequency range and efficiency due to the large initial heating zone of the carriers ("dead" zone). The "dead" or "cold" zone is usually called the region adjacent to the cathode of the device, in which the electrons acquire energy equal to the energy gap between the G and L valleys of the semiconductor material Δ GL (see Reviews on electronic technology, ser. 1: Microwave electronics, vol. 4 (1008), Kalfa A.A. Poresh SB, Tager A.S. Gann effect at high frequencies, 1984 p. 16) [1]
Further advancement into the submillimeter frequency range can be carried out while providing additional heating of the carriers in the application area of devices such as Gunn diodes.

Попытка обеспечить дополнительный разогрев носителей в прикатодной области была предпринята в приборе, описанном в статье (см. M.R.Friscourt, P.A. Rolland and M.Pernisek "Heterojunction Cathode Contact Transferred-Electron Oscillators", IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-6, N 10, October 1985, pp. 497-499). [2]
Полупроводниковый прибор на основе переноса электронов состоит из катода -n+: Ga Al As, активной области прибора n: GaAs и анод n+, то есть n+: Ga Al As/ n: GaAs/ n+ структуры. В качестве материала катода прибора используется более широкозонный материал Ga Al As, по сравнению с материалом в активной области прибора GaAs. Как указывается данной работе (с. 498), идея использования такого катода связана с тем, что в этом случае из катода (Ga Al As) в активную область прибора (n GaAs) инжектируются "горячие" электроны с энергией немного меньшей междолинного энергетического зазора ΔГL полупроводникового материала GaAs, что позволяет исключить из участка взаимодействия пассивную "мертвую" зону и существенно разрешить частотный диапазон прибора.
An attempt to provide additional heating of carriers in the cathode region was made in the device described in the article (see MRFriscourt, PA Rolland and M.Pernisek "Heterojunction Cathode Contact Transferred-Electron Oscillators", IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-6, N 10 , October 1985, pp. 497-499). [2]
A semiconductor device based on electron transfer consists of the -n + : Ga Al As cathode, the n: GaAs active region of the device and the n + anode, i.e., n + : Ga Al As / n: GaAs / n + structures. As the cathode material of the device, a wider-band Ga Al As material is used, in comparison with the material in the active region of the GaAs device. As indicated in this paper (p. 498), the idea of using such a cathode is related to the fact that in this case, hot electrons with an energy slightly smaller than the intervalley energy gap Δ are injected from the cathode (Ga Al As) into the active region of the device (n GaAs) GL of the GaAs semiconductor material, which makes it possible to exclude the passive “dead” zone from the interaction site and substantially resolve the frequency range of the device.

Недостатком такого прибора, как указывается в данной же работе (с. 498), является отсутствием достаточного тянущего поля в полупроводниковом материале со стороны n GaAs, примыкающей к катоду прибора (Ga Al As) в рассматриваемом гетеропереходе n+ Ga Al As/n GaAs, что порождает довольно значительную область виртуального катода прибора. В результате "мертвая" зона такого прибора только немного уменьшается, а частотный диапазон рассматриваемого диода, как указывается в этой же работе (с. 498) фактически не изменяется по сравнению с обычным n+-n-n+GaAs диодом Ганна.The disadvantage of such a device, as indicated in the same work (p. 498), is the absence of a sufficient pulling field in the semiconductor material from the n GaAs side adjacent to the cathode of the device (Ga Al As) in the considered n + Ga Al As / n GaAs heterojunction, which generates a rather significant area of the virtual cathode of the device. As a result, the dead zone of such a device only decreases slightly, and the frequency range of the diode under consideration, as indicated in the same work (p. 498), does not actually change compared to the usual n + -nn + GaAs Gunn diode.

Известен полупроводниковый прибор на эффекте Ганна, выбранный в качестве прототипа (см. патент Великобритании N 1514240, опубликованный 14 июня 1978. заявитель фирма "THOMSON-CSF", Франция, кл. H 01 L 47/02). [3]
Полупроводниковый прибор на эффекте Ганна содержит активный слои, выполненный из полупроводникового материала GaAs данного типа проводимости, первый анодный контакт и второй катодный контакт, содержащий множество первых зон, способных инжектировать ток в прибор и множество вторых зон, формирующих выпрямляющие контакты с активной зоной, причем первая и вторая зона расположены на поверхности активного слоя напротив анодного контакта, формируя мозаику. Прибор также содержит металлический электрод, расположенный на первой и второй зонах. В приборе также первые зоны образованы с помощью металлического сплава, вторые зоны образованы из второго металлического сплава и введены в контакт с активным слоем, формируя с последним барьер Шоттки (БШ).
Known semiconductor device on the Gunn effect, selected as a prototype (see UK patent N 1514240, published June 14, 1978. the applicant company "THOMSON-CSF", France, CL H 01 L 47/02). [3]
The Gunn effect semiconductor device contains active layers made of GaAs semiconductor material of this type of conductivity, a first anode contact and a second cathode contact containing a plurality of first zones capable of injecting current into the device and a plurality of second zones forming rectifying contacts with the active zone, the first and the second zone is located on the surface of the active layer opposite the anode contact, forming a mosaic. The device also contains a metal electrode located in the first and second zones. In the device, the first zones are also formed using a metal alloy, the second zones are formed from a second metal alloy and are brought into contact with the active layer, forming the Schottky barrier (BS) with the latter.

В описании прибора по прототипу указывается, что ограниченная инжекция тока в диоде, реализованная с помощью островковой структуры катода гарантирует существование ненулевого тянущего поля в непосредственной близости у катода и более однородного распределения поля вдоль всей длины диода. Причем распространение тока в данном диоде уже не однонаправленное, как n+-n-n+ диоде (аналоге), а трехмерное. Размеры и плотность областей (количество областей на единицу площади катода) инжектирующих ток в области катода указанного диода (конструкции по прототипу) определяют плотности инжектирующего тока.In the description of the device according to the prototype, it is indicated that the limited current injection in the diode implemented using the island structure of the cathode guarantees the existence of a nonzero pulling field in the immediate vicinity of the cathode and a more uniform field distribution along the entire length of the diode. Moreover, the current distribution in this diode is no longer unidirectional, like n + -nn + diode (analog), but three-dimensional. The dimensions and density of the regions (the number of regions per unit area of the cathode) injecting current in the cathode region of the specified diode (prototype design) determine the density of the injection current.

Наличие ненулевого тянущего поля в непосредственной близости у катода позволяет уменьшить зону начального разогрева носителей ("мертвую" зону) и расширить частотный диапазон прибора по сравнению с конструкцией прибора-аналога. The presence of a nonzero pulling field in the immediate vicinity of the cathode makes it possible to reduce the initial carrier heating zone (“dead” zone) and to expand the frequency range of the device compared to the design of the analog device.

Тем не менее она ("мертвая" зона) остается, так как электронам необходимо набрать энергию ε удовлетворяющую условию e ≅ ΔГL, где ΔГL энергетический зазор между центральной и ближайшими боковыми долинами полупроводникового материала. Причем ситуацию ухудшает тот факт, что вглубь полупроводникового материала данного прибора поле уменьшается. Таким образом, полупроводниковый прибор на эффекте Ганна по прототипу обладает одним из следующих недостатков: инжекция "холодных" носителей в активную область прибора, и как следствие, наличие "мертвой" зоны, ухудшающей частотные характеристики прибора.Nevertheless, it (the "dead" zone) remains, since the electrons need to gain energy ε satisfying the condition e ≅ Δ GL , where Δ GL is the energy gap between the central and nearest side valleys of the semiconductor material. Moreover, the situation is worsened by the fact that the field decreases deep into the semiconductor material of this device. Thus, the prototype Gunn-based semiconductor device has one of the following disadvantages: injection of “cold” carriers into the active region of the device, and, as a result, the presence of a “dead” zone that degrades the frequency characteristics of the device.

