Высокочастотный прибор на эффекте ганна

 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым приборам на основе переноса электронов, и может быть использовано в приборах для генерирования СВЧ-колебаний. Сущность изобретения: высокочастотный прибор на эффекте Ганна содержит активный слой из полупроводникового материала данного типа проводимости, сформированных на нем с двух сторон полупроводниковых слоев второго типа проводимости: первого анодного контакта и второго катодного контакта, расположенного напротив анодного контакта. Катодный контакт состоит из областей, инжектирующих ток и ограничивающих инжекцию тока и образующих матричную структуру. В качестве области катода, ограничивающей инжекцию тока, может быть использован барьер Шотки. Новым в высокочастотном приборе на эффекте Ганна является выполнение барьера Шотки в V-образном, трапецеидальном или прямоугольном углублении катода. Глубина залегания границы области катода, ограничивающей инжекцию тока, выбирается из соотношения l≥ ΔrL/q·E_ср , где ΔrL - энергетический зазор между r и L долинами полупроводникового материала; l - глубина залегания области ограничивающей инжекцию тока; q -заряд электрона; E_ср - средняя напряженность электрического поля. 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 в приборах для генерирования СВЧ-колебаний.

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

Известен диод Ганна состоящий из активного слоя слаболегированного арсенида галлия, сформированного на высокоомной подложке GaAs; на активный слой нанесен кристаллический слой, легированный в более высокой степени, на котором сформированы омические электроды катода и анода, разделенные канавкой.

Принцип работы подобных приборов основан на том, что плотность электрического тока j связана с напряженностью электрического поля Е соотношением j = σ ·E, тогда плотность тока j = q·n· μ ·E, где q - электрический заряд; n - концентрация носителей; μ - подвижность носителей. Тогда статическая проводимость σ_o= q·n·μ Продифференцировав это выражение получим σ_диф.=1+ , где σ_диф. - дифференциальная проводимость.

Если с ростом Е подвижность носителей заряда уменьшается так, что выполняется условие <0 и абсолютное значение > 1, то выражение в скобках для σ_диф. становится отрицательным и, соответственно, σ_диф.становится отрицательным и σ_диф<0. При приложении к слою n = GaAs электрического поля определенного значения выше критического), часть электронов, разогреваясь переходит из r долины в L долину (энергетическая щель между главной r и боковой L долинами Δ _rL = 0,33 эВ), где эффективная масса электронов значительно возрастает, а подвижность падает. Это приводит к тому, что при поле, большем Е_кр, происходит разделение носителей на два вида по их дрейфовым скоростям и формируются области с различными типами электрического заряда - электрические домены, а во внешней цепи возникают СВЧ-колебания (эффект Ганна).

Предложенная конструкция прибора имеет ограниченный частотный диапазон и низкую рабочую частоту. Так как пролетная частота колебаний f_пр. определяется из формулы f_пр.= , где L - длина активной области образца; V_д - дрейфовая скорость электронов, то для увеличения рабочей частоты недостаточно сокращать размеры прибора. Оказывается, что при этом возрастает отношение длины "мертвой" зоны прибора к длине прибора и эффективность работы прибора падает. При длине активной области равной или меньше длины зоны начального разогрева ("мертвой" зоны) прибор прекращает генерировать СВЧ-колебания.

Известен сверхвысокочастотный прибор на эффекте Ганна выбранный в качестве прототипа, 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 образующих мозаичную структуру.

Конструкция прибора по прототипу делает возможным получить с одной стороны катодный контакт, который является проводящим при ограниченной инжекции тока, но с другой стороны обуславливает распространение фронта тока, который больше не однонаправленный во все стороны. Кроме того, при данных условиях инжектируемый ток ограничен и это гарантирует существование ненулевого электрического поля в непосредственной близости от катода.

Распределение электрического поля в непосредственной близости от инжектирующей ток области катода.

Пусть при малых энергиях Е, меньших чем энергетический зазор между r и L долинами - Δ_rL, электроны в зоне проводимости обладают эффективной массой М₁^*. При ε > Δ_гL электроны могут находиться не только в r долине, но и в L долине, в которой эффективная масса электронов m₂^*>>m₁^*. _Большей эффективной массе электронов m₂^*>m₁^*, соответствует большая плотность состояний и поэтому при ε > Δ_гLподавляющее большинство электронов будет находится в L долине зоны проводимости. При планерном расположении областей катода инжектирующих ток и ограничивающих инжекцию тока в высокочастотном приборе по прототипу в начальный момент времени не обеспечивается неубывающее электрическое поле в прикатодной инжектирующей области определяющей формирование "мертвой" зоны прибора.

