ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИБОР НА ЭФФЕКТЕ ГАННА Российский патент 1997 года по МПК H01L47/02 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к полупроводниковым прибором на основе переноса электронов и может быть использовано в радиотехнической аппаратуре для генерирования СВЧ колебаний.

Существующие приборы на основе эффекта Ганна (диоды Ганна) не позволяют эффективно работать в субмиллметровом диапазоне длин волн, так как конструкции таких приборов приводят к ограничению частотного диапазона, коэффициента полезного действия вследствие большой зоны начального разогрева носителей ("мертвой" зоны). "Мертвой" или "холодной" зоной называют обычно область примыкающую к катоду прибора, в которой электроны приобретают энергию равную энергетическому зазору между Г и L долинами полупроводникового материала Δ_ГL (см. Обзоры по электронной технике, сер. 1:Электроника СВЧ, вып. 4 (1008), Кальфа А.А. Пореш С.Б. Тагер А.С. Эффект Ганна на высоких частотах, 1984 г. с 16) [1]
Дальнейшее продвижение в субмиллиметровый диапазон частот может быть осуществлено при обеспечении дополнительного разогрева носителей в прикладной области приборов типа диодов Ганна.

Попытка обеспечить дополнительный разогрев носителей в прикатодной области была предпринята в приборе, описанном в статье (см. M.R.Friscourt, P.A. Rolland and M.Pernisek "Heterojunction Cathode Contact Transferred-Electron Oscillators", IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-6, N 10, October 1985, pp. 497-499). [2]
Полупроводниковый прибор на основе переноса электронов состоит из катода -n⁺: Ga Al As, активной области прибора n: GaAs и анод n⁺, то есть n⁺: Ga Al As/ n: GaAs/ n⁺ структуры. В качестве материала катода прибора используется более широкозонный материал Ga Al As, по сравнению с материалом в активной области прибора GaAs. Как указывается данной работе (с. 498), идея использования такого катода связана с тем, что в этом случае из катода (Ga Al As) в активную область прибора (n GaAs) инжектируются "горячие" электроны с энергией немного меньшей междолинного энергетического зазора Δ_ГL полупроводникового материала GaAs, что позволяет исключить из участка взаимодействия пассивную "мертвую" зону и существенно разрешить частотный диапазон прибора.

Недостатком такого прибора, как указывается в данной же работе (с. 498), является отсутствием достаточного тянущего поля в полупроводниковом материале со стороны n GaAs, примыкающей к катоду прибора (Ga Al As) в рассматриваемом гетеропереходе n⁺ Ga Al As/n GaAs, что порождает довольно значительную область виртуального катода прибора. В результате "мертвая" зона такого прибора только немного уменьшается, а частотный диапазон рассматриваемого диода, как указывается в этой же работе (с. 498) фактически не изменяется по сравнению с обычным n⁺-n-n⁺GaAs диодом Ганна.

Известен полупроводниковый прибор на эффекте Ганна, выбранный в качестве прототипа (см. патент Великобритании N 1514240, опубликованный 14 июня 1978. заявитель фирма "THOMSON-CSF", Франция, кл. H 01 L 47/02). [3]
Полупроводниковый прибор на эффекте Ганна содержит активный слои, выполненный из полупроводникового материала GaAs данного типа проводимости, первый анодный контакт и второй катодный контакт, содержащий множество первых зон, способных инжектировать ток в прибор и множество вторых зон, формирующих выпрямляющие контакты с активной зоной, причем первая и вторая зона расположены на поверхности активного слоя напротив анодного контакта, формируя мозаику. Прибор также содержит металлический электрод, расположенный на первой и второй зонах. В приборе также первые зоны образованы с помощью металлического сплава, вторые зоны образованы из второго металлического сплава и введены в контакт с активным слоем, формируя с последним барьер Шоттки (БШ).

В описании прибора по прототипу указывается, что ограниченная инжекция тока в диоде, реализованная с помощью островковой структуры катода гарантирует существование ненулевого тянущего поля в непосредственной близости у катода и более однородного распределения поля вдоль всей длины диода. Причем распространение тока в данном диоде уже не однонаправленное, как n⁺-n-n⁺ диоде (аналоге), а трехмерное. Размеры и плотность областей (количество областей на единицу площади катода) инжектирующих ток в области катода указанного диода (конструкции по прототипу) определяют плотности инжектирующего тока.

Наличие ненулевого тянущего поля в непосредственной близости у катода позволяет уменьшить зону начального разогрева носителей ("мертвую" зону) и расширить частотный диапазон прибора по сравнению с конструкцией прибора-аналога.

