Высокочастотный прибор на эффекте ганна

 

Использование: электронная техника, в частности полупроводниковые приборы на основе переноса электронов для генерации СВЧ колебаний. Сущность изобретения: высокочастотный прибор содержит активный слой из полупроводникового материала GaAs N-типа проводимости, сформированных на нем со стороны анодного контакта слоя N⁺-типа проводимости и со стороны катодного контакта локальных областей слоя N⁺-типа проводимости. Катодный контакт содержит множество областей, инжектирующих ток в прибор и ограничивающих инжекцию тока. Области, инжектирующие ток и прибор, выполнены в форме круга, образуют плоскую решетку областей, инжектирующих ток в прибор. Любая из выбранных областей, инжектирующих ток в прибор, окружена шестью соседними областями, инжектирующими ток в прибор и находящимися на одинаковом расстоянии от выбранной области. Произведение концентрации носителей n в активной области прибора на длину l_а активной области прибора n·l_a выбираются из соотношения: 2·10¹¹ меньше /равно n·l_a меньше/равно l·10¹² [см^-2]. Кроме того, длина активной области прибора l_а относится к линейным размерам периода повторения Т решетки областей, инжектирующий ток, как l_а : Т = (2-1) : 1. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам на основе переноса электронов, и может быть использовано для генерации СВЧ колебаний.

Существующие приборы на основе эффекта Ганна (диоды Ганна) не позволяют работать в субмиллиметровом диапазоне длин волн, так как конструкции таких приборов приводят к ограничению частотного диапазона, коэффициента полезного действия, а также мощности вследствие большой зоны начального разогрева носителей (мертвой зоны). Дальнейшее продвижение в субмиллиметровом диапазоне частот может быть осуществлено при обеспечении дополнительного разогрева носителей в прикатодной области приборов типа диодов Ганна.

Все основные свойства эффекта Ганна могут быть объяснены на основе механизма Ридли-Уоткинса-Хилсума (см. М.Шур "Современные приборы на основе арсенида галлия", М. Мир, 1991, с.172-174). Этот механизм можно пояснить на примере двухдолинной модели. Распределение электронов между Г и L долинами определяются напряженностью электрического поля E, а дрейфовая скорость электронов V определяется выражением v_г=μ·Ε, где μ подвижность носителей в слабом поле.

При приложении к слою n-GaAs электрического поля определенного значения (выше критического) часть электронов, разогреваясь, переходит из Г долины в L долину (энергетическая щель между главной Г и верхней L долинами D_гLГL= 0,33 эв), где эффективная масса электронов значительно возрастает, а подвижность падает. Тогда V_L≈V_S, где V_S скорость насыщения электронов в L-долине.

Плотность тока составляет j= q·n_Г(Е)·V_Г+q·n_L(E)·V_L (1), где q заряд электрона; n_Г,L концентрация электронов в Г и L долинах соответственно.

При этом имеем n_Г + n_L n_o, где n_o N_D N_A, где N_D концентрация ионизированных доноров; N_A - концентрация заряженных акцепторов.

Уравнение (1) можно представить в виде j q·n_o·V(E) (2),
где
или
(3)
Продифференцировав уравнение (3) получим
(4)
где
доля электронов в боковых долинах.

Из (4) следует, что если dP/dE превосходит критическую величину, то дифференциальная подвижность μ становится отрицательной. Когда напряженность поля E превышает напряженность поля E_кp, происходит разделение носителей на два вида по их дрейфовым скоростям и формируются области с различными электрическими зарядами электрическими доменами, а во внешней цепи возникает СВЧ колебания (эффект Ганна).

Известен прибор на основе переноса электронов (см. заявку ЕПВ N 0078726, МКИ H 01 L 47/02, 1983), состоящий из подложки, на которой нанесены первый активный слой, обладающий тем же типом проводимости, что и подложка, второй слой и сформированные анодные и катодные области. В диоде изменяется коэффициент прозрачности катода с помощью аморфных изолирующих участков, получаемых протонной бомбардировкой и которые лежат во втором слое.

