Разработка технологии создания и исследование фотонно-инжекционных коммутаторов на основе гетероструктур GaAs-AlGaAs Султанов, Ахмаджон Мажидович

Введение к работе

Актуальность темы. Проведение исследований по созданию мощных высоковольтных переключающих приборных структур на основе слаболегированного арсенида галлия связано с необходимостью поиска альтернативных принципов коммутация электрической мощности в субнано- и пикосекундком диапазонах времени.-Поскольку,' современные лазерная, ускорительная и локационная техники, термоядерная энергетика, пикосекундная спектроскопия жидкостей и твердых тел, топография, радиотехника и ряд областей преобразовательной техники требуют создания тленно полупроводниковых коммутаторов этого диапазона мощностей, обладающих традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: большим сроком службы, надежностью, высоким кпд и, что крайне важно для ряда применений, устойчивостью к внешним воздействиям и мгновенной готовностью к работе.

До последнего времени быстрая коммутация больших мощностей (~1 МВт) осуществлялась преимущественно газоразрядными приборами. Именно благодаря успехам в их разработке появилась возможность создания мощных радиопередающих, радионавигационных, локационных и других систем. Однако, более широкое использование указанных систем, по крайней мере в субнано- и пикосекунд-нсм диапазонах, сдерживается принципиальными недостатками, обусловленными характером процессов, протекающих при разряде в газах. Это правде всего нестабильность срабатывания, чувствительность к внешним воздействиям и небольшой срок службы, зависящий от быстрого разрушения-электродов.

Положение з области коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами в кано- и пккосекундном диапазонах радикально изменилось за последние несколько лет после того, как в ФТИ им..⁴.Ф.Иоффе сотрудниками отдела "Сильноточной полупроводни ковой электроники", возглавляемого Греховыи И.В., были разработаны два новых принципа коммутации - с помощью управляющего

плазменного слоя и с помощью задержанной ударно-ионизационной волны, позволившие повысить коммутируемую приборами мощность в наносекундном диапазоне почти на два-три порядка и в пикосе-кундном - почти четыре порядка / 1,2 /.

Быстродействие, величины абсолютной и удельной мощности,
коммутируемой полупроводниковыми приборами,в значительной сте
пени зависят от процессов заполнения электронно-дырочной плаз
мой области, тлеющей в начальном состоянии высокое сопротивле
ние и.блокирующей приложенное внешнее напряжение.Такой областью
является область объемного заряда, истощенная сильным по-

лем обраткосмещенного р-п-лерехода.

Как известно, в трехэлектродпых приборах на основе транзисторных и тиристорных структур с диффузионно-дрейфовым механизмом переноса неравновесных носителей заряда (ННЗ) переключение инициируется пропусканием импульса тока в цепи эмиттер-база вдоль тонкого базового слоя. При этом в транзисторах, благодаря эффекту оттеснения, эмиттерный ток локализуется в узком канале (размером ~ Ljniu ^ вдоль границы эмиттер-база. В тиристорах ширина такого канала со временем увеличивается благодаря распространению включенного состояния, но скорость этого процесса ограничена. Тем самым, локаяьное протекание коммутируемого тока, а также продолжительное время распространения ННЗ делают практически невозмоккшл быстрое - субнано-, тем более пико секундное переключение мощности в диапазоне сотен и дане десятков киловатт.

В результате исследований, выполненных в ФТИ им.А.Ф.Иоффе за последние несколько лет, стало возможным преодолеть эти фундаментальные физические ограничения. Созданы несколько новых классов мощных полупроводниковых приборов на основе кремния, таких.как обострители импульсов'диодного, транзисторного и тиристорного типов, работающие в режиме двухэлекгродного включения. Их работы основаны на принципе коммутации с помощью за-деряанной ударно-ионизационной волны. Однако новые принципы, полаженные в основу их работы, потребовали разработки и новой схемотехники, зачастую весьма сильно отличающейся от общепри-

-1ЯТ0Й.

