DE2329709A1

DE2329709A1 - Halbleiterdiode

Info

Publication number: DE2329709A1
Application number: DE19732329709
Authority: DE
Inventors: Deen Dayal Khandelwal
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1972-11-06
Filing date: 1973-06-12
Publication date: 1974-05-09
Also published as: JPS4979485A; NL7314664A; FR2205747A1; FR2205747B3; JPS526149B2

Description

TRW INC., 10880 Wilshire Boulevard, Los Angeles, Kalifornien, V.St.A.

Halbleiterdiode

Die Erfindung betrifft Halbleiterdioden, insbesondere sogenannte IMPATT-Dioden (IMPact Avalanche Transit Time) mit negativem dynamischen Widerstand bei Hochfrequenz.

Zur Erzielung höherer Ausgangsleistungen und/oder höherer Wirkungsgrade bei vorgegebenen Frequenzen von IMPATT-Dioden werden heute eine Vielzahl verschiedener Verfahren angewandt. Hierzu gehört beispielsweise die Anwendung großer Übergangsflächen, spezieller geometrischer Ausgestaltungen der Bauteile, beispielsweise als Ringe und lange Rechtecke, Diamant-Kühlquellen, mit flüssigem Stickstoff gekühlte Kühlquellen und Mehrfach-Mesa-Konstruktionen. Zusätzlich sind eine Reihe von Parametern des eigentlichen Bauteils bekannt, welche die Leistung der IMPATT-Diode verbessern,

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was in Verbindung mit der Anwendung einer oder mehrerer der vorstehend erwähnten Verfahrensweisen zu höherer Ausgangsleistung und höherem Wirkungsgrad führt. So wurde beispielsweise gezeigt, daß ein n%>⁺-Aufbau (komplementär zum üblichen p⁺nn⁺) im Silizium selbst den Betriebswirkungsgrad verbessert und der doppelte Driftzonenaufbau zeigt eine wesentliche Verbesserung sowohl der Ausgangsleistung wie auch des Wirkungsgrades .

Die konventionelle IMPATT-Diode hat einen p⁺nn⁺- Aufbau und ist gekennzeichnet durch eine Avalanch- oder Lawinendurchbruchszone in der Nähe des pn-Übergangs. Wenn am Übergang eine geügend hohe Spannung in Sperrichtung angelegt wird, tritt ein Durchbruch, d»h«. eine Vervielfachung der Anzahl der zur Verfügung stehenden Elektronen-Löcher-Paare aufο Die auf diese Weise erzeugten Ladungsträger wandern oder driften durch den Rest der Diode, was zu einer Phasenverschiebung des äußeren Stroms relativ zur Spannung führt» Diese Phasen*- Verschiebung führt zum negativen dynamischen Widerstand oder zum erzielten Lei s^ngs gewinn*

Die bei bekannten IMPATT-Dioden gebildete p⁺- Schicht hat an der Oberfläche des Halbleiters eine Ladungsträgerkonzentration, die an der Eindringtiefe der Schicht abrupt abfällto

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte IMPATT-Diode mit hoher Leistungsfähigkeit oder Belastbarkeit zu schaffen> deren Wirkungsgrad erhöht ist.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Halbleitersubstrat mit hochdotierter Ladungsträgerkonzentration; einer auf dem Substrat vorgesehenen epitaktischen Schicht mit einer gegenüber dem Substrat niedriger dotierten Ladungsträgerkonzentration gleichen Typs; und durch eine Mehrzahl von in die epitaktische Schicht eindiffundierten Schichten mit dem Substrat entgegengesetzter Dotierung, wobei jede der Mehrzahl von eindiffundierten Schichten verglichen mit der vorhergehend eindiffundierten Schicht eine höhere Ladungsträgerkonzentration hat und in geringere Tiefe eindiffundiert ist.