Действительно (см. В. Н. Иванов, Ю.А.Цвирко, В.Е.Чайка и др. О работе диодов Ганна с "островковым" контактом. Украинский физический журнал, 1987, т. 32, N 7, с. 1070 1072), выполнение катода из чередующихся областей, эмитирующих и неэмитирующих ток, приводит к увеличению прикатодного поля, что необходимо для более быстрого разогрева электронов в прикатодной области. Предполагалось, что на эмитирующей поверхности контакт омический, а на не эмитирующей плотность тока равна нулю.

Увеличение прикатодного поля связывалось с образованием прикатодной обедненной области вследствие как дрейфа носителей в сторону неэмитирующей области катода под действием поперечной составляющей поля E_y и вследствие диффузии, так и разогревными эффектами.

Однако увеличение тянущего поля в прикатодной области, эмитирующей ток, относительно небольшое, что не позволяет эффективно разогреть носители. Это связано с тем, что часть носителей, ушедших под действием поперечного электрического поля и диффузии в прикатодную область, неэмитирующую ток, оказывается вне действия тянущего поля, что приводит к уменьшению плотности тока и снижению эффективности работы прибора. При этом электроны, вылетающие с поверхности катода, не успевают сразу набрать энергию, достаточную для междолинного перехода.

Наличие вблизи катода мертвой зоны ограничивает частотный диапазон приборов, так как с увеличением частоты эффективная длина диодов Ганна, работающих в пролетном режиме, уменьшается и соответственно увеличивается отношение длины мертвой зоны к длине активной области диода.

Известен сверхвысокочастотный прибор на эффекте Ганна, выбранный нами в качестве прототипа (см. патент Франции N 02293068, МКИ Н О1 L 47/02, 1976), содержащий активный слой полупроводникового материала данного типа проводимости, первый анодный контакт и второй катодный контакт, причем второй контакт содержит совместно первые зоны, способные инжектировать ток в прибор, и совместно вторые зоны, образующие выпрямляющие контакты с активной областью, причем первая и вторая зоны расположены на поверхности активной области напротив первого анодного контакта и образуют мозаичную структуру.

Конструкция прибора по прототипу делает возможным получить с одной стороны катодный контакт, который является проводящим при ограниченной инжекции тока, который больше не однонаправленный, а растекается во все стороны. Кроме того, при данных условиях инжектируемый ток ограничен и это гарантирует существование ненулевого электрического поля в непосредственной близости от катода. Выполнение островского катода, состоящего из множества первых областей, инжектирующих ток в прибор, и множества вторых областей, ограничивающих инжекцию тока, приводит к дополнительному разогреву носителей в прикатодной области, инжектирующей ток в прибор, что соответственно приводит к уменьшению мертвой зоны и расширению частотного диапазона по сравнению с аналогом.

Однако этот разогрев носителей в прикатодной области по конструкции прототипа и ее модификациям, приведенным в описании патента, является недостаточным. В описании патента указано, что нет ограничений на форму зоны А (зоны, инжектирующей ток), что и зона А оптимизирована как функция работы, которую выполняет в приборе эта зона. Тогда как расчеты, проведенные с использованием метода Монте-Карло, показывают, что ограничения существуют не только на степень заполнения областей, инжектирующих ток, и областей, ограничивающих инжекцию тока на поверхности катода, но и на соотношения выше указанных областей между собой, равно как и на соотношение общей длины областей, инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока, к длине активной области прибора. Неучет этих факторов в патенте-прототипе приводит к недостаточному разогреву носителей в прикатодной области, инжектирующей ток в прибор, и как следствие к большой мертвой зоне прибора. Увеличение отношения длины мертвой зоны к длине активной области прибора под инжектирующими областями катода приводит к ограничению частотного диапазона работы прибора и к снижению КПД.