В основу изобретения поставлена задача создания такого высокочастотного прибора Ганна, в котором осуществлено новое выполнение катода прибора, содержащего из областей инжектирующих ток в прибор и ограничивающих инжекцию тока, причем множество областей инжектирующих ток в прибор выполнено из полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у полупроводникового материала n типа проводимости. Это позволяет за счет разогрева носителей в прикатодной области уменьшить "мертвую" зону заявляемого прибора и, как следствие, расширить частотный диапазон данного прибора. The basis of the invention is the task of creating such a high-frequency Gunn device, in which a new implementation of the cathode of the device is carried out, containing from the areas injecting current into the device and limiting the current injection, and many of the areas injecting current into the device are made of semiconductor material with a larger band gap than semiconductor material n type conductivity. This allows due to the heating of the carriers in the cathode region to reduce the "dead" zone of the inventive device and, as a result, expand the frequency range of this device.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый материал GaAs n типа проводимости, сформированные на нем полупроводниковые слои n++- GaAs -типа проводимости со стороны анодного контакта и локальные области n++-GaAs типа проводимости в областях катодного контакта инжектирующих ток, анодный контакт и катодный контакт, содержащий первое множество областей инжектирующих ток в приборах и второе множество областей ограничивающих инжекцию тока в прибор, причем области инжектирующие ток в прибор образуют плоскую решетку, согласно изобретению области катода инжектирующие ток в прибор выполнены в виде локальных гетероинжекторов, последовательно состоящих из полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материала n GaAs, AlxGa1-xAs с постоянным значением параметра x, контактирующего с одной стороны с полупроводниковым материалом n GaAs и образующего с ним гетеропереход, а с другой стороны контактирует со слоем AlxGa1-xAs с линейно убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n++ GaAs-типа проводимости со стороны катодного контакта, причем слои с линейно изменяющимся значением параметра x AlxGa1-xAs находится между материала AlxGa1-xAs с постоянным значением параметра x и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования, и слоем n++ типа проводимости, причем гетероинжектор окружен областью ограничивающей инжекцию тока, выполненной в виде обратно-смещенного барьера Шоттки и параметр x выбирается из условия 0<x≅ 0.23, а энергия ε, набираемая носителем на длине гетероинжектора, удовлетворяет следующему соотношению e ≅ ΔГL, где ΔГL энергетический зазор между Г и L долинами GaAs.Gunn-effect high-frequency device containing n-type GaAs semiconductor material, n ++ - GaAs semiconductor layers formed on it from the anode contact side and local n ++ -GaAs conductivity layers in the cathode contact regions injecting current, anode contact and a cathode contact comprising a first plurality of current injection regions in devices and a second plurality of regions restricting current injection into the device, wherein the current injection regions into the device form a planar array To the invention of the cathode region, the current injecting currents into the device are made in the form of local heteroinjectors sequentially consisting of a semiconductor material with a larger band gap than n GaAs, Al x Ga 1-x As material with a constant value of the parameter x, which contacts the semiconductor on one side material n GaAs and forming a heterojunction with it, on the other hand, is in contact with the Al x Ga 1-x As layer with a linearly decreasing parameter x to zero in the direction to the n ++ GaAs-type conductivity layer on the cathode contact side, at the layers with a linearly varying parameter x Al x Ga 1-x As are between the material Al x Ga 1-x As with a constant parameter x and have the same parameter x at the contact boundary, and an n ++ type conductivity layer, moreover, the hetero injector is surrounded by a region restricting the injection of current, made in the form of a reverse-biased Schottky barrier, and the parameter x is selected from the condition 0 <x ≅ 0.23, and the energy ε accumulated by the carrier along the length of the hetero injector satisfies the following relation e ≅ Δ GL , where Δ GL is the energy the gap between G and L valleys of GaAs.

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна концентрация носителей в слое n+ -типа удовлетворяет следующему соотношению:
n++>n+>n,
где концентрации носителей n++,n выбирается из следующих условий:
8•1017≅n≅5•1018, см-3
3•1015≅n≅1.4•1016, см-3.
In addition, in a high-frequency device based on the Gunn effect, the carrier concentration in the n + -type layer satisfies the following relation:
n ++ > n + > n,
where the concentration of carriers n ++ , n is selected from the following conditions:
8 • 10 17 ≅n≅5 • 10 18 , cm -3
3 • 10 15 ≅n≅1.4 • 10 16 , cm -3 .

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна, сумма lΣ длины области с линейно изменяющимся значением параметра x AlxGa1-xAs и длины области с постоянным значение параметра x AlxGa1-xAs удовлетворяют следующему соотношению

Figure 00000002

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна локальные гетероинжекторы выполнены в виде цилиндрических областей направленных вглубь полупроводникового материала, причем основания цилиндров лежат в плоскости катодного контакта прибора, а их образующая перпендикулярна плоскости катодного контакта.In addition, in a Gunn-effect high-frequency device, the sum l Σ of the length of the region with a ramp value of the parameter x Al x Ga 1-x As and the length of the region with a constant value of the parameter x Al x Ga 1-x As satisfy the following relation
Figure 00000002

In addition, in a high-frequency device based on the Gunn effect, local heteroinjectors are made in the form of cylindrical regions directed in-depth to the semiconductor material, with the bases of the cylinders lying in the plane of the cathode contact of the device, and their generatrix perpendicular to the plane of the cathode contact.

На фиг. 1 представлен общий вид высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 2 то же, сечение A-A высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 3 часть сечения A-A (ячейка) высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 4 ячейка периодической структуры высокочастотного прибора на эффекте Ганна; фиг. 5 профиль зоны проводимости вдоль сечения

Figure 00000003
ячейки прибора, представленной на фиг. 4, катод который смещен на величину -
Figure 00000004
внешнего напряжения, приложенного к данному прибору; на фиг. 6 - зависимость распределения поля по длине прибора под гетероинжектором через четверть периода
Figure 00000005
; кривые 1, 2, 3 и 4, соответственно; на фиг. 7 - зависимость распределения концентрации свободных носителей по длине прибора под гетероинжектором через четверть периода
Figure 00000006
, кривые 1, 2, 3 и 4, соответственно; на фиг. 8 зависимость распределения поля по длине прибора под областью, ограничивающей инжекцию тока при выборе точки отсчета начиная от гетероперехода n+ AlxGa1-xAs/n GaAs через четверть периода
Figure 00000007
, кривые 1, 2, 3 и 4, соответственно; на фиг. 9 зависимость концентрации свободных носителей по длине прибора под областью, ограничивающей инжекцию тока при выборе точки отсчета начиная от гетероперехода n+ -AlxGa1-x As/n GaAs через четверть периода
Figure 00000008
, кривые 1, 2, 3 и 4, соответственно; на фиг. 10 зависимость эффективности n высокочастотного прибора на эффекте Ганна с гетероинжектором (кривая 1) и высокочастотного диода с "островковым" контактом (кривая 2) от частоты f.In FIG. 1 shows a general view of a high-frequency device based on the Gunn effect; in FIG. 2 the same, section AA of a high-frequency device based on the Gunn effect; in FIG. 3 part of the AA section (cell) of a high-frequency device based on the Gunn effect; in FIG. 4 cell of the periodic structure of a high-frequency device based on the Gunn effect; FIG. 5 profile of the conduction band along the cross section
Figure 00000003
cell of the device shown in FIG. 4, the cathode which is offset by -
Figure 00000004
external voltage applied to this device; in FIG. 6 - dependence of the field distribution along the length of the device under the hetero injector after a quarter of a period
Figure 00000005
; curves 1, 2, 3, and 4, respectively; in FIG. 7 - dependence of the distribution of the concentration of free carriers along the length of the device under the hetero injector after a quarter of a period
Figure 00000006
, curves 1, 2, 3 and 4, respectively; in FIG. Figure 8 shows the dependence of the field distribution along the length of the device under the region restricting the current injection when choosing a reference point starting from the n + Al x Ga 1-x As / n GaAs heterojunction after a quarter of a period
Figure 00000007
, curves 1, 2, 3 and 4, respectively; in FIG. Figure 9 shows the dependence of the concentration of free carriers along the length of the device under the region restricting the current injection when choosing a reference point starting from the n + -Al x Ga 1-x As / n GaAs heterojunction after a quarter of a period
Figure 00000008
, curves 1, 2, 3 and 4, respectively; in FIG. 10 shows the dependence of the efficiency n of a high-frequency Gunn effect device with a hetero injector (curve 1) and a high-frequency diode with an island contact (curve 2) on the frequency f.