Durch Bildung der Diode mit zwei oder mehr Diffusionsvorgängen mit einem zu p-Leitung führenden Dotierstoff unterschiedlicher Konzentrationen und unterschiedlicher Tiefen, kann der Konzentrationsgradient so modifiziert werfen, daß die Ladungsträgerkonzentration in der Nähe des Übergangs gering ist, während die Konzentration im Abstand vom Übergang hoch istο

Die Steuerung des Dotierprofils in der Zone des Übergangs wird bei der erfindungsgemäßen Diode dazu verwendet, außergewöhnlich hohe Ausgangsleistungen bei relativ kleinen Übergangsflächen und hohe Wirkungsgrade zu erzielen. Darüber hinaus weist der Ausgang der erfindungsgemäßen Diode geringeres Rauschen im Vergleich zu den nach anderen Verfahren hergestellten Bauteilen auf_o

Der angestrebte Ladungsträger»Konzentrationsgradient wird durch mehrfache Diffusionsschritte mit unterschiedlich starken Dotiermittelkonzentrationen erzielt O

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Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zwei Diffusionen angewandt, was zu einer Diode mit einer p⁺pnn⁺-Konfiguration führt»

Die Verlegung der Zone hoher Konzentration von der unmittelbaren Nachbarschaft des pn—Übergangs weg erlaubt es, die Lawinendurchbruchszone, in der ein Großteil der in einer IMPATT-Diode entstehenden Wärme erzeugt wird, weiter in die p-leitende Zone hinein und näher an die Kühlquelle zu verlegen. Hierdurch wird eine wesentliche Verbesserung der Wärraecharakteristik der Einheit erzielt.

Außerdem wird eine Verbesserung des Betriebswirkungsgrades erzielt, da die Ladungsträgerkonzentration in der Nähe des Übergangs geringer ist und die hohe Ladungsträgerkonzentration der ρ -leitenden Zone weiter vom Übergang entfernt die Speicherung der Minoritätsträger verringert, was direkt zur Erhöhung des Betriebswirkungsgrades der Diode beiträgt.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigts

Fig ο 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgeraäßen IMPATT-Diode j

Fig. 2 ein Diagramm der Ladungsträgerkonzentrationen der verschiedenen niedergeschlagenen oder in das Halbleitersubstrat eindiffundierten Materialschichten als Funktion des Abstands von der Oberfläche bei einem teilweise fertiggestellten Ausftthrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Diode;

Fig. 3 ein Diagramm der Ladungsträgerkonzentrationen bei einem fertigen Ausführungsbeispiel der Diode als Funktion des Abstands von der Oberfläche;

Fig„ 4 ein Diagramm der Ausgangsleistung und des Wirkungsgrades in Abhängigkeit vom Strom für eine typische Diode; und

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Fig» 5 ein Diagramm der Ausgangsleistung und des Wirkungsgrades in Abhängigkeit vom Strom bei einer zweiten typischen Diode.

Zunächst wird auf Fig_o 1 Bezug genommen, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Diode zeigt, in welcher der Ladungsträger-Konzentrationsgradient durch zwei Diffusionsschritte eingestellt ist, wodurch eine IMPATT-Diode mit n⁺npp⁺-Konfiguration entsteht. Die Diode ist nach bekannten Verfahren hergestellt, indem ein großes Substratscheibchen durch Niederschlagung oder Diffusion mit den geeigneten Schichten versehen und dann in einer Anzahl von kleineren Scheibchen zerschnitten wird, die eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Dioden bilden.

Das Substratmaterial ist ein n⁺-leitendes Halbleitermaterial, d.h. ein Material mit einer hohen Dichte freier Elektronen in der Größenordnung von

ίο ο
4 χ 10 /cm ο Das in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Substrat hat die in Fig_o 2 bei 17 gezeigte Ladungsträgerdichte ο Eine Schicht aus η-leitendem Material 11 mit einer Dichte von freien Elektronen in der

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Größenordnung von 6 χ 10 /cm ist in einer Dicke von etwa 7 pm epitaktisch auf dem Substrat niedergeschlagen, wobei die genaue Dicke und die Dichte der freien Elektronen von der vorgesehenen Betriebsfrequenz der fertigen Diode abhängt. Die Ladungsträgerdichte der Schicht 11 ist in Fig. 2 bei 18 angegebenο

Eine p-leitende Schicht 12 mit einem Ladungsträger-Dichteprofil, das etwa dem durch die Kurve 19 angegebenen entspricht, ist bis in eine Tiefe von etwa 1,0 μη» in die η-leitende Schicht eindiffundiert. Die Ladungsträgerdichte an der Oberfläche des Scheibchens infolge dieser Diffusion liegt in der

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Größenordnung von 3 χ 10 Löchern/cm .

