WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Управление временем жизни носителей заряда в высоковольтных p-i-n-диодах на основе гетероструктур InxGa1-xAs/GaAs © Ф.Ю. Солдатенков¶, В.Г. Данильченко, В.И. Корольков Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 11 мая 2006 г. Принята к печати 19 мая 2006 г.) На примере гетероструктур InGaAs/GaAs изучена возможность управления эффективным временем жизни неравновесных носителей заряда посредством контролируемого рассогласования по параметру решетки сопрягаемых материалов гетероструктуры. Установлена связь между соотношением толщины и состава слабо легированных слоев твердого раствора InGaAs и временем жизни неравновесных носителей заряда, что позволяет управлять временем жизни неравновесных носителей заряда в пределах от единиц наносекунд до микросекунды без существенного изменения концентрации подвижных носителей заряда. На основе проведенных исследований изготовлены импульсные p+-p0--n0-n+-диоды, блокирующие напряжения до 500 В, коммутирующие токи 10 A при временах переключения, не превышающих 10 нс.

PACS: 68.55.Ln, 73.40.Kp, 73.50.Gr, 81.15.Gh, 85.30.De, 85.30.Kk 1. Введение ния электрически активных глубокоуровневых центров в них [6]. Затем, по мере увеличения концентрации изоваВо многих типах полупроводниковых приборов, и лентного компонента в упругодеформированных слоях, особенно в приборах мощной импульсной техники, для наблюдается постепенное увеличение концентрации и повышения быстродействия требуется уменьшать вре- появление новых электрически активных глубокоуровмена жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в невых дефектов. Так, в эпитаксиальных слоях твердых базовых слоях прибора без потери рабочих блокиру- растворов на основе GaAs нередко обнаруживают дефекющих напряжений и заметного роста прямых падений.

ты EL2, имеющие большие сечения захвата носителей Разработанная ранее технология формирования высоко- заряда [7]. При дальнейшем увеличении рассогласования вольтных p-i-n-структур на основе GaAs с контро- по параметру решетки слоя и подложки и достижении лируемым распределением остаточных примесей [1] не так называемых критических напряжений происходит позволяет одновременно повышать их быстродействие и частичная релаксация упругих напряжений с образоваувеличивать обратные напряжения.

нием дислокаций несоответствия (ДН). При некоторых Ранее предпринимались попытки повысить быстродей- еще больших значениях рассогласования происходит ствие таких структур различными способами, которые интенсивная пластическая деформация слоя твердого характеризуются созданием дополнительных эффектив- раствора, при этом остаточные внутренние напряжения ных центров рекомбинации в слабо легированных ча- достигают своего максимального значения, а плотность стях структуры: 1) при облучении -квантами p-i-n- ДН — резко возрастает.

диодов [2]; 2) за счет контролируемого введения паров Появление ДН в слоях стимулирует генерацию дополводы в водород в ростовую камеру во время эпитакнительных дефектов и соответственно глубокоуровнесии [3,4]; 3) в результате замены водорода на аргон во вых ловушек. Из ряда работ (например, [8]) следует, что время проведения ростового процесса [5]. В последнем за появление дополнительных дефектов EL2 в GaAs мослучае происходит изменение спектра глубокоуровнегут быть ответственны дислокации или сложные образовых ловушек в слоях слабо легированного GaAs, а вания дефектов, возникающие в результате пластической именно — доминирование дефекта EL2, что приводит к деформации. Кроме того, такие избыточные дополнирезкому, на порядок, уменьшению эффективных времен тельные дефекты как ДН могут иметь свойства ловушек жизни ННЗ. Однако, несмотря на определенные успехи для носителей заряда (хотя их поведение несколько отпри применении перечисленных приемов, достигнутые личается от одиночных ловушек). Например, появление результаты по быстродействию данных диодов (времена электронной ловушки с энергией EC - 0.68 эВ в пластивыключения — 30-80 нс) не вполне удовлетворяют чески деформированном GaAs связывалось с 60 диспотребностям современной электроники.