Для расширения частотного диапазона высокочастотного прибора на эффекте Ганна необходимо уменьшить "мертвую" зону данного прибора. Уменьшение "мертвой" зоны рассматриваемого прибора можно достичь за счет разогрева носителей в специальной прикатодной области заявляемого прибора, называемой гетероинжектором. В заявляемом высокочастотном приборе на эффекте Ганна с островковым гетероинжектором (ДОКГ) электроны впрыскиваются из гетероинжектора в активную область (n-GaAs) данного прибора с энергией ε, удовлетворяющей условию e ≅ ΔГL, тогда как в приборе по прототипу они впрыскиваются в активную область прибора с энергией приблизительно КТ (где К постоянная Больцмана).To expand the frequency range of a high-frequency device based on the Gunn effect, it is necessary to reduce the "dead" zone of this device. Reducing the "dead" zone of the device under consideration can be achieved by heating the media in a special cathode region of the inventive device, called a hetero-injector. In the inventive high-frequency device based on the Gunn effect with an island heteroinjector (DOCG), electrons are injected from the heteroinjector into the active region (n-GaAs) of this device with an energy ε satisfying the condition e ≅ Δ GL , while in the prototype device they are injected into the active region of the device with an energy of approximately CT (where K is the Boltzmann constant).

Рассмотрим более детально разогрев носителей в инжекторе заявляемого прибора (см. фиг. 4), где
1) ABWS это n++ GaAs область непосредственно под AB областью инжектирующей ток в прибор и являющейся омическим контактом;
2) SWPK это n+ AlxGa1-xAs область, где x линейно изменяется от нуля до 0.23 (0<x≅0.23) вдоль прибора в направлении WP;
3) KPNM это n+ AlxGa1-xAs область;
4) BCDGMNPWB это n-GaAs область рассматриваемого прибора, включающая активную область данного прибора и находящаяся под областью BC, ограничивающей ток в приборе;
5) GDEF это n++ GaAs область анода прибора.
Consider in more detail the heating of the media in the injector of the inventive device (see Fig. 4), where
1) ABWS is the n ++ GaAs region directly below the AB region, which injects current into the device and is an ohmic contact;
2) SWPK is the n + Al x Ga 1-x As region, where x varies linearly from zero to 0.23 (0 <x≅0.23) along the device in the WP direction;
3) KPNM is the n + Al x Ga 1-x As region;
4) BCDGMNPWB is the n-GaAs region of the device under consideration, including the active region of this device and located under the BC region, which limits the current in the device;
5) GDEF is the n ++ GaAs region of the anode of the device.

Заметим, что область гетероинжектора высокочастотного прибора на эффекте Ганна представляет сумму областей, описанных в пунктах 1, 2 и 3. Представляется наиболее удобным рассмотрение разогрева электронов в гетероижекторе заявляемого прибора через анализ профиля зоны проводимости данного прибора вдоль сечения

Figure 00000009
, (см. фиг. 5), катод которого смещен на величину
Figure 00000010
внешнего напряжения, приложенного к прибору. Носители, инжектируемые в прибор через область AB, имеют наиболее вероятную энергию приблизительно KT. Учитывая тот факт, что область AB (фиг. 4) имеет островковый характер, нормальное поле Eвх на входе данной области, как и у прибора по прототипу, будет удовлетворять неравенству Eвх≥Ea, где Ea нормальное поле у FE области омического контакта анода. Под действием данного поля на толщине l1 n++- GaAs области инжектируемые электроны приобретают энергию V1, которая увеличивает вероятность преодоления потенциального барьера V2. Заметный наклон зоны проводимости
Figure 00000011
(фиг. 5) в области омического контакта AB (см. фиг. 4) обусловлен значительной величиной поля Eвх, то есть данный омический контакт работает в отличие от омического контакта EF не в омическом режиме. Потенциальный барьер V2 образован при контакте n++ GaAs и n+ AlxGa1-xAs областей, причем n+ AlxGa1-xAs область имеет следующую зависимость параметра x: на участке WP, длина которого l2, параметр x изменяется линейно от нуля до 0.23, на участке l3 параметр x 0.23.Note that the region of the hetero injector of a high-frequency device based on the Gunn effect represents the sum of the regions described in paragraphs 1, 2, and 3. It seems most convenient to consider the heating of electrons in the heterojector of the claimed device through analysis of the profile of the conduction band of this device along the section
Figure 00000009
, (see Fig. 5), the cathode of which is offset by
Figure 00000010
external voltage applied to the device. Carriers injected into the device through region AB have the most probable energy of approximately KT. Considering the fact that the region AB (Fig. 4) is insular in nature, the normal field E in at the input of this region, like the prototype device, will satisfy the inequality E in ≥ E a , where E a is the normal field in FE of the ohmic region contact anode. Under the influence of this field on the thickness l 1 n ++ - GaAs region, the injected electrons acquire energy V 1 , which increases the probability of overcoming the potential barrier V 2 . Marked slope of the conduction band
Figure 00000011
(Fig. 5) in the region of the ohmic contact AB (see Fig. 4) is due to a significant field E input , that is, this ohmic contact does not work in contrast to the ohmic contact EF in the ohmic mode. The potential barrier V 2 is formed upon the contact of the n ++ GaAs and n + Al x Ga 1-x As regions, and the n + Al x Ga 1-x As region has the following dependence of the parameter x: on the WP segment, whose length is l 2 , the parameter x varies linearly from zero to 0.23; in the region l 3, the parameter x 0.23.

Область

Figure 00000012
(см. фиг. 5) характеризуется встроенным полем, которое является следствием изменения параметра x в AlxGa1-xAs и которые в совокупности с полем Eвх и внешним полем позволяет значительной части носителей (электронов) преодолеть потенциальный барьер V2. Носители, преодолевшие барьер V2, попадают в область
Figure 00000013
(фиг. 5). Поле в
Figure 00000014
области образуется совместным влиянием внешнего поля и поля, образованного в областях
Figure 00000015
. Характер наклона зоны проводимости в этой области указывает на то, что носители, прошедшие данную область имеют энергию отсчитанную относительно края рассматриваемого участка зоны проводимости больше или равное, чем V3= q•E ср 3 •l3,
где E ср 3 среднее поле в CD области (фиг. 5). в/м;
l3 толщина PN области (фиг. 4), м;
g заряд электрона, K.Region
Figure 00000012
(see Fig. 5) is characterized by an integrated field, which is a consequence of a change in the parameter x in Al x Ga 1-x As and which, together with the field E in and the external field, allows a significant part of the carriers (electrons) to overcome the potential barrier V 2 . Carriers that overcome the V 2 barrier fall into the region
Figure 00000013
(Fig. 5). Field in
Figure 00000014
areas formed by the combined influence of an external field and a field formed in areas
Figure 00000015
. The nature of the slope of the conduction band in this region indicates that carriers passing through this region have an energy counted relative to the edge of the considered section of the conduction band greater than or equal to V 3 = q • E wed 3 • l 3 ,
where e wed 3 average field in the CD region (Fig. 5). in / m;
l 3 thickness of the PN region (Fig. 4), m;
g is the electron charge, K.

Носители, вышедшие из гетероинжектора и попавшие в активную область прибора через MN (фиг. 4) имеют кроме энергии V3 еще и энергию V4, равную ΔEc разрывную зон проводимости между AlxGa1-xAs и GaAs справа от инжектора (фиг. 4), причем физико-топологические параметры инжектора заявляемого прибора выбраны такими, чтобы удовлетворить следующему неравенству:
V3+V4≅ ε ≅ ΔГL, где (1)
ΔГL энергетический зазор между Г и L долинами GaAs.
Carriers emerging from the hetero injector and entering the active region of the device through MN (Fig. 4), in addition to energy V 3, also have an energy V 4 equal to ΔE c discontinuous conduction bands between Al x Ga 1-x As and GaAs to the right of the injector (Fig. . 4), and the physico-topological parameters of the injector of the inventive device are selected so as to satisfy the following inequality:
V 3 + V 4 ≅ ε ≅ Δ GL , where (1)
Δ GL energy gap between G and L valleys of GaAs.

Согласно фиг. 5, для пролета носителей сквозь активную область заявляемого прибора

Figure 00000016
, к данной области приложено напряжение V5/g, где V5 энергетический зазор, на который сдвигаются концы зоны проводимости активной области заявляемого прибора при приложении к нему внешнего напряжения
Figure 00000017
, gv; g заряда электрона, K.According to FIG. 5, for the passage of carriers through the active region of the claimed device
Figure 00000016
, voltage V 5 / g is applied to this region, where V 5 is the energy gap, by which the ends of the conduction band of the active region of the inventive device are shifted when an external voltage is applied to it
Figure 00000017
, gv; g of the electron charge, K.

