DE1212222B - Halbleiterdiode mit einem einen Tunneleffekt aufweisenden pn-UEbergang - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1212 222

Aktenzeichen: W 30493 VIII c/21 g

Anmeldetag: 8. August 1961

Auslegetag: 10. März 1966

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiode mit einem einen Tunneleffekt aufweisenden pn-übergang. Für einen solchen pn-übergang ist eine hohe Dotierung der beiden Zonen und eine geringe Sperrschichtdicke, also ein steiler pn-Übergang, kennzeichnend.

Die Vorteile der Tunneldiode beruhen zum großen Teil auf ihrer Kennlinie, die einen Bereich negativen Widerstands aufweist. Der Umfang dieses Bereichs und die Größe des negativen Widerstands hängen to von der Beziehung zwischen dem durch den Tunneleffekt erzeugten Strom, kurz Tunnelstrom, und dem normalen Strom durch den pn-übergang in Durchlaßrichtung, kurz Normalstrom, ab. Ein hoher Wert für das Verhältnis des Maximums zum Minimum in der Diodenkennlinie wird durch einen großen Tunnelstrom begünstigt, der von einem kleinen Normalstrom begleitet ist. Dies führt zu widersprechenden Anforderungen an den Halbleiter. Ein starker Tunnelstrom wird durch eine schmale, zwi- zo sehen Valenz- und Leitfähigkeitsband des Elektronenenergiezustandsdiagramms des Halbleiters gelegene Energiezustandslücke, die sogenannte verbotene Zone oder das sogenannte verbotene Energieband, begünstigt; dagegen wird ein kleiner Normalstrom durch eine breite verbotene Zone begünstigt. Viele Halbleiter, die gute Tunnelwirkung zeigen, haben so schmale verbotene Zonen, daß der Normalstrom stark genug ist, den Tunnelstrom zu maskieren. Demgemäß nahm man bisher an, daß sowohl ein starker Tunnelstrom dank schmaler verbotener Zone als auch ein kleiner Normalstrom dank einer breiten verbotenen Zone unmöglich gleichzeitig zu erhalten wären. Demzufolge werden als Kompromißlösung im allgemeinen wenige Materiahen verwendet, die einen optimalen Tunnelstrom im Vergleich zum Normalstrom zeigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein großes Verhältnis von Maximum zu Minimum bei Tunneldioden zu realisieren.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe für eine Halbleiterdiode der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß in dem pn-übergang eine Schicht eines solchen Halbleitennaterials zur Erhöhung des Tunnelstroms eingebaut ist, dessen verbotenes Energieband kleiner, z. B. um mindestens 0,3 eV, als dasjenige der Halbleitermaterialien der beiden Zonen ist.

Eine Tunneldiode, die gemäß Erfindung zusammengesetzt ist, zeigt eine merklich verbesserte Kennlinie negativen Widerstands, da die Diode wirkungsgemäß zwei Werte für die verbotene Zone beHalbleiterdiode mit einem einen Tunneleffekt
aufweisenden pn-übergang „

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

William Gardner Pfann, Far Hills, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. September 1960
(54293)

sitzt, von denen der eine den Tunnelmechanismus und der andere den Normalstrom bestimmt. Die gegenseitige Anpassung der Werte der verbotenen Zonen der Halbleitermaterialien liefert eine große Wahrscheinlichkeit für einen bereits bei geringem Normalstrom auftretenden erheblichen Tunnelstrom und vermittelt auf diese Weise ein großes Verhältnis Maximum zu Minimum.