В этой области на отрезке времени t, короче времени между столкновениями τ_p электрон будет бесстолкновительно разгоняться до скорости v = . (1) В достаточно сильных электрических полях эта скорость может оказаться значительно выше максимальной дрейфовой скорости.

Кроме того, по прототипу конфигурация областей катода, инжектирующих ток и ограничивающих инжекцию тока, обеспечивает такие условия, что фронт тока распространяется во все стороны сразу от инжектирующей поверхности катода. Учитывая растекание тока непосредственно за областью катода, инжектирующий ток, и в соответствии с первым законом Кирхгофа для тока проводимости в приборе (токами смещения и диффузии в первом приближении можно пренебречь), в начальный момент времени напряженность электрического поля действительно ненулевая, однако имеет падающий участок, что приводит к увеличению "мертвой" зоны. Увеличение отношения длины "мертвой" зоны к длине активной области прибора под инжектирующими контактами катода приводит к ограничению частотного диапазона работы прибора и снижению рабочей частоты.

Отсюда следует тот факт, что критерий наличия ненулевого электрического поля в непосредственной близости от области катода инжектирующий ток является необходимым, но не достаточным условием оптимального разогрева носителей и уменьшения до минимума "мертвой" зоны, с которой связана и рабочая частота прибора, так как при большей "мертвой" зоне частотный диапазон сужается, а частота падает.

При условии ε ≥ Δ_rL часть электронов могут находиться в L долине, что является необходимым условием для формирования режима работы с обогащенными слоями. Определяют длину l прибора под инжектирующей частью прибора, на которой электроны набирают энергию Δ_rL. Как известно энергия ε= q·E_cp·l, где Е_ср - средняя напряженность электрического поля на участке разогрева; l - необходимая длина прибора, на которой электроны, набирая энергию ε , переходят в L долину, тогда ε ≥ Δ_rL и q·E_cp·l ≥ Δ_rL и, следовательно, E_ср.≥ , (2) где q - заряд электрона.

Отсюда следует и требования к формируемым границам раздела областей катода инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока и электрическому полю. Электрическое поле должно быть неубывающим и (или) возрастающим под инжектирующей частью катода.

Конфигурация областей катода, инжектирующих ток и ограничивающих инжекцию тока по прототипу не обеспечивает выполнение этих условий, так как ток сразу за границей раздела областей катода инжектирующих ток растекается, при этом напряженность электрического поля падает и, соответственно, увеличивается "мертвая" зона прибора, а рабочая частота уменьшается при сужении динамического диапазона частот.

Цель изобретения - расширение частотного диапазона работы прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в высокочастотном приборе на эффекте Ганна, содержащем активный слой из полупроводникового материала данного типа проводимости, сформированных на нем с двух сторон полупроводниковых слоев второго типа проводимости; первого анодного контакта и второго катодного контакта, расположенного напротив анодного контакта, содержащего области инжектирующие ток и ограничивающие инжекцию тока и образующих матричную структуру, согласно изобретению, граница области катода ограничивающей инжекцию тока углублена в активный слой полупроводникового материала таким образом, что конфигурация границы области формирует неубывающее электрическое поле в прикатодной области, инжектирующей ток.

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна залегание границы области катода, ограничивающей инжекцию тока, выбирается из соотношения , где Δ_rL - энергетический зазор между r и L долинами полупроводникового материала; l - глубина залегания границы области ограничивающей инжекцию тока; q - заряд электрона; Е_ср - средняя напряженность электрического поля на участке разогрева.

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна под областью катода, инжектирующий ток, сформирован высоколегированный n⁺⁺ слой.

В качестве области катода, ограничивающей инжекцию тока, может быть использован барьер Шотки. Величина барьера Шотки, сформированного в углублении активного слой, выбирается такой, что он не приводит ток даже без обратно смещенного внешнего напряжения. Углубление для формирования барьера Шотки может иметь V-образную, прямую или обратную трапецеидальную, или прямоугольную форму.

Так как барьер Шотки сформирован в углублении, ток в непосредственной близости от инжектирующей области катода (на расстоянии ≈ l) не растекается в отличие от прибора по прототипу. Учитывая это, в соответствии с первым законом Кирхгофа для тока проводимости в приборе (токами смещения и диффузии в первом приближении можно пренебречь), то при указанных условиях электрическое поле в прикатодной области реализуется неубывающее. Глубина залегания области катода, ограничивающей инжекцию тока, в активной области прибора l выбирается из ранее выведенного условия (2), т.е. обеспечивающее условия, когда электроны набирают энергию достаточную для перехода из r долины в L долину. Таким образом, глубина выемки l фактически равна расстоянию под инжектирующей ток областью катода, на котором электроны набирают энергию Δ_rL .

