ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЙ ДИОД (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК H01L29/864 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструированию и технологии изготовления лавинно-пролетных полупроводниковых диодов, и может быть использовано в электронной промышленности, в радиотехнике в качестве активных элементов генераторов и усилителей СВЧ.

Известен аналог всех вариантов изобретения лавинно-пролетный диод (А.С. Тагер, В.М. Вальд-Перлов "Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ", М. : Сов. Радио, 1968, с. 479) с плоским диффузионным p-n переходом с линейным или ступенчатым распределением атомов примесей.

Недостатками указанного диода плоской структуры являются малый уровень выходной высокочастотной мощности, малый уровень рассеиваемой мощности, электротепловая деградация при эксплуатации, а также в силу планарно-диффузионной p-n структуры этого полупроводникового диода принципиальная возможность подавления краевого эффекта, приводящего к снижению напряжения пробоя.

Наиболее близким аналогом (прототипом) для всех вариантов изобретения являются лавинно-пролетные диоды марки 1А704А, 1А704Б ("Справочник по полупроводниковым приборам. Диоды. Тиристоры. Оптоэлектронные приборы". под ред. Н.Н. Горюнова М.: Энергоиздат, 1983, с. 494), содержащие первый металлический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и второй многослойный металлический контакт.

Недостатками указанных диодов плоской структуры также являются малый уровень выходной мощности, малый уровень рассеиваемой мощности, электротепловая деградация при эксплуатации, а также в силу планарно-диффузионной p-n структуры этого полупроводникового диода принципиальная невозможность подавления краевого эффекта, приводящего к снижению напряжения пробоя.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является производство генераторов и усилителей СВЧ с лавинно-пролетными диодами с p-n переходом, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении первого варианта изобретения, являются подавление краевого эффекта, повышение мощности генератора СВЧ колебаний, снижение уровня электротепловой дегенерации.

Указанные технические результаты по первому варианту изобретения достигаются следующим образом.

Лавинно-пролетный диод содержит первый металлический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и второй многослойный металлический контакт.

Отличие диода состоит в том, что первый металлический контакт выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния, на внешней поверхности которого выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n⁺ типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой и вырожденный монокристаллический кремниевый p⁺ типа слой, поверх которого нанесен второй металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока.

В конкретных формах по первому варианту изобретения первый металлический контакт выполнен из немагнитных металлов: молибдена, или вольфрама, или ванадия и им родственных металлов, а цилиндрические слои во втором металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: золота, или платины, или серебра, или меди, или алюминия, или титана и других.

Задача, на решение которой направлено изобретение по второму варианту изобретения, является производство генераторов и усилителей СВЧ с лавинно-пролетными диодами с p-n переходом, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении второго варианта изобретения, являются подавление краевого эффекта, повышение мощности генерации СВЧ колебаний, снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по второму варианту изобретения достигаются следующим образом.

Лавинно-пролетный диод содержит первый многослойный металлический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой и вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и второй металлический многослойный контакт.

Отличие диода состоит в том, что вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован первый металлический контакт, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из двух слоев, выполненных из разных немагнитных металлов, а на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх последнего нанесен второй металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных материалов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в каждой паре слоев больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического слоя.

В контактных формах по второму варианту изобретения цилиндрические слои в первом металлическом контакте выполнены из немагнитных слоев: платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других, а цилиндрические слои во втором металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других.

Задача, на решение которой направлено изобретение по третьему варианту, является производство генераторов и усилителей СВЧ с лавинно-пролетными диодами с p-n переходом, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении третьего варианта изобретения, являются подавление краевого эффекта, повышение мощности генератора СВЧ колебаний, снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по третьему варианту изобретения достигаются следующим. Лавинно-пролетный диод содержит первый многослойный металлический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой и вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и второй металлический многослойный контакт.

Отличие диода состоит в том, что вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх последнего нанесен второй металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, а первый металлический контакт сформирован на торцах вырожденного монокристаллического кремниевого n+типа слоя в виде двух слоев, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего слоя металла в каждой паре больше удельной электропроводности нижнего слоя металла по направлению протекания электрического тока.

В конкретных формах по третьему варианту изобретения слои в первом металлическом контакте выполнены из немагнитного металла: платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других, а цилиндрические слои во втором металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов, платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других.

Изобретение поясняется чертежом, где изображено: на фиг. 1 - пример конструкции диода по первому варианту изобретения; на фиг. 2 - пример конструкции диода по второму варианту изобретения; на фиг. 3 - пример конструкции диода по третьему варианту изобретения.

Полупроводниковый выпрямительный диод по первому варианту изобретения (фиг. 1) содержит следующие конструктивные элементы: первый металлический контакт 1, выполненный в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния. В контакте 1 могут использоваться немагнитные металлы: молибден, или вольфрам, или ванадий и им родственные металлы. На внешней поверхности контакта 1 выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой 2 (подложка) цилиндрической формы. На внешней поверхности слоя 2 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой 3, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой 4. Поверх слоя 4 нанесен многослойный металлический контакт 5 в виде двух цилиндрических слоев 6, 7 заданной длины, выполненных из разных металлов. Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 6 металла в паре больше удельной теплопроводности нижнего цилиндрического слоя 7 металла по направлению протекания электрического тока. Цилиндрические слои 6, 7 в многослойном металлическом контакте могут быть выполнены из немагнитного металла: платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других.