Dann wird ein zweiter Diffusionsschritt durchgeführt«. Hierbei wird Material mit einer Ladungs-

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trägerdichte von etwa 4 χ 10 Löchern/cm in das Substrat eindiffundiert und bildet die Schicht 13. Der zweite Diffusionsschritt führt auch dazu, daß die Schicht 12 etwas weiter ins Substrat eindringt, so daß die Schichten 12 und 13 zusammen etwa 1,5 pm dick sind.

Das zusammengesetzte Ladungsträger-Konzentrationsprofil ist als Kurve 21 in Fig. 3 gezeigt, in der die Ladungsträger dich te als Funktion vom Oberflächenabstand des Halbleitermaterials ausgehend von der p⁺-leitenden Schicht 13 mit einer Ladungsträgerdichte in der Größenordnung von 4 χ 10

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Löchern/cm gezeigt ist, die dann auf etwa 10 Löcher/cm am Beginn der p-leitenden Schicht im Abstand 1 um von der Oberfläche abfällt und dann zum metaU-^gischen Übergang bei 22 weiter abfällt. Die Schicht 11 aus η-leitendem Material erstreckt sich vom Übergang zum Anfang des n⁺- leitenden Substratmaterials 10, wo die Ladungs— trägerdichte wiederum sehr hoch ist. Auf den Oberflächen des Bauteils sind Anschlüsse 14 und 15 mit Üblichen Herstellverfahren aufplattiert, wodurch die Diode vervollständigt wird.

Das derart beschriebene Dotierprofil führt zu einem Bauteil mit höherer Ausgangsleistung und höherem Wirkungsgrad im Vergleich zu den auf bekannte Weise hergestellten Bauteilen. Für den Fachmann ist es klar, daß nur ein bevorzugtes Ausfiihrungsbeispiel beschrieben ist, in dem die p-leitende Zone der Diode so ausgebildet ist, daß sie die gewünschte niedrige Ladungsträgerkonzentration im Bereich des Übergangs und die

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hohe Konzentration mit Abstand vom Übergang aufweist, indem zwei Diffusionsschritte mit unterschiedlichen Diffusionseindringtiefen und unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentrationen angewandt werden. Tatsächlich könnte jede beliebige Zahl von Diffusionsschritten zurweiteren Anpassung der Neigung des Kurvenverlaufs der Ladungsträgerkonzentration über dem Abstand verwendet werden. Außardem ist klar, daß eine komplementäre Diode, d.h. eine Diode, die von einem p*~leitenden Substrat mit einer epitaktisch aufgebrachten p-leitenden Schicht ausgeht, worauf eine Vielzahl von n- und η Diffusionen folgt, im Rahmen des Erfindungsgedankens aufgebaut werden könnte, die die gleichen oder ähnliche Vorteile wie die beschriebene aufweist.

Es wurden IMPATT-Dioden mit gesteuerter Dotierung im Bereich des Übergangs und dessen unmittelbarer Nähe durch doppelte Diffusion in der oben beschriebenen Weise hergestellt, wobei Ausgangsleistungen bis zu 1,52 W bei 10,2 GHz und ein Wirkungsgrad von 9,4 % mit relativ kleinen Übergangsflächen erzielt wurden, und die Wirkungsgrade konnten bis 10,3 % bei einem Leistungsniveau von 0,9 W wiederum bei X~Band-Frequenzen betragen. Weiterhin zeigte der in einem Spektrumanalysator beobachtete Ausgang im Vergleich zu auf herkömmliche Art hergestellten Bauteilen geringeres Rauschen. Diese die hohe Leistung und den hohen Wirkungsgrad betreffenden Ergebnisse sind in Fig. 4 bzw. 5 dargestellt· Dabei ist zu beachten, daß die Ergebnisse für Einzel-Mesabauteile mit aufplattierten Kupfer-KühlanschlQssen gelten, die in einer Üblichen Kupfer-Bas ishalterung mit einer wassergekühlten Diodenbefestigung angeordnet sind»