Считаем, что в области анода

Figure 00000018
(фиг. 5) поле незначительно и поэтому участок зоны проводимости FH данного прибора является практически горизонтальным. В качестве области катода, ограничивающей инжекцию тока в заявляемый прибор, выбран барьер Шоттки BC (фиг. 4), причем величина барьера Шоттки выбирается такой, чтобы ток через указанный барьер не проходил. С другой стороны величина внешнего напряжения
Figure 00000019
, приложенного к БШ (барьер Шоттки) области, приводит к существованию ОПЗ (области пространственного заряда) под областью BC (фиг. 4), которые исключают протекание тока через BWPN область гетероинжектора (см. фиг. 4), а только через MN. Итак, в заявляемом высокочастотном приборе на эффекте Ганна носители впрыскиваются из инжектора в активную область прибора с энергией ε, удовлетворяющей условию e ≅ ΔГL.We believe that in the region of the anode
Figure 00000018
(Fig. 5) the field is insignificant and therefore the portion of the conduction band FH of this device is almost horizontal. As the cathode region restricting the injection of current into the inventive device, the Schottky barrier BC is selected (Fig. 4), the Schottky barrier being selected so that the current does not pass through the said barrier. On the other hand, the magnitude of the external voltage
Figure 00000019
applied to the BS (Schottky barrier) region leads to the existence of an SCR (space charge region) under the BC region (Fig. 4), which exclude the flow of current through the BWPN region of the hetero injector (see Fig. 4), but only through MN. So, in the inventive high-frequency device based on the Gunn effect, carriers are injected from the injector into the active region of the device with an energy ε satisfying the condition e ≅ Δ GL .

С другой стороны, для расширения частотного диапазона заявляемого прибора необходима не только инжекция "горячих" электронов в активную области прибора, но и наличие ненулевого нормального поля Eвых в область MN (фиг. 4), удовлетворяющего условию Eвых > Ea. Данное условие необходимо для уменьшения виртуального катода в области MN (фиг. 4), который, как показано в работе (см.(C. Moglestue//"Physica", 1985, BC. 129, N 1-3, pp. (552-556)), с. 553) увеличивает свой объем при малых полях Eвых. В этой работе показано, что только приблизительно 25% носителей не возвращаются к гетеропереходу при данных нормальных полях в области границы раздела данного гетероперехода.On the other hand, to expand the frequency range of the claimed device, it is necessary not only the injection of "hot" electrons in the active region of the device, but also the presence of a nonzero normal field E ov in the region MN (Fig. 4), satisfying the condition E o > E a . This condition is necessary to reduce the virtual cathode in the MN region (Fig. 4), which, as shown in the work (see (C. Moglestue // "Physica", 1985, BC. 129, N 1-3, pp. (552 -556)), p. 553) increases its volume at low fields E o . In this work, it was shown that only approximately 25% of the carriers do not return to the heterojunction at given normal fields in the interface region of this heterojunction.

Еще одной необходимой характеристикой инжектируемых из инжектора носителей в активную область заявляемого прибора является их концентрация, величина которой пропорциональна увеличению эффективности данного прибора и следовательно увеличению частотного диапазона рассматриваемого прибора. В результате детальное рассмотрение инжекции носителей в активную область высокочастотного прибора на эффекте Ганна с целью расширения его частотного диапазона выдвигает следующие требования к инжектируемым в приборе носителям:
1) энергия данных носителей ε должна удовлетворять неравенству; e ≅ ΔГL
2) поле в области границы раздела "гетероинжектора активная область" должно удовлетворять условию Eвых > Ea;
3) концентрация инжектируемых носителей в активную область заявляемого прибора должна быть оптимальной с точки зрения эффективности и соответственно расширения частотного диапазона данного прибора.
Another necessary characteristic of the carriers injected from the injector into the active region of the claimed device is their concentration, the value of which is proportional to the increase in the efficiency of this device and, consequently, the increase in the frequency range of the device under consideration. As a result, a detailed examination of the injection of carriers into the active region of a high-frequency device based on the Gunn effect in order to expand its frequency range puts forward the following requirements for the carriers injected into the device:
1) the energy of these carriers ε must satisfy the inequality; e ≅ Δ GL
2) the field in the boundary region of the section "heteroinjector active region" must satisfy the condition E o > E a ;
3) the concentration of injected media in the active region of the inventive device should be optimal in terms of efficiency and, accordingly, the expansion of the frequency range of this device.

Рассмотрим требования к конструкции гетероинжектора с точки зрения требований к конструкции гетероинжектора с точки зрения требований пунктов 1), 2) и 3). Согласно работе (см. кн. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов, т. 2, М. Мир, 1984, с. 102) на основе формулы туннелирования носителей сквозь барьер в ВКБ (метод Венцеля Крамеса Бриллюэна) приближении численным методом было получено, что толщина AlxGa1-xAs слоя в гетероинжекторе заявляемого прибора (между n++ областью омического контакта и активной n областью) равная приблизительно (1500 1700)

Figure 00000020
, достаточна для предотвращения туннелирования носителей из n++- GaAs области омического контакта в активную n область заявляемого прибора. Указанную толщину AlxGa1-xAs слоя нежелательно увеличивать, так как будут расти суммарные потери в данном приборе.Consider the design requirements of the heteroinjector from the point of view of the requirements for the design of the heteroinjector from the point of view of the requirements of paragraphs 1), 2) and 3). According to the work (see book Zi S. M. Physics of Semiconductor Devices, vol. 2, M. Mir, 1984, p. 102) based on the formula for tunneling carriers through a barrier in the WKB (Wenzel Krames Brillouin method), the numerical approximation was obtained that the thickness of the Al x Ga 1-x As layer in the hetero injector of the inventive device (between the n ++ region of the ohmic contact and the active n region) is approximately (1500 1700)
Figure 00000020
is sufficient to prevent tunneling of carriers from the n ++ - GaAs region of the ohmic contact into the active n region of the claimed device. The indicated thickness of the Al x Ga 1-x As layer is undesirable to increase, since the total losses in this device will increase.

В работе (W. G. Oldham, A. G. Milnes, Solid-St. Electron. vol. 6, 121(1963)) было найдено, что понижение разрыва зоны проводимостей ΔEc в гетеропереходе n+ AlxGa1-xAs/n GaAs между n++ GaAs областью омического контакта и n+ слоем AlxGa1-xAs осуществляется в том случае, если переходная область от одного материала к другому плавная, а не резкая. Согласно работам (см. D.T. Cheung, S.Y. Ghiang, G.L. Peason, Solid-St. Electron. vol. 18, p. 263 (1975)) и см. (S.R. Weinzierl, J.P. Krusius, IEEE Trans. on Eiectron Devices, vol. 39, N 5, 1992, p. 1050), а также на основании численных расчетов было получено, что для пренебрежения коэффициентом отражения носителем при переходе последних из n++ GaAs в n+ AlxGa1-xAs область нужен слой AlxGa1-xAs толщиной не менее 500

Figure 00000021
с линейным изменением параметра x от нуля до 0,23 в направлении от рассматриваемой границы раздела. Необходимость в существовании рассматриваемой области возникает также с точки зрения реализации омического контакта в области катода высокочастотного прибора на эффекте Ганна с островковым гетероинжектором. Дело в том, что практическая реализация омического контакта к GaAs гораздо проще, чем к AlxGa1-xAs.In (WG Oldham, AG Milnes, Solid-St. Electron. Vol. 6, 121 (1963)), it was found that the decrease in the conductivity band gap ΔE c in the n + Al x Ga 1-x As / n GaAs heterojunction between n ++ GaAs by the region of ohmic contact and the n + Al x Ga 1-x As layer is realized if the transition region from one material to another is smooth rather than sharp. According to the works (see DT Cheung, SY Ghiang, GL Peason, Solid-St. Electron. Vol. 18, p. 263 (1975)) and see (SR Weinzierl, JP Krusius, IEEE Trans. On Eiectron Devices, vol. 39, No. 5, 1992, p. 1050), and also based on numerical calculations, it was found that to neglect the reflection coefficient of the carrier during the transition of the latter from n ++ GaAs to the n + Al x Ga 1-x As region, we need an Al x layer Ga 1-x As at least 500 thick
Figure 00000021
with a linear change in the parameter x from zero to 0.23 in the direction from the considered interface. The need for the existence of the region under consideration also arises from the point of view of realizing ohmic contact in the cathode region of a high-frequency device based on the Gunn effect with an island heteroinjector. The fact is that the practical implementation of ohmic contact with GaAs is much simpler than with Al x Ga 1-x As.

