ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1994 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в технике связи, локации, медицинской технике, на его основе могут быть созданы усилители, генераторы, фотоприемники.

Известен полупроводниковый генератор, включающий две сильнолегированные области, между которыми расположена слаболегированная область из материала со сверхрешеткой, причем слои последней параллельны плоскостям раздела упомянутых областей, и контакты к сильнолегированным областям. Обладая отрицательным дифференциальным сопротивлением, такая структура может выполнять функции генератора СВЧ-сигнала.

Известен полупроводниковый генератор, включающий две сильнолегированные области, между которыми расположена слаболегированная область из материала со сверхрешеткой, причем слои сверхрешетки параллельны плоскостям раздела упомянутых областей и контакты к сильнолегированным областям (прототип). Доменизация электрического поля в такой структуре свидетельствует о том, что последняя может использоваться только как генератор СВЧ-сигнала, т. е. имеет ограниченные функциональные возможности. Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности выполнения генератором функций усилителя и фотоприемника.

Цель достигается тем, что в известном полупроводниковом генераторе, включающем структуру, содержащую две сильнолегированные области с электродами и слаболегированную область из материала со сверхрешеткой, сформированной между сильнолегированными областями, причем слои сверхрешетки параллельны плоскостям раздела упомянутых областей, согласно изобретению, упомянутая структура содержит два p-n перехода, плоскости которых параллельны слоям сверхрешетки, причем слаболегированная область снабжена электродом.

Докажем существенность признаков предлагаемого устройства. Два p-n перехода имеют следующее назначение. Один из p-n переходов смещается в обратном направлении, тем самым создавая электрическое поле в слаболегированной области, причем величина напряжения выбирается из расчета, чтобы электрическое поле простиралось или на всю ширину слаболегированной области или на ее часть. Второй p-n переход смещается в прямом направлении и обеспечивает монополярную инжекцию носителей. В зависимости от того, какая из зон, проводимости или валентная, имеет минизонную структуру, в слаболегированную область необходимо впрыскивать электроны или дырки, в соответствии с чем и осуществляется выбор типа структуры N⁺-p-N⁺ или P⁺-n-P⁺. Плоскости p-n переходов должны быть параллельны слоям сверхрешетки для того, чтобы направление электрического поля было строго перпендикулярно слоям сверхрешетки.

Электрод к слаболегированной области обеспечивает управление прямосмещенным p-n переходом меняя в зависимости от назначения прибора плотность тока в слаболегированной области. Кроме функции генератора СВЧ-сигнала с управляемой плотностью тока, этот прибор может быть использован и в качестве усилителя сигнала, как переменного, так и постоянного, а также в качестве фотоприемника, усилителя фотосигнала.

Таким образом, каждый из признаков необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели.

Докажем соответствие предложенного технического решения критерию "существенные отличия".

Предложенная совокупность признаков авторам из литературы не известна, хотя отдельные признаки были отражены в публикациях. Так в известной работе показано использование p-n перехода в p-i-n структуре, где i - слаболегированная область со сверхрешеткой. Однако этот признак в совокупности с другими, указанными в известной работе, не позволяет реализовать условия, необходимые для создания сильного электрического поля в слаболегированной области.

В другой известной работе показано использование электрода к слаболегированной области со сверхрешеткой. Этот признак в совокупности с другими позволяет производить модуляцию потенциального рельефа в сложной униполярной структуре, что приводит к подавлению туннелирования электронов.

В предложенной же совокупности признаков в результате их взаимовлияния друг на друга выявлены новые свойства, заключающиеся в возможности создания в слаболегированной области потока носителей в сильном электрическом поле, управлении этим потоком с помощью электрода к слаболегированной области и в возможности усиления фотосигнала, что приводит к положительному эффекту - расширению функциональных возможностей прибора. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена конструкция заявляемого полупроводникового генератора.

Генератор состоит из сильнолегированной области 1 (подложка), p-n перехода 2, слаболегированной области со сверхрешеткой 3, p-n перехода 4, сильнолегированной области 5, электродов к сильнолегированным областям 6 и 8 и электрода к слаболегированной области 7.

Генератор работает следующим образом.