Такая конфигурация границы области катода ограничивающей инжекцию тока формирует под инжектирующей ток областью катода неубывающее и (или) возрастающее электрическое поле. Выбором глубины l залегания границы области катода ограничивающей инжекцию тока, а она связана с условием набора энергии ε электронами, достаточной для перехода из Г долины в L долину (2) и углом наклона боковой стороны по периметру области обеспечивают условия формирования электрического поля в инжектирующей области катода неубывающего и (или) возрастающего с большим градиентом при движении носителей от катода к аноду по сравнению с прибором по прототипу.

При этом в прикатодной области инжектирующей ток обеспечивается уменьшение отношения длины "мертвой" зоны прибора к пролетной длине, что приводит к расширению динамического диапазона частот работы прибора и увеличению рабочей частоты.

При выполнении барьерной области катода в углублении под инжектирующей областью катода создается участок с повышенным значением поля, обеспечивающий на достаточно малом расстоянии ( ≈ l) разогрев электронов до энергии междолинного перехода.

При субмикронных размерах активной области прибора под инжектируюими ток областями катода электрические поля прикатодной области и анода начинают смыкаться, что приводит к тому, что во всем объеме прибора поле оказывается выше порогового, а электроны сосредотачиваются преимущественно в верхней L долине. В этой ситуации домен полностью не формируется. Можно говорить лишь о нарастающей волне пространственного заряда, распространяющейся в среде с отрицательной дифференциальной проводимостью, т.е. о движении вдоль прибора обогащенных слоев. Соответственно амплитуда колебаний тока по сравнению с доменным режимом работы уменьшается.

Введение области повышенной концентрации n⁺⁺ ограничивает продольный размер области сильного поля, достаточно для разогрева электронов до энергии междоменного перехода и одновременно снижает электрическое поле за n⁺⁺ областью до величины ниже пороговой. Это приводит к двум следствиям. Во-первых, с помощью n⁺⁺ области можно дополнительно уменьшить "мертвую" зону, и соответственно, увеличить рабочую частоту. Второе следствие заключается в том, что область повышенной концентрации примеси n⁺⁺ уменьшает электрическое поле за собой в направлении к аноду и препятствует переходу большей части горячих электронов в верхние долины. В результате увеличивается амплитуда волн пространственного заряда и соответственно амплитуда токовых колебаний, а также расширяется частотный диапазон.

Дополнительное выполнение под областью катода, инжектирующей ток высоколегированного n⁺⁺ слоя, с одной стороны способствует повышению КПД прибора, а с другой - увеличивает рабочий диапазон частот за счет снижения его нижней границы и увеличения рабочей частоты.

На фиг.1 изображено поперечное сечение высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - поперечное сечение высокочастотного прибора на эффект Ганна с высоколегированным n⁺⁺ слоем; на фиг. 4 - график зависимости распределения напряженности электрического поля по длине прибора с интервалом в 1 nc (1pS) (статический режим работы) под инжектирующей областью катода; на фиг.5 - график зависимости распределения концентрации носителей по длине прибора в полупроводнике с интервалом в 1pS (статический режим работы) под инжектирующей областью катода; на фиг.6 - график зависимости распределения концентрации носителей по длине прибора в L долине с интервалом 1pS (статический режим работы) под инжектирующей областью катода; на фиг.7 - график зависимости распределения концентрации носителей по длине прибора через 1/4 часть периода (динамический режим работы) под инжектирующей частью катода; на фиг.8 - график зависимости распределения напряженности электрического поля по длине прибора через 1/4 часть периода (динамический режим работы) под инжектирующей частью катода; на фиг.9 - график зависимости КПД прибора от частоты при температуре окружающей среды Т 77 К.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна (см.фиг.1) содержит активный слой 1 из полупроводникового материала данного типа проводимости, сформированных на нем с двух сторон полупроводниковых слоев 2 и 3 второго типа проводимости, сформированных на нем с двух сторон полупроводниковых слоев 2 и 3 второго типа проводимости, первого анодного контакта 4 и второго катодного контакта, расположенного напротив анодного контакта 4, и содержащего области 5, инжектирующие ток, и области 6, ограничивающие инжекцию тока. В высокочастотном приборе под областью катода 5, инжектирующей ток, может быть дополнительно сформирован высоколегированный n⁺⁺ слой 7 (см. фиг.3). Область ограничивающая инжекцию тока может быть выполнена в виде барьера Шотки, сформированного в углублении катодного контакта.