Тем не менее она ("мертвая" зона) остается, так как электронам необходимо набрать энергию ε удовлетворяющую условию e ≅ Δ_ГL, где Δ_ГL энергетический зазор между центральной и ближайшими боковыми долинами полупроводникового материала. Причем ситуацию ухудшает тот факт, что вглубь полупроводникового материала данного прибора поле уменьшается. Таким образом, полупроводниковый прибор на эффекте Ганна по прототипу обладает одним из следующих недостатков: инжекция "холодных" носителей в активную область прибора, и как следствие, наличие "мертвой" зоны, ухудшающей частотные характеристики прибора.

В основу изобретения поставлена задача создания такого высокочастотного прибора Ганна, в котором осуществлено новое выполнение катода прибора, содержащего из областей инжектирующих ток в прибор и ограничивающих инжекцию тока, причем множество областей инжектирующих ток в прибор выполнено из полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у полупроводникового материала n типа проводимости. Это позволяет за счет разогрева носителей в прикатодной области уменьшить "мертвую" зону заявляемого прибора и, как следствие, расширить частотный диапазон данного прибора.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый материал GaAs n типа проводимости, сформированные на нем полупроводниковые слои n⁺⁺- GaAs -типа проводимости со стороны анодного контакта и локальные области n⁺⁺-GaAs типа проводимости в областях катодного контакта инжектирующих ток, анодный контакт и катодный контакт, содержащий первое множество областей инжектирующих ток в приборах и второе множество областей ограничивающих инжекцию тока в прибор, причем области инжектирующие ток в прибор образуют плоскую решетку, согласно изобретению области катода инжектирующие ток в прибор выполнены в виде локальных гетероинжекторов, последовательно состоящих из полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материала n GaAs, Al_xGa_1-xAs с постоянным значением параметра x, контактирующего с одной стороны с полупроводниковым материалом n GaAs и образующего с ним гетеропереход, а с другой стороны контактирует со слоем Al_xGa_1-xAs с линейно убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n⁺⁺ GaAs-типа проводимости со стороны катодного контакта, причем слои с линейно изменяющимся значением параметра x Al_xGa_1-xAs находится между материала Al_xGa_1-xAs с постоянным значением параметра x и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования, и слоем n⁺⁺ типа проводимости, причем гетероинжектор окружен областью ограничивающей инжекцию тока, выполненной в виде обратно-смещенного барьера Шоттки и параметр x выбирается из условия 0<x≅ 0.23, а энергия ε, набираемая носителем на длине гетероинжектора, удовлетворяет следующему соотношению e ≅ Δ_ГL, где Δ_ГL энергетический зазор между Г и L долинами GaAs.

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна концентрация носителей в слое n⁺ -типа удовлетворяет следующему соотношению:
n⁺⁺>n⁺>n,
где концентрации носителей n⁺⁺,n выбирается из следующих условий:
8•10¹⁷≅n≅5•10¹⁸, см^-3
3•10¹⁵≅n≅1.4•10¹⁶, см^-3.

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна, сумма l_Σ длины области с линейно изменяющимся значением параметра x Al_xGa_1-xAs и длины области с постоянным значение параметра x Al_xGa_1-xAs удовлетворяют следующему соотношению

Кроме того, в высокочастотном приборе на эффекте Ганна локальные гетероинжекторы выполнены в виде цилиндрических областей направленных вглубь полупроводникового материала, причем основания цилиндров лежат в плоскости катодного контакта прибора, а их образующая перпендикулярна плоскости катодного контакта.

На фиг. 1 представлен общий вид высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 2 то же, сечение A-A высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 3 часть сечения A-A (ячейка) высокочастотного прибора на эффекте Ганна; на фиг. 4 ячейка периодической структуры высокочастотного прибора на эффекте Ганна; фиг. 5 профиль зоны проводимости вдоль сечения ячейки прибора, представленной на фиг. 4, катод который смещен на величину - внешнего напряжения, приложенного к данному прибору; на фиг. 6 - зависимость распределения поля по длине прибора под гетероинжектором через четверть периода ; кривые 1, 2, 3 и 4, соответственно; на фиг. 7 - зависимость распределения концентрации свободных носителей по длине прибора под гетероинжектором через четверть периода , кривые 1, 2, 3 и 4, соответственно; на фиг. 8 зависимость распределения поля по длине прибора под областью, ограничивающей инжекцию тока при выборе точки отсчета начиная от гетероперехода n⁺ Al_xGa_1-xAs/n GaAs через четверть периода , кривые 1, 2, 3 и 4, соответственно; на фиг. 9 зависимость концентрации свободных носителей по длине прибора под областью, ограничивающей инжекцию тока при выборе точки отсчета начиная от гетероперехода n⁺ -Al_xGa_1-x As/n GaAs через четверть периода , кривые 1, 2, 3 и 4, соответственно; на фиг. 10 зависимость эффективности n высокочастотного прибора на эффекте Ганна с гетероинжектором (кривая 1) и высокочастотного диода с "островковым" контактом (кривая 2) от частоты f.