В качестве материала с большой шириной запрещенной зоны, чем у GaAs, был взят AlxGa1-xAs, который составляет основу гетероинжектора носителей, заявляемого прибора. Энергетический зазор между n+ - AlxGa1-xAs областью инжектора и n GaAs областью активной области заявляемого прибора, образующих резкий гетеропереход, определяется согласно эмпирическому соотношению:
ΔEc= 0,7•[EgAlxGa1-xAs-EgGaAs]
в соответствии с работами (T.W. Hickmott, et all, J. Appl. Phys. 57, 2844 (1985)), (M. O. Watanabe, et all, J. Appl. Phys. 57, 5340 (1985)), причем параметры x удовлетворяет следующему неравенству:
0 < x ≅0.23
При x > 0.23 глубина залегания донорных уровней в AlxGa1-xAs резко возрастает (см. кн. Пека Г. П. Коваленко В. Ф. Смоляр А.Н. Варизонные полупроводники, Киев, изд. Выща школа, 1989 г. с. 34, фиг. 1.10), что приводит к вымораживанию носителей в гетероинжекторе при азотных температурных, перекрытию уровней примесей различных долин в зоне проводимости AlxGa1-xAs. При x > 0.23 также существенно увеличивается вероятность перехода носителей из Г в L долину в Alx Ga1-xAs, что нежелательно.
As a material with a wide band gap than GaAs, Al x Ga 1-x As was taken, which forms the basis of the hetero-injector of the carriers of the claimed device. The energy gap between the n + - Al x Ga 1-x As region of the injector and the n GaAs region of the active region of the inventive device, forming a sharp heterojunction, is determined according to the empirical relation:
ΔE c = 0.7 • [E g Al x Ga 1-x As-E g GaAs]
in accordance with (TW Hickmott, et all, J. Appl. Phys. 57, 2844 (1985)), (MO Watanabe, et all, J. Appl. Phys. 57, 5340 (1985)), and the parameters x satisfy the following inequality:
0 <x ≅0.23
For x> 0.23, the depth of the donor levels in Al x Ga 1-x As increases sharply (see book Peka G.P. Kovalenko V.F. Smolyar A.N. Varizon semiconductors, Kiev, Vyshcha Shkola, 1989) S. 34, Fig. 1.10), which leads to freezing of the carriers in the heteroinjector at nitrogen temperatures, overlapping levels of impurities of various valleys in the conduction band Al x Ga 1-x As. For x> 0.23, the probability of carrier transition from Г to L valley to Al x Ga 1-x As also significantly increases, which is undesirable.

Случай малых значений x. В случае малых x имеет изначальную неоптимальность прибора, которая заключается в том, что теряется влияние встроенного поля в области гетероинжектора, так как при уменьшении параметра x уменьшается ΔEc (разрыв зоны проводимости между n+ - AlxGa1-xAs/n GaAs областями) и

Figure 00000022
, где z координата вдоль прибора. В итоге нормальное поле Eвых на границе раздела n+ - AlxGa1-xAs/n GaAs будет обеспечиваться только за счет увеличения нормального поля "островковой" области катода Eвх на выходе гетероинжектора заявляемого прибора за счет уменьшения площади сечения области, инжектирующей ток в данный прибор. Улучшить ситуацию путем повышения внешнего напряжения
Figure 00000023
эффективно не удается.The case of small x. In the case of small x, it has the initial nonoptimality of the device, which consists in the fact that the influence of the built-in field in the region of the hetero injector is lost, since with a decrease in the parameter x decreases ΔE c (gap of the conduction band between n + - Al x Ga 1-x As / n GaAs areas) and
Figure 00000022
where z is the coordinate along the device. As a result, the normal field E o at the n + - Al x Ga 1-x As / n GaAs interface will be provided only by increasing the normal field of the "island" region of the cathode E in at the output of the hetero injector of the inventive device by reducing the cross-sectional area of the injecting region current to this device. Improve the situation by increasing external stress
Figure 00000023
effectively fails.

Концентрация носителей в n+ области слоя AlxGa1-xAs (WSKMNPW, фиг. 4) удовлетворяет следующему соотношению:
n++ > n+ > n,
где n концентрация носителей в активной области заявляемого прибора;
n++ концентрация носителей под областью катода инжектирующей ток в прибор.
The concentration of carriers in the n + region of the Al x Ga 1-x As layer (WSKMNPW, Fig. 4) satisfies the following relation:
n ++ > n + > n,
where n is the concentration of carriers in the active region of the claimed device;
n ++ carrier concentration under the cathode region injecting current into the device.

Заметим, что n++ и n находятся в следующих пределах:
8•1017≅n++≅5•1018, см-3
3•1015≅n++≅1,4•1016, см-3
Нижний предел n++ носителей под областью катода инжектирующей ток в прибор определяются существованием хорошего омического контакта к n++ области катода. Верхний предел концентрации n++ определяется пределом растворения легирующей примеси в данном материале (GaAs).
Note that n ++ and n are within the following limits:
8 • 10 17 ++ n ++ ≅5 • 10 18 , cm -3
3 • 10 15 ++ n ++ ≅1.4 • 10 16 , cm -3
The lower limit of n ++ carriers below the cathode region injecting current into the device is determined by the existence of good ohmic contact to the n ++ region of the cathode. The upper limit of n ++ concentration is determined by the dissolution limit of the dopant in this material (GaAs).

Верхний и нижний пределы для концентрации носителей n в полупроводниковом материале n-типа проводимости определяются областью существования эффекта Ганна для данного типа полупроводникового материала (n GaAs). Как показывают численные расчеты, при значении концентрации носителей n в полупроводниковом материале вне указанных границ эффект Ганна для данного типа полупроводникового материала является неустойчивым. The upper and lower limits for the carrier concentration n in the n-type semiconductor material are determined by the region of existence of the Gunn effect for this type of semiconductor material (n GaAs). As numerical calculations show, for a carrier concentration n in a semiconductor material outside these boundaries, the Gunn effect for this type of semiconductor material is unstable.

Неравенство (2) необходимо для обеспечения условий 1) 3) для инжектируемых в активную область прибора носителей, а именно;
а) чтобы получить заданную величину ΔEc (разрыв зоны проводимости между n+-AlxGa1-xAs/n GaAs областями), которая в конечном счете дает свой вклад в обеспечение условия ε ≅ ΔГL
б) учитывая тот факт, что увеличение концентрации донорной примеси в n+-AlxGa1-xAs уменьшает среднее поле в области гетероинжектора, может таким образом управлять данным полем с целью обеспечения условия Eвых≥ Eа (увеличение концентрации донорной примеси в n+ AlxGa1-xAs области к уменьшению величины

Figure 00000024
где z координата вдоль прибора);
в) выбор величины n+ позволяет оптимальным образом подбирать величину тока инжекции в активную область высокочастотного прибора на эффекте Ганна с точки зрения эффективности данного прибора.Inequality (2) is necessary to ensure conditions 1) 3) for carriers injected into the active region of the device, namely;
a) in order to obtain a given value ΔE c (gap of the conduction band between n + -Al x Ga 1-x As / n GaAs regions), which ultimately contributes to the condition ε ε Δ ГL
b) taking into account the fact that an increase in the concentration of donor impurity in n + -Al x Ga 1-x As reduces the average field in the region of the heteroinjector, it can thus control this field in order to ensure the condition E o ≥ E a (increase in the concentration of donor impurity in n + Al x Ga 1-x As regions to decrease
Figure 00000024
where z is the coordinate along the device);
c) the choice of n + allows you to optimally select the value of the injection current into the active region of a high-frequency device based on the Gunn effect from the point of view of the efficiency of this device.

