Полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов

Изобретение относится к области твердотельной СВЧ-электроники и может быть использовано при конструировании СВЧ-модулей, предназначенных для генерации, усиления и преобразования колебаний. Полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов содержит последовательно соединенные слои металла и полупроводника слой n₁ из которых образует активную пролетную область для электронов, слои образуют анод, а слой n имеет толщину менее длины свободного пробега электронов в нем, и не соединенные ни с одним из этих слоев слои полупроводника n₂ и металла Ме₂. Согласно изобретению в прибор на эффекте Ганна дополнительно введены слои полупроводника n и p⁺ и металла Ме₃, из которых слой n размещен между слоями Ме₂ и n₂, a слой p⁺, имеющий толщину менее длины диффузии электронов в нем, одной поверхностью соединен со слоем n, а участок другой поверхности - с расположенными в одной плоскости и несоприкасающимися между собой слоями n₂ и Me₃, последний из которых содержит внешнюю периферийную часть, слой n₂ выполнен из полупроводника с более широкой запрещенной зоной, чем слой p⁺ с образованием в контакте между слоями n₂ и p⁺ гетероперехода с разрывом дна зоны валентных состояний. Приводится структурная формула предлагаемого прибора, состоящего из трех металлических слоев и шести полупроводниковых, включая один гетеропереход. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента полезного действия, снижение уровня шумов, увеличение выходной мощности генератора и усилителя, повышение чувствительности автодинного генератора. 2 ил.

 

Изобретение относится к области твердотельной СВЧ-электроники и может быть использовано при конструировании генераторных, усилительных и автодинных СВЧ-модулей, предназначенных для генерации, усиления и преобразования колебаний.

Известны диоды Ганна (ДГ) [1], работающие на основе эффекта междолинного переноса электронов (МПЭ). Они содержат катодную и анодную части прибора и пролетную (активную) область, которая имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления. Обычно катод в конструкции ДГ выполняется как омический контакт Ме-n⁺ к слою n, где Me - слой металла, n⁺ - слой вырожденного электронного полупроводника, n - слой невырожденного электронного полупроводника. Известны различные варианты исполнения конструкции ДГ, в том числе планарного типа, когда активная область диода формируется на полуизолирующей (высокоомной) подложке или на сильнолегированной (низкоомной) подложке [2, 3].

Общим недостатком известных приборов с междолинным переносом электронов является низкий коэффициент полезного действия (КПД). Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в режиме генерации коэффициент полезного действия ДГ, выполненных на основе арсенида галлия (GaAs), даже в импульсном режиме не превышает 7%, а у ДГ, выполненных на основе фосфида индия (InP), - 10%. В серийном производстве КПД ДГ оказывается еще меньше [4].

Наиболее близким к заявляемому объекту является полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов [5], имеющий полупроводниковую структуру слоев: , где слои выполняют роль двухслойного анода, слои - роль трехслойного инжектирующего катода, а слой n₁ образует пролетное пространство. В такой структуре электроны, преодолевшие барьер между слоями Me₂ и n₂ (барьер Шоттки), становятся «горячими». В «разогретом» состоянии они проходят слой n₂ и затем достигают пролетного пространства n₁. Горячие электроны обладают энергией, соответствующей дну боковой энергетической долины зоны проводимости полупроводника. Доминирующие в ДГ с омическим типом катодного контакта энергетические затраты на «разогрев» электронов в ДГ с инжектирующим контактом существенно снижаются, что приводит к возрастанию их КПД. Эффективный инжектирующий катодный контакт к пролетному пространству (Me₂-n₂-n⁺-n₁) удалось реализовать в ДГ, изготовленных на основе фосфида индия. Такое техническое решение обеспечило получение КПД генераторов на ДГ до 24%. Аналогичный по эффективности ДГ на GaAs с точно таким же типом катодного контакта не был реализован. Это было связано с тем, что при создании ДГ на GaAs с инжектирующим контактом не удалось избежать обеднения электронами n₂-слоя, которое практически всегда имеет место в приповерхностной области электронного арсенида галлия, контактируемого с металлом. В промежуточном контактном слое, образованном Ме₂ и n₂, нет упорядоченной кристаллической решетки, поэтому подвижность электронов и длина их свободного пробега обычно оказываются малыми (намного меньшими по величине, чем это характерно для полупроводника с регулярной кристаллической решеткой). В очень тонком промежуточном контактном слое потери избыточной энергии могут быть существенно более высокими, чем в более протяженном слое n₂. В конечном итоге число горячих электронов может сильно уменьшиться еще до попадания их в пролетную область n₁. Другим недостатком прототипа является наличие локальных неоднородностей в катодном контакте, особенно при наличии разных по своей природе материалов слоев, соединяемых между собой. Даже в серийно выпускаемых ДГ причиной разброса параметров являются локальные неоднородности в катодной области прибора [6].

Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в увеличении процента выхода годных приборов на эффекте междолинного переноса электронов, имеющих повышенный КПД при их промышленном производстве.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов, содержащий последовательно соединенные слои полупроводника и металла , последний из которых имеет толщину менее длины свободного пробега электронов в нем, и не соединенные ни с одним из слоев Me₁, , n₁ слои полупроводника n₂ и металла Me₂, дополнительно введены слои полупроводника p⁺ и слой металла Ме₃, из которых слой размещен между слоями Ме₂ и n₂, а слой p⁺, имеющий длину менее длины диффузии электронов в нем, одной поверхностью соединен со слоем , а частями другой поверхности - с расположенными в одной плоскости и не соприкасающимися между собой слоями n₂ и Ме₃, последний из которых содержит внешнюю периферийную часть, слой n₂ выполнен из полупроводника с более широкой запрещенной зоной, чем слой p⁺-типа с образованием в контакте с ним гетероперехода с разрывом дна зоны валентных состояний, при этом внешние поверхности слоев металлов Me₁, Ме₂ и Ме₃ выполняют соответственно роли анодного, катодного и управляющего электродов прибора.

Структура предлагаемого полупроводникового прибора с междолинным переходом электронов определяется формулой

Активный слой полупроводника, имеющий участок отрицательного дифференциального сопротивления, обозначен через n₁. Катодный канал, инжектирующий горячие электроны в активный слой n₁, образован слоями . Канал, инжектирующий «термализованные» (не «горячие») электроны, обладающие энергией, соответствующей дну основной энергетической долины зоны проводимости полупроводника, образован слоями . Анод (коллектор электронов) образуют слои и Me₁.

Сравнение предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемый МПЭ прибор отличается наличием новых существенных признаков: катодным контактом, выполненного из двух частей: эмиттера и базы, а также однородным (выполненным из одного материала) эмиттером на основе р-n-перехода. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

На фиг.1 и 2 представлены чертежи, поясняющие сущность изобретения.

На фиг.1 приведен активный элемент (АЭ) предлагаемого полупроводникового прибора с междолинным переносом электронов. Слои металла 1(Ме₁), 2(Ме₂) и 3(Ме₃) образуют выводы анодного, катодного и управляющего электродов прибора. Слои электронного и дырочного полупроводника , n₁, , p⁺, n₂ и n₃ обозначены через 4, 5, 6, 7, 8, 9 соответственно. При изготовлении приборов с междолинным переносом электронов на основе арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP) в слоях 4, 5, 6, 7, 8, 9 задают следующие концентрации электронов и дырок: =10¹⁹ см^-3; n₁=10¹⁵ см^-3; =10¹⁹ см^-3; n₂=10¹⁷ см^-3; р⁺=10¹⁹ см^-3; =10¹⁹ см^-3.

На фиг.2 представлены структура и схема включения прибора с междолинным переносом электронов. Прибор с междолинным переносом электронов имеет три раздельных электрода (фиг.2,а)): 1 - (инжектирующий электрод) эмиттер, 2 - (неинжектирующий электрод) - база, причем эмиттер и база составляют совместно катод прибора, и третий электрод 3 - анод; 4, 5 - источники постоянного напряжения. При подаче на анод 3 прибора положительного потенциала U_Б-А от источника питания 5 относительно базы 2 независимо от приложенного потенциала к эмиттеру U_Э-Б (источник питания 4 цепи эмиттер-база) протекает сквозной ток I_Б-А через участок база-анод прибора. На фиг.2,б) показаны временные зависимости тока I_Б-А(t) - 2, протекающего по неинжектирующему каналу катода - через участок база-анод и тока I_Э-Б(t) - 1, который протекает по инжектирующему каналу катода через участок эмиттер - база и далее весь этот ток проходит через пролетное пространство и анод.