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Die Bauteile wurden durch mehrfache Bo-r-Eindiffusion als p-Dotiermittel in eine n-leitende epitaktische Schicht auf Arsen-dotiertem Substrat niedrigen spezifischen Widerstands hergestellt. Der spezifische Widerstand der η-leitenden Schicht betrug 0,89^- cmο Die Diffusionsschritte wurden so gesteuert, daß sie zu einer sehr niedrigen Ladungsträgerkonzentration in unmittelbarer Nachbarschaft des Übergangs und zu hoher Ladungsträgerkonzentration im Abstand vom Übergang führten. Eine solche Konzentration führt zu den nachfolgend angegebenen wesentlichen Eigenschaften:

1. Die niedrigere Ladungsträgerkonzentration im Bereich des Übergangs läßt die Lawinendurchbruchszone tiefer in die p-leitende Zone eindringen, wodurch die wärmeerzeugende Zone näher an die Kühlquelle heranrückt» Diese Tatsache in Verbindung mit den nur flachen p-Diffusionen führt zu einer erheblichen Verbesserung der thermischen Eigenschaften der Bauteile und daher der Ausgangsleistung;

2. die niedrigere Ladungsträgerkonzentration im Bereich des Übergangs und die hohe Ladungsträgerkonzentration der vom Übergang entfernt liegenden ρ -leitenden Zonen reduziert die Speicherung von Minoritätsträgern und deren Auswirkung auf die Leistung des Bauteils. Dies trägt direkt zur Verbesserung des Betriebswirkungsgrades der Diode bei; und

3. die durch Diffusion verursachten strukturellen Schäden hängen von der Konzentration des eindiffundierten Dotierstoffs ab„ Eine direkte flache Eindiffusion von p⁺-Dotierstoffen führt zu stärkeren strukturellen Beschädigungen in und in der Nähe der Lawinendurchbruchszone. Dies führt zu höherem Rauschen der IMPATT-Dioden. Die Herstellung durch

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Mehrfachdiffusion führt daher zu Bauteilen mit geringerem Rauschen.

Die hergestellten Dioden weisen aufplattierte Kupfer-Kühlanschliisse und Mehrfach-Drahtanschlüsse zur Verringerung der Leitungsinduktivität auf. Die Kochfrequenzauswertung wurde in einer "Kappenwellenleiterschaltung" (capwaveguide circuit) durchgeführt, wobei die konische Kappe einen Durchmesser von 12,7 mm und eine Konizität von 10° aufwies. Diese und andere Schaltungsparameter wurden in Richtung auf eine niedrige Kapazität der Dioden optimiert.

Das Leistungs-Impedanz-Produkt einer IMPATT-Diode ist ein Maßstab für ihre Güte.

Obgleich dieser Faktor mit abnehmender Frequenz steigt, kann er bei vorgegebener Frequenz als Dioden-Gütefaktor angesehen werden und kann zur Auswahl der besten zur Verfügung stehenden Dioden dienen. Ein einfacherer Parameter würde die Ausgangsleistung pro Kapazitätseinheit des Bauteils nahe dem Durchbruch sein. Da die Ausgangsleistung einer IMPATT-Diode jedoch mit wachsender Eingangsleistung (Gleichstrom-Vorspannungsstrom) weiter bis zur thermischen Zerstörung ansteigt, ist die Ausgangsleistung nicht eine einzige Größe. Diese Schwierigkeit kann dadurch ^vermieden werden, daß eine Leistungs- und Wirkungsgradcharakteristik als Funktion des Vorspannstroms für jede IMPATT-Diode (siehe Fig. 4 und 5) ermittelt wird. Dabei ist zu beobachten, daß der Wirkungsgrad einen Maximalwert erreicht und dann abzufallen beginnt, wobei die Ausgangsleistung weiter steigt. Da das Arbeiten des Bauteils jenseits des Punktes maximalen Wirkungsgrades im allgemeinen nicht als sicherer Arbeitsbereich empfehlenswert ist, kann die Ausgangsleistung an der Stelle höchsten