локациями [9]. Аналогичные результаты представлены в Известен еще один способ изменения ансамбля собработах по изучению гетероструктур GaAsSb/GaAs [10] ственных дефектов в эпитаксиальных пленках — изоваи InGaAs/GaAs [11].

лентное легирование. При постепенном увеличении соВлияние решеточного рассогласования в приборных держания изовалентных примесей в слоях сначала проструктурах на параметры быстродействия приборов на исходит улучшение кристаллического состояния эпитаких основе изучено недостаточно. В данной работе изусиальных пленок и, как правило, уменьшение содержачена возможность уменьшения эффективного времени ¶ E-mail: F.Soldatenkov@mail.ioffe.ru жизни ННЗ путем контролируемого создания собствен218 Ф.Ю. Солдатенков, В.Г. Данильченко, В.И. Корольков ных дефектов в базовых слоях полупроводниковых приборов, возникающих из-за рассогласования по параметру решетки сопрягаемых материалов гетероструктуры, при сохранении значений блокирующих напряжений и прямых падений высоковольтных переходов.

2. Изготовление образцов и экспериментальные результаты Методом жидкофазной эпитаксии были выращены эпитаксиальные слои твердого раствора Inx Ga1-xAs с содержанием InAs до 5% на подложках GaAs. Толщины слоев варьировались от 10 до 85 мкм. Использовались подложки GaAs p-типа проводимости, легированные Рис. 2. Распределение InAs по толщине слоя InxGa1-x As.

цинком до концентрации (1-5) · 1018 см-3, ориентироЛинии — непрерывное сканирование, точки — локальный ванные в плоскостях 100, 111 A и 111 B. Эпитаканализ химического состава слоя.

сиальное выращивание проводилось из ограниченного раствора–расплава In–Ga–As в атмосферое водорода, в кварцевой кассете сливного типа, от температур начала слой твердого раствора представлял собой плавный кристаллизации 800-900C до комнатной температуры.

p0--n0-переход с концентрацией свободных носитеСостав жидкой фазы для получения слоев твердого лей заряда в -слое около 1013-1014 см-3 и менее. На раствора нужного состава определялся из расчетов по рис. 1 представлено типичное распределение свободных модели квазирегулярного приближения (необходимые носителей заряда в p0--n0-структуре, полученное при для расчета параметры модели — в работе [2]) с учетом послойном стравливании из вольт-фарадной зависимоупругих напряжений, возникающих из-за решеточного сти барьера Шоттки.

рассогласования слоя и подложки [12,13]. Толщина эпиСодержание InAs в эпитаксильных слоях твердого таксиального слоя выбранного состава задавалась высораствора определялось по данным рентгеноспектральнотой расплава между подложками GaAs, т. е. толщиной го микроанализа на установке „Comebax“. Проводилось прокладки между ними.

непрерывное сканирование (по трем каналам) и точечСодержание электрически активных дефектов в эпиный (локальный по координате) анализ химического таксиальных слоях при данном способе выращивания состава образцов. На рис. 2 показано распределение зависит от содержания остаточных (фоновых) примеInAs по толщине одного из слоев твердого раствора сей в расплаве и ростовой системе, от температуInxGa1-x As.

ры и длительности предварительного отжига раствора– Толщина и состав гетероэпитаксиального слоя для расплава, расхода водорода, его влажности и режима получения наиболее быстрых диодов выбирались таким кристаллизации пленки при принудительном охлаждеобразом, чтобы превысить критические толщины начала нии системы. Температурно-временной режим и расход релаксационного дефектообразования в псевдоморфных водорода (с содержанием паров воды 3млн-1(ppm) пленках, т. е. обеспечить генерацию достаточного колии кислорода 1млн-1) во время проведения процесса чества эффективных рекомбинационных центров в базовыращивания подбирались так, чтобы эпитаксиальный вых слоях прибора; при этом важно было не допустить интенсивной пластической деформации данного слоя.