Для расширения частотного диапазона высокочастотного прибора на эффекте Ганна необходимо уменьшить "мертвую" зону данного прибора. Уменьшение "мертвой" зоны рассматриваемого прибора можно достичь за счет разогрева носителей в специальной прикатодной области заявляемого прибора, называемой гетероинжектором. В заявляемом высокочастотном приборе на эффекте Ганна с островковым гетероинжектором (ДОКГ) электроны впрыскиваются из гетероинжектора в активную область (n-GaAs) данного прибора с энергией ε, удовлетворяющей условию e ≅ Δ_ГL, тогда как в приборе по прототипу они впрыскиваются в активную область прибора с энергией приблизительно КТ (где К постоянная Больцмана).

Рассмотрим более детально разогрев носителей в инжекторе заявляемого прибора (см. фиг. 4), где
1) ABWS это n⁺⁺ GaAs область непосредственно под AB областью инжектирующей ток в прибор и являющейся омическим контактом;
2) SWPK это n⁺ Al_xGa_1-xAs область, где x линейно изменяется от нуля до 0.23 (0<x≅0.23) вдоль прибора в направлении WP;
3) KPNM это n⁺ Al_xGa_1-xAs область;
4) BCDGMNPWB это n-GaAs область рассматриваемого прибора, включающая активную область данного прибора и находящаяся под областью BC, ограничивающей ток в приборе;
5) GDEF это n⁺⁺ GaAs область анода прибора.

Заметим, что область гетероинжектора высокочастотного прибора на эффекте Ганна представляет сумму областей, описанных в пунктах 1, 2 и 3. Представляется наиболее удобным рассмотрение разогрева электронов в гетероижекторе заявляемого прибора через анализ профиля зоны проводимости данного прибора вдоль сечения , (см. фиг. 5), катод которого смещен на величину внешнего напряжения, приложенного к прибору. Носители, инжектируемые в прибор через область AB, имеют наиболее вероятную энергию приблизительно KT. Учитывая тот факт, что область AB (фиг. 4) имеет островковый характер, нормальное поле E_вх на входе данной области, как и у прибора по прототипу, будет удовлетворять неравенству E_вх≥E_a, где E_a нормальное поле у FE области омического контакта анода. Под действием данного поля на толщине l₁ n⁺⁺- GaAs области инжектируемые электроны приобретают энергию V₁, которая увеличивает вероятность преодоления потенциального барьера V₂. Заметный наклон зоны проводимости (фиг. 5) в области омического контакта AB (см. фиг. 4) обусловлен значительной величиной поля E_вх, то есть данный омический контакт работает в отличие от омического контакта EF не в омическом режиме. Потенциальный барьер V₂ образован при контакте n⁺⁺ GaAs и n⁺ Al_xGa_1-xAs областей, причем n⁺ Al_xGa_1-xAs область имеет следующую зависимость параметра x: на участке WP, длина которого l₂, параметр x изменяется линейно от нуля до 0.23, на участке l₃ параметр x 0.23.

Область (см. фиг. 5) характеризуется встроенным полем, которое является следствием изменения параметра x в Al_xGa_1-xAs и которые в совокупности с полем E_вх и внешним полем позволяет значительной части носителей (электронов) преодолеть потенциальный барьер V₂. Носители, преодолевшие барьер V₂, попадают в область (фиг. 5). Поле в области образуется совместным влиянием внешнего поля и поля, образованного в областях . Характер наклона зоны проводимости в этой области указывает на то, что носители, прошедшие данную область имеют энергию отсчитанную относительно края рассматриваемого участка зоны проводимости больше или равное, чем V₃= q•Eср3

•l₃,
где Eср3 среднее поле в CD области (фиг. 5). в/м;
l₃ толщина PN области (фиг. 4), м;
g заряд электрона, K.

Носители, вышедшие из гетероинжектора и попавшие в активную область прибора через MN (фиг. 4) имеют кроме энергии V₃ еще и энергию V₄, равную ΔE_c разрывную зон проводимости между Al_xGa_1-xAs и GaAs справа от инжектора (фиг. 4), причем физико-топологические параметры инжектора заявляемого прибора выбраны такими, чтобы удовлетворить следующему неравенству:
V₃+V₄≅ ε ≅ Δ_ГL, где (1)
Δ_ГL энергетический зазор между Г и L долинами GaAs.

Согласно фиг. 5, для пролета носителей сквозь активную область заявляемого прибора , к данной области приложено напряжение V₅/g, где V₅ энергетический зазор, на который сдвигаются концы зоны проводимости активной области заявляемого прибора при приложении к нему внешнего напряжения , gv; g заряда электрона, K.

