СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННО-ПРОЛЕТНОГО ПРИБОРА Российский патент 1994 года по МПК H01L29/90 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в технике связи, включая СВЧ-диапазон, а также в радиотехнических устройствах различного назначения. На его основе могут быть созданы усилители, генераторы, ключи, селекторы импульсов.

Известна полупроводниковая структура [1] , включающая в себя две сильнолегированные области р-типа проводимости и расположенную между ними слаболегированную область n-типа проводимости и электроды к сильнолегированным областям. Такая структура ограничена в своих возможностях из-за сильного влияния объемного заряда. Она может работать только как генератор СВЧ-сигнала.

Известна также полупроводниковая структура, принятая за прототип [2] , включающая в себя две сильнолегированные области и расположенную между ними слаболегированную область, которая состоит из двух частей, различающихся степенью легирования, и электроды к сильнолегированным областям. Такая конструкция прибора повышает его выходную мощность как генератора-СВЧ сигнала, но не расширяет его функциональные возможности.

Целью изобретения является обеспечение возможности выполнения структурой инжекционно-пролетного прибора функций ключа и селектора импульсов.

Цель достигается тем, что в известной полупроводниковой структуре, включающей две сильнолегированные области и расположенную между ними слаболегированную область противоположного типа проводимости и электроды к сильнолегированным областям, согласно формуле изобретения, слаболегированная область снабжена электродом и содержит глубокую примесь, концентрация которой лежит в пределах 10¹²-10⁸ см^-3, а энергия ионизации Е_i 0,4 < <Е_i < 0,7 эВ.

Докажем существенность признаков устройства.

В условиях, когда время перезарядки глубокой примеси много больше длительности импульса напряжения, поданного на электроды с сильнолегированным областям, приложенное напряжение не оказывает влияния на высоту барьера р-n-перехода, для которого импульс напряжения является прямым и, следовательно, не вызывает инжекцию носителей из него в слаболегированную область. Для управления высотой барьера необходим электрод к слаболегированной области. Мы подаем на рассматриваемый электрод в зависимости от функции прибора импульс напряжения большей длительности чем время перезарядки глубокой примеси, или постоянное смещение. Пределы концентрации глубокой примеси выбраны из следующих соображений. Нижний предел 10¹² см^-3 является на сегодня нижним пределом контролируемого легирования полупроводников глубокими примесями и мы не можем настаивать на работоспособности предлагаемого прибора при меньших концентрациях легирования слаболегированной области. Верхний предел определяется тем обстоятельством, что увеличение концентрации свыше 10¹⁸ см^-3 приводит к повышению концентрации дефектов и центров рассеяния носителей в слаболегированной области.

Для обоснования существенности остальных признаков воспользуемся формулой для постоянной времени перезарядки [3]
τ= (σBT²)^-1 expE_i/kT В этой формуле величина В меняется в различных полупроводниках от 3 ˙ 10²¹ до 10²² см^-2 с^-1 К^-2, температура Т = 300 100 К. Выбор интервала энергий ионизации 0,4 < Е_i < 0,7 эВ определяется ограничением времени перезарядки. Если Е_i < 0,4 эВ, то время перезарядки будет меньше 10^-6 с, и это ограничит возможности прибора. Если E_i > 0,7 эВ, то время перезарядки превысит оперативное время 10^-2 с и прибор перестанет выполнять перечисленные выше функции.

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

Докажем соответствие заявленного технического решения критерию "существенные отличия". Заявленная совокупность признаков авторам из литературы не известна, хотя отдельные признаки были отражены в публикациях. Так в [4] показано использование слаболегированного слоя, легированного глубокой примесью. Но этот признак, находясь в совокупности с другими признаками, отличными от заявленных, приводит лишь к повышению эффективности генератора.

В заявленной же совокупности признаков в результате взаимовлияния их друг на друга выявлены новые свойства, заключающиеся в возможности модуляции высоты барьера n⁺-p (p⁺-n)-перехода и распространении импульсного электрического поля достаточно высокой однородности на всю ширину слаболегированной области, чувствительности процесса модуляции высоты барьера к длительности импульса, что приводит к положительному эффекту - расширению функциональных возможностей структуры. Таким образом заявленное техническое решение удовлетворяет критерию "существенные отличия".

На чертеже приведена конструкция структуры.

Полупроводниковая структура состоит из сильнолегированной области 1, слаболегированной области 2, сильнолегированной области 3 и электродов к ним 4, 5 и 6 соответственно.

Полупроводниковая структура работает следующим образом. К электродам 4 и 6 прикладывается импульсное напряжение с длительностью импульса примерно на порядок меньше времени перезарядки глубокого уровня такой полярности, что р-n-переход между областями 1 и 2 смещается в обратном направлении, а р-n-переход между областями 2 и 3 - в прямом.