Критические толщины слоев рассчитывались в модели баланса энергий [14].

Эффективное время жизни ННЗ (eff) в базовых областях определялось путем измерения времени рассасывания накопленного заряда при подаче на диод импульса запирающего напряжения (метод Лэкса). Значения eff находились из длительности фазы высокой обратной проводимости t1 („полочки“) для модели переключения плоскостных диодов в цепи с ограничивающим сопротивлением [15]. Условия, при которых значения t1 eff:

длительность импульсов прямого тока значительно превышает времена eff; выбирается отношение амплитуды прямого тока к обратному I /Ir 5-6; исследуются f диоды с широкой базой W (W /Ld > 3, где Ld —дифРис. 1. Концентрационный профиль распределения свободных носителей заряда в структуре с плавным p0--n0-переходом. фузионная длина носителей).

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Управление временем жизни носителей заряда в высоковольтных p-i-n-диодах... ка 10 A, сопротивление нагрузки в цепи диода составляло единицы Ом. Этим можно объяснить отсутствие ярко выраженной „полочки“ в случае наиболее быстрых диодов.

Увеличение отношения I /Ir в диапазоне прямых f токов I, соответствующих высокому уровню инжекции, f показало некоторое уменьшение длительности „полочки“ (фазы высокой обратной проводимости), что может быть связано с уменьшением инжекционной эффективности эмиттеров.

На рис. 4 представлены результаты измерений блокирующего напряжения UR для исследуемой группы образцов InxGa1-xAs/GaAs. Резкий спад UR для слоев с большим содержанием InAs при x 2.7мол%, т. е. при величине несоответствия периодов решетки на границе слой–подложка f 1.9 · 10-3 мы связываем с началом Рис. 3. Эффективные времена жизни неравновесных носитак называемой интенсивной пластической деформации.

телей заряда eff в p-i-n-структурах на основе InxGa1-x As, В пропускном направлении при постоянном товыращенных на подложках GaAs. Величина x характеризует ке 0.5 А прямые падения напряжения на диодах с состав пленки вблизи границы слой–подложка.

малым временем eff не превышали 2.5 В. Емкость диодов слабо зависела от напряжения в диапазоне 0-200 В и составляла C(U = 0В) 1 · 103 пФ/см2 и C(U = 200 В) 4 · 102 пФ/см2.

3. Заключение В результате проведенных исследований:

а) изучена возможность уменьшения эффективных времен жизни ННЗ путем контролируемого рассогласования по параметру решетки сопрягаемых материалов приборных гетероструктур;

б) опробована система InGaAs/GaAs, однако предложенный подход можно использовать в приборах на основе других гетеросистем, и не только на основе соединений AIIIBV, а также систем, полученных другими методами эпитаксиального выращивания;

в) найдены оптимальные соотношения толщин и соРис. 4. Зависимость блокирующего напряжения UR от состава ставов базовых слоев твердого раствора Inx Ga1-xAs, InxGa1-x As при токах утечки IR 0.1мА. 1 — выколотые из эпитаксиальных пластин образцы площадью от 0.01 до 0.1 см2; позволяющие существенно повысить быстродействие 2 — образцы с вытравленной меза-структурой площадью высоковольтных диодов;

S = 7 · 10-3 см2.

г) изготовлены высоковольтные p-i-n-диоды, превосходящие по своему быстродействию (по времени выключения) существующие мировые аналоги, в том числе GaAs- и SiC-диоды Шоттки, выпускаемые ведущиИзмеренные таким образом eff для структур с разми фирмами-производителями [16].

личным содержанием In в базовых областях, сравнимых по толщине, приведены на рис. 3. Происходит резкое Авторы признательны В.В. Третьякову за определение уменьшение эффективного времени жизни, наблюдаесостава эпитаксиальных пленок и Н.Д. Ильинской за мое при превышении расчетных значений критических помощь в изготовлении образцов.