Считаем, что в области анода (фиг. 5) поле незначительно и поэтому участок зоны проводимости FH данного прибора является практически горизонтальным. В качестве области катода, ограничивающей инжекцию тока в заявляемый прибор, выбран барьер Шоттки BC (фиг. 4), причем величина барьера Шоттки выбирается такой, чтобы ток через указанный барьер не проходил. С другой стороны величина внешнего напряжения , приложенного к БШ (барьер Шоттки) области, приводит к существованию ОПЗ (области пространственного заряда) под областью BC (фиг. 4), которые исключают протекание тока через BWPN область гетероинжектора (см. фиг. 4), а только через MN. Итак, в заявляемом высокочастотном приборе на эффекте Ганна носители впрыскиваются из инжектора в активную область прибора с энергией ε, удовлетворяющей условию e ≅ Δ_ГL.

С другой стороны, для расширения частотного диапазона заявляемого прибора необходима не только инжекция "горячих" электронов в активную области прибора, но и наличие ненулевого нормального поля E_вых в область MN (фиг. 4), удовлетворяющего условию E_вых > E_a. Данное условие необходимо для уменьшения виртуального катода в области MN (фиг. 4), который, как показано в работе (см.(C. Moglestue//"Physica", 1985, BC. 129, N 1-3, pp. (552-556)), с. 553) увеличивает свой объем при малых полях E_вых. В этой работе показано, что только приблизительно 25% носителей не возвращаются к гетеропереходу при данных нормальных полях в области границы раздела данного гетероперехода.

Еще одной необходимой характеристикой инжектируемых из инжектора носителей в активную область заявляемого прибора является их концентрация, величина которой пропорциональна увеличению эффективности данного прибора и следовательно увеличению частотного диапазона рассматриваемого прибора. В результате детальное рассмотрение инжекции носителей в активную область высокочастотного прибора на эффекте Ганна с целью расширения его частотного диапазона выдвигает следующие требования к инжектируемым в приборе носителям:
1) энергия данных носителей ε должна удовлетворять неравенству; e ≅ Δ_ГL
2) поле в области границы раздела "гетероинжектора активная область" должно удовлетворять условию E_вых > E_a;
3) концентрация инжектируемых носителей в активную область заявляемого прибора должна быть оптимальной с точки зрения эффективности и соответственно расширения частотного диапазона данного прибора.

Рассмотрим требования к конструкции гетероинжектора с точки зрения требований к конструкции гетероинжектора с точки зрения требований пунктов 1), 2) и 3). Согласно работе (см. кн. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов, т. 2, М. Мир, 1984, с. 102) на основе формулы туннелирования носителей сквозь барьер в ВКБ (метод Венцеля Крамеса Бриллюэна) приближении численным методом было получено, что толщина Al_xGa_1-xAs слоя в гетероинжекторе заявляемого прибора (между n⁺⁺ областью омического контакта и активной n областью) равная приблизительно (1500 1700) , достаточна для предотвращения туннелирования носителей из n⁺⁺- GaAs области омического контакта в активную n область заявляемого прибора. Указанную толщину Al_xGa_1-xAs слоя нежелательно увеличивать, так как будут расти суммарные потери в данном приборе.

В работе (W. G. Oldham, A. G. Milnes, Solid-St. Electron. vol. 6, 121(1963)) было найдено, что понижение разрыва зоны проводимостей ΔE_c в гетеропереходе n⁺ Al_xGa_1-xAs/n GaAs между n⁺⁺ GaAs областью омического контакта и n⁺ слоем Al_xGa_1-xAs осуществляется в том случае, если переходная область от одного материала к другому плавная, а не резкая. Согласно работам (см. D.T. Cheung, S.Y. Ghiang, G.L. Peason, Solid-St. Electron. vol. 18, p. 263 (1975)) и см. (S.R. Weinzierl, J.P. Krusius, IEEE Trans. on Eiectron Devices, vol. 39, N 5, 1992, p. 1050), а также на основании численных расчетов было получено, что для пренебрежения коэффициентом отражения носителем при переходе последних из n⁺⁺ GaAs в n⁺ Al_xGa_1-xAs область нужен слой Al_xGa_1-xAs толщиной не менее 500 с линейным изменением параметра x от нуля до 0,23 в направлении от рассматриваемой границы раздела. Необходимость в существовании рассматриваемой области возникает также с точки зрения реализации омического контакта в области катода высокочастотного прибора на эффекте Ганна с островковым гетероинжектором. Дело в том, что практическая реализация омического контакта к GaAs гораздо проще, чем к Al_xGa_1-xAs.