На фиг.2,в) показан механизм прохождения токов I_Э-Б(t) - 1 и I_Э-Б(t) - 2(t) с привязкой его к энергетической структуре прибора с междолинным переносом электронов.

При подаче на катодный электрод 1 отрицательного потенциала U_К-О относительно общего электрода 2 от источника питания 4 в присутствии положительного напряжения U_О-А, поданного на анодный электрод 3 относительно общего электрода 2 от источника 5, за счет источника СВЧ-сигнала 6 формируется ток I_K-A(t). Этот ток является сквозным, протекающим через всю структуру от катодного электрода до анодного электрода. Он сформирован инжекционным каналом прибора с МПЭ.

На участке от общего электрода 2 до анодного электрода 3 прибора с МПЭ за счет действия напряжения U_О-А, подаваемого от источника 5, формируется ток I_О-А(t). Суммарный ток, протекающий в анод, равен I(t)=I_O-A(t)+I_K-A(t) (фиг.2,б)).

На фиг.2,в) показаны зонная энергетическая диаграмма прибора и прохождение по ней токов с привязкой этих токов к послойной структуре и к энергетической зонной структуре прибора с МПЭ.

Предлагаемый полупроводниковый прибор работает следующим образом.

При подаче отрицательного напряжения на базу относительно анода (фиг.2,а)) возникает базовый ток I_Б-А(t). Ток I_Б-А(t) является потоком термализованных электронов (с энергией Е_С, соответствующей дну основной энергетической долины зоны проводимости). Это связано с тем, что образующие этот поток электроны попадают в пролетное пространство, перемещаясь из валентной зоны дырочного вырожденного полупроводника p⁺-типа в зону проводимости вырожденного полупроводника n_L ⁺ за счет механизма туннелирования, т.е. без потери или получения добавочной энергии. Поэтому при наличии условий для генерации или усиления СВЧ-мощности прибор будет находиться в активном режиме. Однако его КПД будет равен или близок к аналогичной величине для обычного диода Ганна.

При подаче положительного смещения U_Э-Б на эмиттер 1 относительно базы 2 через прибор начинает протекать дополнительный ток электронов I_Э-Б (фиг.2,а)). Это ток инжекции эмиттера. В p⁺-области структуры рекомбинационные процессы электронов и дырок подавлены за счет использования малой толщины этой области по сравнению с диффузионной длиной электронов (фиг.2,в)). Между p⁺-областью и пролетным пространством для электронов, находящихся в зоне проводимости, всегда имеется тянущее электрическое поле, которое смещает электроны в пролетное пространство. Поэтому ток I_Э-Б практически без потерь электронов входит в пролетное пространство, что обеспечивает поставку горячих электронов в необходимом количестве для формирования домена сильного поля. При этом потери на разогрев подвижных носителей заряда в пролетном пространстве отсутствуют, что приводит к увеличению КПД трехэлектродного прибора по сравнению с обычным диодом Ганна.

Поток электронов, проходя без потерь сквозь тонкий слой n_L ⁺ и попадая в пролетное пространство, должен превращаться в поток «тяжелых» электронов, инжектируемых в боковую долину на энергетической диаграмме полупроводника. Действительно, в силу того, что боковая энергетическая долина характеризуется намного большей плотностью электронных состояний вблизи своего энергетического минимума по сравнению с аналогичной величиной в основной энергетической долине, вероятность попадания «высокоэнергетических» электронов именно в боковую долину очень велика. Кроме этого, в силу того, что приложенное электрическое поле к пролетному пространству превышает величину порогового поля и вероятность «разогрева» электронов полем преобладает над вероятностью их термализации, становится также малой вероятность того, что поступившие в боковую долину высокоэнергетичные электроны за счет столкновения с фононами будут рассеяны в основную долину. Таким образом, в предлагаемом приборе реализуется инжекция высокоэнергетичных носителей заряда с большой эффективной массой по отношению к обычным свободным электронам, находящимся в основной энергетической долине зоны проводимости.