Задачей изобретения является создание такого высокочастотного прибора на эффекте Ганна, в котором за счет оптимизации расположения областей катода, инжектирующих ток в прибор, и выбора соотношения длины активной области прибора к линейным размерам периода повторения решетки областей, инжектирующих ток в прибор, достигается расширение частотного диапазона работы прибора.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий активный слой из полупроводникового материала GaAs N-типа проводимости, сформированных на нем со стороны анодного контакта слоя N⁺-типа проводимости и со стороны катодного контакта локальных областей слоя N⁺-типа проводимости под областями катодного контакта, инжектирующими ток, анодного контакта и катодного, расположенного напротив анодного контакта и содержащего первое множество областей, инжектирующих ток в прибор, и второе множество областей, ограничивающих инжекцию тока, причем области, инжектирующие ток в прибор, имеют форму круга, образуют плоскую решетку, согласно изобретению, в решетке областей, инжектирующих ток в прибор, любая из выбранных областей, инжектирующих ток в прибор, окружена шестью соседними областями, инжектирующими ток в прибор и находящимися на одинаковом расстоянии от выбранной области, а произведение концентрации носителей n в активной области прибора на длину l_a активной области прибора n·l_a выбирается из соотношения 2·10¹¹≅n·l_a≅1·10¹²[cm^-2]

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна длина активной области прибора l_a относится к линейным размерам периода повторения Т решетки областей, инжектирующих ток, как l_a T (2 1) 1.

При субмикронных размерах активной области прибор и при высоких рабочих частотах (≈200 ГГц) домен полностью не формируется. Можно говорить лишь о нарастающей волне пространственного заряда, распространяющегося в среде с отрицательной дифференциальной проводимостью, т.е. о движении вдоль прибора обогащенных слоев. В связи с этим в заявляемом приборе субмикронного размера используется отличный от прототипа режим работы.

Форма выполнения областей, инжектирующих ток, может быть различной в виде кругов, прямоугольников ил других геометрических фигур. Однако с точки зрения повышения напряжения пробоя и исключения краевых эффектов на границах областей, инжектирующих ток, и расширение частотного диапазона работы прибора наиболее оптимальной формой областей, инжектирующих ток, является круг.

Тогда наиболее плотное и эффективное заполнение площади катода прибора множеством областей, инжектирующих ток, обеспечивается при выполнении формы вышеуказанных областей в виде круга, причем эти круги должны иметь одинаковые диаметры и шесть ближайших соседей (областей, инжектирующих ток) с равными расстояниями между их центрами. Как известно из теории решеток, наиболее плотная упаковка одинаковых шаров в одном случае осуществляется тогда, когда любой произвольно выбранный шар окружают шесть ближайших соседей, контактирующих с эти шаром, при этом расстояние между центрами шаров одинаковое.

Выполнение областей катода, инжектирующих ток, в виде плоской решетки с числом ближайших соседей, инжектирующих ток от любой произвольно выбранной инжектирующей области, равным шести позволяет повысить эффективность работы высокочастотного прибора на эффекте Ганна и расширить частотный диапазон по сравнению с прибором по прототипу.

Конструкция и работа заявляемого высокочастотного прибора на эффекте Ганна поясняется чертежами, где фиг.1 высокочастотный прибор на эффекте Ганна; фиг.2 сечение общего вида прибора по линии А-А; фиг.3 вид областей, инжектирующих ток, размещенных в решетке с числом ближайших соседей от любой выбранной инжектирующей ток в прибор области равным шести; фиг.4 часть сечения общего вида прибора, периодическим повторением которой можно получить весь прибор; фиг.5 разрез прибора по линии В-В; фиг.6 разрез прибора по линии С-С; фиг.7 график зависимости распределения напряженности электрического поля по длине прибора с интервалом в 1 пикосекунду (1 ps) (статический режим работы) под инжектирующей областью катода; фиг.8 график зависимости распределения концентрации носителей по длине прибора в полупроводнике с интервалом в (1 ps) (статический режим работы) под инжектирующей областью катода; фиг.9 график зависимости распределения концентрации носителей по длине прибора через 1/4 часть периода внешнего сигнала (динамический режим работы) под инжектирующей областью катода.

