научная статья по теме ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ЛАВИННЫЕ S-ДИОДЫ НА ОСНОВЕ GaAs МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР Физика

Текст научной статьи на тему «ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ЛАВИННЫЕ S-ДИОДЫ НА ОСНОВЕ GaAs МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 4, с. 68-73

ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.382.2

ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ЛАВИННЫЕ S-ДИОДЫ НА ОСНОВЕ GaAs

МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР

© 2010 г. И. А. Прудаев, С. С. Хлудков, М. С. Скакунов, О. П. Толбанов

Сибирский физико-технический институт им. В.Д. Кузнецова Томского государственного университета Россия, 634050, Томск, пл. Новособорная, 1 E-mail: prudaev@rid.tom.ru Поступила в редакцию 20.01.2010 г.

Представлены результаты исследования вольт-амперных характеристик лавинных переключающих S-диодов. Показано, что для 8-диодов на основе структур, полученных диффузией Сг в ОаАз, при обратном смещении большая часть приложенного напряжения падает на высокоомной п-области, а не на области объемного заряда. При этом резкий рост тока обусловлен инжекцией электронов с прямосмещенного контакта к п-слою. В связи с этим исследован новый тип структур на основе ОаАз, легированного Сг и Бе (ОаАз:Сг, Бе). Показано, что в 8-диодах на основе (ОаАз:Сг, Ре)-струк-тур при обратном смещении рост тока обусловлен лавинными процессами в области объемного заряда. Это приводит к формированию участка отрицательного дифференциального сопротивления с субнаносекундным переключением из закрытого состояния в открытое. Напряжения переключения 8-диодов из (ОаАз:Сг, Бе)-структур составляют 350—650 В, времена переключения не превышают 0.5 нс.

ВВЕДЕНИЕ

Лавинный импульсный 8-диод — это полупроводниковый прибор с.в.ч.-электроники, на обратной ветви вольт-амперной характеристики которого наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления (о.д.с.) [1—3]. Он используется в качестве порогового элемента в схемах возбуждения антенн несинусоидальной локации, импульсного питания мощных полупроводниковых диодов, лазеров, диодов Ганна [2, 3]. Характерные времена переключения 8-диода из закрытого в открытое состояние составляют 0.05—0.5 нс, а пороговые значения напряжения — от 50 до 1000 В.

В основе лавинного 8-диода лежит полупроводниковая структура п—V—п-типа, полученная путем компенсации я-ОаА примесью, создающей глубокие акцепторные центры в запрещенной зоне полупроводника. При этом механизм переключения связан с перезарядкой глубоких центров в условиях микроплазменного лавинного пробоя п—v-перехода.

Важной задачей при разработке данного прибора является повышение коммутируемой импульсной мощности. Предложенные ранее различные способы решения этой задачи [1—3] связаны с увеличением напряжения переключения за счет увеличения сопротивления базовой области 8-диода (п-области). Наиболее удобным является способ, связанный с введением в ОаА примеси хрома, что позволило добиться высокого

удельного сопротивления базовой области. Однако структуры, легированные хромом, имеют малый процент выхода годных и большие токи переключения, что приводит к резкому увеличению среднего тока в схемах генерации, разогреву и тепловому пробою диодов.

В данной работе представлены результаты исследования характеристик высоковольтных лавинных 8-диодов на основе многослойных структур нового типа, одновременно легированных Сг и Бе, а также диодов на основе структур, легированных Сг.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Структуры для лавинных 8-диодов получены диффузионным способом, описанным в [4]. Были изготовлены структуры двух типов. Структуры первого типа (ОаАз:Сг) получали в процессе диффузии хрома в я-ОаАз. Исходная концентрация донорной примеси в ОаАз составляла 2 • 1016 см-3, распределение концентрации хрома имело вид функции егГе с поверхностной концентрацией, равной 9 • 1016 см-3. Градиент концентрации примеси в области п—v-перехода составлял ак = 1019 см-4.

Структуры второго типа (ОаАз:Сг, Бе) изготавливались следующим образом. В часть пластин ОаАз со структурами ОаАз:Сг со стороны п-слоя диффузионным способом дополнительно вводилось железо. Распределение примесей в этом случае показано на рис. 1. В полученной структуре

N 1017 см-3

х, мкм

Рис. 1. Профили распределения примесей Бе и Сг для

структур пFe—пCт—vCт—n-типа.

п—у-переход так же образован примесью хрома и имеет тот же градиент концентрации, ак = 1019 см-4, что и в структурах первого типа. Данную структуру можно обозначить как структуру пРе-пСг-уСг-п-типа. Расчет показывает, что усредненное значение удельного сопротивления пРе-области составляет ~105 Ом • см, а пСг-области — 109 Ом • см.

Лавинные Б-диоды изготавливали из структур обоих типов (ОаЛв:Сг и ОаЛв:Сг, Бе) по мезапла-нарной технологии. Размер кристаллов составлял 0.8 х 0.8 мм, диаметр мезаструктуры — 300 мкм. В качестве контактов использовали сплав РЬ(6%)—Бп(91%)—Лg(3%), который вплавляли с обеих сторон кристалла в потоке водорода при температуре 580°С. Такая технология позволяет создавать инжектирующий контакт к ОаЛ п-типа. Кристаллы монтировались в металл окерамиче-ский корпус типа КД-104.

Измерения прямых и обратных вольт-амперных характеристик (в.а.х.) Б-диодов проводили в вакууме при различных температурах (от —10 до +75°С) в статическом режиме. В качестве измерительных приборов использовали КеНЫеу БоигсеМе-1ег 2410 и вольтметр электрометрический В7-30.