Другое направление исследований связано с использованием

новых материалов, и прежде всего GaAs и гетероструктур ка его основе. Цикл работ, выполненных в лаборатории "Оптозлектронных. явлений в полупроводниковых гетероструктурах", возглавляемой Корольковым Б.И., показал перспективу использования фотснно-иняекционных механизмов связи между р-п-переходамк в высоковольтных многослойных структурах. Были получены первые лабораторные образцы, результаты исследования которых показали возможность коми» гации больших, мощностей трехэлектродннми полупроводниковыми приборами в субнаносекундном диапазоне длительностей / 3 /.

Создание импульсных транзисторов и тпристороз на основе гетероструктур GaAs-AIGaAs стачо возможным благодаря.разработке технологии получения высоковольтных р-п-переходов ка основе слаболегированного GaAs. Поэтому дальнейшее улучшение основных параметров и характеристик (повышение рабочих напряжений, улучшение быстродействия и воспроизводимости) коммутаторов связано с пониманием технологических процессоз формирования высоковольтных р-п-структур, выбором оптимальной геометрии и поиском новых конструкций. Однако, до сих пор многие вопросы получения слаболегированных слоев GaAs и формирования в процессе роста высоковольтных р-п-переходов до конца we выяснены. Не вполне изучено влияние технологических факторов на электрофизические свойства и геометрические размеры слаболегированных слоев, что затрудняет создание высоковольтных коммутаторов с субнано- и пикосекунд-ным быстродействием. Совершенно не изучены статические и импульсные характеристики такого рода приборных структур, полученных в различных технологических условиях.

Поэтому постановка комплекса технологических и физических исследований, направленных на получение и изучение свойств слаболегированных слоев и создание на их основе мощных коммутаторов субнаносекундного диапазона,.является актуальной как в научном отношении, так и в плане решения практических задач.

Цель работы.

I. Определение оптимального тсмпературно-времеїг'ого режма воспроизводимого получения п⁺-р^-транзпсторнсй структуры с высоковольтным р-п-переходом, сформированным за счет фонового легирования,и создание на их основе субнаносекундкнх мощных

_ 6 -

коммутаторов.

1. Исследование влияния основных технологических факторов (температура начала кристаллизации Т_н , толщины раствора-расплава Н, величины расхода водорода ) на статические (напряжения включения і/_вкл , тока управления 1_упр ) и динамические параметры (время нарастания тока, время задержки включения относительно импульса управления, стабильность включения) пере-ключ&чацих структур.

2. Разработка способов повышения коммутируемой мощности арсенид-галлиевыми трехэлектродными переключателями в субнанс-

'секунднал диапазоне.

4. Изучение возможности использования высоковольтных суб-
наносекундных кожіутаторов для накачки пикосекундкых оптических
импульсов с повышенной мощностью.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Показана возможность эффективного управления параметрами и характеристиками импульсных высоковольтных трехэлектрод-ных коммутаторов - фотонно-инжекционшх транзисторов и тиристоров за счет использования собственного рекомбинационного излучения структур.

Разработана технология формирования высоковольтных мощных субнаносекундных фотонно-инжекционных коммутаторов на основе арсекида галлия и его твердых растворов.

Предложена конструкция трехэлектродного высоковольтного прибора для формирования импульсов с субнаносекундными фронтами. Его работа основана на эффекте сверхбыстрого переключения

в р-п-переходах, заключающемся в возбуждении ионизационной волны, иницкируемеЗ ударной ионизацией. Полученные результаты свидетельствуют о возможности субыаносекундной коммутации мощности более 50 кВт арсенид-галлиевыми структурами..

Изучена зависимость стабильности переключения относительно импульса управления высоковольтных фотонно-инжекционных коммутаторов в широком токовом и частотном режиме их эксплуатации, ее чувствительность к различным внешним воздействиям.

Предложено оптсэлектронное устройство на основе высоковольтной n⁺-p⁰-n(GaA5)-N-p-P(AIGaAs)-reTepocTpyKTypiJ с вертикальной схемой интеграции излучающего и моделирующего элемен-

тов, которое при уровне накачки ~ ІСГ А/сиг способно генерировать пикосекундные одтияеекие импульсы модностью более 10 Вт.