Гетероинжектор высокочастотного прибора на эффекте Ганна выполнен в виде цилиндрических структур, расположенных непосредственно под электродом катода вдоль прибора в объеме n GaAs. Такое выполнение гетероинжекторов дает следующие преимущества:
а) в активной области заявляемого сразу за островковым гетероинжектором повышенное значение поля данного гетероинжектора спадает, так как инжектируемые в активной области рассматриваемого прибора носители могут двигаться в общем случае в любом направлении положительной полусферы. Такое выполнение гетероинжектора позволяет данному гетероинжектору не навязывать свое поле в активной области прибора, то есть нет необходимости создавать сразу за гетероинжектором (в активной области) тонкую высоколегированную n++ GaAs область для исключения влияния поля гетероинжектора на активную область прибора, хотя на гетерогранице n+ - AlxGa1-xAs/n GaAs нормальное поле значительное с целью уменьшения виртуального катода в данной области;
б) цилиндрическое выполнение инжектирующей области и расположение этих областей в виде пространственной регулярной решетки позволяет эффективно отводить от них (этих инжектирующих областей) тепло через подбарьерные области в теплоотвод, расположенный со стороны катода. Это позволяет в конечном итоге обеспечить непрерывный режим работы заявляемого прибора, а не импульсный.
The hetero-injector of a high-frequency device based on the Gunn effect is made in the form of cylindrical structures located directly under the cathode electrode along the device in a volume of n GaAs. This embodiment of heteroinjectors provides the following advantages:
a) in the active region of the claimed heteroinjector immediately behind the islet heteroinjector, the increased field value of this heteroinjector decreases, since the carriers injected in the active region of the device in question can generally move in any direction of the positive hemisphere. This embodiment of the hetero injector allows this hetero injector not to impose its field in the active region of the device, i.e. there is no need to create a thin highly doped n ++ GaAs region immediately behind the hetero injector (in the active region) to exclude the influence of the hetero injector field on the active region of the device, although at the heterointerface n + - Al x Ga 1-x As / n GaAs normal field is significant in order to reduce the virtual cathode in this area;
b) the cylindrical execution of the injection region and the arrangement of these regions in the form of a regular spatial lattice allows heat to be effectively removed from them (these injection regions) through sub-barrier regions to a heat sink located on the cathode side. This ultimately allows for continuous operation of the inventive device, rather than pulsed.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна с гетероинжектором (см. фиг. 4) содержит активный слой l из полупроводникового материала GaAs n типа проводимости, сформированных на нем со стороны анодного контакта 2 полупроводникового слоя 3 n++ типа проводимости и со стороны катодного контакта локального цилиндрического гетероинжектора, инжектирующего ток в прибор, причем гетероинжектор последовательно состоит из слоя 4 полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материал n GaAs, например AlxGa1-xAs, контактирующего, с одной стороны, активным слоем l полупроводникового материалы n GaAs и образующего с ним резкую гетерограницу, а с другой стороны контактирует со cлоем AlxGa1-xAs 5 с убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n++ типа проводимости 6, причем слой AlxGa1-xAs 5 находится между слоем 4 материал AlxGa1-xAs и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования, и слоем n++ типа проводимости 6. Катод области AC высокочастотного прибора на эффекте Ганна с гетероинжектором состоит из инжектирующей ток в прибор области (генероинжектора) AMNB и ограничивающей инжекцию тока в прибор области 7 BC. Ограничивающая инжекцию тока в прибор области 7 BC выполнена в виде обратно-смещенного барьера Шоттки.A high-frequency Gunn effect device with a hetero injector (see Fig. 4) contains an active layer l of GaAs semiconductor material n of the conductivity type formed on it from the side of the anode contact 2 of the semiconductor layer 3 n ++ of the conductivity type and from the cathode contact of the local cylindrical hetero injector , injecting current into the device, wherein geteroinzhektor successively composed of a layer 4 of semiconductor material with a larger bandgap than the material of n GaAs, for example, Al x Ga 1-x As, contacting the one with Oron, l active layer of a semiconductor material and n GaAs forming the heterojunction with it sharp and the other side contacted with cloem Al x Ga 1-x As of 5 with a decreasing value of the parameter x to zero towards conductivity type n ++ layer 6, and layer of Al x Ga 1-x As layer 5 is located between the material 4 Al x Ga 1-x As with it and has the same value of the parameter x at the boundary contact, and n ++ conductivity type layer 6. The cathode of the high frequency AC domain on the Gunn effect device with a hetero-injector consists of a current-injecting region (generator) AMNB and limiting the injection of current into the device region 7 BC. The limiting current injection into the device of region 7 BC is made in the form of a reverse-biased Schottky barrier.

Работа высокочастотного прибора на эффекте Ганна происходит следующим образом. При подключении к прибору постоянного смещающего напряжения

Figure 00000025
наблюдается следующая картина. В начальный момент времени при подключении к высокочастотному прибору на эффекте Ганна с гетероинжектором постоянного напряжения нормальная составляющая поля у границы 6 проводящей части катода (см. фиг. 4) будет гораздо больше, чем аналогичное поле на аноде 2. Данное утверждение вытекает из следующих соображений:
1) эффективное значение барьера у ограничивающей ток части катода 7 выбрано таким, что исключает протекание тока через обратно-смещенный барьер Шоттки;
2) полный ток через боковые стенки ячейки прибора (фиг. 4) равен нулю;
3) ток, втекающий в проводящую ток часть катода 6 и вытекающий из анода в основном состоит из тока проводимости (как показали численные расчеты токами смещения и диффузии в первом приближении можно принебречь);
4) отношение площади инжектирующей ток части катода AB к общей площади катода составляет не более 10%
5) в начале момент времени после включения постоянного напряжения проводимость у инжектирующей ток части катода 6 изменяется незначительно;
6) ток через прибор в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется последующей формулой:
I = σ•Sк•E ср к
где E ch к нормальной составляющая среднего поля вдоль инжектирующей ток части катода;
Sk площадь инжектирующей ток части катода.The operation of the high-frequency device on the Gunn effect is as follows. When connected to a constant bias voltage
Figure 00000025
The following picture is observed. At the initial moment of time, when connected to a high-frequency device based on the Gunn effect with a constant voltage hetero injector, the normal field component at the boundary 6 of the conductive part of the cathode (see Fig. 4) will be much larger than the analogous field on anode 2. This statement follows from the following considerations:
1) the effective value of the barrier in the current-limiting part of the cathode 7 is chosen such that excludes the flow of current through the reverse-biased Schottky barrier;
2) the total current through the side walls of the device cell (Fig. 4) is equal to zero;
3) the current flowing into the conductive current part of the cathode 6 and flowing out of the anode mainly consists of the conduction current (as shown by numerical calculations, the bias and diffusion currents can be neglected to a first approximation);
4) the ratio of the area of the current-injecting part of the cathode AB to the total area of the cathode is not more than 10%
5) at the beginning of the time after the inclusion of a constant voltage, the conductivity of the current-injecting part of the cathode 6 changes slightly;
6) the current through the device at the initial time after the inclusion of a constant voltage is determined by the following formula:
I = σ • S to • E wed to
where e ch to the normal component of the mean field along the current-injecting part of the cathode;
S k the area of the current-injecting part of the cathode.

На основании вышеизложенного вытекает тот факт, что среднее нормальное поле E ch к инжектирующей части катода 6 в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется следующим образом:

Figure 00000026

где Sa площадь анода;
E ch a нормальная составляющая среднего вдоль анодного контакта.Based on the foregoing, the fact follows that the average normal field E ch to the injection part of the cathode 6 at the initial time after the inclusion of a constant voltage is determined as follows:
Figure 00000026

where S a is the area of the anode;
E ch a normal component of the mean along the anode contact.

Повышенное значение нормального поля у проводящей ток части катода 6 предлагаемого прибора в совокупности со встроенным полем в областях 4, 5 AlxGa1-xAs слоя гетероинжектора создают повышенное значение нормального поля Eвых на гетерогранице n+ - AlxGa1-xAs/n GaAs вдоль прибора между гетероинжектором и активной область l n GaAs. Указанное поле Eвых в начальный момент времени после включения постоянного включения приводит к появлению неподвижного обогащенного слоя (ОС) у гетероинжектора и подвижного обогащенного слоя. Указанным ОС соответствуют пики поля в заявляемом приборе. Подвижный ОС, отделившись от неподвижного ОС у гетероинжектора в начале пути, очень быстро возрастает до гораздо большего объема, чем в случае формирования ОС в приборе по прототипу. При подходе к анодной области обогащенный слой становится шире, уменьшаясь по амплитуде. Заметим, что в случае предлагаемого прибора по сравнению с прибором по прототипу подвижный ОС проходит существенно меньший участок активной области вдоль прибора перед тем, как становиться шире, уменьшаясь по амплитуде. Движение подвижного ОС характеризуется движением пика поля, максимум которого соответствует переднему фронту подвижного ОС. После установления переходного процесса в приборе устанавливается надпороговое поле с небольшим провалом в активной области заявляемого прибора у гетерограницы n+ AlxGa1-xAs/n - GaAs, который соответствует неподвижному ОС, образуя небольшой виртуальный катод. Заметим, что существование виртуального катода указывает на то, что прибор не оптимизирован, однако частотный диапазон заявляемого прибора более чем в два раза шире по сравнению с частотным диапазоном прибора по прототипу (фиг. 10).The increased value of the normal field of the current-conducting part of the cathode 6 of the proposed device, together with the integrated field in the regions 4, 5 of the Al x Ga 1-x As layer of the heteroinjector, create an increased value of the normal field E out at the n + - Al x Ga 1-x As heterointerface / n GaAs along the device between the hetero injector and the active region of ln GaAs. The specified field E o at the initial time after the inclusion of constant inclusion leads to the appearance of a fixed enriched layer (OS) at the hetero injector and a moving enriched layer. The indicated OS correspond to field peaks in the claimed device. The mobile OS, having separated from the fixed OS at the hetero-injector at the beginning of the path, increases very quickly to a much larger volume than in the case of the formation of the OS in the device according to the prototype. When approaching the anode region, the enriched layer becomes wider, decreasing in amplitude. Note that in the case of the proposed device compared to the device of the prototype, the mobile OS passes a significantly smaller portion of the active region along the device before it becomes wider, decreasing in amplitude. The motion of a mobile OS is characterized by the movement of a field peak, the maximum of which corresponds to the leading edge of the mobile OS. After the transient is established in the device, a suprathreshold field is established with a small dip in the active region of the inventive device at the n + Al x Ga 1-x As / n - GaAs heterointerface, which corresponds to a fixed OS, forming a small virtual cathode. Note that the existence of a virtual cathode indicates that the device is not optimized, however, the frequency range of the inventive device is more than two times wider compared to the frequency range of the prototype device (Fig. 10).