В качестве материала с большой шириной запрещенной зоны, чем у GaAs, был взят Al_xGa_1-xAs, который составляет основу гетероинжектора носителей, заявляемого прибора. Энергетический зазор между n⁺ - Al_xGa_1-xAs областью инжектора и n GaAs областью активной области заявляемого прибора, образующих резкий гетеропереход, определяется согласно эмпирическому соотношению:
ΔE_c= 0,7•[E_gAl_xGa_1-xAs-E_gGaAs]
в соответствии с работами (T.W. Hickmott, et all, J. Appl. Phys. 57, 2844 (1985)), (M. O. Watanabe, et all, J. Appl. Phys. 57, 5340 (1985)), причем параметры x удовлетворяет следующему неравенству:
0 < x ≅0.23
При x > 0.23 глубина залегания донорных уровней в Al_xGa_1-xAs резко возрастает (см. кн. Пека Г. П. Коваленко В. Ф. Смоляр А.Н. Варизонные полупроводники, Киев, изд. Выща школа, 1989 г. с. 34, фиг. 1.10), что приводит к вымораживанию носителей в гетероинжекторе при азотных температурных, перекрытию уровней примесей различных долин в зоне проводимости Al_xGa_1-xAs. При x > 0.23 также существенно увеличивается вероятность перехода носителей из Г в L долину в Al_x Ga_1-xAs, что нежелательно.

Случай малых значений x. В случае малых x имеет изначальную неоптимальность прибора, которая заключается в том, что теряется влияние встроенного поля в области гетероинжектора, так как при уменьшении параметра x уменьшается ΔE_c (разрыв зоны проводимости между n⁺ - Al_xGa_1-xAs/n GaAs областями) и , где z координата вдоль прибора. В итоге нормальное поле E_вых на границе раздела n⁺ - Al_xGa_1-xAs/n GaAs будет обеспечиваться только за счет увеличения нормального поля "островковой" области катода E_вх на выходе гетероинжектора заявляемого прибора за счет уменьшения площади сечения области, инжектирующей ток в данный прибор. Улучшить ситуацию путем повышения внешнего напряжения эффективно не удается.

Концентрация носителей в n⁺ области слоя Al_xGa_1-xAs (WSKMNPW, фиг. 4) удовлетворяет следующему соотношению:
n⁺⁺ > n⁺ > n,
где n концентрация носителей в активной области заявляемого прибора;
n⁺⁺ концентрация носителей под областью катода инжектирующей ток в прибор.

Заметим, что n⁺⁺ и n находятся в следующих пределах:
8•10¹⁷≅n⁺⁺≅5•10¹⁸, см^-3
3•10¹⁵≅n⁺⁺≅1,4•10¹⁶, см^-3
Нижний предел n⁺⁺ носителей под областью катода инжектирующей ток в прибор определяются существованием хорошего омического контакта к n⁺⁺ области катода. Верхний предел концентрации n⁺⁺ определяется пределом растворения легирующей примеси в данном материале (GaAs).

Верхний и нижний пределы для концентрации носителей n в полупроводниковом материале n-типа проводимости определяются областью существования эффекта Ганна для данного типа полупроводникового материала (n GaAs). Как показывают численные расчеты, при значении концентрации носителей n в полупроводниковом материале вне указанных границ эффект Ганна для данного типа полупроводникового материала является неустойчивым.

Неравенство (2) необходимо для обеспечения условий 1) 3) для инжектируемых в активную область прибора носителей, а именно;
а) чтобы получить заданную величину ΔE_c (разрыв зоны проводимости между n⁺-Al_xGa_1-xAs/n GaAs областями), которая в конечном счете дает свой вклад в обеспечение условия ε ≅ Δ_ГL
б) учитывая тот факт, что увеличение концентрации донорной примеси в n⁺-Al_xGa_1-xAs уменьшает среднее поле в области гетероинжектора, может таким образом управлять данным полем с целью обеспечения условия E_вых≥ E_а (увеличение концентрации донорной примеси в n⁺ Al_xGa_1-xAs области к уменьшению величины где z координата вдоль прибора);
в) выбор величины n⁺ позволяет оптимальным образом подбирать величину тока инжекции в активную область высокочастотного прибора на эффекте Ганна с точки зрения эффективности данного прибора.