К электродам 6 и 8 прикладывается постоянное или импульсное напряжение. При этом p-n переход 2 смещен этим напряжением в обратном направлении, а на электроды 8 и 7 подается напряжение, смещающее p-n переход 4 в прямом направлении. Этот переход обеспечивает инжекцию носителей в область 3. P-n переход 2, расширяясь под действием обратного напряжения охватывает область 3. Когда электрическое поле достигает значения, необходимого для локализации Ванье-Штарка, проводимость области 3 становится отрицательной, что обеспечивает работу прибора в качестве генератора сигнала. При этом уровень тока в приборе может быть изменен независимо от величины поля.

Режим усилителя.

Этот режим реализуется в условиях, близких к описанным выше, но при меньших значениях электрического поля. На электроды 8 и 7, кроме постоянного смещения подается и переменное напряжение, которое и усиливается прибором.

Режим фотоприемника.

К электродам 6 и 8 прикладывается постоянное или импульсное напряжение. Падающий свет через окно в электроде 8 поглощается в области 3. Носители соответствующего знака подходят к p-n переходу 4, индуцируя понижение барьера и соответствующую инжекцию в область 3 тока, усиленного в β раз, где β - коэффициент усиления по току прибора.

П р и м е р конкретного исполнения.

Полупроводниковый генератор выполнен на основе карбидкремниевой подложки n-типа проводимости с концентрацией N_d - N_a = 5 ^. 10¹⁸ см^-3 с базовой плоскостью, строго параллельной кристаллографической плоскости 0001. Размер подложки, являющейся сильнолегированной областью 1, 5 х 5 мм при толщине d₁ = 450 мкм. На базовой плоскости подложки расположен слой p-типа проводимости с концентрацией акцепторов N_a - N_d = 10¹⁷ см^-3, толщиной d₂ = 5 мкм, являющийся слаболегированной областью 3. На поверхности p-слоя расположен слой n-типа проводимости с концентрацией N_d - N_a = 10¹⁹ см^-3 толщиной d₃ = 1 мкм, который является сильнолегированной областью 5. Таким образом, структура имеет p-n переход 2 между областями 1 и 3 и p-n переход 4 между областями 3 и 5. Формирование профиля структуры производилось трехступенчатой фотолитографией. Электроды 6 и 8 изготовлялись термическим напылением Ni, а электрод 7 - термическим напылением Al.

Изготовленный генератор был опробован в качестве генератора, усилителя и фотоприемника.

Режим генератора.

На электроды 6 и 8 подавалось импульсное напряжение амплитудой 50 вольт. Ток через прибор составлял 5 мА. Вольт-амперная характеристика имела N-образный вид с перепадом тока более, чем на порядок.

Режим усилителя.

На электроды 6 и 8 подавалось импульсное напряжение до 100 В, а на электроды 7 и 8 вместе с постоянным смещением U = 2,5 В подавалось импульсное напряжение U = 1 В. Измерялся коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером, который составлял β = 5-10.

Режим фотоприемника.

На электроды 6 и 8 подавалось напряжение амплитудой до 100 В. Падающий свет УФ-диапазона проходил в окно в электроде 8, вызывая увеличение тока. Таким образом, предложенный генератор по сравнению с прототипом имеет более широкие функциональные возможности.

Дополнительным преимуществом данного генератора является возможность создания в слаболегированной области более высоких электрических полей по сравнению с прототипом. (56) Esaki L. and Chang L. L. New Transport Fenomenon in a Semiconductor "Superlattice". Phys. Rev. Letters, 33, N 8, 1974, pp. 495-498.

Vuong T. H. H. et al High-field transport in an InGaAs-InP superlattice grown by chemical beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. , v. 52, N 12, 1988, pp. 981-983.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в технике связи, локации, медицинской технике в качестве генератора, усилителя, фотоприемника. Сущность изобретения: полупроводниковая структура генератора содержит два p-n-перехода, плоскости которых параллельны слоям сверхрешетки слаболегированной области, причем последняя снабжена электродом. 1 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР на основе структуры, включающей две сильнолегированные области с электродами и слаболегированную область из материала со сверхрешеткой, сформированной между сильнолегированными областями, причем слои сверхрешетки параллельны плоскостям раздела упомянутых областей, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности выполнения функций усилителя и фотоприемника, структура включает два p - n-перехода, плоскости которых параллельны слоям сверх решетки, при этом слаболегированная область снабжена электродом.