Импульсный лавинный S-диод

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным лавинным полупроводниковым диодам, и предназначено для использования в системах силовой импульсной электроники: в источниках питания полупроводниковых лазеров; в мощных полупроводниковых светодиодах; для диодов Ганна; для систем сверхширокополосной локации; в устройствах целеуказания и дальнометрии гражданского и военного назначения.

Для современных систем сверхширокополосной локации и активной локации в инфракрасном диапазоне требуются портативные микроэлектронные устройства, обеспечивающие надежную генерацию мощных субнаносекундных импульсов. Малая длительность электрических и оптических импульсов (не более 1 нс) обеспечивает высокую точность при заданном быстродействии, а увеличение мощности обеспечивает увеличение дальности распространения сигнала.

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

Наиболее близким (прототипом) 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 статической обратной ветви вольтамперной характеристики которой наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления. 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 и развитием волны ударной ионизации в высокоомной π-области. 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 низким значением напряжения переключения (100-250 В) [2, 3].

Указанный недостаток устранен в другом аналоге, лавинном S-диоде, на основе полупроводниковой структуры π-ν-n-типа, легированной глубокой акцепторной примесью хрома. В таком приборе удельное сопротивление базы за счет легирования более глубоким акцептором повышается на 3-4 порядка по сравнению с S-диодами, легированными примесью железа. Это позволяет повысить значение напряжения переключения. Однако, надежность таких структур в схемах импульсного питания невысока, и они быстро выходят из строя. Это связано с наличием в таких структурах неконтролируемой инжекции электронов в π-область со стороны контакта до переключения S-диода, что, в свою очередь, приводит к росту среднего тока в схемах импульсного питания и перегреву диодов с последующим выходом их из строя [4].

Целью настоящего изобретения является устранение влияния инжекции электронов на протекание тока, повышение напряжения переключения лавинных импульсных S-диодов на основе арсенида галлиевой структуры, полученной легированием хромом либо железом.

Это достигается тем, что в предлагаемой структуре между π-областью, полученной легированием хромом и контактной n-областью, способной инжектировать электроны в π-область для инициирования и поддержания в структуре волны ударной ионизации, вводится дополнительная область низкого сопротивления p-типа проводимости, толщина которой не превышает 5·L_n, где L_n – диффузионная длина электронов в p-области.

На фиг. 1 показано схематическое изображение n-p-π-ν-n- структуры импульсного лавинного S-диода (а) и его энергетическая диаграмма при подаче напряжения смещения (б) с полярностью, показанной на (а).

На фиг. 2 показан пример полупроводниковой структуры, изготовленной диффузионно-эпитаксиальной технологией: 1 – ν-слой, полученный диффузией Cr в исходный n-GaAs; 2 – π-слой, полученный диффузией Cr в исходный n-GaAs; 3 – эпитаксиальный p-слой толщиной приблизительно 5 мкм, легированный Zn в процессе роста; 4 – эпитаксиальный n-слой толщиной приблизительно 10 мкм, легированный Sn в процессе роста.

Благодаря формированию p-слоя создается сложная n-p-π-ν-n-структура, в которой образуются включенные навстречу π-ν- и n-p- переходы. Таким исполнением структуры контролируется инжекция электронов из n-области в область объемного заряда π-ν-перехода, находящегося в состоянии лавинного пробоя, которые инициируют и поддерживают развитие волны ионизации в структуре и переключение S-диода в проводящее состояние.

Устройство работает следующим образом.

При подаче обратного напряжения смещения на π-ν-переход (см. фиг. 1) основное падение напряжения происходит на высокоомной π-области и области объемного заряда (ООЗ) π-ν-перехода. Вследствие этого напряжение переключения повышается, а инжекция электронов из контактной n-области до развития лавинного пробоя незначительна. Этому препятствует введенная p-область, в которой на длине диффузии электронов все инжектируемые из n-области электроны рекомбинируют, не доходят до ООЗ π-ν-перехода и не инициируют преждевременное развитие лавинных процессов в структуре S-диода.

Сущность изобретения заключается в контролируемой инжекции электронов из n-области в ООЗ π-ν-перехода. Инжектируемые электроны выполняют важную функцию работы S-диода, инициируя его переключение. Но инициирование этого процесса должно включаться тогда, когда напряженность электрического поля в структуре S-диода достигает своего предельного значения, достаточного для развития и прохождения волн ударной ионизации. В предложенной n-p-π-ν-n-структуре достигается самосогласованный контроль инжекции при обратном смещении π-ν-перехода. Поскольку n-p и π-ν-переходы включены встречно, то при подаче напряжения смещения с полярностью, показанной на фиг. 1, все падение напряжения будет падать на обратно смещенном π-ν-переходе и высокоомной π-области. На n-p-переходе, смещенном в прямом направлении, падение напряжения не превышает 0,1 В, и инжекции электронов в π-область не происходит (фиг.1, б). При достижении критического значения напряженности поля, когда за счет микроплазменного пробоя дифференциальное сопротивление ООЗ обратно смещенного π-ν-перехода резко уменьшается, идет самосогласованное перераспределение поданного напряжения на сопротивлении растекания микроплазмы в π-область. Сила тока в структуре возрастает, пропорционально растет падение напряжения на прямо смещенном n-p-переходе, который стимулирует инжекцию электронов в π-область, поддерживает прохождение волны ударной ионизации, инициированной пробоем ООЗ π-ν-перехода. Толщина формируемой p-области будет определять характеристики условия переключения. С увеличением толщины p-области (d_p) растет значение напряжения переключения по параболическому закону, U_п~(d_p)^1/2. При d_p≥5·L_p напряжение переключения растет уже незначительно, но начинает экспоненциально расти сила тока переключения, что резко снижает срок службы S-диода.

Реализация предложенной структуры возможна при помощи диффузионно-эпитаксиальных технологических методов. Пример осуществления изобретения представлен на фиг. 2. Изначально в GaAs n-типа проводится диффузия хрома на глубину 50 мкм при температуре 970^оС (время диффузии – 120 минут), градиент концентрации примеси хрома в ООЗ равен 9⋅10¹⁸ см^-4. Далее на поверхности π^Cr-слоя методом газофазной эпитаксии в едином процессе при температуре 720^оС наращиваются последовательно p-слой толщиной 1-5 мкм (L_p ~ 1 мкм в арсениде галлия), а затем n-слой толщиной 2-10 мкм (не менее глубины вплавного контакта). Напряжения переключения S-диодов в рассмотренной структуре составляют в среднем 300-400 В при токах переключения I_п<10^-6 А. Управление напряжением переключения в такой структуре осуществляется изменением толщины высокоомного π^Cr-слоя при постоянном градиенте концентрации примеси в области π-ν-перехода. Эксперименты показывают, что 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 – 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, повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием GaAs только хромом или железом, повышение надежности работы таких структур в схемах импульсного питания.

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.

4. Толбанов О.П., Хлудков С.С. Способ изготовления полупроводниковых S-диодов. – А.С. №1023962 (СССР).