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Wirkungsgrades zur Bestimmung des Gütefaktors gewählt werden. Wenn also P die dem maximalen

max n

Wirkungsgrad entsprechende Ausgangsleistung und C„_v die Kapazität des gesamten, gekapselten Bauteils in der Nähe des Durchbruchs ist, dann kann ein in der Praxis verwendbarer Gütefaktor Q geschrieben werden als

Q ₌ (1)

BV

Dieser Qualitätsfaktor beträgt bei Dioden gemäß den Fig. 4 und 5 3,07 bzw. 2,8, wobei die Leistung in W und die Kapazität in pF eingesetzt ist. Erfindungsgemäß wird also eine IMPATT-Diode mit einem Ladungsträger-Konzentrationsprofil beschrieben, das in der Nähe des pn-Übergangs durch mehrfache Dotierstoffdiffusion so angepaßt ist, daß die erwünschten Eigenschaften erhalten werden. Es ist klar, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens eine Reihe von Abänderungen oder Abwandlungen des erörterten Ausführungsbeispiels durchgeführt werden können»

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Claims

PATENTANWÄLTE ZENZ & HEL2E? ESSRN ι. ALFRÖDSTRASSE 383 · TEL.: (02141) 472687

Ansprüche

Halbleiterdiode gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (10) mit hochdotierter Ladungsträgerkonzentration; einer auf dem Substrat

(10) vorgesehene epitaktische Schicht (11) mit einer gegenüber dem Substrat niedriger dotierten Ladungsträgerkonzentration gleichen Typs; und durch eine Mehrzahl von in die epitaktische Schicht

(11) eindiffundierten Schichten (12, 13) mit dem Substrat (10) entgegengesetzter Dotierung, wobei jede der eindiffundierten Schichten verglichen mit der vorhergehend eindiffundierten Schicht eine höhere Ladungsträgerkonzentration hat und in geringere Tiefe eindiffundiert ist.

2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgerkonzentration in den aufeinanderfolgend eindiffundierten Schichten (12, 13) um jeweils etwa zwei Größenordnungen höher als die der vorausgehenden Schicht ist.

3. Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) und die epitaktische Schicht (11) aus η - bzw. η-leitendem Halbleitermaterial und die eindiffundierten Schichten (12, 13) aus p-leitendem Halbleitermaterial aufgebaut sind.

4. Diode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine p-leitende Schicht (12) etwa 1,5 pm in die epitaktische Schicht (11) eindiffundiert ist und eine maximale Ladungsträgerkonzentration in der

19 3 Größenordnung von 3 χ 10 Löcher/cm aufweist, während die nächste p⁺-leitende Schicht (13) etwa

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1 pm tief in die zunächst eindiffundierte Schicht (12) eindiffundiert ist und eine

20 maximale Ladungsträgerkonzentration von 4 χ Löcher/cm aufweist.

5. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Diode verwendete Halbleitermaterial Silizium ist.

6. Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) und die

epitaktische Schicht (11) aus p⁺- bzw. pleitendem Halbleitermaterial und die eindiffundierten Schichten (12, 13) aus n-leitendem Halbleitermaterial aufgebaut sind.

7. Verfahren zur Herstellung einer Diode nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgend Schichten von Dotierstoffen derart in ein Halbleitergrundmaterial eindiffundiert werden, daß die DotierStoffkonzentration Jeder Schicht gegenüber der vorhergehenden ansteigt, während die Diffusionstiefe abfällt.

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