После ухода подвижного ОС в анодную область в активной области прибора не появляется новых подвижных ОС, которые бы характеризовались описанными выше пульсациями поля, концентрации свободных носителей. При приложении к прибору в качестве внешнего напряжения не только постоянной составляющей, но и переменной U = -Asinω•t, где A амплитуда переменного сигнала, ω круговая частота данного сигнала. В приборе возникает генерация СВЧ колебаний. After the mobile OS leaves the anode region, no new mobile OSs appear in the active region of the device, which would be characterized by the field pulsations described above, and the concentration of free carriers. When applied to the device as an external voltage, not only a constant component, but also a variable U = -Asinω • t, where A is the amplitude of the variable signal, ω is the circular frequency of this signal. The device generates microwave oscillations.

На фиг. 6, 7, 8 и 9, представлены распределения поля, концентрации носителей через четверть периода внешнего сигнала вдоль активной области заявляемого прибора, начиная от гетерограницы n+-AlxGa1-xAs/n GaAs до анода как под областью рассматриваемого гетероинжектора прибора (фиг. 6 и 7), так и под барьерной областью (фиг. 8 и 9), которые позволяют лучше понять работу предлагаемого высокочастотного прибора на эффекте Ганна с гетероинжектором. Заметим, что в динамическом режиме виртуальный катод не исчезает (это видно хорошо на примере распределения поля под инжектором вдоль прибора), что подтверждает прежде всего тот факт, что прибор не оптимизирован. На фиг. 10 (кривые 1 и 2) представлены частотные зависимости заявляемого прибора (фиг. 10, кривая 1) и прибора по прототипу (фиг. 10, кривая 2), которые подтверждают тот факт, что обеспечение требований 1) 3) к параметрам носителей инжектируемым в активную область прибора приводит к существенному увеличению эффективности данного прибора и расширению частотного диапазона рассматриваемого заявляемого прибора по сравнению с прибором по прототипу.In FIG. 6, 7, 8 and 9, field distributions, carrier concentrations over a quarter of the period of the external signal along the active region of the inventive device are presented, starting from the n + -Al x Ga 1-x As / n GaAs heterointerface to the anode as under the region of the device hetero injector under consideration ( Fig. 6 and 7), and under the barrier region (Fig. 8 and 9), which allow a better understanding of the proposed high-frequency device based on the Gunn effect with a hetero injector. Note that in the dynamic mode, the virtual cathode does not disappear (this can be clearly seen in the example of the distribution of the field under the injector along the device), which is confirmed primarily by the fact that the device is not optimized. In FIG. 10 (curves 1 and 2) presents the frequency dependences of the inventive device (Fig. 10, curve 1) and the prototype device (Fig. 10, curve 2), which confirm the fact that the requirements are met 1) 3) to the media parameters injected into the active area of the device leads to a significant increase in the efficiency of this device and the expansion of the frequency range of the considered inventive device compared with the device of the prototype.

Пример конкретного выполнения
В качестве полупроводникового материала использовались подложки GaAs марки ЭСАГ толщиной 250 мкм кристаллографической ориентации (100), причем концентрация носителей в n++ слое области со стороны анодного контакта составляет (1 4)•1018 см-3, концентрация носителей в активном n слое (3 7)•1015 см. Толщина активного n слоя GaAsl4 0.72 мкм, толщина слоя 4 материала AlxGa1-xAs (см. фиг. 4), l3 1000

Figure 00000027
, толщина слоя 5 AlxGa1-xAs l2 500
Figure 00000028
, толщина слоя 6 n типа проводимости l1 (0.3 0.5) мкм. Концентрация носителей в слое 6 n++ типа проводимости n++ (1 4)•1018см-3.Concrete example
ESAG GaAs substrates with a thickness of 250 μm with a crystallographic orientation of (100) were used as the semiconductor material, with the carrier concentration in the n ++ layer of the region from the anode contact side being (1 4) • 10 18 cm -3 , the carrier concentration in the active n layer ( 3 7) • 10 15 cm. The thickness of the active n layer of GaAsl 4 is 0.72 μm, the thickness of layer 4 of Al x Ga 1-x As material (see Fig. 4), l 3 1000
Figure 00000027
, layer thickness 5 Al x Ga 1-x As l 2 500
Figure 00000028
, the thickness of the layer is 6 n type conductivity l 1 (0.3 0.5) μm. The concentration of carriers in layer 6 is n ++ of conductivity type n ++ (1 4) • 10 18 cm -3 .

На всю подложку GaAs с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) выращивают материал AlxGa1-xAs с параметром x 0.22 и толщиной 1000

Figure 00000029
, затем в едином технологическом цикле с помощью МЛЭ, уменьшая параметр x до 0, выращивают слой AlxGa1-xAs толщиной 500
Figure 00000030
. Далее, центрифугированием наносят на пластину слой фоторезиста толщиной 1 - 1.2 мкм. Сушка фоторезиста осуществляется в ИК-камере при Т (65 75)oC. Затем осуществляется формирование окон под области, органичивающие инжекцию тока в прибор путем фотолитографии. Далее, через сформированные окна в полупроводниковой пластине формировались канавки с помощью селективного травителя состава H2SO4:H2O2:H2O=1: 8: 10 при температуре 24oC на глубину выращенных гетерослоев, то есть
Figure 00000031
Формирование канавок возможно также осуществить с помощью ионно-плазменного травления. Затем методом МЛЭ указанные заращиваются материалом того же состава и концентрации, как и активный n слой GaAs на всю их глубину. Формирование областей прибора, ограничивающих инжекцию тока в прибор, осуществлялось путем вакуумного напыления композиции AuGe (88% Au, 12% Ge) толщиной 600 1200
Figure 00000032
в области сформированные с помощью литографии и предназначенные для ограничения инжекции тока. Затем на всю поверхность пластины наносился второй слой композиции AuGe(88% Au, 12% Ge). Далее, наносился слой протекторного материала, например, Мо толщиной 1200 1400
Figure 00000033
и слой Au толщиной 1200 - 1400
Figure 00000034
, и слой Au толщиной 4000 5000
Figure 00000035
. Далее, в атмосфере водорода проводят термическую обработку при T 400 430oC в течение 1 1.5 мин. С целью получения барьера Шоттки и омических контактов.Al x Ga 1-x As material with a parameter of x 0.22 and a thickness of 1000 is grown on the entire GaAs substrate using molecular beam epitaxy (MBE)
Figure 00000029
then, in a single technological cycle using MBE, reducing the parameter x to 0, a 500 x Al x Ga 1-x As layer is grown
Figure 00000030
. Next, a layer of photoresist 1 - 1.2 μm thick is applied to the plate by centrifugation. Drying of the photoresist is carried out in an infrared camera at T (65 75) o C. Then, windows are formed under the region, limiting the current injection into the device by photolithography. Further, grooves were formed through the formed windows in the semiconductor wafer using a selective etchant of the composition H 2 SO 4 : H 2 O 2 : H 2 O = 1: 8: 10 at a temperature of 24 o C to the depth of the grown heterolayers, i.e.
Figure 00000031
The formation of grooves can also be carried out using ion-plasma etching. Then, using the MBE method, these are overgrown with material of the same composition and concentration as the active n GaAs layer to their entire depth. The areas of the device that limit the injection of current into the device were formed by vacuum deposition of the AuGe composition (88% Au, 12% Ge) with a thickness of 600 1200
Figure 00000032
in areas formed by lithography and designed to limit current injection. Then, a second layer of the AuGe composition (88% Au, 12% Ge) was applied to the entire surface of the plate. Next, a layer of tread material was applied, for example, Mo with a thickness of 1200 1400
Figure 00000033
and Au layer 1200 - 1400 thick
Figure 00000034
and an Au layer 4000 4000 thick
Figure 00000035
. Further, in a hydrogen atmosphere, heat treatment is carried out at T 400 430 o C for 1 1.5 minutes In order to obtain a Schottky barrier and ohmic contacts.

Температурный режим работы прибора 77 K, полученный частотный диапазон 100 250 ГГц, КПД 5.43% Temperature operating mode of the device is 77 K, the obtained frequency range is 100 250 GHz, efficiency 5.43%

Claims (3)

1. Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый материал GaAs n-типа проводимости, сформированные на нем полупроводниковые слои n++-GaAs-типа проводимости со стороны анодного контакта и локальной области n++-GaAs-типа проводимости в областях катодного контакта, инжектирующих ток, анодный контакт и катодный контакт, содержащий первое множество областей, инжектирующих ток в прибор, и второе множество областей, ограничивающих инжекцию тока в прибор, причем области, инжектирующие ток в прибор, образуют плоскую решетку, отличающийся тем, что области катода, инжектирующие ток в прибор, выполнены в виде локальных гетероинжекторов, последовательно состоящих из полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материала n-GaAs, AlxGa1-xAs, с постоянным значением параметра x, контактирующего с одной стороны с полупроводниковым материалом n-GaAs и образующего с ним гетеропереход, а с другой стороны контактирует со слоем AlxGa1-xAs с убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n++-GaAs-типа проводимости со стороны катодного контакта, причем слой с линейно-изменяющимся значением параметра x AlxGa1-xAs находится между слоем материала AlxGa1-xAs с постоянным значением x и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования и слоем n++-GaAs-типа проводимости, причем гетероинжектор окружен областью, ограничивающей инжекцию тока, выполненной в виде обратно-смещенного барьера Шоттки, и параметр x выбирается из условия 0 < x ≅ 0,23, а энергия ε, набираемая носителями на длине гетероинжектора, удовлетворяет следующему соотношению:
ε ≅ ΔГL,
где ΔГL энергетический зазор между Г- и L-долинами GaAs.
1. High-frequency device based on the Gunn effect, containing n-type GaAs semiconductor material, n + + -GaAs-type semiconductor layers formed on it from the side of the anode contact and the local region of n + + -GaAs-type conductivity in the areas of the cathode contact, injecting current, an anode contact, and a cathodic contact containing a first plurality of regions injecting current into the apparatus and a second plurality of regions restricting current injection into the apparatus, the regions injecting current into the apparatus form a planar lattice from ichayuschiysya in that the region of the cathode, inject a current into the device, are in the form of local geteroinzhektorov sequentially consisting of a semiconductor material with a larger bandgap than the material n-GaAs, Al x Ga 1 - x As, with a constant value x parameter, contacting on the one hand the n-GaAs semiconductor material and forming a heterojunction with it, and on the other hand, it contacts the Al x Ga 1 - x As layer with a decreasing value of the parameter x to zero in the direction to the n + + -GaAs-type conductivity layer with side of the cathodic contact, with em layer with linearly changing value of the parameter x Al x Ga 1 - x As located between the layer material Al x Ga 1 - x As with a constant x value with it and has the same value of the parameter x in the boundary layer and contacting the n + + -GaAs- of conductivity type, the hetero injector being surrounded by a region restricting the current injection made in the form of a reverse-biased Schottky barrier, and the parameter x is selected from the condition 0 <x ≅ 0.23, and the energy ε accumulated by the carriers along the length of the hetero injector satisfies the following relation:
ε ≅ ΔГL,
where ΔГL is the energy gap between the Г- and L-valleys of GaAs.
2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что концентрация носителей в слое n-типа удовлетворяет следующему соотношению:
n++ > n+ > n,
где концентрация n++ и n выбираются из следующих условий:
8 • 1017 ≅ n++ ≅ 5 • 1018, см-3;
3 • 1015 ≅ n ≅ 1,4 • 1016, см-3.
2. The device according to claim 1, characterized in that the concentration of carriers in the n-type layer satisfies the following ratio:
n + + > n + > n,
where the concentration of n + + and n are selected from the following conditions:
8 • 10 1 7 ≅ n + + ≅ 5 • 10 1 8 , cm - 3 ;
3 • 10 1 5 ≅ n ≅ 1.4 • 10 1 6 , cm - 3 .
3. Прибор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сумма длины области с линейно изменяющимся значением параметра x AlxGa1-xAs и длины области с постоянным значением параметра x AlxGa1-xAs удовлетворяют следующему соотношению:
Figure 00000036

4. Прибор по пп. 1 3, отличающийся тем, что локальные гетероинжекторы выполнены в виде цилиндрических областей, направленных вглубь полупроводникового материала, причем основания цилиндров лежат в плоскости катодного контакта прибора, а их образующая перпендикулярна плоскости катодного контакта.
3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the sum of the length of the region with a ramp value of the parameter x Al x Ga 1 - x As and the length of the region with a constant value of the parameter x Al x Ga 1 - x As satisfy the following ratio:
Figure 00000036

4. The device according to paragraphs. 1 to 3, characterized in that the local heteroinjectors are made in the form of cylindrical regions directed deep into the semiconductor material, with the bases of the cylinders lying in the plane of the cathode contact of the device, and their generatrix perpendicular to the plane of the cathode contact.
RU9595115310A 1995-08-29 1995-08-29 High-frequency gunn-effect device RU2091911C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU9595115310A RU2091911C1 (en) 1995-08-29 1995-08-29 High-frequency gunn-effect device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU9595115310A RU2091911C1 (en) 1995-08-29 1995-08-29 High-frequency gunn-effect device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2091911C1 true RU2091911C1 (en) 1997-09-27
RU95115310A RU95115310A (en) 1997-10-10

Family

ID=20171707

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU9595115310A RU2091911C1 (en) 1995-08-29 1995-08-29 High-frequency gunn-effect device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2091911C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2361324C1 (en) * 2008-02-15 2009-07-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО "НИИПП") Semiconductor device with intervalley transfer of electrons

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Обзоры по электронной технике. Сер.1: Электроника СВЧ. В. 4 (1008), с. 16. 2. Friscourt M.R., Rolland R.A., Pernisek M. IEEE Electron Device Zetters, v. EDL-6, N 10, October, 1985, RP. 497 - 499. 3. Патент Великобритании N 1514240, кл. H 01 L 47/02, 1978. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2361324C1 (en) * 2008-02-15 2009-07-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО "НИИПП") Semiconductor device with intervalley transfer of electrons

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Peatman et al. A novel Schottky/2-DEG diode for millimeter-and submillimeter-wave multiplier applications
Haddad et al. Microwave solid-state active devices
US5250815A (en) Hot electron injector Gunn device with anode heat sink
US5258624A (en) Transferred electron effect device
Haddad et al. Two-terminal active devices for terahertz sources
US3921192A (en) Avalanche diode
US4539581A (en) Planar doped barrier transferred electron oscillator
RU2091911C1 (en) High-frequency gunn-effect device
US3990099A (en) Planar Trapatt diode
US4814837A (en) Quantum well electron barrier diode
Bailey Heterojunction IMPATT diodes
US4291320A (en) Heterojunction IMPATT diode
Gardner et al. InP depletion-mode microwave MISFET's
USH29H (en) Tunnett diode and method of making
RU2054213C1 (en) Gunn-effect semiconductor device
US5652551A (en) Method for high frequency device operation with high temperature and radiation hard characteristics
Kolodzey et al. Microwave frequency operation of the heterostructure hot-electron diode
JP3913716B2 (en) Semiconductor device
US6252250B1 (en) High power impatt diode
Nishizawa The GaAs TUNNETT diodes
Kim et al. Design and fabrication of planar GaAs Gunn diodes
RU2803409C1 (en) Crystal of a high-voltage hyperspeed high-current diode with a schottky barrier and p-n junctions
EP0343737B1 (en) A transferred electron effect device
Mukherjee et al. α-SiC nanoscale transit-time diodes: performance of the photo-irradiated terahertz sources at elevated temperature
Pradhan et al. for Millimeter Wave Applications