Разработка технологии создания и исследование высоковольтных переключающих арсенид-галлиевых структур с полевым управлением Убайдуллаев, Махаммаджан Абдуллаевич

Введение к работе

Актуальность темы. Впервые вертикальные полевые транзисторы (ВПТ) были рассмотрены Шокли [1]. Дальнейшее развитие это предложение получило в работе Нишизавы [2], в которой ВПТ названы транзисторами со статической индукцией. ВПТ представляет собой n⁺-n-n⁺- структуру, в объеме или на поверхности п-области которой в виде полосок или сетки формируются р⁺-затворные области. Характерной особенностью таких структур является возможность управлешм высотой потенциального барьера между истоком и стоком от ігуля (в нормально открытых ВПТ) почти до ширины запрещенной зоны материала и без приложения напряжения к затвору. Так, при неизменной концентрации в канале, варьируя расстояние между соседними р⁺-областями, можно управлять степенью перекрытия областей пространственного заряда (ОПЗ) точно так же,как и подачей смещения на затвор. Благодаря ненасыщающимся выходным вольтамперным характеристикам, высокому быстродействию и существенному улучшению мсщяостных характеристик, ВПТ нашли широкое применение (главным обглзом за рубежом) в силовой электронике и технике связи. В последнее время начинается использование ВПТ в микроэлектронике и оптоэлектронике.

Основным материалом для изготовления ВПТ является кремний. Анализ показывает, что основные характеристики и параметры ВПТ могут быть существенно улучшены при использовании GaAs и родственных соединений. Привлекательность этих материалов обусловлена более высокой по сравнению с кремнием подвижностью электронов и прямой структурой зон. Однако, на пути разработки арсенид -галлиевых ВПТ возникают серьезные технологические трудности, связанные как с получением нелегированных п-слоев, так и с формированием локальных р⁺-затворных областей. Из-за отсутствия собственного окисла, подобного Si02 в Si, высокой скорости поверхностной рекомбинации технология, развитая для ВПТ на основе кремния, неприменима для создания арсенид галлиевых приборов и является существенно более сложной.

Отметим, что несмотря нг многочисленные попытки создания ВПТ на основе GaAs, оптимальная технологическая схема их получения еще до сих пор не отработана. Неясны многие вопросы физики работы ВПТ, особенно в варианте с "оторванным" затвором при воздействии света.

Поэтому задача по разработке технологии создания ВПТ на основе GaAs, изучению их электрических и фотоэлектрических свойств яшіяется актуальной.

Данная работа посвящена разработке технологии создания и экспериментальному исследованию различных вариантов структур ВПТ на оснопс GaAs. В работе решался следующий комплекс задач:

разработка методики получения нелегированных слоев GaAs fn s 5*lo" см Ь заданной толщины на п⁺-подложках;

разработка методики формирования р⁺-областей;

изучение электрических и фотоэлектрических свойств структур ВПТ в двухэлектродиом варианте;

исследование ВПТ с внутренним оптическим управлением.

Методы исслеіюпаїїия. Для решения этих задач использовались различные экспериментальные методики, включающие в себя:

1. определение концентрации носителей и их подвижности в нелегировашшх слоях GaAs,

2. исследование характера распределения примеси по толщине эпитаксиальных слоев,

3. метод химического декорирования для нахождения толщины эпитаксиальных слоев,

4. электрошю-зоцдовые исследования,

5. исследование фотоэлектрических и электролюминесцентных свойств структур ВПТ,

6. изучение статических и динамических характеристик структур ВПТ.

. Научная новизна работы заключается в разработке основ технологии создания высоковольтных арсенид-галлиевых вертикальных полевых транзисторов, что позволило приступить к их исследованию. Показано, что нормально закрытые ВПТ (ОПЗ соседних р+-затворных областей перекрыты при ігулевом смещении) обладают высокой фоточувешггелыюстыо. Все это позволило создать высоковольтные быстродействующие переключатели на основе ВПТ е "оторванным" затвором, предложить и изготовить новый тип вертикального полевого траіізнстора с вігутреикей оптической связью.

Основные положення, выносимые на защиту:

Разработка основ технологии создания высоковольтных вертикальных полевых транзисторов на основе GaAs, включающих в себя получение нелегированных слоев GaAs с n 5*10^ls см^-3, формирование р⁺-затворных областей и п-п⁺ потоковой области.

2.

Нормально закрытые ВПТ, работающие в режиме с "оторванным" затвором, при импульсном освещении дают полную информацию об основных характеристиках транзистора и являются эффективными оптоэлектроннымн ключами.

Новый тип вертикального полевого транзистора с внутренней оптической связью, обладающий триодоподобнымн (ненасыщающимися) выходными ВАХ.

Практическая значимость. На основе разработанной технологии получения арсенид-галлиевых ВПТ со скрытым затвором, работающих в режиме обогащения.

созданы и изучены высоковольтные оптоэлектронные ключи с большим отношением значений блокируемого и остаточного напряжений (К= Vb/V_on ~ 10²), обладающие усилением G ~ 20 и быстродействием ~ Ю^-10 сек.

Использование фотонной связи внутри структуры ВПТ позволило не только упростить технологию создания управляющего элекгрода, но и создать новый тип ВПТ с внутренней оптической связью, обладающего входными характеристиками биполярного транзистора, а выходными- вертикального полевого.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Республиканской конференции "Актуальные проблемы полупроводниковых структурных элсметов", 1992 г., Фергана.

Результаты диссертационной работы докладывались также на семинарах лаборатории "Оптоэлектронных явлений в гетероструктурах", ФТИ им. А.Ф. Иоффе, РАК.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ. Перечень работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем лиссертапии. Диссертационная работа состоит га введения, четырех глав и заключения, содержит 80 страниц, включая 41 рисунок. Спнск цитируемой литературы состоит из 49 наименований.