Измерение в.а.х. после участка о.д.с. проводили импульсным методом: при токах от 0.1 до 5 А — в схеме автогенератора, при токах от 5 до 30 А — в схеме обострителя [1—3].

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Прямые ветви в.а.х. диодов на основе структур ОаЛв:Сг в логарифмических координатах представлены на рис. 2а. Во всем интервале температур можно выделить три основных участка: при и < 0.1 В участок линейной зависимости тока от на-

Рис. 2. Прямые (а) и обратные (б) ветви в.а.х для полученных диффузией хрома в ОаЛ8 п-у-я-структур с толщиной базы 20—30 мкм: а — Т = 264 К (1), 278 К (2), 295 К (3), 316 К (4), 349 К (5); б — Т = 295 К при увеличении напряжения (6), Т = 295 К при снижении напряжения (7).

пряжения; при 0.1 < U < 0.5 В участок сильной экспоненциальной зависимости I~ exp(eU/(mkT)), где m = 4 и не зависит от температуры в исследованном интервале; при U > 3—4 В участок слабой экспоненциальной зависимости I ~ exp(eU/(сkT)), где с слабо зависит от температуры и при ее увеличении от 265 до 350 К изменяется в интервале 95—125.

Обобщить результаты измерений обратных в.а.х. диодов из ОаЛв:Сг удается только в области напряжений до 1—10 В. Это обусловлено тем, что в области напряжений после 1—10 В для данных диодов характерны гистерезис в.а.х. (см. рис. 2б), колебания тока при фиксированном напряжении либо резкий рост тока во времени. При напряжениях U« 80—120 В, помимо колебаний тока, появляются колебания напряжения. При максимальных подаваемых напряжениях (~200 В) амплитуды колебаний тока и напряжения резко усиливаются и диод переключается необратимо в состояние с

I, А

10—3

10 10—7 10—9 10—11

10

10

10

10—

10

10

10

10°

101

и, В

„Бе

Рис. 3. Прямые (а) и обратные (б) ветви в.а.х. для п яСг-уСг-п-струк:тур, полученных диффузией хрома и железа в ОаА>: 1 - Т = 266 К, 2 - 279 К, 3 - 297 К, 4 -318 К, 5 - 345 К.

большим остаточным напряжением (~50% от напряжения переключения) и малым током (I = 1— 2 мА). При этом число диодов с обратимым переключением, как правило, не превышает несколько процентов.

Общими для всех диодов являются два начальных участка обратной в.а.х.: до и ~ 0.1—1 В участок линейной зависимости тока от напряжения; до и ~ 1—10 В сублинейный участок. Зависимость тока от Т—1 на втором участке носит экспоненциальный характер. Рассчитанная из данной зависимости энергия активации Е ~ 0.75 эВ.

Прямые ветви в.а.х. диодов на основе структур из ОаАз:Сг, Бе представлены на рис. 3а. Можно также выделить три основных участка: при и < < 0.02 В участок линейной зависимости тока от напряжения; при 0.02 < и< 0.5 В участок сильной экспоненциальной зависимости I ~ ехр(еи/(ткТ)), где т = 2; при и> 2—3 В участок слабой экспоненциальной зависимости I ~ ехр(еи/(скТ)), где с слабо

зависит от температуры и при ее увеличении от 265 до 350 К изменяется в интервале 33—44.

На рис. 3б представлены типичные обратные в.а.х. диодов из ОаАз:Сг, Бе до переключения. Наблюдается 4 основных участка. Первый, линейный, имеет место до напряжений и~ 0.02 В. Второй участок, слабого роста тока с увеличением напряжения (I ~ ип, где п < 1/5), наблюдается для напряжений 0.02 < и < 30 В. Зависимость тока при фиксированном напряжении от Т—1 на втором участке носит экспоненциальный характер с энергией активации Е ~ 0.84 эВ. Третий участок (30 < и < 170 В) хорошо спрямляется в координатах 1п(Т) от и1/3 либо и^4. Учитывая, что на третьем участке I~ ехр(аЦ1/3), установлено, что а зависит от температуры обратно пропорционально. На четвертом участке обратной ветви в.а.х. (при и> 150—200 В) I ~ ехр(у V), где у зависит от Тобратно пропорционально.

При низких температурах на обратных в.а.х. перед переключением имеется участок, на котором величина ¿I/¿и уменьшается с увеличением напряжения. За участком экспоненциального роста тока следует участок отрицательного дифференциального сопротивления. После переключения следует участок резкого роста тока, близкий к вертикальному.

8-диоды на основе пFe—пCг—vCг—n-структур были испытаны в схеме обострения импульса. Получены следующие параметры импульсов на нагрузке 50 Ом: передний фронт импульса 0.5 нс; амплитуда импульсов до 1000 В, максимальная частота следования 5 кГц (при скважности 105).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты измерений прямых в.а.х. диодов на основе структур ОаАз:Сг качественно совпадают с представленными в литературе данными для лавинных 8-диодов [5, 6]. Также имеют место три основных участка, однако есть количественные различия. Во-первых, начальный участок линейной зависимости тока от напряжения для диодов из ОаАз:Сг "затянут" до и = 0.1 В, что примерно в 4 раза превышает значение кТ/е [5, 6]. Во-вторых, на первом участке резкого роста тока коэффициент т, входящий под знак экспоненты, в 2 раза больше аналогичного коэффициента для реком-бинационного механизма протекания тока [5, 6]. Увеличение коэффициента т и "затягивание" первого участка можно объяснить, учитывая, что в диодах из ОаАз:Сг база имеет большое сопротивление.

Дейс

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»