Bei Transistoren ist es bekannt, für Emitter- und Kollektorzone einerseits und Basiszone andererseits verschiedene Halbleitermaterialien des gleichen Gittertyps zu verwenden, wobei bei der Herstellung des Transistors auf einen durchgehenden einkristallinen Verband der drei Zonen geachtet wird. Hierbei soll das Material der Basiszone in einem Falle eine kleinere verbotene Zone als das Material der angrenzenden Emitter- und Kollektorzone besitzen, so daß auch bei dem Betrieb des Transistors bei höheren Temperaturen ein guter Verstärkungsgrad und außerdem eine höhere Stromverstärkung ermöglicht werden. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, die Basiszone stärker als die Emitter- oder Kollektorzone zu dotieren, so daß ohne unzulässige Erhöhung des Basiswiderstands die Dicke der Basiszone klein gehalten und damit eine höhere Grenzfrequenz erzielt werden kann. In einem anderen Fall wird Wert darauf gelegt, daß das Material der Zwischenzone, der Basiszone, einen niedrigeren Schmelzpunkt als das der angrenzenden Außenzonen, den

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Emitter- und Kollektorzonen, besitzt, wodurch mit Hilfe einer gesteuerten Erhitzung und Legierungsbildung besser definierte pn-Ubergänge erreichbar sein sollen als dies mit Hilfe von Diffusionsverfahren möglich ist.

Allen diesen Formen von Halbleiterbauelementen ist es jedoch gemeinsam, daß durch die zwischengeschaltete Zone unterschiedlichen Materials zwei getrennte pn-Ubergänge, z. B. der Emitter-Basis-Übergang und der Basis-Kollektor-Ubergang, ent- ίο stehen sollen, die zum Ausüben verschiedener Funktionen vorgesehen sind. Demgegenüber werden durch die erfindungsgemäß eingeführte Schicht keine zwei getrennte pn-Ubergänge geschaffen. Vielmehr verhält sich der pn-übergang trotz eingeschobener Zwischenschicht immer noch wie ein einziger pn-übergang. Insoweit unterscheidet sich die erfindungsgemäße Tunneldiode von den bekannten Halbleiterbauelementen, die unter Verwendung mehrerer Halbleitermaterialien aufgebaut sind, "grundsätzlich, ao

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm einer typischen Strom-Spannungs-Kennlinie einer Tunneldiode, in dem der Normalstrom, der Tunnelstrom· und der Gesamtstrom dargestellt ist, und

F i g. 2 ein Energiezustandsdiagramm einer Diode nach der Erfindung.

Aus der F i g. 1 ersieht man, daß die durch Kurve 1 dargestellte normale pn-Kennlinie und die durch Kurve 2 dargestellte Tunnelkennlinie sich zu einer typischen Tunneldiodenkennhnie nach Kurve 3 kombinieren und einen Bereich negativen Widerstands xy bilden. Das Verhältnis Maximum zu Minimum wird

als Wert — berechnet. Es ist ersichtlich, daß eine

Verkleinerung des Normalstroms gegenüber dem Tunnelstrom oder eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Tunnels im Verhältnis zum statischen Normalstrom die Ausdehnung des Bereichs negativen Widerstands und das Maximum-zu-Minimum-

Verhältnis — erhöht. Es wird gezeigt werden,, daß

man diese beiden Änderungen gleichzeitig auftreten lassen kann.

Die Fig. 2 zeigt das Energiebändermodell einer typischen Ausführungsform nach der Erfindung, worin E_c und E_v die Energieniveaus des Leitungsbands bzw. des Valenzbands und E_f das Ferminiveau darstellen und worin E_g die Breite der verbotenen Zone im p- und η-leitenden Material sowie t die sperrende Dicke der Zwischenschicht darstellen. Im vorliegenden Fall ist eine.dünne Zwischenschicht mit guter Tunnelwirkung, nämlich Indiumantimonid, innerhalb eines pn-Übergangs in Cadmiumtellurid, einem Material mit verhältnismäßig breiter ver^ botener Zone, eingebaut. Bei Schaltung in Durchlaßrichtung tritt Tunnelwirkung durch die verbotene Zone des Indiumantimonids (Strecke α) auf, jedoch wird der Normalstrom (über Strecke b) durch die große Potentialschwelle der Höhe W gehindert. Mit anderen Worten: Die Breite der verbotenen Zone und die effektive Elektronenmasse, die den Tunnelstrom beeinflussen, skid die der Zwischenschicht InSb, während die verbotene Zone für den Normalstrom die delTGdTe ist.

