Нелегированные эпитаксиальные слои арсенида галлия и высоковольтные р-п-р-п структуры на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ПРОСВЕЩЕНИЯ ССР МОЛДОВА

ГОЛДОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ .

НЕЛЕГИРОВАННЫЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СЛОИ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ И ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ р-п-р-п СТРУКТУРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников

и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Для служебного пользования ЭКЗ. № 80

На правах рукописи

• НУГМАНОВ ДАМИР ЛШШДШОВШ

УДК 621.382.33

исх. Л/* 33е/' ОЪ/ЯО

Работа выполнена в Ордена Ленина Физико-техническом институте им. АЛЕ.Иоффе Ж СССР

Научный руководитель: Лауреат Ленинской премии, доктор

физико-математических наук, профессор Корольков В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцзнт

кафедры микроэлектроники и полупро! дниковых приборов Кишиневского Пол: технического института им. С.Лазо Трофим В.Г.

кандидат физико-математических нау доцент кафедры физики полупроводни ков Молдавского государственного у верейтета Гаугаш П.Б.

Ведущая организация: Ленинградское научно-производственно

объединение "Светлана".

Защита состоится "14" мая 1991г. в 1400 часов на заседали Специализированного Совета К 062.01.04 по присуждению научной степени кандидата физико-математических наук в Молдавском орде трудового Красного Знамени государственном университете (27701 г. Кишинев, ул. Садовая, 60).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университе

Автореферат разослан "? п апреля 1991г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, каедидат физико-математических наук, доцент -""7' Форш A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время быстроразвиваэдаяся полупроводниковая электроника предъявляет все.более высокие требования к параметрам,характеристикам полупроводниковых приборов, которым далеко не всегда удовлетворяют приборы на основе германия и кремния. В связи с этим ваяное значение приобретает разработка приборов на основе широкозонных материалов типа А^Б® , типичным представителем которых является арсенид галлия и твердые растворы на его основе. Более высокая, чем в 51 , подвижность электронов а характерные особенности зонной структуры .позволяют на основе арсенида галлия создавать СВЦ - приборы / диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды и СВ4 -диоды Шоттки и т.п./. Диоды, транзисторы и тиристоры на его основе способны работать при более высоких температурах, чем кремниевые приборы. Кроме того, СаАэ , имеющий прямую зонную 'структуру и высокий внутренний квантовый, выход излучательной рекомбинации интересен с точки зрения изучения возможности использования этого обстоятельства для разработки высоковольтных приборов, с большими толщинами активных областей.

Однако, на пути широкого применения Оа-Аэ, для создания высоковольтных, быстродействующих приборов /диодов, транзисторов, тиристоров / стоят значительные технологические трудности, связанные с получением достаточно "чистых" эпитаксиальных слоев с высокими подвюкностями основных носителей заряда /ОНЗ/. Поэтому важное .значение имеет разрабштка методов получения таких эпитаксиальных слоев, формирование на их основе высоковольтных р-п переходов, исследование влияния основных технологических, факторов на характеристики приборных структур.

Цель работы.

1. Разработка методика получения нелегированных эпитаксиальных слоев ваАз и высоковольтных р-п переходов на их основе.

2. Разработка способов уменьшения концентрации тоновых примесей в нелегированных слоях. п°- баАэ и исследование их электрофизических характеристик.

3. Разработка технологии изготовления высоковольтных быстро-

действующих тиристоров на основе нелегироваяного арсенида галлия.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- показано, что при выращивании нелегированных слоев ваА£ в зависимости от условий формирования примесного- фона в раст-воре-расплава могут быть получены слои п-типа, р-типа проводимости, а также компенсированные высокоомные. слои и высоковольтные р-п перехода с управляемой, толщиной р°- области;

- определены .условия, .которые позволяют получать нелегированные эпитакснальные слои Са-СаАа .с более высокими электрофизическими параметрами /концентрация и подвижность ОНЗ, степень компенсации-остаточных примесей /;

- установлено, что при замене растворителя Оа на В1 изменяется природа фоновых.примесей в слоях..Если в слоях. Оа-баАэ , основной фоновой примесью является то в. слоях Ш-СаАз основной фоновой примесью становится Выращивая из висотового раствора-расплава могут быть получены нелегированные слои СаАэ с высокими электрофизическими параметрами;

- определены условия управления толщиной высокоомной облас при получении высоковольтных р-п переходов;

- показано влияние влажности, водорода на скорость реакции восстановления кварца и, следовательно,. концентрацию кремния в жидкой фазе. Введением паров воды в поток водорода можно управлять толщиной I- области, увеличивать пробивное напряг ние структуры;

- показано влияние технологических факторов на коэффициент передачи исходных п+ - р° - с - п° .транзисторных структур. Выбор технологических условий выращивания /температура начала кристаллизации, скорость, потока и влажность водорода / позвол ет управлять величиной коэффициента передачи транзисторных структур в интервале .0,50 * 0,95. С увеличением толщины высок омной области коэффициент- передачи, этих .структур возрастает и становится близким к единице, но падает с увеличением темпе ратуры окружающей, среды... . ' ' ' :

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:

- разработана методика и установлены режимы снижения конце

. . - 5 -

традии остаточных фоновых примесей в процессе. термообработки жцдкой фазы Ga-GaAs . .Получены нелегнрованные эпитаксиальные' слои n°-GaAs со следующими.параметрами.ОНЗ: п300= 2• Ю^сг.Г 3 , ju300 = 9,3 v io3 см2/3-.С , п1" =г 1,5-1014 см-3 ,

jUn77 = 1,23-ДО5 см2/В• С , . К= 0,35 , которые, могут быть использованы для высокочастотных приборов; -

- разработана методика .и найдены режимы получения нелегированных эпитаксиальных слоев GaAS-, выращенных из висмутового

раствора-расплава, позволяющая контролируемо регулировать электрофизических параметров ОНЗ. Получены нелегированные эпитаксиальные слои. n°-GaAsco следующими параметрами ОНЗ:

п77= 7,5МО14 см~3 ,/д7= 1,4«ДО5 см^/Б'С , К =0,55, f»103

ом-см., которые могут быть использованы как буферные.слои на полуизолирующих.подложках GaAs для интегральных, схем;

- показана возможность управления толщиной высокоомной области .в высоковольтных р-п .переходах оптимизируя режима обработки раствора-расплава .с одновременным введением паров воды в.газовую среду системы, на .основе.которых были получены фотонно-ин&екционные импульсные тиристоры со следующими параметрами: напряжение переключения - 500 В, .время нарастания -0,2-5-1,0 НС, время включения.по. цепи управления - 0,5-}-0,8 мне, ток управления - 24-50 мА, коммутируемый ток. - 10 А, остаточное напряжение - < 20 В, рабочая площадь структуры - 4• 10"^ см2 ;

- определен реяим. получения .транзисторных, структур с более стабильными.температурными зависимостями коэффициента передачи, на основе .которых могут быть .созданы фотоино-иняекционные импульсные тиристоры,работающие при высоких температурах

/>200?-сД..........;.....................

Достоверность результатов. полученных .в работе, определяется применением методики жидко-фазной .эпитаксии, лозволящй получать более, "чистые", слои и регулировать концентрацию остаточных, фоновых примесей.,. .а такяе использованием соврешн-ных методик исследования люминесцентных и гальваномагнитных свойств полупроводников, воспроизводимостью результатов, полученных на различных опытах.

- 6 - ....

Научные положения, выносимые на защиту.

1. В эпитаксиальных слоях баЛа , выращенных из галлиевого раствора-расплава имеются аМютерные / , Бп ./, донорные / 5е , Те , 5 / и акцепторные / С, / примеси. Их компенсация происходит на уровне 10^ *10^с1.Г3 .. При высоких температурах отгсига и скорости потока водорода усиливается реакция восстановления кварца водородом, в результате которой, раствор-расплав обогащается.кремнием, .что ведет .к образованию слоя р-типа проводимости.. При охлаждении раствора-расплава наблюдается, снижение концентрации основной-акцепторной примеси Бс^ в растущем слое /коэффициент. сегрегации кремния близок к единице./., образование компенсированного ¿- слоя, а затем - переход к: л-типу проводимости,

2. Введение паров воды в поток водорода уменьшает .скорость реакции восстановления кварца и, следовательно, концентрацию кремния в жидкой фазе. Компенсация мелких доноров глубокими акцепторами А / НЬб. -ЕуЧ- 0,41 эВ / и В /НВ2, Еу* 0,68 эВ/ ведет к расширении относительной, толщины . ¿-области. Это дает возможность .управлять электрофизическими параметрами р° - ¿ -п° перехода, увеличивать напряжение пробоя в 1,5 раз...

3. При замене растворителя ба на В1 изменяется природа фоновых примесей в зпитаксиальных. слоях. В . системе Ы-СаАэ уменьшается растворимость, кремния. Малые.коэффициенты сегрегации кремния д . мелких доноров./¿>е, Те., £ /приведет к уменьшению

общей концентрации ионов росту подвижности ^д77 и увеличению степени-компенсации К,- снижается концентрация остаточных примесей, .растет."чистота".слоев. . . -............

4. Выбор технологических, условий выращивания /температура начала кристаллизации,, скорость потока и влажность водорода/ позволяет. управлять величиной, коэффициента передачи транзисторных •структур в-интервале 0,50+0,95..Резкое или плавное уменьшение, .температурной, .зависимости коэффициента передачи разных , типов транзисторных / -р°-п0, л^-р0- I - п° / структур связано с температурной зависимостью, сечений захвата глубоких уровней А и В, которые возрастают с увеличением рабочей температуры.

Апробация работы. Основные результаты-диссертационной работы докладывались на Всесоюзных научно-технических семинарах "Развитие технологии и конструирования силовых полупроводниковых приборов" /Таллин,.1986г./; "Полупроводники и гетеропереходы "/ Таллин, .1987 г./.. .....

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отраненыв 4.печатных работах,которые перечислены в конце

автореферата. ....................... . .........

Структура и объем работы. .Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,...заключения, списка цитированной литературы и приложения. Работа содержит 93 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 9 таблиц. Список цитируемой литературы включает 101 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

. Во введении обоснована .актуальность теш, сформулирована цель исследований, излагается научная.и практическая новизна работы. Приводится краткое .изложение.содержания.диссертационной .работы, перечислены основные положения, выносимые на

защиту. .........................

Первая глава носит обзорный характер. В ней описаны перспективы использования -GaAs для создания СВЧ..и.высоковольтных полупроводниковых приборов. Рассмотрены основные .особенности гетеропереходов в системе GaAs - Al As.,, их.преимущества перед гомопереходаш./ односторонняя инжекция,..эффект .сверхиняекции, эффект"окна"-Д которые позволили использовать фотонные связи

'внутри-тиристорной- структуры.- . - . ............

. На основе анализа.литературных данных сформулированы задачи диссертационной работы. Из всех видов.эпитаксии нами был выбран

метод ЖФЭ в горизонтальном проточном.реакторе.- ......

. Во второй, .главе описаны, методика .и аппаратура для выращивания эпитаксиальных-слоев GaAs , а таете использованные , метрды исследования. Нелегированные, .слои GaAs ..получались методом ШЭ при принудительном охлавдении .раствора-расплава... .

Процесс проводился в потоке ..очищенного водорода /точка росы .-70° С / в .подвижном горизонтальном реакторе ампульного типа, который перед каждым процессом откачивался до остаточного

давления ~10 мм рт.ст. Использовались контейнеры из кварца оптической чистоты и .нитрида бора /сливного типа/, пирогра-фита и лейкосапфира. /сдвигового типа/ и графита /поршневого типа/. .Материалом подложек служил монокристаллический арсенид галлия, полученный-методом .Чохральского с плоскостью ориентации/ 100 /. Растворителями слумша металлический галлии марки ва - 99,9999 % и висмут марки В*-. - 0000. В .качестве насыщающего материала использован поликристаллический арсенид галлия, полученный, направленной кристаллизацией, АЕН-1 с концентрацией электронов- ¿Ю*6 см"3 и подвижностью.300«¿ 5000 оД/В-С.

•. .Особенности-режима выращивания нелегированных слоев является наличие. двухступенчатого отжига с .разными скоростями потока водорода-Разделены во времени процессы очистки раствора-расплава от окислов и летучих примесей.-/ длительная низко-тешаратурная выдержка / а- формирование -примесного фона в жидкой фазе../.высокотемпературная выдержка при.различных, потоках водорода/. Низкотемпературная.выдержка раствора-расплава проводилась при скорости потока.водорода 250 см3 /мин и температуре 750.° С. в течение 15..часов, высокотемпературная выдержка при температуре, начала кристаллизации /700*950 /° С длилась 3-5. часов при.скорости потока - водорода. /50-г1000. /. см3/мин. Скорость кристаллизации составляла 0,1*0,3° С/мин... .-...

Во. второй:части главы рассмотрены методы исследования слоев: метод электрооптического эффекта для. определения.местоположение р-п перехода или ОГО в высоковольтных .структурах, определение концентрации и.подвижности 0НЗ.с помощью эффекта Холла, исследование спектров низкотемпературной фотолюминесценции /ФЛ/ для анализа остаточных, примесей в делегированных слоях, исследование температурной зависимости коэффициента передачи.по току.фототранзисторных .структур методом светового зонда. .... Третья глава . посвящена .исследованию влияния условий., выращивания на электрофизические свойства нелегированных слоев ваа также получению высоковольтных п* -р° -п° структур , с температурно-стабильными коэффициентами передачи по -току. - . Анализ, реальных источников фоновых примесей позволил сделать следующие вывода:, в растворе-расплаве содержатся амфотер-ные / , 5п /, а также донорные / Бе.Ге, Б / и акцепторные

/ £ , примеси. Их компенсация на уровне / 10^-5- 10^/ см-3

не исключает образование р-п перехода. На основе обработки серии опытов по выращиванию нелегированных слоев ОаАэ было установлено: 1. В зависимости от условий формирования примесного фона в растворе-расплаве, могут быть получены нелегированные .слои п р-типа проводимости, а также компенсированные высокоомные. слои и р-п переходы. Для.каждой.экспериментальной системы существует.минимальная температура отжига, зависящая от уровня донорного фона при которой начинается кристаллизация нелегированных слоев .р-типа проводимости /. .при больших скоростях потока водорода/. В наших условиях, эта температура ~820° С. 2..При.выращивании р°- п° перехода за.подложкой всегда следует слой р-типа проводимости /независимо от условий кристаллизации/. Его толщина при фиксированной температуре отжига пропорциональна скорости потока водорода. При. увеличении температуры отжига скорость потока водорода, необходимая для кристаллизации р°-п° перехода, уменьшается. При этом интервал .скоростей потока водорода , где-образуются р-п переход,- сужается с ростом температуры отжига, т.е.. эффективное управление толщиной р° - пб-ласти перехода может быть достигнуто в.интервале. 820-900° С . 3. По мере уменьшения температуры отжига раствора-расплава для выращивания.слоев р-типа требуется увеличивать скорость потока водорода...

Анализ температурной зависимости дырок в нелегированных слоях р°- ваАв / р3.00 = 1014-1015 см""3. .., « 8000 с^/Б-С, Л^ ~ ю15*1016. см"3 / и спектров низкотемпературной М позволил заключить, что основной примесью .определяющей.тип про -водимости, является кремний .,. поступающий в раствор-расплав из газовой фазы .в виде моно.окиси. кремния / всО /, как продукт реакщивосстановленая кварца-водородом.-..Скорость этой .реакций, определяющей, концентрацию .кремния.в. .твердой .фазе и .толщину р° - слоя, пропорциональна,, как показывает -термодинамический анализ, температуре отжигал .скорости потока-.водорода.

Для оценки-воздействия.на донорный.фон эффективного комп -лексообразователя-/кремния/.,. введенного в.£истему, было изучено влияние скорости потока водорода на свойства нелегированных слоев п°- ваАг , полученных при температурах 650+800°С.

Особенность режима их получения - малая скорость охлаждения - 0,08° С/шн и большая скорость потока водорода - 1000 см3/ мин. Полученные слои имели толщину до 30 мкм. Основная масса слоев имели концентрацию электронов п"^ ~ 10^+10^ см-3 , подвижность электронов /3-5-8 /»104 сг^/В-С.. и степень

компенсации К ~0,35. Лучше образцы имели концентрацию электронов 2-10^ см-? а подвижность электронов jan77= 12,3«.104 с^/В'С. .

Увеличение температуры начала кристаллизации от 650°С до 800°С ведет к таеныпению концентрации, электронов от п300 = 1,9«10 сы-3 до п300= 2.-1014 см-3 при одновременном увеличении подвижности до jX'^ ~ 1*10^- cur/В'С.. Уменьшение концентрации доноров с ростом температуры начала .кристаллизации.. /до 800°С/. может, быть связано с особенностью их поведения при.жидкофазной эпигаксии - коэффициент, .сегрегации основных доноров /кроме I уменьшается .с повышением .температу -ры.- Но-концентрация акцепторов,. основным-.из. которых является

Sifls , должна возрастать в следствии роста интенсивности реакции, .восстановления, кварца водородом.. Уменьшение концентрации акцепторов с ростом температуры начала-кристаллизации; До 800°С / можно объяснить усилением процесса комплексообра- . зования./квазинейтральные комплексы типа Si^- .мелкий донор /. При дальнейшем.повышении.температуры концентрация кремния начинает .расти, .что. приводит к дальнейшему .росту коэффициента компенсации'слоев,., а затем - к инверсии .типа проводимости /Тн к > 820°. С/.. Уменьшение общей концентрации ионов с повышением . температуры, второго, отжига сопровождается снижением концентрации электронов и ростом их подвижности. ~ .. . Исследования .температурной зависимости-концентрации . элек -тронов .в интервале. 300*. 6 .К.показало, дао в этих слоях существуют. мелкие и. глубокие уровни.. Истощение мелкого донорного уровня наступает в.. интервале температур. .30+80-К^ Энергия ионизации мелких доноров,- определенная для случая компенсированной примесной- электропроводности, имела значения дЕтг = /4*6/; 10~3ЭВ.

- 11 -

Для оценки степени совершенства выращенных слоев п0-ОгАв было проведено исследование зависимости подвижности электронов в этом же интервале температур. Зависимость имеет вид кривой с максимумом при темперагуре~60 К, который, совпадает с максимумом теоретической кривой.,, построенной с учетом, рассеяния электронов на ионизированных-центрах, полярного, . пьезоэлектрического и. решеточного .рассеивания,, .что свидетель-■ ствует о справедливости теоретической.модели рассеяния электронов' для нелегарованных слоев баАз.........

Ддя идентификации энергетических уровней остаточных примесей в исследуемых слоях п°- СаАэ. . выращенных из галлиевого раствора-расплава были изучены, спектры фотолюминесценции ,/Ш / при температурах, жидкого.азота и гелия. Анализ спектров низкотемпературной ФЛ показали,, что при относительно низких температурах началах кристаллизации / ~ 650 °с/ основным мелкам акцептором является С / 1,4931 ЭВ /г С ростом температуры начала кристаллизации..800°.СГ / усиливается реакция восстановления-кварца водородом.и раствор-расплав обогащается кремнием. Это подтверждается.появлением в акцепторной полосе кремниевого-.пика /1,4824 ЭВ/. По.мере.увеличения количества кремния в слоях растет интенсивность экситонов, связанных на нейтральных акцепторах - /А°,х/ /. 1,5123. ЭВ / относительно экситонов, связанных на ионизированных донорах - /Д*\ х/ . /1,5132 ЭВ/.. С. увеличением температуры начала кристаллизации наблюдается незначительное.уменьшение.концентрации и увеличение подвижности ОНЗ, чтоподтверждается сужением полуширины краевой полосы М от 27. А до. 11 А . . -..........

Высоковольтные р-п.переходы'были, получены в процессе кристаллизации за .счет компенсации, остаточных примесей- Основное влияние на электрофизические параметры-этих слоев .оказывают.-температура начала кристаллизации., скорость потока водорода. При выращивании высоковольтных р°- п° переходов были использованы режимы, при'низких ,/850°С/ и высоких/ 950°С/. .температурах' начала кристаллизации и.различных потоках водорода /^0,5 л/мин и .«ОД л/мин соответственно/- В структурах с высоковольтным . п° - п° переходом, имеется высокоомная [-область с удельным сопротивлением порядка 10® 0М'*СЦ/300к/,

примыкающая к переходу со стороны р°- слоя. .Толщина ¿-облает: с увеличением температуры начала кристаллизации.расширяется от 10*15 мкы при 850° С до ~150 мкм при 950° С. Пробивные напряжения при этом увеличивалшот . ~350. В до 600* 1000 В. Компенсация мелких доноров глубокими акцепторами ведет к рас трению высокоомной области и росту пробивных напряжений

структуры.' • .........

Для оценки возможности работы.фотонно-инжекционных шпуль ных тиристоров при высоких температурах / ^ 200° С / было проведено исследование температурной зависимости коэффициент передачи.по току исходных. п+-р° -п°. /n+-p0-i-n°, п+- ¿-п° фотогранзисторных. структур методом светового зонда .

Коэффициент.передачи л*- -р°- п° структур, выращенных при низкой температуре. , составляет cl0= 0,5*0,6 .при комнатной те пературе, и незначительно / г? 10 % /.уменьшается с ростом температуры до-240°С. С ростом температуры- начала кристалли зации температурная зависимость коэффициента передачи лриобр тает значительный, наклон. .Если при 20° С ~oi0= 0,90-5-0,95, то при 240°С коэффициент..передачи уменьшается более чем в 3 раз Увеличение, .толщины, высокоомной. области .ведет к росту коэ'ффии ента передачи, а увеличение концентрации глубоких центров А и В ведет к более резкому падению коэффициента передачи с

ростом .температуры, ...................

Влияние влажности водорода на параметры высоковольтных р°-переходов исследовалось при. контролируемом .введении паров воды в лоток исходного водорода. При.этом влажность водорода на входе.реактора изменялась от 3.р.р.м./точка росы -70°С /

до 376 р.р.м» /точка росы -30° С/. . ...........

С введением.паров воды в 'интервале температур начала.крас таллизации 850*950°С наблюдается .резкое уменьшение относите; ной .толщины р°- слоя с .одновременным увеличением относителы толщины I- слоя /от .10* 15мкм до~ 50 мкм.при.Т0= 850°С/, изменяется тип структур от р°- л0., на.. ¿-п° . В слоях выращенных при низкой ,/850°С ./..температуре, .это изменение имеет более .резкий характер» Такая зависимость связана с тем, что увеличением паров воды в .водороде уменьшается .скорость peaKi восстановления кварца водородом и, следовательно, концентра!

- 13 - . .....

кремния, лопадавдая в жидкую фазу, уменьшается. Компенсация мелких доноров глубокими центрами.! и В ведет к расширению относительной толщины ¿-области..-..,............

Введение, паров воды в систему .заметно, изменяет температурный. ход коэффициента передачи-фототранзисторных структур. Коэффициент передачи структур, выращенных .при высокой температуре начала кристаллизации /950°С /,.. лри. .комнатной темпера- . туре составлял ао=.0,90*0,95 ,. но. в температурном интервале 60 +160°С наблюдается резкий, спад /на 80. %/. ..Спад коэффициента передачи, с .увеличением температуры, связан -с.-температурной зависимостью сечений захвата .глубоких уровней А и В, которые возрастают.с увеличением температуры..- -.,...'_-. . Показано, .что.введение, в поток.водорода..паров воды.в интервале 3*376 р.р.м. , при выращивании из., трех-миллиметрового зазора позволило.получить п+- I -п° структуры с пробивным

напряжением до 1,2. кв................ —.......... ........

..Использование изовалентных. .раствори/гелей, в частности, висмута, в качестве растворителя позволяет существенно-снизить концентрацию остаточного кремния в. .слоях В1- .баЛв . Предельная растворимость.кремния в висмуте/ довольно. мала./0,06 ат.^ при 800°с /, а коэффициент.сегрегации кремния значительно меньше,

чем в.. системе Са-СААэ ........ . . ......................

.. Характерна сильная зависимость электрофизических параметров слоя от. температуры, начала кристаллизации- при выращивании из висмута: в интервале 800*700 °.С падает общая.концентрация от см".3., до'.М^.- = .7,6 • 10*4см~3.г.идет"очистка",

что' подтверждается ростом- подвижности электронов от.^п=2,5-Ю т/ВйДО

8.10^. см^/Влб..,, малые коэффициенты сегрегации мелких доноров-в.висмуте приводят.к снижению донорного "фона и увеличению степени, компенсации.от 0,5.при. 800°С. до.~ 1, 0. при . То. < 750°с,. удельное сопротивление..увеличивается'до. Ю3+10^ Ом.см при комнатной.температуре. Были, получены.образцы с'концентрацией . электронов п7 = .7., 5-10^ см"3 .подвижностью = 1,4'»105см2/В;С и степенью компенсации К== 0,55.., ;

.. При -замене.растворителя. Оа на Вг .изменяется .природа фоновых примесей в слоях. 3 слоях В£- БААэ основным мелким акцептором

.... - 14 -...................

становится углерод, а при низких .температурах роста .кристаллизации - цинк..По мере.уменьшения температуры начала кристаллизации в спектрах низкотемпературной.фотолюминесценции наблюдается сужение полуширины краевой.полосы от 15 А до 5,5 А . ■

Установлено, что .даже .при низком уровне, примесного фона выращивание.ваАБ из висмута .позволяет дополнительно понизить концентрацию неконтролируемых примесей .в слоях по сравнению с контрольными образцами. Хотя для слоев.-Ы.-ОаАй .характерна более высокая.степень.компенсации,, вероятность.получения слое! с высокой подвижностью и малой концентрацией основных носителе

заряда растет. ..................— ........

В .четвертой главе описаны методика изготовления фотонно-инжекционных.импульсных тиристоров работающих в режиме выключения импульсом тока по цепи управления на .основе, нелегированного арсенвда галлия и.результаты исследования импульсных

характеристик .приборов................................

Для выключения.обычного тиристора необходимо изменять поля! ность приложенного к нему напряжения з-силовой .цепи на время, требущееся-для.рекомбинации.электронно-дырочной.-плазмы в базовых .слоях,. -которое -приводит-к существенному .усложнению лреос разовательных-устройств.-В этом.отношении..-значительно более, удобным является ..тиристор,. который, можно, де -только включить, но и выключить импульсом, тока в.. цепи .управления» Для перевода из состояния -с высокой проводимостью в .состояние с низкой проводимостью требуется кратковременное, .уменьшение тока текущего через структуру-,-до некоторого минимального. значения -. / 3 -тгет / -■» • после чего структура, переходит в .состояние малой проводимости...Выключение можно осуществить с .помощью импульса базового тока. При этом способе ..током.-управления уменьшается накопленный, в .базовых.слоях.-заряд.носителей до недорого критического значения, после чего поступает регенеративный процес

выключения» ......................

Получение, высоковольтных р-ц. переходов и. наличие .высокого внутреннего квантового выхода .изучательной.. рекомбинации в ваА* сделало возможным использование этого .материала для создания шотонно-иняекционных импульсных .тиристоров работающих в режиме выключения импульсом тока по цепи управления.

- 15 -

. Эти приборы представляют собой многослойные полупроводниковые структуры с двумя силовыми и одним управляющим электродом. Структура состоит из йототранзистора п+-р° -п° /йаАз / и светодиода_/У -р-.Р /двойная гетероструктура в системе баА-й - А1хба^-Х кв./. Их .отличительной особенностью является наличие./наряду. с. электрической / внутренней оптической связи

между, составными.элементами.'" _ - ......

.. -При. блокируемом напряжении /200*500 /. В ширина ОПЗ составляла 25А-35 мкм... .Толщина квазинейтральных .р-.и п -слоев составляли Ьр= 65 мкм иЬп= 30 мкм соответственно. Отношение толщины базы.фототранзистора к диффузионной длине ННЗ составляло 0,15т0,70. . .. ..... ....

Выстроенный светодиод используется для запуска тиристора. Согласование-спектральных характеристик цепи .управления и приемной .части - смещенного в запорном направлении центрального р-п перехода.- обеспечивает эффективность оптической связи. Эти приборы наиболее целесообразно использовать в качестве ключевых элементов в импульсных и частотных:-схемах.

При исследовании режимов. переключения ШИТ импульсом тока управления.использовался метод выведения заряда по цепи управления-» Были сняты эксдорикснташше зав&еямости коэффициента выключения #ШТ ^внкл = З^/ » где ~ Т0К и - .ток управления от анодного, тока а .температуры окружающей средн..Зависимости сняты.при длительности импульса тока

10. мкс. Было установлено, что с. ростом анодного тока и температуры окружающей среды коэффициент выключения уменьшается. Однако, .влияние ^ и т на/выкл. тем мейыпе, чем больше . Максимально допустимые значения плотности выключаемого тока достигали 1000-2000 А/См^. Зависимость коэффициента выключения ШЙШ от длительности Ь^ , выключающего. импульса' тока " показали,.что при уменьшении длительности выключающего импульса..тока его..амплитуда, необходимая для .запирания ФЖГ должна . быть повышена с целью, сохранения извлекаемого заряда. Характерные значения ^ , при которых коэффициент выключения ФИИТ перестает зависеть .от длительности выключающего импульса тока находятся в пределах 5*10 мкс. Эти. значения. , существенно. меньше, чем в двухоперационных тиристорах на основе кремния.

Времена жизни ННЗ в базовых областях .тиристоров играет определяющую роль .при формировании длительности этапа задержки переходного процесса переключения. Для увеличения -быстродействия процесса переключения .их надо снижать, Представленные зависимости позволяли сделать вывод, что в ФИИТ эффективное управление рекомбинации электронно-дырочной .плазмы.в базовых слоях . обеспечивается-не только .на этапе включения, но и выключения.

Основные, .результаты работы.. - ........ -.....

1. Показано, что .в- зависимости от условий-формирования примесного фона.в.растворе-расплаве /температура начала кристаллизации и скорость потока.водорода/-могут быть получены нелегированные слои п-типа, .р-типа проводимо.сти, а также компенсированные высокоомные слои и р-п переходы. ..

2. Получены нелегированнне слои ' n°-GaAs из галлиевого

раствора-расплава со следующими параметрами основных носителе!

заряда: 2^см"3 , 1.23.105"см2^'0

из висмутового раствора-расплава : п77 =.7,5-10 см . ,

jun77= 1,4.105 см^В-С. и К=0,55 , Показано, что выращивая

из раствора-.расплава. в висмуте, можно получить-более - сильно-компенсированные высокоомные слои , с .высокой подвижностью и низкой концентрацией основных носителей .заряда.... -. 3. Показано, что в слояхGa-GaAs . .основным .мелким акцептора' является кремний.,.-а в .слоях. Bi - .Gais ..-углерод ,-цинк. .

4. Показано, ..что с .введением .паров воды в .газовую среду увеличивается относительная-толщина. I -области.с одновременн] исчезновением . р° -слоя; меняется .тип .структур от р°- i - п° Haï- п° , что.дает возможность увеличивать пробивное напряжение структуры- . ... .............

.5. Установлено,, что с ростом температуры начала кристаллизации температурная стабильность, .коэффициента .передачи исхода: транзисторных структур ухудшается,, а-пробивное напряжение уве личивается;. уменьшение температуры начало кристаллизации веде к уменьшению .пробивных напряжений, но при .этом температурная зависимость коэффициента передачи приобретает более стабильны характер.- — . -,.............

6. Изготовлены и исследованы фотонно-инжекционные импульсн

тиристоры на основе высоковольтных. р° - п° переходов со следующими параметрами:

- напряжение переключения • • 500 В - .

- время включения 0,2 не.

- время выключения " . /0,5*0,8 /мкс.

- коммутируемый ток "/при площади 4. Ю-2 см2/, 10 А

- остаточное напряжение < <20 В Основные работы диссертации опубликованы в следующих

работах: . . .........

1. Б.И. .Григорьев, D.M. Задиранов, М. .Насруллаева, В.Г. Никитин,.Д.Л..Нугманов, A.B. Рожков, A.A. Холмирзаев. Импульсные, .транзисторы на основе гетероструктур-GaAs - jjl&aüs . Сб.статей."Силовые полупроводниковые приборы", Таллин, "Валгус", 1986. стр. 199 - 204. . .

. 2. Б.И.. Григорьев, В .П.. Корольков,. Ю.М.. Задиранов, A.B.Рожков, Д.Л. Нугмалов, .A.A. Холмирзаев. Исследование, импульсных характеристик тиристоров на основе GaAs .. Сб.статей-"Полупроводники и.гетеропереходы ", Таллин, "Валгус", 1937.. .стр.67-69.

3. Ю.<5. Бирюлин, В.Г. Никитин, Д.Л.. Нугманов, В В..Чалдышев, Компенсация остаточных примесей в.эпитаксиальных слоях GaAs - Bi. Письма в ЖТФ, т.13, в.20, 1987,.стр.1255^59. .

4. .Б.И. .Григорьев , В.И. Корольков, В.Г. Никитин,.. Д.Л.Нуг-манов; Н.Ю.Орлов, AJ3. Рожков. О выключении током.управления фотонно-инжекционных.имиульсных.тиристоров на основе гетеро-структуры. аТФ, т.59, в.2 , стр. 156-158. 1989.

Подписано в печать 13.03.91. формат 60x84 I/I6. Ротапринт. Наманганское областное управление "УзГЛАВСНАБ" УзССР. ДСП. Печ. л. 1,0. Уч.-изд. л.-0,9. Заказ 152. Тираж 80. Бесплатно.