ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАВИННЫЙ S-ДИОД Российский патент 2012 года по МПК H01L29/861 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к полупроводниковым импульсным лавинным диодам, и предназначено для использования в импульсных источниках питания полупроводниковых лазеров, мощных полупроводниковых светодиодов, диодов Ганна, систем сверхширокополосной локации.

В устройствах целеуказания и дальнометрии различного гражданского и военного назначения часто стоит задача использования «коротких» сигналов высокой мощности. При этом малая длительность оптических импульсов (не более 1 нс) обеспечивает высокую точность при заданном быстродействии, а увеличение мощности обеспечивает увеличение дальности распространения сигнала. Для современных систем сверхширокополосной локации и активной локации в инфракрасном диапазоне требуются портативные микроэлектронные устройства, обеспечивающие надежную генерацию мощных субнаносекундных импульсов.

Известен лавинный транзистор, который представляет собой кремниевый или германиевый биполярный транзистор, с повышенной однородностью распределения электрического поля по площади коллекторного перехода. Особенностью такого прибора является возможность получения отрицательного сопротивления в цепи «эмиттер - коллектор». Малые размеры лавинных транзисторов позволяют создавать портативные схемы питания, однако максимально возможные импульсы тока в схемах импульсного питания, где ключевым элементом является лавинный транзистор, не превышают единиц ампер, а время нарастания импульса ограничивается временем пролета носителей заряда за счет дрейфа и оказывается не ниже 0.1 нс [1].

Наиболее близким к заявленному техническому решению является диод полупроводниковый импульсный лавинный (ДПИЛ) на основе бинарного полупроводникового соединения, арсенида галлия, который легирован мелкой донорной примесью и глубокой акцепторной примесью железа. Такой прибор изготавливается на основе π-ν-n-(n⁺-π-ν-n-) структуры, на обратной ветви вольтамперной характеристики которой наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления [2, 3].

В ДПИЛ S-участок и связанное с ним быстрое переключение в проводящее состояние инициируется развитием лавинных процессов с последующей перезарядкой глубоких уровней в области объемного заряда π-ν-перехода. Быстродействие в этом случае определяется не дрейфовыми процессами, а прохождением волны ударной ионизации в области базы со скоростью, превышающей скорость дрейфа неравновесных электронов. Таким образом, времена переключения лавинных S-диодов существенно меньше времен переключения лавинных транзисторов и могут достигать 0,05 нс. Недостатком такого прибора является относительно малая амплитуда импульсов коммутируемого напряжения, обусловленная малым напряжением переключения (100-250 В). Диод полупроводниковый импульсный лавинный (ДПИЛ), описанный в [3], принят за прототип заявленного технического решения.

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков лавинных импульсных S-диодов на основе арсенидгаллиевой структуры, полученной легированием примесями, повышение напряжения переключения, для чего следует устранить влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения S-диода.

В предлагаемом S-диоде это достигается тем, что между слоем π-типа, полученным легированием железом, и слоем ν-типа дополнительно помещен слой π-типа с высоким удельным сопротивлением.

Изобретение иллюстрируется рисунками.

На фиг.1 показано схематическое изображение заявленного импульсного лавинного S-диода. На фиг.2 показаны профили распределения примесей в предлагаемой структуре, полученной диффузионным способом.

Область π1 (см. фиг.1) получена легированием железом, ее удельное сопротивление составляет 10⁴-10⁵ Ом·см. Для области π2 удельное сопротивление составляет 10⁴-10⁵ Ом·см. При подаче обратного смещения на π-ν-переход основное падение напряжения происходит на высокоомной области π2 и области объемного заряда (ООЗ) π-ν-перехода. Вследствие этого напряжение переключения повышается, а инжекция электронов с контакта (слева от области π1) до развития лавинного пробоя незначительна.

Таким образом, сущность изобретения заключается в следующем: в диоде создают дополнительную область π2 с высоким значением удельного сопротивления, например 10⁸-10⁹ Ом·см. Слой π-типа с высоким удельным сопротивлением может быть создан известными методами, например, легированием арсенида галлия n-типа примесью хрома.