Das Feld in derSchicht entspricht annähernd dem Verhältnis des Spannungsanstiegs (E/ + V₁ + F₂) zur Schichtdicke L, worin E/ die verbotene Zone der Schicht und V₁ und V₂ die Überwindung des Ferminiveaus zum Leitungsband auf der Seite des ri-Bereichs einerseits und des Valenzbands auf der Seite des p-Bereichs andererseits bedeuten. Die sperrende Dicke t für ein beim Ferminiveau unter-

tunnelndes Elektron ist dann etwa --J-. Daher ist

beispielsweise die Schichtdicke L, damit ein Wert für t = 10~⁶ cm erhalten wird, gegeben durch

Eg'

L sä 1,5-ΙΟ-⁶cm

0,2

Man sieht daher, daß die sperrende Dicke, die einen primären, die Größe des Tunnelstroms bestimmenden Faktor darstellt, annähernd gleich der Dicke der Zwischenschicht ist. Bevorzugte Dicken der eingeschobenen Zwischenschicht mit kleiner verbotener Zone liegen zwischen 10 und 300 A.

Das Material, das die Zwischenschicht bildet, kann aus jedem Stoff sein, dessen Tunnelwirkung der der angrenzenden Materialien überlegen ist. Wenn sich auch bereits eine Verbesserung der Kennlinie des negativen Widerstands einer Tunneldiode aus einem zusammengesetzten Aufbau ergibt, bei dem die Zwischenschicht eine nur wenig kleinere verbotene Zone besitzt, so wird doch die Verbesserung erst als bedeutsam betrachtet, wenn der Unterschied zwischen den verbotenen Zonen der Zwischenschicht und der angrenzenden Schicht wenigstens 0,3 eV ist.

Die n- und p-leitenden Schichten können aus jedem halbleitenden Material sein. Aus Zweckmäßigkeitsgründen sind sie aus gleichem Material, obwohl unterschiedliche Materialien für jede Schicht verwendet werden können, falls dies gewünscht wird. Bei der Auswahl der speziellen Materialien für jede der Schichten ergibt sich ein anderes Problem. Jede Grenzfläche zwischen verschiedenen kristallinen Stoffen stellt eine bemerkenswerte Rekombinationszentren-Quelle dar, wenn nicht die Stoffe unter folgendem Gesichtspunkt sorgfältig ausgewählt werden. Materialien, die für den Diodenaufbau vorgesehen sind, müssen in der Kristallgitterstruktur in gewissem Grade einander angepaßt werden, so daß eine durchgehende Kohärenz des Kristallgitters erhalten werden kann. Die zusammengesetzten Halbleiterbauelemente vertragen als maximale Störung der Gitterkohärenz eine Versetzung pro 20 Atome. Der durch diese Bedingung bestimmte Unterschied der Gitterkonstanten ist daher maximal 5%. Ein Minimum existiert nicht, da die Verhältnisse um so idealer werden, je besser die Gitter aufernanderpassen.

Auch wenn die Gitterkonstanten exakt zusammenpassen, ist es immer noch möglich, daß Versetzungen in der Grenze zwischen den beiden Halbleitern auftreten, nämlich dann, wenn die Gitter sich in der Orientierung unterscheiden. Dementsprechend ist die maximal erlaubte Differenz der Orientierung von etwa 3° bei gleichen Gitterkonstanten ebenfalls von der Bedingung diktiert, daß höchstens eine Versetzung pro 20 Atome vorliegt. Es sollen daher mit anderen Worten auch sogenannte Kleinwinkelkorngrenzen zugelassen werden, durch die bekanntlich die Gitterkohärenz im Gegensatz zu Großwinkelkörngrenzen nicht zerstört wird.