Гетероинжектор высокочастотного прибора на эффекте Ганна выполнен в виде цилиндрических структур, расположенных непосредственно под электродом катода вдоль прибора в объеме n GaAs. Такое выполнение гетероинжекторов дает следующие преимущества:
а) в активной области заявляемого сразу за островковым гетероинжектором повышенное значение поля данного гетероинжектора спадает, так как инжектируемые в активной области рассматриваемого прибора носители могут двигаться в общем случае в любом направлении положительной полусферы. Такое выполнение гетероинжектора позволяет данному гетероинжектору не навязывать свое поле в активной области прибора, то есть нет необходимости создавать сразу за гетероинжектором (в активной области) тонкую высоколегированную n⁺⁺ GaAs область для исключения влияния поля гетероинжектора на активную область прибора, хотя на гетерогранице n⁺ - Al_xGa_1-xAs/n GaAs нормальное поле значительное с целью уменьшения виртуального катода в данной области;
б) цилиндрическое выполнение инжектирующей области и расположение этих областей в виде пространственной регулярной решетки позволяет эффективно отводить от них (этих инжектирующих областей) тепло через подбарьерные области в теплоотвод, расположенный со стороны катода. Это позволяет в конечном итоге обеспечить непрерывный режим работы заявляемого прибора, а не импульсный.

Высокочастотный прибор на эффекте Ганна с гетероинжектором (см. фиг. 4) содержит активный слой l из полупроводникового материала GaAs n типа проводимости, сформированных на нем со стороны анодного контакта 2 полупроводникового слоя 3 n⁺⁺ типа проводимости и со стороны катодного контакта локального цилиндрического гетероинжектора, инжектирующего ток в прибор, причем гетероинжектор последовательно состоит из слоя 4 полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материал n GaAs, например Al_xGa_1-xAs, контактирующего, с одной стороны, активным слоем l полупроводникового материалы n GaAs и образующего с ним резкую гетерограницу, а с другой стороны контактирует со cлоем Al_xGa_1-xAs 5 с убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n⁺⁺ типа проводимости 6, причем слой Al_xGa_1-xAs 5 находится между слоем 4 материал Al_xGa_1-xAs и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования, и слоем n⁺⁺ типа проводимости 6. Катод области AC высокочастотного прибора на эффекте Ганна с гетероинжектором состоит из инжектирующей ток в прибор области (генероинжектора) AMNB и ограничивающей инжекцию тока в прибор области 7 BC. Ограничивающая инжекцию тока в прибор области 7 BC выполнена в виде обратно-смещенного барьера Шоттки.

Работа высокочастотного прибора на эффекте Ганна происходит следующим образом. При подключении к прибору постоянного смещающего напряжения наблюдается следующая картина. В начальный момент времени при подключении к высокочастотному прибору на эффекте Ганна с гетероинжектором постоянного напряжения нормальная составляющая поля у границы 6 проводящей части катода (см. фиг. 4) будет гораздо больше, чем аналогичное поле на аноде 2. Данное утверждение вытекает из следующих соображений:
1) эффективное значение барьера у ограничивающей ток части катода 7 выбрано таким, что исключает протекание тока через обратно-смещенный барьер Шоттки;
2) полный ток через боковые стенки ячейки прибора (фиг. 4) равен нулю;
3) ток, втекающий в проводящую ток часть катода 6 и вытекающий из анода в основном состоит из тока проводимости (как показали численные расчеты токами смещения и диффузии в первом приближении можно принебречь);
4) отношение площади инжектирующей ток части катода AB к общей площади катода составляет не более 10%
5) в начале момент времени после включения постоянного напряжения проводимость у инжектирующей ток части катода 6 изменяется незначительно;
6) ток через прибор в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется последующей формулой:
I = σ•S_к•Eсрк

где Echк нормальной 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 Echк

инжектирующей части катода 6 в начальный момент времени после включения постоянного напряжения определяется следующим образом:

где S_a площадь анода;
Echa нормальная составляющая среднего вдоль анодного контакта.

Повышенное значение нормального поля у проводящей ток части катода 6 предлагаемого прибора в совокупности со встроенным полем в областях 4, 5 Al_xGa_1-xAs слоя гетероинжектора создают повышенное значение нормального поля E_вых на гетерогранице n⁺ - Al_xGa_1-xAs/n GaAs вдоль прибора между гетероинжектором и активной область l n GaAs. Указанное поле E_вых в начальный момент времени после включения постоянного включения приводит к появлению неподвижного обогащенного слоя (ОС) у гетероинжектора и подвижного обогащенного слоя. Указанным ОС соответствуют пики поля в заявляемом приборе. Подвижный ОС, отделившись от неподвижного ОС у гетероинжектора в начале пути, очень быстро возрастает до гораздо большего объема, чем в случае формирования ОС в приборе по прототипу. При подходе к анодной области обогащенный слой становится шире, уменьшаясь по амплитуде. Заметим, что в случае предлагаемого прибора по сравнению с прибором по прототипу подвижный ОС проходит существенно меньший участок активной области вдоль прибора перед тем, как становиться шире, уменьшаясь по амплитуде. Движение подвижного ОС характеризуется движением пика поля, максимум которого соответствует переднему фронту подвижного ОС. После установления переходного процесса в приборе устанавливается надпороговое поле с небольшим провалом в активной области заявляемого прибора у гетерограницы n⁺ Al_xGa_1-xAs/n - GaAs, который соответствует неподвижному ОС, образуя небольшой виртуальный катод. Заметим, что существование виртуального катода указывает на то, что прибор не оптимизирован, однако частотный диапазон заявляемого прибора более чем в два раза шире по сравнению с частотным диапазоном прибора по прототипу (фиг. 10).

