Статья: Высокотемпературные диоды на основе фосфида галлия

УДК 621.321.

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати

Высокотемпературные диоды на основе фосфида галлия

Т.А. Сералиев

Исследования ВАХ производилось как с помощью промышленного характериографе TR-4805, формирующего синусоидальный сигнал, так и - во избежание саморазрыва исследуемой структуры собственным током - на установке, представляющей собой импульсный характериограф. Блок-схема установки, включающей в себя задающий генератор, два широкополосных импульсных усилителя, представлена на рис.1. Характериограф обеспечивал возможность исследования ВАХ в импульсном режиме с регулируемой длительностью и частотой следования импульсов (минимальная длительность импульса - I мкс) в пределах до I кВ и 2 а.

Согласно предварительным данным экспресс - измерений, диодные структуры, содержащие цинк в качестве акцептора, имели относительно большие обратные токи утечки; в связи с этим, коэффициент нелинейности у характеристики “магниевых” диодов были подвергнуты детальному изучению [1] . вольт амперный характериограф диодный

Блок -схема установки для исследования ВАХ (импульсный характериограф).

Основной параметр диодной структуры, определяющий как диапазон максимально допустимых обратных напряжений, так и вид прямой ветви ВАХ - толщина базового п0 - слоя W для рабочих структур лежала в пределах 3 - I2 мкм геометрическое исполнение диодов маза структуры двух типов с диаметров 800 мкм и 400 мкм имели р- п -переход свободный от краевых эффектов, который однако специально не защищался: фазка меза-диодов автоматически формируется в процессе химического травления, имела угол порядка 600.

Типичный вид ВАХ подобных меза -диодов.

Типичный вид ВАХ подобных меза - диодов иллюстрируется рисунок 2 семейство характеристик отражает естественный статистический разброс параметров единичных меза - диодов в пределах основной структуры, выращенной на подложке 4 см2. Два приведенных семейства характеристик относятся к диодам, имеющим толщину п0 - слоя W соответственно 5 мкм и 12 мкм. Можно видеть, что рекордные значения по максимальному обратному напряжению для первого случая составляют 120 В, а для второго - соответственно - 270 В.

Обратные токи утечки имели обычно субмикро амперную величину и обладали слабой супер линейной (близкой к степенной) зависимостью от напряжения. На уровне U = 0,9 Uпроб из значения для диодов с диаметром 800 мкм лежали в пределах 0,3- 0,5 мкм, что соответствовало плотности тока Ј = 10- 4 а/см. Эта величина, существенно превышающая теоретические оценки, относящиеся к идеальной GaP -структуре [2], связана, очевидно, как с наличием глубоких и мелких уровней, образуемых фоновыми примесями и дефектами n инициирующими механизм “лестничной” термогенерации, так и с протеканием поверхностных токов. Как будет показано в рис.2., основной вклад в токи утечки дает именно последняя компонента; это подтверждается также и тем обстоятельством, что ее величина сильно сильно (в пределах 2-х порядков) зависит от состояний поверхности в области выхода р-п -перехода, изменяемого путем химического травления [2].

В области начала ударной ионизации ВАХ можно отнести к “жесткому” типу со скачкообразным изменением дифференциального сопротивления. Увеличение напряжения до значений, соответствующих обратному току более 10мка, для высоковольтных диодов, легированных магнием, процесс ударной ионизации приобретал самоподдерживающийся регенеративный характер с переходом в тепловой пробой, и, как следствие, последующую деградацию образца. В импульсном режиме, при, деградация структуры, проявляющаяся в уменьшении напряжения начала пробоя, начинала проявляться со значений токов более 50-100 мка , однако после начала этого процесса диодная структура “выдерживала” не более нескольких десятков импульсов.

Прямые ветви вольт -амперных характеристик диодов легированных магнием в незначительной степени уступали “цинковым”, однако это преимущество не окупало наличие значительных утечек в обратном направлении. Значение напряжений отсечки для исследуемых диодных структур лежала в области 2,5 в; супер линейный отрезок ВАХ в области малых напряжений имел экспоненциальный участок, плавно. Что является весьма переходящий в квадратичный, а затем в линейный.