Da ferner bei einem Zwillingskristall, der eine Zwillingsebene erster Ordnung aufweist, das Gitter sich ohne Störung seiner Kohärenz nach beiden Seiten der Zwillingsebene (einer Spiegelsymmetrieebene) fortsetzt, versteht es sich, daß sich die obenerwähnte Grenze für die Fehlorientierung sowohl auf die Winkelabweichung zwischen zwei Gittern gleicher Orientierung bezieht als auch auf die Winkelabweichung zwischen zwei Gittern, die einen solchen Zwillingskristall nach Zusammenfügung bilden, wobei die Grenzebene mit der Zwillingsebene zusammenfällt.

Einige spezielle Kombinationen von Halbleitersubstanzen, die den Anforderungen der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise entsprechen, sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt, in der E_e die verbotene Zone in Elektronenvolt und α die Gitterkonstante in Ängström bedeutet, während der Schmelzpunkt der Materialien in ⁰C angegeben ist.

Material	0,17 1,45 0,37 1,77 0,6 1,77 0,4 1,45	a	Schmelzpunkt
1. InSb CdTe 2. InAs CdSe 3. HgSe CdSe 4. HgTe CdTe	6,487 6,46 6,04 6,05 6,07 6,05 6,43 6,46	523 1050 940 1350 690 1350 670 1050

In jedem dieser Beispiele erscheint das Material der Zwischenschicht als erstes Material. Die Schmelzpunkte wurden im Hinblick auf die Fabrikationstechnik angegeben. Jedes der vorgeschlagenen Zwischenmaterialien mit schmaler verbotener Zone hat eine geringe effektive Elektronenmasse, die ihrerseits gleichfalls die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns begünstigt.

Es gibt zahlreiche geeignete Fabrikationstechniken, bei denen meist wohlbekannte Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Material der Zwischenschicht auf eine oder beide der zur gegenseitigen Anlage kommenden Flächen der zusammenzufügenden n- und p-leitenden Kristalle aufgedampft werden. Die beiden Kristalle werden dann zusammengepreßt und mit dem Ziel erhitzt, die Zwischenschicht zu schmelzen und die Kristalle miteinander zu verbinden. Alternativ können ein n-leitender Kristall mit einem p-leitenden Kristall unter Bildung eines dazwischen verbleibenden Spaltes miteinander verbunden werden. Ein Ende des Spaltes wird dann in eine erschmolzene Legierung der für die Zwischenschicht gewünschten Zusammensetzung eingetaucht, wodurch wegen der Kapillarwirkung Schmelzflüssigkeit in den Spalt eingesaugt wird. Eine schnelle Abkühlung unter zusätzlichem Druck, damit überschüssige Schmelze abgequetscht wird, erzeugt die dünne Zwischenschicht. Auf Grund der

ίο relativ niedrigen Schmelzpunkte der in der Tabelle angeführten Stoffe, sind diese für jedes dieser Verfahren geeignet.

Die Zwischenschicht kann aus jedem Material sein, das die erforderliche schmälere verbotene Zone besitzt. Die Schicht kann im übrigen von jedem Leitfähigkeitstyp sein, d. h. p-leitend- η-leitend oder eigenleitend.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   ao 1. Halbleiterdiode mit einem einen Tunneleffekt aufweisenden pn-übergang, dadurch gekennzeichnet, daß in dem pn-übergang eine Schicht eines solchen Halbleitermaterials zur Erhöhung des Tunnelstroms eingebaut ist, dessen verbotenes Energieband kleiner, z. B. um mindestens 0,3 eV, als dasjenige der Halbleitermaterialien der beiden Zonen ist.

   2. Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der eingebauten Schicht 10 bis 300 A beträgt.

   3. Diode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten der Halbleitermaterialien höchstens um 5% voneinander abweichen.

   4. Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen der Kristallrichtungen der beiden einkristallinen p- und η-Zonen höchstens 3° beträgt.

   5. Diode nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallgitter der beiden einkristallinen p- und η-Zonen in Zwillingsbeziehung erster Ordnung zueinander stehen und die eingebaute Schicht mit der Zwillingsebene ausgerichtet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschriften Nr. 1021488,

   638;

   deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 815 963;
   französische Patentschriften Nr. 1171320,

   194.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen