ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 2, с. 66-70
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 621.382.2
ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ДИОДЫ НА ОСНОВЕ GaAs С ГЛУБОКИМИ
ПРИМЕСНЫМИ ЦЕНТРАМИ
© 2009 г. С. С. Хлудков
Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова Томского государственного университета
Россия, 634050, Томск, пл. Новособорная, 1 E-mail: kanc@spti.tsu.ru Поступила в редакцию 03.06.2008 г. После доработки 30.09.2008 г.
Рассмотрены характеристики переключающих диодов на основе GaAs с глубокими примесными центрами. Приборные структуры формируются в процессе контролируемого введения в n-GaAs примесей с глубокими акцепторными уровнями. Структуры имеют в обратной ветви вольт-амперной характеристики участок отрицательного дифференциального сопротивления (о.д.с.) и при переключении из высокоомного в высокопроводящее состояние позволяют формировать электрические импульсы с фронтами 40-50 пс и амплитудой до 1000 В. Систематизированы ранее опубликованные и вновь полученные результаты, кратко излагаются методы изготовления GaAs-структур с глубокими центрами и диодов и их основные характеристики, детально обсуждаются природа формирования в таких структурах о.д.с. и механизм переключения на участке о.д.с. при лавинном пробое, приводятся примеры использования ^-диодов в импульсной технике.
PACS: 61.82.Fk, 85.30.Kk, 85.30.Mn
В качестве переключающих приборов, позволяющих формировать электрические импульсы с короткими фронтами, используются традиционные полупроводниковые приборы: диоды с накоплением заряда, транзисторы, туннельные диоды, диоды Ганна и др. [1, 2], а также приборы, разработанные на новых принципах [3-16]. Авторы работ [3-5] предложили и реализовали формирователи мощных импульсов на основе эффекта задержки лавинного пробоя Бь и ваАв-диодов. Авторами работ [6-8] созданы мощные дрейфовые ваАв-диоды с резким восстановлением. Авторы работ [8, 9] создали мощные полупроводниковые прерыватели тока на основе Бьдиодов (¿О'-дио-ды). Авторы работ [10-16] разработали высокоскоростные переключающие приборы на принципе перезарядки глубоких центров, получивших название лавинных ^-диодов.
Приборы [3-16] объединяет то, что их основой являются диоды с электронно-дырочным переходом, работающие в сильных электрических полях. При этом в [3-9] описан прибор, в котором электронно-дырочный переход создается введением в полупроводник примесей с мелкими энергетическими уровнями. В наших работах [10-16] приборные структуры формируются в процессе контролируемого введения в я-ваАв примесей с глубокими акцепторными уровнями. В таких структурах при напряжениях, соответствующих лавинному пробою, имеет место перезарядка глубоких центров, в результате чего происходит фор-
мирование участка отрицательного дифференциального сопротивления (о.д.с.) 5-типа с большим перепадом напряжений, на котором осуществляется высокоскоростное переключение структуры из высокоомного состояния в низкоомное.
В настоящей работе систематизированы ранее опубликованные и некоторые новые результаты, кратко излагаются условия изготовления структур и диодов и их основные характеристики, детально обсуждаются природа формирования в таких структурах о.д.с. и механизм переключения на участке о.д.с. при лавинном пробое, приводятся примеры использования ^-диодов в импульсной технике.
Барьерная структура 5-диода, получившая название п-у-я-структуры, изготавливается введением в я-ваАв, однородно легированный донорами до концентрации Ий, глубокой акцепторной примеси с градиентом концентрации йИ/йх. Структура представляет собой расположенный на я-подлож-ке высокоомный слой, включающий п-, у-области и область объемного заряда (о.о.з.) между ними.
В качестве примесей с глубокими энергетическими уровнями использованы переходные металлы Сг, Бе, Мп, Си. Энергия Е1 активации этих примесей в ваАв перекрывает диапазон от Е^/2 до 0.1 эВ, что позволяет в широких пределах управлять свойствами ваАв и приборных структур. Структуры получают, в основном, методом высокотемпературной диффузии [16]. Для примеси Бе используются также процессы ионного легирования и газофа-
зовой эпитаксии, для примесей Бе и Сг - процесс жидкофазовой эпитаксии [17-19].
Приборные п-у-и-структуры, формируемые в процессе контролируемого введения в ваЛв примесей с глубокими акцепторными уровнями, обладают уникальными свойствами. На их основе создана серия приборов с напряжением переключения ип до 1000 В и остаточным напряжением иост = 0.1 ип [15]. Диоды представляют собой ваЛв-кристаллы с п-\"-переходом, смонтированные в металлокерамическом корпусе 03.7 х 2.9 мм. Время переключения диодов в режиме автоколебаний составляет <0.5 нс, в режиме обострения -40-50 пс.
Вольт-амперная характеристика (в.а.х.) 5-дио-да представлена на рисунке. Обратная ветвь в.а.х. п-у-и-структуры, как и обычного р-и-перехода, имеет следующие начальные участки [12, 13]: I -омический участок (до и = 2 кТ/ц); II - участок слабого роста тока (до и = 0.1 ип); III - участок резкого нарастания тока (от и = 0.1 ип до напряжения переключения ип). В области развитого лавинного пробоя формируется участок IV - участок о.д.с. 5-типа и за ним участок V с положительным сопротивлением.