Зафиксируем произвольно взятую длину активной области диода l_a с "островковыми" контактами (ДОК) (см. фиг.4.). Для определенности возьмем l_a= 0,7 mkm. Рассмотрим следующий диапазон концентраций примесей n в активной области ДОКа (3·10¹⁵ 1,5·10₁₆) cm^-3. При увеличении указанной концентрации примесей в ДОКе наблюдается рост поля у катода (как у области инжектирующей ток, так и под барьерной частью катода). Величина барьера Шоттки выбирается таким образом, что ток через барьерную область катода практически отсутствует, но обогащенные слои под барьерной областью катода существуют и распространяются в направлении анода прибора благодаря инжекции носителей из-под омической части катода в область, расположенную под барьерной частью катода. Повышение напряженности электрического поля вдоль всего катода ДОКа при увеличении концентрации n примесей в активной области прибора приводит к уменьшению зоны начального разогрева носителей как под омической, так и под барьерной частью катода. Но такое поведение зоны начального разогрева не сохраняется во всем рассматриваемом диапазоне концентрации n примесей. После некоторого значения концентраций примесей n в активной области прибора (в данном случае это n 7·10¹⁵см^-3) наблюдается спад эффективности работы прибора, который обусловлен тем фактом, что при данной концентрации примесей n в активной области ДОКа зона начального разогрева под омической частью катода продолжает уменьшаться, а под барьерной частью катода начинает увеличиваться, уменьшая эффективность работы прибора. Указанный факт объясняется тем, что для инжектированных носителей из-под омической части катода под барьерную область того же катода существует оптимальное распределение поля вдоль ДОКа под барьерной частью катода с точки зрения эффективности прибора. Указанное обстоятельства и объясняет существование экстремума произведения концентрации n примесей в активной области ДОКа на длину l_a данной области, т.е.

(n·l_a)^min_DOK ≅ (n·l_a)_DOK≅ (n·l_a)^max_DOK,
где

Предельные значения (n·l_a)_ДОК получены численным путем на основании рассмотрения эффективности прибора в указанном диапазоне концентрацией примесей при азотных температурах окружающей среды.

Рассмотрим структуру диода с "островковым" контактом (ячейки прибора) (см. фиг. 4). Для произвольно взятой длины активной области ДОКа l_x l_a (для определенности возьмем l_x 0,7 mkm, и возьмем соотношение длины омической части к общей длине катода ≈ 16% будем изменять длину катода l_y. Рассмотрим указанное изменение в следующем диапазоне с l_x l_y 2 1 до l_x l_y l l. Величина барьера Шоттки выбирается таким образом, что ток через барьерную область катода практически отсутствует, но обогащенные слои по барьерной областью катода существуют и распространяются в направлении анода благодаря инжекции носителей из-под омической части катода в область, расположенную под барьерной частью катода. При увеличении длины катода l_y, наблюдается падение электрического поля в приповерхностной области проводящей части катода и соответственно увеличение поля в приповерхностной области барьерной части катода. Это приводит соответственно к увеличению длины зоны начального разогрева под областью катода, инжектирующей ток, и уменьшению зоны начального разогрева под барьерной областью катода. Это в свою очередь приводит к уменьшению эффективности омической части ДОКа и к увеличению эффективности барьерной части ДОКа, что в конечном итоге приводит к незначительному падению эффективности ДОКа (не более 6%). Но такое положение вещей не сохраняется во всем рассматриваемом диапазоне отношения длины катода l_y к длине активной области ДОКа l_a. После некоторого значения длины катода l_y (в данном случае l_y l_x, l_x l_a) наблюдается более резкий спад эффективности прибора, который обусловлен тем фактом, что после данной длины катода l_y зона начального разогрева как под омической, так и под барьерной частями катода продолжает увеличиваться, что приводит к более резкому спаду эффективности ДОКа. Указанный факт объясняется тем, что для инжектированных носителей из-под омической части катода под барьерную часть катода существует оптимальное распределение поля вдоль ДОКа под барьерной частью катода с точки зрения эффективности прибора.