После ухода подвижного ОС в анодную область в активной области прибора не появляется новых подвижных ОС, которые бы характеризовались описанными выше пульсациями поля, концентрации свободных носителей. При приложении к прибору в качестве внешнего напряжения не только постоянной составляющей, но и переменной U = -Asinω•t, где A амплитуда переменного сигнала, ω круговая частота данного сигнала. В приборе возникает генерация СВЧ колебаний.

На фиг. 6, 7, 8 и 9, представлены распределения поля, концентрации носителей через четверть периода внешнего сигнала вдоль активной области заявляемого прибора, начиная от гетерограницы n⁺-Al_xGa_1-xAs/n GaAs до анода как под областью рассматриваемого гетероинжектора прибора (фиг. 6 и 7), так и под барьерной областью (фиг. 8 и 9), которые позволяют лучше понять работу предлагаемого высокочастотного прибора на эффекте Ганна с гетероинжектором. Заметим, что в динамическом режиме виртуальный катод не исчезает (это видно хорошо на примере распределения поля под инжектором вдоль прибора), что подтверждает прежде всего тот факт, что прибор не оптимизирован. На фиг. 10 (кривые 1 и 2) представлены частотные зависимости заявляемого прибора (фиг. 10, кривая 1) и прибора по прототипу (фиг. 10, кривая 2), которые подтверждают тот факт, что обеспечение требований 1) 3) к параметрам носителей инжектируемым в активную область прибора приводит к существенному увеличению эффективности данного прибора и расширению частотного диапазона рассматриваемого заявляемого прибора по сравнению с прибором по прототипу.

Пример конкретного выполнения
В качестве полупроводникового материала использовались подложки GaAs марки ЭСАГ толщиной 250 мкм кристаллографической ориентации (100), причем концентрация носителей в n⁺⁺ слое области со стороны анодного контакта составляет (1 4)•10¹⁸ см^-3, концентрация носителей в активном n слое (3 7)•10¹⁵ см. Толщина активного n слоя GaAsl₄ 0.72 мкм, толщина слоя 4 материала Al_xGa_1-xAs (см. фиг. 4), l₃ 1000 , толщина слоя 5 Al_xGa_1-xAs l₂ 500 , толщина слоя 6 n типа проводимости l₁ (0.3 0.5) мкм. Концентрация носителей в слое 6 n⁺⁺ типа проводимости n⁺⁺ (1 4)•10¹⁸см^-3.

На всю подложку GaAs с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) выращивают материал Al_xGa_1-xAs с параметром x 0.22 и толщиной 1000 , затем в едином технологическом цикле с помощью МЛЭ, уменьшая параметр x до 0, выращивают слой Al_xGa_1-xAs толщиной 500 . Далее, центрифугированием наносят на пластину слой фоторезиста толщиной 1 - 1.2 мкм. Сушка фоторезиста осуществляется в ИК-камере при Т (65 75)^oC. Затем осуществляется формирование окон под области, органичивающие инжекцию тока в прибор путем фотолитографии. Далее, через сформированные окна в полупроводниковой пластине формировались канавки с помощью селективного травителя состава H₂SO₄:H₂O₂:H₂O=1: 8: 10 при температуре 24^oC на глубину выращенных гетерослоев, то есть Формирование канавок возможно также осуществить с помощью ионно-плазменного травления. Затем методом МЛЭ указанные заращиваются материалом того же состава и концентрации, как и активный n слой GaAs на всю их глубину. Формирование областей прибора, ограничивающих инжекцию тока в прибор, осуществлялось путем вакуумного напыления композиции AuGe (88% Au, 12% Ge) толщиной 600 1200 в области сформированные с помощью литографии и предназначенные для ограничения инжекции тока. Затем на всю поверхность пластины наносился второй слой композиции AuGe(88% Au, 12% Ge). Далее, наносился слой протекторного материала, например, Мо толщиной 1200 1400 и слой Au толщиной 1200 - 1400 , и слой Au толщиной 4000 5000 . Далее, в атмосфере водорода проводят термическую обработку при T 400 430^oC в течение 1 1.5 мин. С целью получения барьера Шоттки и омических контактов.