Измерения времени жизни неосновных носителей классическим методом6 используемым для измерения времени жизни в приборных структурах, является метод Лекса. Удобство проведения измерений и относительная простота установки для временного диапазона 10-1-103 мксек, позволяют квалифицировать его как экспресс-методику, однако для ф = 10-2мксек подобные измерения представляют определенные сложности и иногда требуют нестандартных решений.

Характеризуя данный способ, следует обратить внимание на его специфические особенности. Метод не является прямым: наблюдаемая величина - длительности « временной полочки » ф0 импульса обратного тока связана со временем жизни ф посредством решения дифференциального уравнения. Наиболее прямые методы - оптические - основаны на измерении временной релаксации степени поглощения свободными носителями в ИК - области спектра. Во-вторых, метод является интегральным в том смысле что можно говорить лишь о некотором среднем значении времени жизни по всей площади структуры, т.е. метод « не локален ». Кроме того, ограниченность предела измеряемых времен величиной 2-3 не делает его менее универсальным по сравнению с оптическими . Однако эти недостатки и ограничения окупается тем преимуществом , что время жизни можно измерять в готовых приборных структурах ( с контактами, в корпусе и т.д.). Тем не менее, в этом случае следует говорить не с истинном времени жизни ф, а с некоторой эффективной величине, «времени жизни по Лэксу» или о «приборном» времени жизни, которое может совпадать , а может и не совпадать в точности с истинным, но служить относительной оценочной величиной для некоторого класса структур.

Для осуществления измерений этим методом требуется формирование двух разно полярных импульсов, поэтому самое простое решение проблемы- использование импульсного двухканального генератора , например , Г5-56 ( t фр = 3нс), с последующим их «замешиванием», однако согласовать два выхода без потери временного разрешения из - за их взаимовлияния - задача достаточно сложная. Поэтому был предложен и реализован другой методический вариант.

В качестве генератора, формирующего положительный импульс, был использован быстродействую щий генератор на ртутном разряднике ТR-0306 (Венгрия), способный формировать одиночные импульсы амплитудой до 150 В с временем нарастания t фр = 0,3 нс, получение отрицательного обратного импульса основывалось на эффекте опережения импульса от короткозамкнутого конца передающей длиной линии, представляющей собой отрезок кабеля РК - 50 ( с волновым сопротивлением 50 Ом ), согласованный с выходным сопротивлением генератора . Наличие низко омного резистора, осуществляющего «неполное» короткое замыкание и встроенного в держатель образца играет определяющую роль в формировании роль в формировании отрицательного импульса заданной амплитуды: его величина обуславливает соотношение амплитуд прямого и обратного импульсов тока и при R=1Ом это отношение Iпр / Iобр = 5, Что является весьма удобным, так как в этом случае, как следует из теории Лэкса.

Времена жизни, измеренные таким способом для большинства диодных структур, поученных в « оптимальных» области технологических параметров , лежали в пределах 5 - 30 нс. Принимая во внимание значительную пространственную неоднородность диффузионной длины, естественно предложить, что времена жизни по Лэксу будут отчасти коррелироваться площадью измеряемых структур, по этому для достижения необходимой « квазилокальности » целесообразно подвергать исследованием структуры с малой площадью.

Литература

1 Жиляев Ю.В., Куликов А.Ю., Сералиев Т.А. и.др. Высокотемпеатурные диоды на фосфида галлия. Сб.ст. « Силовые полупровдниковые приборы » НИИ по «ТЭЗ им М.И. Калининина».г.Таллин «Валгус»1986,с.263- 266.

2 Жиляев Ю.В., Панютин Е.В., Сералиев Т.А.Оптическая диагностика особо чистых слоев фосфида галлия. VII Всесоюзная конференция по процессам синтеза и роста полупроводниковых кристаллов и пленок. « Новосибирск июнь 1986». Новосибирск июнь 1986.

Аннотация

Исследования ВАХ производилось с помощью промышленного характериографе TR-4805, формирующего синусоидальный сигнал.

Ключевые слова: диодные структуры, высокотемпературные диоды.

Синусоидальный сигналды? ??рылуы, TR-4805 ?ндірістік графиксипаттамасы к?мегіиен ВАС ж?р гізіп зерттелінді.

Т?йінді с?здер: диодты ??рылым, жо?арытемпеатуралы диоды.

CVC studies performed as using a curve tracer industrial TR-4805, forming a sine wave.

Keywords: diode structures, high-diodes.