Работа высокочастотного прибора на эффекте Ганна происходит следующим образом. При подключении к прибору постоянного смещающего напряжения наблюдается следующая картина. 1. Исходя из того, что величина барьера Шотки 6 (см. фиг.1) выбрана так, что он не приводит ток даже без обратного смещения напряжения, т. е. закрыт и следовательно область, ограничивающая инжекцию тока становится непроводящей, и ток распространяется от области катода, инжектирующей ток к аноду; 2. Учитывают первый обобщенный закон Кирхгофа и то, что полый ток через боковые стенки прибора равен нолю (по условию задачи); 3. Кроме того, ток, втекающий в катод (состоящий из областей 5 инжектирующих ток и областей 6 ограничивающий инжекцию тока), в основном состоит из тока проводимости. Токами смещения и диффузии в первом приближении можно пренебречь. В конечном итоге мы фактически имеем в высокочастотном приборе ток проводимости, который втекает через инжектирующую ток область катода 5 и вытекает через анод 4.

Вследствие выбранного отношения инжектирующей ток части катода 5 и области катода 6, ограничивающей инжекцию тока, а также вследствие того, что в начальный момент времени после включения постоянного смещения проводимости σ в приборе и в частности в инжектирующей ток области катода изменяется незначительно, так как электроны находятся в центральной r долине полупроводника и инжекция проводящей части катода ограничена, то учитывая п.п. 1,2,3,4 электрическое поле вблизи границы инжектирующей ток области 5 катода будет значительно большим, чем у прианодной области и будет удовлетворять условию формулы (2).

Повышенное значение электрического поля у инжектирующей ток области катода приводит к появлению неподвижного прикатодного обогащенного слоя (ОС) и подвижного ОС (см.фиг.4,5) Электрическое поле в области нахождения неподвижного прикатодного ОС имеет пик К и пик Б в области расположения подвижного ОС (см.фиг.4).

Подвижный ОС (т.е. концентрация носителей) отделяется от неподвижного прикатодного ОС и на начальном участке пути растет, но при подходе к анодной области становится шире, уменьшаясь при этом по амплитуде.

Движение подвижного ОС характеризуется движением пика поля, максимум которого соответствует переднему фронту подвижного ОС и величина которого аналогично поведению распределения концентрации носителей (см. фиг.5), вначале пути возрастает, а при приближении к аноду уменьшается. Скорость носителей в области прикатодного неподвижного ОС у инжектирующей ток области катода имеет всплеск. В средней части прибора и в прианодной области скорость носителей значительно ниже из-за движущегося ОС.

Движение подвижного ОС, вследствие неодинаковых размеров проводящих областей у анода и катода прибора, распространяется после разогрева носителей l как вдоль, так и вширь прибора. При движении ОС от инжектирующей ток области катода к аноду он фактически проходит и поперечно расстояние, т.е. распространяется на всю ширину прибора.

Распространение ОС в поперечном направлении, как и в продольном, носит периодический характер, причем передний фронт ОС у ограничивающей ток области катода отстает по фазе от переднего фронта ОС под инжектирующей областью катода при распространении вдоль прибора. Это приводит в конечном итоге к уменьшению амплитуды ОС при приближении к анодной области, что способствует расширению частотного диапазона прибора.

После ухода подвижного ОС в анодную область в инжектирующей ток области катода не наблюдается новых подвижных ОС, которые характеризовались бы описанными пульсациями поля, концентрация свободных носителей. Значение тока также становится постоянным. Прибор находится в установившемся статическом режиме.

Прикладывают к прибору, который находится в установившемся статическом режиме кроме постоянного напряжения и переменное напряжение (рассматривается режим большего сигнала), которое как и постоянное напряжение одновременно приложено как к инжектирующим, так и к ограничивающим инжекцию областям катода. Зависимость во времени переменного напряжения определяется по формуле U_пер = - A.sin ω t, где А - амплитуда переменного сигнала; ω - круговая частота данного сигнала; t - время.

При понижении результирующего напряжения на приборе падает величина поля по всей активной области прибора, и в частности в области пика соответствующего прикатодному неподвижному ОС в инжектирующей области катода. Это приводит к всплеску скорости носителей в этой области, что в конечном счете приводит к зарождению подвижного ОС в средней части активной области прибора под инжектирующей частью катода. Данному ОС соответствует пик поля на зависимости распределения поля в приборе.