Температурный режим работы прибора 77 K, полученный частотный диапазон 100 250 ГГц, КПД 5.43%

Использование: в радиотехнической аппаратуре для генерирования СВЧ колебаний. Сущность изобретения: в высокочастотном приборе на эффекте Ганна область катода, инжектирующая ток, выполнена в виде локальных гетероинжекторов последовательно состоящих из металла с большей шириной запрещенной зоны, чем у материала n - GaAs, Al_xGa_1-xAs с постоянным значением параметра x, контактирующего, с одной стороны, с материалом n - GaAs и образующего с ним резкий гетеропереход, а с другой стороны, контактирует со слоем Al_xGa_1-xAs с убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n⁺⁺ - GaAs - типа проводимости со стороны катодного контакта, причем слой с линейно изменяющимся значением параметра x Al_xGa_1-xAs находится между слоем материала Al_xGa_1-xAs с постоянным значением параметра x и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования, и слоем n⁺⁺ - GaAs - типа проводимости. Гетероинжектор окружен областью, ограничивающей инжекцию тока, выполненной в виде обратно смещенного барьера Шоттки. Параметр x выбирается из условия: 0 < x≅ 0.23, а энергия ε, набираемая носителями на длине гетероижектора удовлетворяет следующему соотношению: ε ≅ Δ_ГL, где Δ_ГL - энергетический зазор между Г и L долинами GaAs. Концентрация носителей в слое n⁺ - типа удовлетворяет следующему соотношению: n < n⁺ < n⁺⁺, где концентрации n⁺⁺, n выбираются из следующих условий: 8•10¹⁷ ≅ n ≅ 5•10¹⁸, см^-3 3•10¹⁵ ≅ n ≅ 1,4•10¹⁶, см^-3. Локальные гетероижекторы выполнены в виде цилиндрических областей, направленных вглубь полупроводникового материала, причем основания цилиндров лежат в плоскости катодного контакта прибора, а их образующая перпендикулярна плоскости катодного контакта. 3 з.п. ф-лы. 10 ил.

1. Высокочастотный прибор на эффекте Ганна, содержащий полупроводниковый материал GaAs n-типа проводимости, сформированные на нем полупроводниковые слои n^+ +-GaAs-типа проводимости со стороны анодного контакта и локальной области n^+ +-GaAs-типа проводимости в областях катодного контакта, инжектирующих ток, анодный контакт и катодный контакт, содержащий первое множество областей, инжектирующих ток в прибор, и второе множество областей, ограничивающих инжекцию тока в прибор, причем области, инжектирующие ток в прибор, образуют плоскую решетку, отличающийся тем, что области катода, инжектирующие ток в прибор, выполнены в виде локальных гетероинжекторов, последовательно состоящих из полупроводникового материала с большей шириной запрещенной зоны, чем у материала n-GaAs, Al_xGa_1 - xAs, с постоянным значением параметра x, контактирующего с одной стороны с полупроводниковым материалом n-GaAs и образующего с ним гетеропереход, а с другой стороны контактирует со слоем Al_xGa_1 - xAs с убывающим значением параметра x к нулю в направлении к слою n^+ +-GaAs-типа проводимости со стороны катодного контакта, причем слой с линейно-изменяющимся значением параметра x Al_xGa_1 - xAs находится между слоем материала Al_xGa_1 - xAs с постоянным значением x и имеет с ним одинаковое значение параметра x на границе контактирования и слоем n^+ +-GaAs-типа проводимости, причем гетероинжектор окружен областью, ограничивающей инжекцию тока, выполненной в виде обратно-смещенного барьера Шоттки, и параметр x выбирается из условия 0 < x ≅ 0,23, а энергия ε, набираемая носителями на длине гетероинжектора, удовлетворяет следующему соотношению:
ε ≅ ΔГL,
где ΔГL энергетический зазор между Г- и L-долинами GaAs. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что концентрация носителей в слое n-типа удовлетворяет следующему соотношению:
n^+ + > n⁺ > n,
где концентрация n^+ + и n выбираются из следующих условий:
8 • 10^1 7 ≅ n^+ + ≅ 5 • 10^1 8, см^- 3;
3 • 10^1 5 ≅ n ≅ 1,4 • 10^1 6, см^- 3. 3. Прибор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сумма длины области с линейно изменяющимся значением параметра x Al_xGa_1 - xAs и длины области с постоянным значением параметра x Al_xGa_1 - xAs удовлетворяют следующему соотношению:

4. Прибор по пп. 1 3, отличающийся тем, что локальные гетероинжекторы выполнены в виде цилиндрических областей, направленных вглубь полупроводникового материала, причем основания цилиндров лежат в плоскости катодного контакта прибора, а их образующая перпендикулярна плоскости катодного контакта.