ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР НА ЭФФЕКТЕ ГАННА Российский патент 1996 года по МПК H01L47/02 

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 вследствие недостаточного разогрева носителей, обусловленного большой зоной начального разогрева носителей ("мертвой" зоной), а также недостаточным теплорассеиванием выделяющегося при работе прибора тепла. Дальнейшее увеличение рабочей частоты прибора, а также расширение его частотного диапазона может быть осуществлено при обеспечении дополнительного разогрева носителей в прикатодной области приборов типа диодов Ганна, а также при увеличении теплопотока через прибор.

Известен прибор диод Ганна, в котором задача расширения частотного диапазона частично решена [1]
Указанный диод Ганна состоит из полупроводниковой подложки n⁺-типа проводимости, на которую нанесен первый полупроводниковый слой n-типа проводимости, и на этот первый полупроводниковый слой нанесен второй полупроводниковый слой n⁺⁺-типа проводимости, причем этот второй слой наносится только в центральной части первого полупроводникового слоя. На подложке формируется электрод анода прибора, а на локальном втором полупроводниковом слое электрод катода.

За счет локального выполнения второго полупроводникового слоя n⁺⁺-типа проводимости при подаче смещения между анодом и катодом прибора электрического поля, образующееся в первом полупроводниковом слое n-типа проводимости концентрируется вблизи поверхности соединения с локально нанесенным вторым полупроводниковым слоем. В результате в месте контакта первого и второго полупроводниковых слоев напряженность электрического поля выше по сравнению с плоским контактированием этих полупроводниковых слоев. При инжекции носителей из электрода катода полупроводникового прибора в область локального контакта первого и второго полупроводниковых слоев носителя сразу попадает в область повышенной напряженности электрического поля (по сравнению со средним значением напряженности электрического поля в первом полупроводниковом слое n-типа проводимости). Это приводит к дополнительному разогреву носителей, и соответственно к частичному расширению частотного диапазона работы диода Ганна.

Существенным недостатком указанной конструкции диода Ганна является невысокое теплорассеивание вследствие локальной области контакта второго полупроводникового слоя с первым полупроводниковым слоем, что приводит к тому, что такая конструкция не может быть применена для мощных приборов на эффекте Ганна. Локальное контактирование второго полупроводникового слоя n⁺⁺-типа проводимости и первого полупроводникового слоя n-типа проводимости приводит к тому, что сразу за границей раздела областей контактирования вглубь прибора ток растекается, при этом напряженность электрического поля падает, и соответственно увеличивается "мертвая" зона прибора, а рабочая частота уменьшается.

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, который содержит совместно, первые области, способные инжектировать ток в прибор и совместно вторые области, образующие выпрямляющие контакты с активной областью, причем первая и вторые области расположены на поверхности активной области напротив первого анодного контакта и образуют мозаичную структуру [2]
Конфигурация областей катода по прототипу, инжектирующих ток и ограничивающих инжекцию тока обеспечивает такие условия, что фронт тока распространяется но все стороны от инжектирующей поверхности катода. Учитывая расстекание тока непосредственно за областью катода, инжектирующей ток, и в соответствии с первым законом Кирхгофа для тока в приборе, в начальный момент времени напряженность электрического поля ненулевая под областью катода, инжектирующей ток, однако имеет падающий участок, что приводит к увеличению "мертвой" зоны прибора. 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.

Выполнение инжектирующей ток части прибора в виде диска по прототипу имеет большое тепловое сопротивление растекания, что не позволяет применять такую конструкцию для изготовления мощных высокочастотных приборов на эффекте Ганна.

Технический результат изобретения расширение частотного диапазона работы прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в высокочастотном приборе на эффекте Ганна, содержащем полупроводниковый материал n-типа проводимости со сформированными на нем полупроводниковыми слоями n⁺⁺-типа проводимости со стороны анодного контакта и n⁺-типа со стороны катодного контакта, первого анодного контакта и второго катодного контакта, расположенного напротив анодного контакта, содержащего область инжектирующие ток и ограничивающие инжекцию тока в прибор, согласно изобретению области инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор выполнены кольцевыми, причем область, инжектирующая ток, окружена кольцевыми областями, ограничивающими инжекцию тока в прибор, и внутренний диаметр внутренней кольцевой области является проекцией цилиндрического отверстия, проходящего через высокочастотный прибор перпендикулярно его основанию. Кроме того, цилиндрическое отверстие заполнено диэлектрическим материалом с большим коэффициентом теплопроводности, чем у материала полупроводника.