Очевидно, что для эффективной работы прибора с междолинным переносом электронов, необходимо, чтобы количество высокоэнергетических электронов было равно количеству низкоэнергетических электронов в момент зарождения и формирования домена. Действительно, в этом случае при возникновении домена в каждый момент времени нет необходимости создавать дополнительные высокоэнергетические электроны (это было бы необходимо делать, если бы их недоставало в области формирования домена) или же переводить их в разряд обычных электронов посредством рассеяния их в основную долину (если их инжектируется слишком много). В обоих этих процессах происходят дополнительные энергетические потери, снижающие КПД прибора. Одновременно необходимо отметить, что в случае правильно подобранных режимов работы прибора на пролетном участке и при вхождении домена в анод ток должен поддерживаться только низкоэнергетическими носителями.

На временной диаграмме (фиг.2,б)) показано, что условия равенства потоков высокоэнергетических и низкоэнергетических электронов на этапе зарождения и формирования домена и отсутствия высокоэнергетических электронов на этапе продвижения домена выполнимы при пропускании через инжектирующий контакт СВЧ-тока I_Э-Б, частота которого задает частоту СВЧ-колебаний на выходе прибора. В это время через неинжектирующий контакт катода протекает СВЧ-ток, дополняющего инжектирующий ток до полного тока на выходе прибора. Потери в приборе, связанные с разогревом электронов электрическим полем на начальном участке пролетного пространства в процессе зарождения и формирования домена, в этом случае исключаются. Потери на рассеяние высокоэнергетических электронов во время пролета домена и его поглощения на аноде могут быть. Но они будут тем ниже, чем более высоким будет рабочее напряжение прибора. В этом смысле наиболее эффективным для приборов с междолинным переносом электронов является импульсный режим работы.

Обе этих возможности: инжекция и протекание тока высокоэнергетических электронов - при одновременном пропускании низкоэнергетических электронов через пролетное пространство совместно обеспечивают увеличение КПД прибора с n_W-р-n₂ ⁺-n-n⁺-структурой вплоть до значений, определенных на основе зависимости дрейфовой скорости от напряженности электрического поля.

В предлагаемом техническом решении сохраняется свойство равномерности распределения тока по площади поперечного сечения прибора Ганна. Это определяется тем, что в предлагаемом приборе сохраняется механизм междолинного переноса электронов в пролетной области, как это показано на фиг.2,в). Действительно при наличии слоевой неоднородности (доменов сильного поля) скорость распространения электрического возмущения во много раз превышает скорость движения самого домена, что и обеспечивает равенство плотностей тока по всей площади поперечного сечения прибора с междолинным переносом электронов. Все это также обеспечивает возможность построения мощного прибора с равномерным распределением тока по площади поперечного сечения. В связи с этим нет необходимости в искусственном расчленении области n типа на множественные фрагменты с очень малыми геометрическими размерами, что характерно для случая конструирования мощных полевых транзисторов Шоттки и гетеробиполярных транзисторов. Для предлагаемого прибора с объемным характером протекания тока, каким является прибор с междолинным переносом электронов, одновременно минимизируются величины паразитных конструкционных емкостей и индуктивностей за счет сведения к минимуму периферийной части его активной области.

Что касается внутренних потерь мощности в приборе с междолинным переносом электронов, например на последовательных активных сопротивлениях, то, анализируя прохождение тока в n_W-р⁺-n₂ ⁺-n-n⁺-структуре, можно отметить, что в случае использования одинаковых уровней концентраций легирующей примеси и равных толщин слоев в приборе с переносом электронов наблюдается практически детальное сходство с ситуацией, имеющей место в гетеробиполярных транзисторах. Отличие касается только присутствия в приборе с переносом электронов последовательно включенного в прямом направлении туннельного p⁺-n₂ ⁺-перехода. На этом переходе падение напряжения в любом случае не превысит приблизительно одну десятую вольта. Учитывая то, что напряжение питания прибора с переносом электронов может быть выбрано в пределах, задаваемых напряжением пробоя, можно ожидать, что в предельном случае внутренние потери в предлагаемом приборе будут равноценны тем, которые наблюдаются в гетеробиполярных транзисторах. Например, для GaAs прибора, предназначенного для работы в 8-мм диапазоне длин волн, максимальное напряжение питания может составлять (75-120) вольт в случае концентрации электронов в пролетном пространстве на уровне (2-5)·10¹⁵ см^-3. Длина пролетной области для классического диода Ганна 8-мм диапазона длин волн обычно выбирается не более 3 мкм. Для гетеробиполярных транзисторов, выполненных на основе арсенида галлия, в некоторых случаях толщина коллекторной области может быть величиной такого же порядка. Таким образом, инжекционные потери и потери на последовательном сопротивлении в приборе на эффекте переноса электронов будут сопоставимы с аналогичными потерями у равноценного гетеробиполярного транзистора. Попутно отметим, что высокие значения напряжения лавинного пробоя домена сильного поля определяют хорошие мощностные возможности прибора при работе в импульсном режиме.