толщин начала пластической деформации hc. Соответственно уменьшаются и времена восстановления диодов, Список литературы причем длительность спада обратного тока до уровня 0.уменьшается от нескольких сотен до единиц наносекунд.

[1] Ж.И. Алфёров, В.И. Корольков, В.Г. Никитин, М.Н. СтеНеобходимо отметить, что измерение наносекундпанова, Д.Н. Третьяков. Письма ЖТФ, 2 (2), 201 (1976).

ных интервалов всегда связано со схемными искаже[2] В.Г. Данильченко, В.И. Корольков, Ю.Н. Лузин, С.И. Пониями осциллограмм переключения. В нашем случае номарёв, А.В. Рожков, Г.И. Цвилёв. Электрон. техн., сер.

общее время перепада подаваемых импульсов составЭлектровакуумные и газоразрядные приборы, вып. 5 (88), ляло 3-4 нс, максимальная амплитуда прямого то- 30 (1981).

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 220 Ф.Ю. Солдатенков, В.Г. Данильченко, В.И. Корольков [3] Л.Я. Золотаревский. Автореф. канд. дисс. (НИИ ТЭЗ им. М.И. Калинина, Таллин, 1984).

[4] G. Achkinazi, M. Leibovich, B. Meyler, M. Nathan, L. Zolotarevski, O. Zolotarevski. USA Pat. № 5733815, опубликован 31.03.1998.

[5] Л.С. Берман, В.Г. Данильченко, В.И. Корольков, Ф.Ю. Солдатенков. ФТП, 34 (5), 558 (2000).

[6] V.V. Chaldyshev, S.V. Novikov. In: Semiconductor technology:

Processing and novel fabrication techniques, ed. by M. Levinshtein, M. Shur (John Wiley & Song, Inc., 1997) p. 165.

[7] J.C. Bourgoin, H.J. von Bardeleben, D. Stievenard. J. Appl.

Phys., 64 (9), R65 (1988).

[8] M. Skowronski, J. Lagowski, M. Mil’shtein, C.H. Kang, F.P. Dabkowski, A. Hennel, and H.C. Gatos. J. Appl. Phys., 62 (9), 3791 (1987).

[9] T. Wosinski. J. Appl. Phys., 65 (4), 1566 (1989).

[10] T. Wosinski, O. Yastrubchak, A. Makosa, T. Figielski. J. Phys.:

Condens. Mater., 12, 10 153 (2000).

[11] G.P. Watson, D.G. Ast, T.L. Anderson, B. Pathangey, Y. Hayakawa. J. Appl. Phys., 71 (7), 3399 (1992).

[12] Ф.Ю. Солдатенков. Автореф. канд. дисс. (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, СПб., 2001).

[13] Ф.Ю. Солдатенков, В.П. Улин, А.А. Яковенко, О.М. Фёдорова, С.Г. Конников, В.И. Корольков. Письма ЖТФ, 25 (21), 15 (1999).

[14] R. People, J.C. Bean. Appl. Phys. Lett., 47 (3), 322 (1985);

Appl. Phys. Lett., 49 (4), 229 (1986).

[15] Ю.Р. Носов. Физические основы работы полупроводниковых диодов в импульсном режиме (М., Наука, 1968) с. 263.

[16] А. Полищук. Компоненты и технологии, вып. 5, 6 (2004);

http://www.ixysrf.com/pdf/briefs/250vGaAsDiodeBrief.pdf Редактор Т.А. Полянская Carrier lifetime control in high-voltage p-i-n diodes on the base of the InxGa1-x As/GaAs heterostructures F.Yu. Soldatenkov, V.G. Danil’chenko, V.I. Korol’kov Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St.Petersburg, Russia

Abstract

As an example of the InGaAs/GaAs heterostructures the possibility of control of the effective lifetime of nonequilibrium charge carriers (NCC) by means of a controllable mismatch on a lattice parameter of conjugated heterostructure materials is studied.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.