Участки I и II в.а.х. удовлетворительно описываются теорией Шокли-Нойса-Саа, согласно которой обратный ток определяется процессом генерации носителей в о.о.з. Плотность тока на участке II равна
I = ци{м!2т
0'
(1)
где ц - заряд электрона, и - концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике, м -толщина области объемного заряда, т0 - время жизни неосновных носителей.
Начало участка о.д.с. 5-типа характеризуется величинами напряжения переключения ип и тока переключения 1п.
Процессы, происходящие в ваЛв п-у-и-струк-туре при обратном смещении в области сильных электрических полей и приводящие к образованию на в.а.х участка о.д.с. с большим перепадом напряжений, объяснены нами в [10-16, 20, 21] на основе представлений, ранее развитых в [22, 23].
Участок о.д.с. 5-типа наблюдали на в.а.х. кремниевых р-и-переходов уже в ранних работах, посвященных исследованию лавинного пробоя р-и-переходов [24]. При этом перепад напряжения был небольшим и составлял единицы процентов от напряжения пробоя. Одно из первых объяснений этого эффекта предложил В. Шокли [25]. Участок о.д.с. и флуктуации тока на этом участке он объяснил наличием в о.о.з. р-и-перехода неконтролируемых глубоких центров, компенсирующих основную примесь, которые при наличии сильных полей подвергаются ударной ионизации, в результате чего плотность заряда в о.о.з. воз-
I, Л 100 10-1 10-2
10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12
10-13 3 10-3
10
10
10°
101 102 и, в
Обратная ветвь в.а.х. лавинного ¿-диода (п-У-и-структура получена диффузией Бе) [14].
растает и напряжение пробоя уменьшается относительно его исходной величины. Однако эта модель не согласовывалась с экспериментом. Причина в том, что вероятность ударной ионизации при комнатной температуре глубоких примесных центров ничтожно мала ввиду их очень малой концентрации. Несколько позднее Хейтц [22] предложил модифицированную модель Шокли, согласно которой изменение плотности заряда в о.о.з. р-и-перехода обусловлено перезарядкой глубоких центров, но уменьшение напряжения пробоя (увеличение плотности заряда) происходит не за счет ударной ионизации глубоких центров, а за счет захвата носителей заряда лавины (образованной в процессе ударной ионизации атомов матрицы) глубокими центрами. Ввиду того, что плотность свободных носителей заряда при образовании лавинного пробоя очень высока, перезарядка глубоких центров легко реализуется. Механизм Хейтца оказался жизнеспособным и позволил объяснить имевшиеся экспериментальные результаты.
Позднее модель Хейтца была детально обсчитана Кузьминым и Кюрегяном [23]: был проведен расчет стационарной обратной ветви в.а.х. для случая, когда преобладает искажение электрического поля в о.о.з., связанное с захватом носителей заряда на глубокие центры. Оказалось, что наши экспериментальные результаты хорошо описываются в рамках представлений Хейтца-Кузьмина-Кю-регяна. Формирование о.д.с. в п-у-и-структуре связано с перезарядкой глубоких центров в о.о.з. п-\"-перехода в условиях лавинного пробоя.
Согласно [23], напряжение и ток переключения в п-у-и-структуре можно записать в следующем виде:
ип = ипр = /(М - /М),
(2)
1П = qvsp1S(Nd -/оМт, (3)
где рх = ^,ехр(-ЕД7); ипр - напряжение пробоя п-\"-перехода; /0 - функция заполнения глубоких уровней электронами при п = р = 0; q - заряд электрона; V. - максимальная дрейфовая скорость движения носителей в области сильных электрических полей; S - площадь п-у-перехода.
В соответствии с данным механизмом, при малых плотностях тока (I < 1п) плотность заряда в ■у-части о.о.з. определяется разностной концентрацией ионизованных доноров и глубоких акцепторов (^ = а падение напряжения на ней, в соответствии с [26], определяется выражением
ип =
ЕЕп
q Nd - N ;
(4)
где ££0 - диэлектрическая проницаемость ваЛв; Ет - максимальная напряженность поля в о.о.з.
При больших плотностях тока в условиях лавинного пробоя захват неравновесных дырок на отрицательно заряженные глубокие акцепторы и их нейтрализация приводят к увеличению плотности заряда в о.о.з. до N1 = N¡1, а падение напряжения на ней уменьшится до остаточного напряжения
и = ££о Ет
ост = 1 N.
(5)
Величина остаточного напряжения после переключения определяется толщиной о.о.з. п-у-перехода и, как следует из выражения (5), концентрацией ионизованных донорных примесей (N0). Таким образом, если до переключения толщина о.о.з. была большой (м ~ (N¿¡-N1)^), то после переключения она как бы "схлопывается", значительно уменьшаясь, (м ~ (^)-1). Зависимости величины остаточного напряжения от режима работы переключателя не наблюдалось. Режим работы оказывает влияние только на время установления остаточного напряжения.
В [20, 21] детально исследованы в.а.х. ваЛв п-у-п-структур, легированных Бе и Сг, в области сильных электрических полей. Установлено, что на участке в.а.х., предшествующем участку о.д.с., имеет место экспоненциальный рост тока
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.