Кроме того, цилиндрическое отверстие заполнено i-слоем полупроводникового материала.

Кроме того, ограничивающая инжекцию тока в прибор область выполнена в виде барьера Шоттки.

Кроме того, ограничивающая инжекцию тока в прибор область выполнена из электрического теплопроводящего материала.

Кроме того, инжектирующая и ограничивающая инжекцию тока в прибор области разнесены вдоль прибора на расстояние l, выбираемое из условия
l ≥ где Δ_ГL энергетический зазор между Г и L долинами полупроводникового материала,
q заряд электрона,
Е_ср средняя напряженность электрического поля на участке l.

Кроме того, соотношение площадей областей ограничивающих инжекцию тока и инжектирующих ток в прибор выбирается из условия
S: S_ок: S= R-h^ок- hR- h:R+ h где SиS площади первой и второй областей катода, ограничивающих инжекцию тока в прибор;
S_ок площадь области катода инжектирующей ток в прибор; а
0,06 l_y < h^ок < 0,38l_y
0,62 l_y < h^БЩ < 0,94 l_y
l_x l_y (2-1):1
l_x= где R внешний радиус среднего кольца области, инжектирующей ток,
h^БЩ толщина внутреннего и внешнего колец области, ограничивающей инжекцию тока,
h^ок толщина среднего кольца области инжектирующей ток в прибор,
l_x длина активной области прибора,
l_y ширина ячейки катода прибора,
V_ср средняя скорость носителей в активной области прибора.

Кроме того, в качестве полупроводникового материала выбран GaAs.

Кроме того, внутренний радиус кольцевой области, ограничивающей инжекцию тока равен нулю.

В работе Г.А. Вугальтер, Г.Л. Гуревич, М.А. Китаев, А.Л. Коган, В.А. Оболенский "Усилительные диоды Ганна", Обзоры по электронной технике, сер. 1. Электроника СВЧ, вып. II(388), 1976 г. утверждается, что эффективное снижение теплового сопротивления растекания R_п диода Ганна на теплоотводе может быть достигнуто путем изготовления активной области катода диода в виде вытянутого прямоугольника со сторонами Z и Z₁ (Z > Z₁)
R_п≈ (1) где К_т теплопроводность материала теплоотвода.

В данной работе (см. Вугальтер Г.А. и др.) получено отношение R_п/R_D(R_D тепловое сопротивление растекания диода Ганна, активная область которого на теплоотводе выполнена в виде диска), которое при равных полезных площадках данных диодов определяется следующим соотношением
4• (2) Такой прием особенно эффективен при создании диодов Ганна мм диапазона, для которых сопротивление растекания определяет полное сопротивление прибора. Модификацией такого диода является диод с кольцевым сечением при условии, что радиус кольца намного превышает его толщину. Тепловое сопротивление данного диода R_т будет не намного превышать величину теплового сопротивления растекания, определяемую формулой (1), если принять равными толщину кольца и полоски соответственно. В работе (см. G. Gibbons, T. Misawa "Temperature and current distribution in an avalanching p-n junction", Solid-State Electronics, vol.11, N 11, 1968, рр. 1007-1014) показано, что диод с кольцевым сечением по сравнению с диодом с сечением в виде диска (при условии равных их площадей сечения) имеет меньшее тепловое сопротивление растекания и меньшую неоднородность тока вдоль сечения. Сильная неоднородность тока в диоде с дисковой структурой катода приводит к ухудшению эффективности данного прибора, так как если данный диод мысленно нарезать на сегменты, то каждый сегмент диода будет фактически иметь свою оптимальную частоту, что в совокупности даст худшую эффективность прибора по сравнению с той, которая была бы в случае равномерного распределения тока вдоль сечения рассматриваемого диода. Меньшее тепловое сопротивление растекания в диоде с кольцевым сечением по сравнению с диодом с сечением в виде диска (при условии их равных площадей сечения) указывает на то, что данный диод может рассеивать большее количество тепла в активной области, что приводит в конечном итоге к понижению температуры решетки диода в данной области. Указанное понижение температуры решетки в активной области диода, в свою очередь, приводит к расширению частотного диапазона работы прибора.

Последующей модификацией диода с кольцевым сечением является тот же диод с кольцевым сечением, но катод которого уже состоит не из одного проводящего ток кольца, а из трех взаимосвязанных находящихся в одной плоскости колец. Среднее кольцо является также проводящим ток и равным по площади кольцу из предыдущей конструкции диода Ганна с катодом, инжектирующим ток, выполненным из одного кольца. Два соседних кольца окружают область катода, инжектирующую ток, и являются теплопроводящими, но не проводящими ток (т.е. областями ограничивающими инжекцию тока в прибор).

Тепловое сопротивление растекания диода, катод которого состоит из трех рассмотренных выше колец будет меньше, чем в диоде, катод которого состоит из одного проводящего кольца (площади проводящих колец в обоих случаях равны), так как тепловой поток, втекающий через проводящую часть катода в область полупроводника, будет иметь большую радиальную составляющую теплового потока в полупроводнике, что приводит к уменьшению теплового сопротивления растекания полупроводника. Указанное изменение влечет уменьшение теплового сопротивления растекания рассматриваемого диода, так как тепловое сопротивление растекания полупроводника является составляющим последнего. Уменьшение теплового сопротивления растекания диода с кольцевым сечением, состоящим из трех взаимосвязанных колец по сравнению с диодом с кольцевым сечением, состоящим из одного проводящего кольца, приводит (по тем же причинам, которые рассматривались ранее) к расширению частотного диапазона работы прибора.

На основе вышеизложенного материала установлена связь между тепловыми сопротивлениями растекания диода с дисковой структурой катода и диода с кольцевой структурой катода, состоящего из трех взаимосвязанных колец при условии, что площади проводящего кольца и диска в соответствующих диодах равны. В работе G.T. Culbertson, H.L. Stover "Theoretical Solutions of The Thermal Spreading Resistance of Ring-Geometry Diodes, IEEE Trans, on Electron. Devices, August, 1972, рр. 986-988 можно установить взаимосвязь между тепловыми сопротивлениями растекания диода с дисковой структурой катода и диода с кольцевой структурой катода, состоящего из трех взаимосвязанных колец при условии, что внешний диаметр диода с дисковой структурой катода и внешний диаметр проводящего кольца диода с кольцевой cтруктурой катода, состоящего из трех взаимосвязанных колец, равны. Такой переход несколько ухудшает взаимоотношение тепловых сопротивлений растекания диода с кольцевой структурой катода, состоящего из трех взаимосвязанных колец по отношению к катоду с дисковой структурой катода в сравнении с аналогичным отношением, но при равных площадях областей, хотя в обоих случаях тепловое сопротивление растекания диода с дисковой структурой катода остается больше теплового сопротивления растекания диода с кольцевой структурой катода, состоящего из трех взаимосвязанных колец.

Итак, предложено два варианта конструкции диода с кольцевой структурой катода, состоящего из трех взаимосвязанных колец. В первом варианте площади диска диода с дисковой структурой катода и проводящего кольца диода с кольцевой структурой катода, состоящего из трех взаимосвязанных колец, равны. Во втором варианте диаметр диска диода с дисковой структурой катода и внешний диаметр проводящего кольца диода с кольцевой структурой катода, состоящего из трех взаимосвязанных колец, равны. В обоих вариантах тепловое сопротивление растекания прибора меньше, чем тепловое сопротивление растекания диода с дисковой структурой катода, причем в обоих вариантах внешний диаметр проводящего кольца должен быть гораздо больше его толщины. Необходимо заметить также, что рассматриваемые выше тепловые процессы в диодах относятся как к лавинно-пролетным диодам, так и к диодам Ганна, у которых значительные поля расположены более у катодного контакта, чем у анодного.

При заполнении цилиндрического отверстия высокочастотного прибора на эффекте Ганна i-слоем полупроводникового материала тепловое сопротивление диода уменьшится. Это связано с большей теплопроводностью i-слоя полупроводникового материала по сравнению с n-типом полупроводникового материала (см. Г. А. Вульгальтер и др. "Усилительные диоды Ганна". Обзоры по электронной технике. Сер. I. Электроника СВЧ, вып. II(388), с. 41).

При заполнении цилиндрического отверстия высокочастотного прибора на эффекте Ганна диэлектрическим материалом с большим коэффициентом теплопроводности приводит к снижению общего теплового сопротивления высокочастотного прибора. Таким материалом может быть, например, ВN, у которого коэффициент теплопроводности λ равен λ_BN 0,8 Вт/(см · К), тогда как у GaAs λ_GaAs 0,54 Вт/(см · К) (см. Справочник С.С. Стрельченко, В.В. Лебедев. Соединения А³В⁵, Москва: Металлургия, 1984, с. 52-53).

Кроме BN может быть использована алмазная пленка, осажденная, например, из газовой среды углеродосодержащих соединений.

Выполнение инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока в прибор областей на расстояние l друг от друга вдоль прибора выбирается из следующих соображений: такая длина полупроводникового прибора под инжектирующей ток частью катода обеспечивает условия, когда электроны набирают энергию, достаточную для перехода из Г долины в L долину. Тогда это соответствует неравенству E_ср·ql≥Δ_ГL, отсюда следует, что
l≥ (3) где Δ_ГL энергетический зазор между Г и L долинами полупроводникового материала;
q заряд электрона;
Е_ср средняя напряженность электрического поля под инжектирующей частью катода на участке l,
l расстояние, на которое разнесены вдоль прибора области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор.

Таким образом, расстояние l фактически равно расстоянию под инжектирующей ток областью катода, на котором электроны набирают энергию Δ_ГL.

Выполнение в высокочастотном приборе области, ограничивающей инжекцию тока в прибор из диэлектрического теплопроводящего материала приводит к увеличению напряженности электрического поля у инжектирующей ток части катода, что приводит к уменьшению "мертвой" зоны высокочастотного прибора, и соответственно к расширению его частотного диапазона.

Нулевая плотность тока на диэлектрической границе катода и ток через прибор в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется нормальной составляющей среднего поля ЕсрK

вдоль инжектирующей ток части катода и площадью инжектирующей ток части катода S_К:
I σ · S_K · EсрК, где σ проводимость области.

Среднее нормальное поле ЕсрК

у инжектирующей ток части катода в начальный момент времени после включения определяется из следующего соотношения
EсрК ≈ EсрA где S_A площадь анода;
ЕсрА нормальная составляющая среднего поля вдоль анодного контакта.

Определим отношение площадей колец высокочастотного прибора на эффекте Ганна, в совокупности представляющих кольцевой катод указанного прибора, т. е. S S_OK S.

S= 2R-h^ок- h^БШ площадь внутреннего кольца катода в рассматриваемом диоде Ганна (ДГ);
S_ок= 2R- h^ок площадь среднего кольца в рассматриваемом ДГ;
S= 2R + h^БШ площадь внешнего кольца катода в рассматриваемом приборе, где h^БЩ толщина внутреннего и внешнего колец области, ограничивающей инжекцию тока;
h^ОК толщина среднего кольца области инжектирующей ток в прибор;
R внешний радиус среднего кольца области, инжектирующей ток.

Определим диапазон изменений следующих параметров: R, h^OK, h^БШ.

Учитывая график зависимости f (случай равных внешних диаметров диодов) (см. работу G.T. Culbertson, H.L. Stover "Theoretical Solutions for the Thermal Spreading Resistance of Ring Geometry Diode" IEEE Trans. on Electron Devices. August, 1972, pp. 986-988), где R_тDISK тепловое сопротивление диода Ганна с дисковой структурой катода, радиус которого R, R_Tring тепловое сопротивление диода Ганна с кольцевой структурой катода, внешний диаметр которого 2R, внутренний -2b, причем в нашем случае R_Tring касается среднего кольца высокочастотного прибора на эффекте Ганна, катод которого представляет собой кольцевую структуру, состоящую из трех взаимосвязанных колец.

Выберем соотношение b/R в виде неравенства b/R > 0,96. Такой прибор неравенства дает возможность удовлетворить условие: длина проводящей полоски (или кольца) должна быть гораздо больше его толщины, следовательно оправдывает приближенность зависимостей для S_БШ1, S_БШ2 и S_OK.

С другой стороны, на основе указанной выше графической зависимости f с учетом неравенства b/R >0,96 имеем 0,75 что подтверждает эффективность использования высокочастотного прибора на эффекте Ганна с кольцевой структурой катода по сравнению с прибором с дисковым катодом при условии равенства их внешних диаметров.

Определим ограничения на параметр R• > 0,96, тогда b > 24 · h^OК и имеем
R b + h^OK > 24 · h^OK + h^OK 25 ·h^ОК (4)
Рассмотрим часть сечения диода Ганна с кольцевой структурой катода. На основе численных расчетов указанной области диода Ганна, было получено соотношение
0,06 l_y < h^ОК < 0,38 l_y, (5) где l_y= + (6) удовлетворение которого позволяет иметь повышенное значение продольного поля у проводящей части катода.

Данный диапазон изменения толщины проводящего кольца "островкового" катода (ОК) (инжектирующей ток области катода) при условии, что h^OK + h^БШ 2 · l_y const, был сделан на основании следующих эффектов, полученных численным путем: 1) при увеличении величины h^OK (при условии, что h^OK + h^БШ 2l_y const) продольная составляющая поля у проводящей ток части катода, имеющего кольцевую структуру, уменьшается, являясь причиной уменьшения величины как неподвижного пика поля у проводящей части катода, так и подвижного пика поля; 2) при увеличении величины h^ОК (при условии, что h^OK + h^БЩ 2l_y const) продольная составляющая поля у ограничивающей ток части катода, имеющего кольцевую структуру не изменяется.

В рассматриваемом диапазоне изменения параметра h^OK продольное поле непосредственно под проводящей ток частью катода значительное, что приводит, в конечном счете, к незначительной величине "мертвой" зоны под данной частью катода. Выход h^OK за указанный выше диапазон изменения приводит к значительному ухудшению эффективности данного прибора.

На основе соотношений (5) и (6) имеем следующее неравенство
0,62l_y < h^БШ < 0,94 l_y (7)
Cоотношения (5) и (7) определяют диапазон изменения исходных параметров h^OK и h^БШ при условии известного диапазона изменения параметра l_y.

Для произвольно взятой длины активной области кольцевого диода с "островковым" контактом (КДОКа) l_x будем изменять величину l_y, при этом положим, например: h^OK 0,2l_y. Рассмотрим изменение в следующем диапазоне с l_x l_y 2:1 до l_x l_y 1:1. 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 благодаря инжекции носителей из-под омической части катода в область, расположенную под барьерной частью катода. При увеличении длины катода наблюдается падение продольной составляющей 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 к уменьшению зоны начального разогрева под барьерной областью катода. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению эффективности омической части КДОКа и к увеличению эффективности барьерной части КДОКа, что в конечном итоге приводит к незначительному падению эффективности КДОКа (не более 6% ). Но такое положение вещей не сохраняется во всем рассматриваемом диапазоне отношения длины катода l_y к длине активной области КДОКа l_x. После некоторого значения длины катода l_y (в данном случае l_y l_x) 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 КДОКа. Указанный факт объясняется тем, что для инжекционных носителей из-под омической части катода под барьерную часть катода существует оптимальное распределение поля вдоль КДОКа под барьерной частью катода с точки зрения эффективности прибора. Исходя из вышеизложенного логично выбрать отношение длины активной области прибора l_x к длине катода l_y в диапазоне
l_x l_y (2-1):1. (8)
Чтобы окончательно определить диапазон изменения указанных выше параметров R, h^OK и h^БШ заметим, что длина активной области прибора l_xопределяется его пролетной частотой f, т.е.

l_x= где v_ср средняя скорость носителей в активной области прибора.

На фиг. 1 изображен предлагаемый прибор на эффекте Ганна; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение высокочастотного прибора на эффекте Ганна с разнесенными вдоль прибора инжектирующей и ограничивающей инжекцию тока в прибор областями; на фиг. 4 часть сечения высокочастотного прибора с кольцевым катодом.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна содержит активный слой 1 из полупроводникового материала n-типа проводимости, сформированных на нем с двух сторон полупроводниковых слоев 2 и 3 n⁺⁺ и n⁺ типа проводимости соответственно, анодного контакта 4 и катодного контакта, расположенного напротив анодного контакта 4, и содержащего кольцевую область 5 инжектирующую ток и две других кольцевых областей 6 и 7, ограничивающих инжекцию тока в прибор и окружающие инжектирующую область 5. Между полупроводниковым n-слоем 1 и n⁺⁺-слоем 2 выполнен буферный слой n+б

8. Внутренний диаметр кольцевой области 6 является проекцией цилиндрического отверстия 9, проходящего через высокочастотный прибор перпендикулярно его основанию, которое заполнено i-слоем полупроводникового материала (или в варианте выполнения диэлектрическим материалом с большим коэффициентом теплопроводности, чем у полупроводникового материала 1). Прибор расположен на теплоотводе 10 и имеет с ним тепловой контакт.

Работа высокочастотного прибора на эффекте Ганна происходит следующим образом. При подключении к прибору постоянно смещающего напряжения наблюдается следующая картина. В начальный момент времени при подключении к диоду с кольцевой структурой катод (КДОК), катод которого состоит из трех взаимосвязанных колец, среднее из которых инжектирует ток в прибор и окружено двумя другими кольцами, ограничивающими инжекцию тока в прибор (т.е. эти кольца являются электродами обратносмещенных барьеров, режим которых выбран так, что ток через них не идет), постоянного напряжения, нормальная составляющая поля у границы проводящей части 5 катода будет гораздо больше, 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) полный ток через боковые стенки прибора равен нулю; 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 инжектирующей ток части катода к общей ширине катода составляет ≈ 10% 5) в начальный момент времени после включения постоянного напряжения проводимость δ 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_K · EсрК

, (9) где EсрК нормальная составляющая среднего поля вдоль инжектирующей ток части катода;
S_K площадь инжектирующей ток части катода.

На основании вышеизложенного вытекает тот факт, что среднее нормальное поле ЕсрК

у инжектирующей ток части катода в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется следующим образом
Eсрк ≈ EсрA (10) где S_A площадь анода 4;
ЕсрА нормальная составляющая среднего поля вдоль анодного контакта.

Повышенное значение поля у проводящей части КДОКа в начальный момент времени после включения постоянного напряжения приводит к появлению неподвижного прикатодного обогащенного слоя (ОС) и подвижного обогащенного слоя. Указанным ОС соответствуют пики поля в приборе. Подвижный ОС, отделившись от неподвижного прикатодного ОС в начале 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 КДОКе в соответствии с распределением поля в установившемся режиме в начале активной области прибора имеет всплеск, который быстро спадает при продвижении к аноду как результат активных Г-L переходов. После ухода подвижного ОС в анодную область, в активной области прибора под проводящей частью катода не наблюдается новых подвижных ОС, которые бы характеризовались описанными выше пульсациями поля, концентрации свободных носителей. Значение тока также становится постоянным.

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

Зависимость во времени переменного напряжения определяется по формуле
U_пер A · sin ω t, 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 ток областью катода. Это приводит к зарождению подвижного ОС в середине активной области прибора под инжектирующей ток частью катода. 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 подвижный ОС снова зарождается в области неподвижного катодного ОС, отрывается от него и движется к середине активной области КДОКа, увеличиваясь по амплитуде. Указанное выше описание перемещения подвижного ОС, характеризуется движением пика поля вдоль прибора под инжектирующей ток частью катода, возникающего 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 и, продвигаясь к середине 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 подвижного ОС, который при движении в направлении к аноду сначала растет по амплитуде, но при приближении к аноду становится шире, уменьшаясь по амплитуде.

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

В результате исследования "островковой" структуры катода, рассматриваемого диода, у инжектирующей ток части катода наблюдаются повышенные значения полей, которые в конечном итоге приводят также к расширению частотного диапазона прибора.

Необходимо также отметить, что выбор расположения инжектирующей и ограничивающей инжекцию тока в прибор областей, когда инжектирующая область катода окружена кольцевыми областями, ограничивающими инжекцию тока, выполнен для того, чтобы исключить прохождение тока по краям диода, особенно в области катода, где независимо от расположения обратносмещенного барьера Шоттки, наблюдаются большие поля, что в конечном итоге при наличии подвижных носителей приводит к пробою диода. Именно наличие в этих частях катода заявляемого прибора обратносмещенного барьера Шоттки, окружающего инжектирующую область катода и режим которого (барьера Шоттки) выбран таким образом, что практически исключает прохождение тока, увеличивает пробойное напряжение рассматриваемого прибора на эффекте Ганна, что в конечном счете приводит к повышению надежности прибора.

Пример конкретного выполнения.

В качестве полупроводникового материала использовались подложки GaAs марки ЭСАГ толщиной 250 мкм кристаллографической ориентации (100) со структурой n⁺⁺-n_б-n, причем концентрация носителей в n⁺⁺ слое области со стороны анодного контакта составляет 4 ·10¹⁸ см^-3, концентрация в буферном слое n_б 1 · 10¹⁷ см^-3, концентрация в n-слое 7 · 10¹⁵ см^-3и концентрация в n⁺ области со стороны катодного контакта под областью, инжектирующей ток, 1 · 10¹⁸ cм^-3. Толщина n-слоя 1 мкм. Формирование кольцевых областей катода прибора, инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока, выполнены известными методами литографии и послойного формирования металлизации на основе композиций AuGe (88% Au, 12% Ge), Au, Ti, Mo и(или) их нитридов, боридов. Перед нанесением фоторезиста ФП-383 пластины обезжиривались кипячением в изопропиловом спирте 3-5 мин. Фоторезист на пластину наносился центрифугированием. Толщина слоя фоторезиста составляла 1,3-1,5 мкм. Сушка фоторезиста осуществлялась в ИК-камере при 65-75^оС. Затем осущетвлялось формирование кольцевых областей инжектирующих и ограничивающих инжекцию тока.

Цилиндрическое отверстие, проходящее через высокочастотный прибор так, что проекция отверстия определяет внутренний диаметр внутренней кольцевой области, формируют с помощью ионно-плазменного травления. Далее в полученное отверстие методом молекулярно-лучевой эпитаксии осаждали i-слой полупроводникового материала с концентрацией n_i 10¹⁴см^-3.

Температурный режим работы заявляемого высокочастотного прибора 300 К. Частота внешнего сигнала f 100 ГГц и средняя скорость носителей в полупроводнике v 10⁷ см/с.

Определим топологию высокочастотного прибора на эффекте Ганна.

Определяем длину активной области прибора l_x= ≈ 1 мкм. Из оптимального соотношения полученного расчетным путем следует, что l_y l_x. Пусть толщина кольцевой области ограничивающей инжекцию тока в прибор h^БШ равна
h^БШ 0,8 l_y 0,8 · 1 (мкм) 0,8 (мкм).

Тогда толщина кольцевой области инжектирующей ток в прибор определяется следующим образом
h^ОК l_y h^БШ 0,2 мкм и внешний радиус среднего кольца области, инжектирующей ток
R > 25h^ОК 25 · 0,2 5 мкм.

По варианту выполнения высокочастотного прибора цилиндрическое отверстие заполняется теплопроводящим диэлектрическим материалом BN, нанесенным методом электронно-лучевого испарения.

Области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока, по варианту выполнения разнесены вдоль прибора на расстояние l, определяемое из условия
l ≥ 0,35•10^-6 м 0,35 мкм
Рабочая частота высокочастотного прибора на эффекте Ганна 100 ГГц, КПД ≈ 3%
Заявляемый высокочастотный прибор на эффекте Ганна может найти применение в системах связи и радиолокации.

Использование: в электронной технике, а именно в полупроводниковых приборах на основе переноса электронов, например в приборах для генерирования СВЧ-колебаний. Сущность изобретения: высокочастный прибор на эффекте Ганна содержит полупроводниковый материал n-типа проводимости со сформированными на нем полупроводниковыми слоями n-типа проводимости со стороны анодного контакта и n^+ +-типа со стороны катодного контакта, расположенного напротив анодного контакта, содержащего области, инжектирующие ток и ограничивающие инжекцию тока в приборе, выполненные кольцевыми, причем инжектирующая область окружена кольцевыми областями, ограничивающими инжекцию тока в приборах, и внутренний диаметр внутренней кольцевой области является проекцией цилиндрического отверстия, проходящего через высокочастотный прибор перпендикулярно его основания. 8 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР НА ЭФФЕКТЕ ГАННА, содержащий полупроводниковый слой n-типа проводимости, расположенные друг напротив друга анодный и катодный контакты, катодный контакт содержит области, инжектирующие ток, n⁺-типа, окруженные областями, ограничивающими инжекцию тока, отличающийся тем, что со стороны анодного контакта сформированы дополнительные полупроводниковые слои n⁺- и n^+ +-типа проводомости, а со стороны катодного контакта слой - n⁺-типа проводимости, области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор, выполнены кольцевыми, а в центре структуры прибора выполнено цилиндрическое отверстие, проекция которого совпадает с внутренней окружностью внутренней кольцевой области, и образующая цилиндра перпендикулярна каждому из слоев. 2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что ограничивающие инжекцию тока в прибор области выполнены в виде барьеров Шоттки. 3. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что ограничивающие инжекцию тока в прибор области выполнены из диэлектрического материала. 4. Прибор по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что ограничивающая инжекцию тока область углублена в активный слой полупроводникового материала на глубину l^*, определяемую из соотношения

где Δ_ГL энергетический зазор между Γ и L долинами полупроводникового материала, Дж;
g - заряд электрона, К;
E_с р - средняя напряженность электрического поля под инжектирующей областью катода на участке длиной l^*, В/м. 5. Прибор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что соотношение площадей областей, ограничивающих инжекцию тока в прибор и инжектирующих ток, выбраны из условия

где - площади первой и второй областей катодов соответственно, ограничивающих инжекцию тока в прибор;
S_о к - площадь области катода, инжектирующей ток в прибор;
h^о к, h^б ш определяются из условий
0,06•l_y< h^ок < 0,39•l_y;
0,62 • l_y < h^Б Ш < 0,94 • l_y;
l_x : l_y = 2 - 1 : 1;
l_x = v_с р / f,
где R - внешний диаметр среднего кольца области, инжектирующей ток в прибор, м;
h^Б Ш - толщина внутреннего и внешнего колец областей, ограничивающих инжекцию тока, м;
h^о к - толщина среднего кольца области, инжектирующей ток в прибор, м;
l_x - длина активной области прибора, м;
l_y - ширина ячейки катода прибора, м;
v_с р - средняя скорость носителей в активной области прибора, м/с;
f - частота внешнего сигнала, Гц. 6. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового материала выбран GaAs. 7. Полупроводниковый прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый слой n-типа проводимости, расположенные друг напротив друга анодный и катодный контакты, катодный контакт содержит области, инжектирующие ток, n⁺-типа, окруженные областями, ограничивающими инжекцию тока, отличающийся тем, что со стороны анодного контакта сформированы дополнительные полупроводниковые слои n⁺- и n^+ +-типа проводимости, а со стороны катодного контакта слой n⁺-проводимости, области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор, выполнены кольцевыми, а в центре структуры прибора выполнено цилиндрическое отверстие, проекция которого совпадает с внутренней окружностью внутренней кольцевой области, и образующая цилиндра перпендикулярна каждому из слоев, причем отверстие заполнено диэлектрическим материалом с большим коэффициентом теплопроводности, чем у материала полупроводника. 8. Полупроводниковый прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый слой n-типа проводимости, расположенные друг напротив друга анодный и катодный контакты, катодный контакт содержит области, инжектирующие ток, n⁺-типа, окруженные областями, ограничивающими инжекцию тока, отличающийся тем, что со стороны анодного контакта сформированы дополнительные полупроводниковые слои n⁺- и n^+ +-типа проводимости, а со стороны катодного контакта слой n⁺-типа проводимости, области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока в прибор, выполнены кольцевыми, а в центре структуры прибора выполнено цилиндрическое отверстие, проекция которого совпадает с внутренней окружностью внутренней кольцевой области, и образующая цилиндра перпендикулярна каждому из слоев, причем отверстие заполнено i-слоем полупроводникового материала. 9. Полупроводниковый прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый слой n-типа проводимости, расположенные друг напротив друга анодный и катодный контакты, катодный контакт содержит области инжектирующие ток, n⁺ - типа, окруженные областями, ограничивающими инжекцию тока, отличающийся тем, что со стороны анодного контакта сформированы дополнительные полупроводниковые слои n⁺- и n^+ +-типа проводимости, а со стороны катодного контакта - слой n⁺-типа проводимости, внутренняя область, ограничивающая инжекцию тока, выполнена в виде диска, а области, инжектирующие и ограничивающие инжекцию тока, выполнены кольцевыми.