Снижение влияния инжекции из контакта (слева от области π1 на фиг.1) в базу при обратном смещении π-ν-перехода происходит по двум причинам. С одной стороны, легирование железом приводит к ограничению распространения поля в базу по сравнению со структурой, легированной только хромом. С другой стороны, повышается барьер для инжекции неосновных носителей электронов на величину ΔЕ=E_Cr-E_Fe≈0.25 эВ (E_Cr, E_Fe - энергетические уровни в запрещенной зоне GaAs для примесей хрома и железа, равные 0.75 и 0.5 эВ соответственно). В этом случае, пока сопротивление ООЗ π-ν-перехода много больше сопротивления низкоомной части базы, протекающий ток обусловлен преимущественно генерационными процессами в области объемного заряда. При повышении напряжения смещения в структуре диода последовательно протекают:

- генерационный ток;

- ток, обусловленный эффектом Пула-Френкеля;

- ток лавинного микроплазменного пробоя.

При достижении критического значения напряженности поля, когда за счет микроплазменного пробоя дифференциальное сопротивление ООЗ обратносмещенного π-ν-перехода резко уменьшается с увеличением напряжения смещения (dU/dI=exp(-γU)/(I_oγ), где U, I - напряжение смещения и сила тока, I_o, γ - константы), в области объемного заряда электроны, инжектированные с контакта, инициируют переключение структуры по механизму, аналогичному для структур, легированных железом.

Структуру по изобретению можно получать при помощи различных технологических методов (диффузионных и эпитаксиальных).

Пример получения лавинного S-диода диффузионным методом поясняется на фигуре 2, где представлен вид распределения легирующих примесей при диффузионном легировании GaAs. Здесь N^Sn - концентрация мелкого донора (олова); N^Cr - концентрация глубокого акцептора (хрома); N^Fe - концентрация глубокого акцептора (железа); область π^Fe соответствует области π1 (см. фиг.1); область π^Cr соответствует области π2 (см. фиг.1).

Сначала в GaAs n-типа проводится диффузия хрома, например, на глубину 50 мкм при температуре 970°С (приблизительное время диффузии - 120 минут). Далее проводится диффузия железа в данную структуру, например, на глубину 30 мкм при температуре около 1000°С (приблизительное время диффузии - 7 минут). Так как коэффициент диффузии хрома много меньше коэффициента диффузии железа при данных условиях, то за время диффузии железа профиль хрома практически не изменяется. Толщина области π1 для данного случая составляет около 30 мкм, толщина области π2 - 20 мкм, градиент концентрации примеси хрома в ООЗ равен 9·10¹⁸ см^-4. Напряжения переключения S-диодов с рассмотренной структурой составляют в среднем 300-400 В при токах переключения I_п<10^-6 А, что в 2-2,5 раза выше, чем у прототипа.

Управление напряжением переключения в заявленной структуре осуществляется изменением толщины упомянутого высокоомного слоя при постоянном градиенте концентрации примеси в области π-ν-перехода. Эксперименты показывают, что при легировании примесью хрома напряжение переключения увеличивается пропорционально толщине π^Cr-слоя. Максимальные значения напряжения переключения таких структур, достигнутые в режиме автогенерации, достигают 640 В. При этом рабочие частоты составляют от 1 до 5 кГц, максимальные импульсные токи - до 40 А при скважности 10⁵.

Техническим результатом изобретения являются устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения S-диода и повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием GaAs железом.

Источники информации

1. Пикосекундная импульсная техника. / Под ред. В.Н.Ильюшенко. - М.: Энергоатомиздат, 1993, с.263.

2. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник. / Под ред. Б.А.Наливайко. - Томск: МГП «РАСКО», 1992 - с.74-75.

3. Л.П.Иванов и др. Диод из арсенида галлия, легированного глубокими примесями для генерации токовых импульсов. Сб. Труды НИИПП, вып.3 ч.I, 1973,с.158.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в источниках питания полупроводниковых лазеров, мощных полупроводниковых светодиодов, диодов Ганна, системах сверхширокополосной локации. Сущность изобретения: в структуре импульсного лавинного S-диода на основе арсенида галлия, легированного железом, между слоями π- и ν-типа дополнительно помещен слой π-типа с высоким удельным сопротивлением. Дополнительный слой π-типа с высоким удельным сопротивлением может быть получен легированием арсенида галлия n-типа примесью хрома. Техническим результатом изобретения является устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения диода и повышение напряжения переключения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Импульсный лавинный S-диод на основе арсенида галлия, легированного железом, отличающийся тем, что между слоями π- и ν-типа дополнительно помещен слой π-типа с высоким удельным сопротивлением.

2. Импульсный лавинный S-диод по п.1, отличающийся тем, что дополнительный слой π-типа с высоким удельным сопротивлением получен легированием арсенида галлия n-типа примесью хрома.