Исходя из выше сказанного логично выбирать отношение длины активной области прибора l_a к длине катода l_y в диапазоне l_a l_y (2 1) 1.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна (см. фиг.4) содержит активный слой 1 из полупроводникового материала GaAs N-типа проводимости, сформированных на нем с одной стороны локально выполненного слоя 2 N⁺-типа проводимости и полупроводникового слоя 3 N⁺-типа проводимости, первого анодного контакта 4 и второго катодного контакта, расположенного напротив анодного контакта 4 и содержащего множество областей 5, инжектирующих ток в прибор, и множество областей 6, ограничивающих инжекцию тока. Область 6, ограничивающая инжекцию тока, может быть выполнена в виде барьера Шоттки.

Работа высокочастотного прибора на эффекте Ганна происходит следующим образом. При подключении к прибору постоянного смещающего напряжения наблюдается следующая картина. В начальный момент времени при подключении к диоду с "островковым" контактом (ДОКу) постоянного напряжения нормальная составляющая поля у границы проводящей части 5 катода будет гораздо большей чем аналогичное поле на аноде 4.

Данное утверждение вытекает из следующих соображений: 1) эффективное значение барьера у ограничивающей ток части катода выбрано таким, что практически исключает протекание тока через обратносмещенный барьер Шоттки; 2) полый ток через боковые стенки прибора равен нулю по условию симметрии; 3) ток, втекающий в катод 5 и вытекающий из анода 4, в основном состоит из тока проводимости (как показали численные расчеты токами смещения и диффузии в первом приближении можно пренебречь); 4) отношение ширины проводящей части катода к общей ширине катода составляет ≈16% 5) в начальный момент времени после включения постоянного напряжения проводимость в приборе, в частности у инжектирующей ток части катода 5, изменяется незначительно; 6) ток через прибор в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется по следующей формуле:
I=σ·S_к·E^с_к^р,
где E^c_к^h нормальная составляющая среднего поля вдоль инжектирующей ток части катода; S_k-площадь инжектирующей ток части катода.

На основе вышеизложенного вытекает, что среднее нормальное поле E^c_к^h у инжектирующей ток части катода в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется следующим образом:
,
где S_A площадь анода 4; E^c_A^h нормальная составляющая среднего поля.

На фиг.7 и 8 показано на примере поля и концентрации свободных носителей процесс установления данных величин, значения которых выводится через 1 ps после включения постоянного напряжения. Указанные величины соответствуют области ДОКа под инжектирующей ток частью катода 5 вдоль прибора. Повышенное значение поля у проводящей части ДОКа в начальный момент времени после включения постоянного напряжения приводит к появлению неподвижного прикатодного обогащенного слоя (ОС) и подвижного обогащенного слоя (ОС). Указанным ОС соответствуют пики поля в приборе.

Подвижный ОС, отделившись от неподвижного прикатодного ОС, вначале пути возрастает, но при подходе к анодной области становится шире, уменьшаясь по амплитуде. Движение подвижного ОС характеризуется также движением пика поля, максимум которого соответствует переднему фронту подвижного ОС и которое также в начале пути возрастает, а при подходе к анодной области становится шире, уменьшаясь по амплитуде. После установления переходного процесса в приборе устанавливается надпороговое поле с пиком у катода, который соответствует неподвижному ОС.

Скорость носителей в ДОКе в соответствии с распределением поля в установившемся режиме в начале активной области прибора имеет всплеск, который быстро спадает при продвижении к аноду 4 как результат активных Г-L переходов. После ухода подвижного ОС в анодную область, в активной области прибора под проводящей частью катода 5 не наблюдается новых подвижных ОС, которые бы характеризовались описанными выше пульсациями поля, концентрации свободных носителей. Значение тока также становится постоянным.

Приложим к ДОКу кроме постоянного напряжения и переменное (рассматривается режим большого сигнала), которое как и постоянное напряжение одновременно приложено как к инжектирующей 5, так и к ограничивающей инжекцию тока 6 частям катода одновременно.

Зависимость во времени переменного напряжения определяется по формуле:
U_пер.= - A·sinωt,
где А амплитуда переменного сигнала; ω круговая частота данного сигнала.