На зависимости распределения скорости носителей в высокочастотном приборе местоположение подвижного ОС соответствует значительному понижению скорости носителей.

С течением времени образовавшейся подвижный ОС при подходе к аноду разростается как вдоль прибора, так и в поперек, уменьшаясь при этом по амплитуде. После ухода в анод, подвижный ОС снова зарождается в области неподвижного катодного ОС, отрывается от него и двигается в направлении к средней части активной области прибора, т.е. к тому месту, где благодаря переменному напряжению первоначально после установившегося статического режиме возник подвижный ОС, увеличиваясь при этом по амплитуде.

Указанное выше перемещение подвижного ОС на полевой зависимости вдоль прибора (под инжектирующей частью катода) характеризуется движением возникшего в средней части активной области прибора пика поля, который при подходе к аноду разростается как вдоль прибора, так и поперек, уменьшаясь по амплитуде.

Далее пик поля, соответствующий подвижному ОС, снова возникает у инжектирующей части катода и продвигаясь к средней части активной области растет по амплитуде и распространяется одновременно поперек прибора. Скорость носителей вдоль прибора под инжектирующей частью катода непосредственно у катода имеет всплеск, так как здесь расположен неподвижный прикатодный ОС, а в остальной части активной области вдоль прибора скорость носителей падает, особенно в месте расположения подвижного ОС.

Несколько периодов воздействия внешнего переменного напряжения приводят к установлению динамического равновесия физических процессов в приборе, а именно к возникновению под инжектирующей часть катода подвижного ОС, который при движении в направлении к аноду сначала растет по амплитуде (см.фиг. 7), но при приближении к аноду амплитуда его падает и он одновременно при этом расширяется как вдоль, так и поперек прибора. Соответственно, при движении ОС вдоль прибора пик поля, соответствующий данному ОС, также будет зарождаться у неподвижного прикатодного пика поля, соответствующего неподвижному ОС. Далее, этот пик, двигаясь к аноду, сначала будет увеличиваться по амплитуде, но при приближении к аноду амплитуда пика поля начинает уменьшаться (см, фиг. 8). При этом идет расширение данного пика поля как вдоль прибора, так и поперек.

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

П р и м е р. Высокочастотные приборы на эффекте Ганна формировались на платине GaAs марки АГЧП. КонцентрацДия носителейл в активиной области прибора 7˙ 10¹⁵ см^-3.Длина активной области вдоль инжектирующей ток части катода 0,70 мкм. Концентрация в n⁺⁺ областях катода и анода прибора = 10¹⁸ см^-3. Толщина n⁺⁺ слоя в области катода 0,15 мкм; анода - 0,5 мкм. Глубина залегания области ограничивающей инжекцию тока 0,40 мкм. Угол наклона боковой стороны трапецеидальной выемки 75^о. Барьер Шотки в трапецеидальной выемке формировался путем напыления и вжигания Мо толщиной 3000оА и Au толщиной - 5000^оА. Температурный режим работы прибора 77 К. Частота работы 220 ГГц.

Формирование матричных областей катода инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока выполнены известными методами литографии и послойного формирования металлизации на основе например AuGe, Au, Ni, Mo. Динамический диапазон работы высокочастотного прибора на эффекте Ганна 160-240 ГГц (см. фиг.9).

Заявляемые высокочастотный прибор на эффекте Ганна с большим динамическим диапазоном частот при высоком КПД может найти применение в системах космической связи и радиолокации.

Формула изобретения

1. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИБОР НА ЭФФЕКТЕ ГАННА, содержащий активный слой полупроводникового материала n-типа проводимости, сформированные на нем с двух сторон полупроводниковые слои n-типа проводимости, анодный контакт и расположенный напротив него катодный контакт, содержащий инжектирующую и ограничивающую области с образованием матричной структуры, отличающийся тем, что ограничивающая область углублена в активный слой полупроводникового материала на глубину l, определяемую из соотношения:
l≥ ,
где Δ_rL - энергетический зазор между r и L долинами полупроводникового материала;
l - глубина залегания границы области катода, ограничивающей инжекцию тока;
q - заряд электрона;
E_ср - средняя напряженность электрического поля под инжектирующей областью катода на участке длиной l.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что под областью катода, инжектирующей ток сформирован высоколегированный N++ - слой.

РИСУНКИ

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