Принцип действия диода по первому варианту изобретения заключается в следующем. Напряжение прикладывается между контактами 1 и 5 диода в обратном направлении. При приложении обратного напряжения в цилиндрических слоях 3, 4 распределение электрического поля является однородным по радиусу. Тем самым подавляется краевой эффект, а также снижается уровень электротепловой деградации в режиме лавинного пробоя, что приводит к повышению мощности генерации СВЧ колебаний.

Диод по второму варианту изобретения (фиг. 2) содержит следующие конструктивные элементы: вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой 8 (подложка), выращенный в виде полого цилиндра. На внутренней поверхности слоя 8 сформирован первый металлический контакт 9, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из двух слоев 10, 11, выполненных из разных немагнитных металлов, например, платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других. Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 10 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 11 металла по направлению протекания электрического тока.

На внешней поверхности слоя 8 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой 12, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой 13. Поверх слоя 13 нанесен второй металлический контакт 14 в виде двух цилиндрических немагнитных слоев 15, 16 заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, например, платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других. Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 15 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 16 по направлению протекания электрического тока.

Принцип действия диода по второму варианту изобретения заключается в следующем. Напряжение прикладывается между контактами 9 и 14 диода в обратном направлении. При приложении обратного напряжения в цилиндрических слоях 11, 12 распределение электрического поля является однородным по радиусу. Тем самым подавляется краевой эффект, а также снижается уровень электротепловой деградации в режиме лавинного пробоя, что приводит к повышению мощности генерации СВЧ колебаний.

Диод по третьему варианту изобретения (фиг. 3) содержит следующие конструктивные элементы: вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой 17 (подложка), выращенный в виде сплошного цилиндра заданной длины. На внешней поверхности слоя 17 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый p+типа слой 19. Поверх слоя 19 нанесен второй металлический контакт 20 в виде двух цилиндрических немагнитных слоев 21, 22 заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, например, платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других.

Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 21 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 22 металла по направлению протекания электрического тока. На торцах вырожденного монокристаллического кремниевого n+типа слоя 17 сформирован первый металлический контакт 23 в виде двух слоев 24, 25, выполненных из разных немагнитных металлов, например, платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других.

Удельная электропроводность верхнего слоя 24 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего слоя 25 металла по направлению протекания электрического тока.

Принцип действия диода по третьему варианту изобретения заключается в следующем. Напряжение прикладывается между контактами 20 и 23 диода в обратном направлении. При приложении обратного напряжения в цилиндрических слоях 18, 19 распределение электрического поля является однородным по радиусу. Тем самым подавляется краевой эффект, а также снижается уровень электротепловой деградации в режиме лавинного пробоя, что приводит к повышению мощности генерации СВЧ колебаний.

Использование: в электронной технике, при конструировании и в технологии изготовления лавинно-пролетных полупроводниковых диодов, в электронной промышленности, в радиоэлектронике в качестве активных элементов генераторов и усилителей СВЧ. Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении всех вариантов изобретения, являются подавление краевого эффекта, повышение мощности генерации СВЧ колебаний, снижение уровня электротепловой деградации. Сущность изобретения по первому варианту заключается в следующем. В лавинно-пролетном диоде первый металлический контакт выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно-центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния. На его внешней поверхности выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой и вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой. Поверх последнего нанесен второй металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов. Удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. Предложены 3 варианта изобретения. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лавинно-пролетный диод, содержащий первый металлический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый р+типа слой и второй многослойный металлический контакт, отличающийся тем, что первый металлический контакт выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно-центированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния, на внешней поверхности которого выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой и вырожденный монокристаллический кремниевый р+типа слой, поверх которого нанесен второй металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. 2. Диод по п.1, отличающийся тем, что первый металлический контакт выполнен из немагнитных металлов: молибдена, или вольфрама, или ванадия и им родственных металлов. 3. Диод по п.1, отличающийся тем, что цилиндрические слои во втором металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: золота, или платины, или серебра, или меди, или алюминия, или титана и других. 4. Лавинно-пролетный диод, содержащий первый металлический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой и вырожденный монокристаллический кремниевый р+типа слой и второй металлический многослойный контакт, отличающийся тем, что вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован первый металлический контакт, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из двух слоев, выполненных из разных немагнитных металлов, а на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый р+типа слой, поверх последнего нанесен второй металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в каждой паре слоев больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. 5. Диод по п.4, отличающийся тем, что цилиндрические слои в первом металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других. 6. Диод по п.4, отличающийся тем, что цилиндрические слои во втором металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других. 7. Лавинно-пролетный диод, содержащий первый металлический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой и вырожденный монокристаллический кремниевый р+типа слой и второй металлический многослойный контакт, отличающийся тем, что вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый р+типа слой, поверх последнего нанесен второй металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, а первый металлический контакт сформирован на торцах вырожденного монокристаллического кремниевого n+типа слоя в виде двух слоев, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего слоя металла в каждой паре больше удельной электропроводности нижнего слоя металла по направлению протекания электрического тока. 8. Диод по п.7, отличающийся тем, что слои в первом металлическом контакте выполнены из немагнитного металла: платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других. 9. Диод по п.7, отличающийся тем, что цилиндрические слои во втором металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: платины, или золота, или серебра, или алюминия, или меди, или титана и других.