При понижении результирующего напряжения на диоде падает величина поля во всей активной области прибора, и в частности в области пика, соответствующего прикатодному неподвижному ОС под инжектирующей областью катода. Это приводит к зарождению подвижного ОС в середине активной области прибора под инжектирующей ток частью катода 5. Данному ОС соответствует пик поля на распределении поля в приборе.

С течением времени образовавшийся подвижный ОС при подходе к анодной области становится шире, уменьшаясь по амплитуде. После ухода в анодную область 4 подвижный ОС снова зарождается в области неподвижного катодного ОС, отрывается от него и движется к средине активной области ДОКа, увеличиваясь по амплитуде. Указанное выше описание перемещения подвижного ОС характеризуется движением пика поля вдоль прибора под инжектирующей ток частью катода 5, возникшего в средней части активной области прибора. Указанный пик поля при подходе к аноду становится шире, уменьшаясь по амплитуде. Далее подвижный пик поля, соответствующий подвижному ОС, снова возникает у инжектирующей ток части катода 5 и, продвигаясь к средине активной области прибора, растет по амплитуде.

Несколько периодов внешнего переменного напряжения приводят к динамическому равновесию физических процессов в приборе, а именно к возникновению под инжектирующей ток частью катода 5 подвижного ОС, который при движении в направлении к аноду 4 сначала растет по амплитуде (см. фиг.9), но при приближении к аноду становится шире, уменьшаясь по амплитуде.

Из рассмотренного выше вытекает тот факт, что вследствие приложенного к прибору внешнего переменного напряжения возникает режим генерации СВЧ-колебаний в приборе.

Пример конкретного выполнения. Высокочастотные приборы на эффекте Ганна формировались на пластине GaAs марки ЭСАГ кристаллографической ориентации (100) толщиной 100 мкм. Длина активной области вдоль инжектирующей ток части катода 0,7 мкм. Концентрация носителей в активной области прибора изменялась для трех типов приборов 5·10¹⁵cm^-3, 7·10¹⁵ сm^-3, 9·10¹⁵сm^-3 соответственно. Концентрация в N⁺-областях катода и анода прибора равна 10¹⁸сm^-3. Толщина N⁺ слоя в области катода 0,15 мкм, анода 0,5 мкм.

Формирование матричных областей катода инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока выполнены известными методами литографии и послойного формирования металлизации на основе композиций AuGe (88% Au, 12% Ge), Ti, Ta, W, Mo, Zr и их боридов или нитридов и Au нанесенными и вожженными последовательно на пластину. Толщина нанесенной композиции AuGe 1600, металла или его нитрида 1200 и Au 5000.

Температурный режим работы прибора 77 К.

Рабочие частоты приборов были 220, 240 и 230 ГГц для трех типов соответственно. Динамический диапазон работы высокочастотного прибора на эффекте Ганна 170 240 ГГц.

Заявляемый высокочастотный прибор на эффекте Ганна с большим динамическим диапазоном частот может найти применение в системах космической связи и радиолокации. 2 4

Формула изобретения

1. Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий активный слой из полупроводникового материала GaAs N-типа проводимости, сформированные на нем со стороны анодного контакта слой N⁺-типа проводимости и со стороны катодного контакта локальные области слоя N⁺-типа проводимости под областями катодного контакта, инжектирующими ток, анодный контакт и катодный контакт, расположенный напротив анодного контакта, и содержащий первое множество областей, инжектирующих ток в прибор, и второе множество областей, ограничивающих инжекцию тока, причем области инжектирующие ток в прибор имеют форму круга и образуют плоскую решетку, отличающийся тем, что в решетке областей, инжектирующих ток в прибор, любая из выбранных областей, инжектирующих ток в прибор, окружена шестью соседними областями, инжектирующими ток в прибор и находящимися на одинаковом расстоянии от выбранной области, а произведение концентрации носителей n в активной области прибора на длину l_a активной области прибора n·l_a выбирается из соотношения
2·10¹¹≅n·l_a≅1·10¹², см^-2.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что длина активной области прибора l_a относится к линейным размерам периода повторения Т решетки областей, инжектирующих ток, как l_a:Т (2^oC1):1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9