Поскольку за время импульса перезарядки примеси не происходит, а концентрация свободных носителей столь низка (из-за большой энергии Е_i, электрическое поле, практически не уменьшаясь, распространяется на всю ширину области 2. Р-n-переход между областями 2 и 3 не открывается этим напряжением из-за того, что за время импульса глубокая примесь не успевает перезарядиться и высота барьера не уменьшается. Для уменьшения высоты барьера на электроды 5 и 6 необходимо подать импульсное напряжение большей длительности, чем время перезарядки глубокой примеси, или постоянное напряжение. Понижение барьера вызывает инжекцию носителей тока из области 3 в область 2, которые пролетают ее под действием поля и попадают в область 1. Данный инжекционно-пролетный режим обеспечивает работу структуры в качестве генератора и усилителя. Кроме того, структура может работать в качестве ключа. Пусть на структуру подано импульсное напряжение, приложенное к электродам 4 и 6. Структура будет находиться в закрытом состоянии до тех пор, пока на электроды 5 и 6 не будет подан импульс большой длительности, открывающий р-n-переход между областями 2 и 3.

Преимуществом структуры является то, что благодаря уменьшению высоты барьера независимым напряжением можно устранить отрицательное действие объемного заряда при протекании тока. В связи с чувствительностью структуры к длительности импульса, подаваемого на электроды 5 и 6, она может работать и в качестве селектора импульсов.

Пример конкретного исполнения.

Структура выполнена на основе карбидкремниевой подложки n-типа проводимости с концентрацией N_d - N_a ≈ (5-10) ˙ 10¹⁸ cм^-3 размером 5 х 5 х 0,5 мм, являющейся сильнолегированной областью 1. На подложке методом вакуумной эпитаксии был нарощен слой р-типа проводимости с концентрацией скандия N_a - N_d ≈ 10¹⁷ см^-3 толщиной 10 мкм в качестве слаболегированной области 2. Энергия ионизации скандия Е_i = 0,6 эВ. Сильнолегированная область 3 с концентрацией N_d - N_a ≈ 10¹⁹ см^-3 наращивалась также вакуумной эпитаксией. Металлизация электродов 4, 5 и 6 выполнялась вакуумным термическим напылением Ni и Al соответственно.

Изготовленная структура в качестве ключа и селектора импульсов.

Режим ключа.

На электроды 4 и 6 подавался импульс напряжением 100 В длительностью t = 10^-5 - 10^-7 с. Структура находилась в закрытом состоянии, пока на электроды 5 и 6 не подавался импульс амплитудой 3 В длительностью t = 10^-3 -10^-4 с. После этого структура открывалась, пропуская ток 100 мА.

Режим селектора импульсов.

На электроды 4 и 6 подавалось импульсное напряжение амплитудой 10-100 В. На электроды 5 и 6 подавалось импульсное напряжение амплитудой 3 В длительностью t = ∞ - 10⁷ с. Переход структуры в открытое состояние происходил при длительностях импульса, поданного на электроды 5 и 6, t ≥ 10^-4 с, т. е. импульсы с длительностью t < 10^-4 с отфильтровывались структурой. Дополнительным преимуществом данной структуры является то, что при ее изготовлении могут быть использованы в качестве материала для слаболегированной области более дешевые, чем в прототипе, материалы, например, с более высоким содержанием примеси. (56) J. L. Chu, G. Persky and M. S. Sze. Thermionic injection and spacecharge-limited current in reach through p-n-p structures. J. Appl. Phys. , 1972, v. 43. 8, pp. 3510-3515.

2. Nguyen-Ba H. , Haddad G. I. Effects of Doping Profile on the Perfomance of Baritt Devices. IEEE Tras. Electr. Devices, 1977, Ed-24, 9, p. 1154-1163.

3. Л. С. Берман. Емкостные методы исследования полупроводников. Ленинград, 1972.

4. O. Eknoyan, E. S. Yang, S. M. Sze. Multilayered ion-implanted baritt diodes with impruved efficiency. Solid State Electron, 1977, 20, 291-294.

Применение: изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в технике связи, включая СВЧ-диапазон, а также в радиотехнических устройствах различного назначения. Сущность изобретения: прибор имеет значительно более широкие возможности за счет использования его не только в качестве генератора, но и ключа и селектора импульсов. Это достигается выбором материала с определенными параметрами для слаболегированной области и введением дополнительного электрода к этой области. 1 ил.

СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ИНЖЕКЦИОННО-ПРОЛЕТНОГО ПРИБОРА, включающая две сильнолегированные области и расположенную между ними слаболегированную область противоположного типа проводимости и электроды к сильнолегированным областям, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения возможности выполнения функции ключа и селектора импульсов, слаболегированная область снабжена электродом и содержит глубокую примесь, концентрация которой лежит в пределах 10¹² - 10¹⁸ см^-3, а энергия ионизации 0,4 < E_i < 0,7 эВ.