Практическая ценность работы. Найдено оптимальное решение проблемы получения р-п-переходоз на основе слаболегированных слоев GaAs о высокими значениями электрофизических параметров и заданными толщинами базовых слоев для создания сверхбыстродействующих высоковольтных импульсных трёхэлектродкых коммутаторов с фотонно-инкєіщиошшгл механизмом переноса НКЗ. При этом, предельное значение импульсной мощности коммутируемой трех-влектродными полупроводниковыми приборами в субнаносекундном диапазоне длительностей повышено на два порядка, рабочая частота расширена до 250 кГц, а стабильность включения достигает (10 + 20) пс.

Определена зависимость стабильности включения полученных импульсных коммутаторов в широком токовом и частотном ратаяле их эксплуатации, ее чувствительность к различным внешним воздействиям.

Изучена зависимость времени нарастания тока, напряжения переключения и стабильности момента переключения в широком температурном интервале. Установлено, что субнаносекундный режим включения сохраняется с увеличением температуры вплоть до (250 + 300)С. Изменение напряжения переключения, времени нарастания тока и нестабильности момента переключения не превышает 30# в интервале температур 20С + 200С.

Предложены способы повышения мощности коммутируемой ар-сенидгаллиевьада транзисторами и тиристорами в субнаносекундном диапазоне, основанные на разработке различных схемотехнических приемов их включения, а также использующие новый подход в конструировании высоковольтных субнакосекундных коммутаторов.

Показана перспективность применения разработанных высоковольтных импульсных полупроводниковых приборов-в пикосекугідноіі оптоэлектронкке для накачки мощных лазерных и светодиодных структур.

Основные положения, выносимые на за'ппту. I. Разработка технологии формирования арсенидгаллиевых структур с фотонно-инжекционным механизмом включения и созда-

,.-8-

ния на их основе мощных высоковольтных субнаносекундных коммутаторов.

3. При выращивании из ограниченного раствора-расплава методом 2ЙЭ изменение толщины раствора-расплава от I мм до 3 мм либо температуры начала кристаллизации от 850С до 950 С приводит к уменьшению значения коэффициента передачи п⁺-р⁰-п-структур, увеличению значения напряжения начала аномальна быстрого нарастания от 50 3 до 400 В с одновременным увеличением длительности нарастания тока, снижением стабиль-' пости момента переключения и ростом значений остаточного напряжения.

4. Время нарастания, время задержки и стабильность включения относительно импульса управления зависят от толщины базовой области, формируемой на основе р⁰-, п-слоев. Снияение толщины п-области, при прочих равных условиях, приводит к снижении длительности переключения и при толщине h_no & 30 мкм значения времени нарастания импульса тока не превышают |» j<. 150 пс (по. уровне ОД + 0,9).

5. Задержка включения относительно импульса управления определяется преимущественно временем диффузии НПЗ через высо-коомную п-область, а стабильность переключения относительно іаяпульса управления высоковольтных арсенидгаллиевых структур тиристорного типа наиболее точно отражает влияние внутренних (электрофизических и геометрических параметров слаболегирован-шх слоев, формирующих высоковольтный р-п-переход) и внешних (температура р-п-персхода, интенсивности и спектрального 'диапазона оптического излучения, частоты переключения и др.) условий формирования фронта нарастания тока.-

6. В структурах с фотонно-пнкекционным механизмом включения, содержащих два обратносмещенных р-п-перехода, возможно увеличение мощности, коммутируемой в субнаносекундном диапазоне до 50 кВт. Субнаносекундное включэние такого рода структур сопровождается распространением задерганной ударно-ионизационной волны, условие формирования которой соответствует условиям, обеспечиваемым режамами включения обострителей импульсов.

7. Использование разработанных высоковольтных импульсных коммутаторов для накачки пикосекундных оптических лазеров поз-веліло генерировать оптические импульсы мощностью более 10 Вт.

- 9 -Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989 г)): на У Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990 г.); на Международном симпозиуме (Sharlottville , 1991 г., USA).

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 10-ти научных работах и одном изобретении, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введсгагя, трех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит страниц сквозной нумерации, в том числе страниц машинописного текста, рисунков на страницах,

таблиц. Список литературы включает наименований на страницах.