Дальнейшее уменьшение потерь мощности на последовательном сопротивлении прибора может быть достигнуто в случае направленного снижения контактного потенциала на гетерогранице n_W-p⁺. Это можно сделать за счет использования узкозонного полупроводникового материала для формирования p⁺-области (катода прибора). Например, для арсенидогаллиевого прибора это может быть германий или более сложное полупроводниковое соединение на основе материалов А₃В₅, например InGaP. В случае использования германия в качестве материала катода контактный потенциал на границе германий - арсенид галлия может быть уменьшен до 0,66 В (при использовании германия также и в качестве материала базовой области).

В рамках настоящего предложения были изготовлены экспериментальные образцы ДГ 8-мм диапазона длин волн. Монтаж кристалла на поверхность теплопроводящего диэлектрического материала обеспечил эффективный отвод тепла от кристалла. Наличие гибридного носителя из нитрида алюминия с λ_T=(150-200) Вт/град·см дало возможность получить тепловое сопротивление ДГ с площадью поперечного сечения 2·10^-4 см² на уровне (0,5-1,0) град/Вт. При допустимом перегреве в 20°С и эффективном отводе тепла от гибридного носителя конструкция прибора обеспечила рассеяние до 40 Вт тепловой мощности. КПД полученных образцов составил порядка 10%, а выходная непрерывная СВЧ-мощность была в диапазоне 2,5-5 Вт.

Литература

1. Дж. Кэрролл. СВЧ-генераторы на горячих электронах. - М.: “Мир”, 1972, 382 С. - стр.185-189.

2. Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна. - М.: "Сов. радио", 1975, 288 С. - стр.193-195.

3. Патент РФ № 2064718, МКИ H01L 47/02. Диод Ганна / С.Д.Воторопин, В.И.Юрченко, A.M.Кожемякин / (РФ).- 5046020/25; Заявлено 04.06.92; Зарег. 27.07.96, БИ № 21. - С.5.: ил.3.

4. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. /Под ред. Б.А.Наливайко. Справочник. - Томск, МГП «РАСКО», 1992, стр.173 (разд. 7).

5 Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. - М.:"Мир", 1984, с.257-260.

6. Хан А.В., Попов А.И., Антошкина Т.А. Доотказовая деградация диодов Ганна. - Электронная техника. Сер 2. Полупроводниковые приборы, вып.5, 1980, стр.40.

Полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов, содержащий последовательно соединенные слои металла и полупроводника слой n₁ из которых образует активную пролетную область для электронов, слои образуют анод, а слой имеет толщину менее длины свободного пробега электронов в нем, и не соединенные ни с одним из этих слоев слои полупроводника n₂ и металла Me₂, отличающийся тем, что в него дополнительно введены слои полупроводника и p⁺ и металла Me₃, из которых слой размещен между слоями Me₂ и n₂, а слой p⁺, имеющий толщину менее длины диффузии электронов в нем, одной поверхностью соединен со слоем a участок другой поверхности - с расположенными в одной плоскости и несоприкасающиеся между собой слоями n₂ и Me₃, последний из которых содержит внешнюю периферийную часть, слой n₂ выполнен из полупроводника с более широкой запрещенной зоной, чем слой p⁺, с образованием в контакте между слоями n₂ и p⁺ гетероперехода с разрывом дна зоны валентных состояний, при этом структурная формула материала полупроводникового прибора определяется формулой