Разработка технологии создания и исследование фотонно-инжекционных коммутаторов на основе гетероструктур GaAs-AlGaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им.А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

СУЛТАНОВ Ахмадясон Макидович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОННО-ШШЕКЦИОННЫХ КОММУТАТОРОВ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУР ОаЛв-АЮаАз

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в ¿гадко-техническом институте км. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

. Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.И.Корольков. .

Официальные оппоненты: доктор технических наук

кандидат физико-математических наук

Ведущая организация: ЛОЭП "Светлана".

Защита состоится " А£ " ОеТЛЯм 1992 г. в часов на заседании специализированного совета К 003.

23.01 физико-технического института имени А.Ф.Иоффе Российской АН, по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26, ФТИ им.А.Ф.Иоффе Российской АН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному, адресу на имя■ученого секретаря специализированного совета. :

Автореферат разослан " ¿3 " С1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук Г.С.Куликов

И.А.Линейчук, Б.И.Григорьев.

■00Уш':< I"..■■: - з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ!!

Диссертационная работа посвящена разработке технология создания и исследования высоковольтных мощных субнакосекундных фотонно-инжекционных коммутаторов на основе арсегаща галлия и его твердых растворов.

Актуальность теми. Проведение исследований по созданию мощных высоковольтных переключающих приборных структур на основе слаболегированного арсекида галлия связано с необходимостью поиска альтернативных принципов коммутации электрической мощности в субнано- и пикосекундном диапазонах времени. -Поскольку,' современные лазерная, ускорительная и локационная техники, термоядерная энергетика, пикосекундная спектроскопия жидкостей и твердых тел, топография, радиотехника и ряд областей преобразовательной техники требуют создания именно полупроводниковых коммутаторов этого диапазона мощностей, обладающих традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: большем сроком службы, надежностью, высоким кпд и, что крайне важно для ряда применений, устойчивостью к внешним воздействиям и мгновенной готовностью к работе.

До последнего времени быстрая коммутация больших мощностей (~1 МВт) осуществлялась преимущественно газоразрядными прибо-pai.ni. Именно благодаря успехам в их разработке появилась возможность создания мощных радиопередающих, радионавигационных, локационных и других систем. Однако, более широкое использование указанных систем, по крайней мере в субнано- и пикосекунд-ксм диапазонах, сдерживается принципиальными недостатками, обусловленными характером процессов, протекающих при разряде в газах. Это пражде всего нестабильность срабатывания, чувствительность к внешнем воздействиям и небольшой срок службы, зависящий от быстрого разрушения-электродов.

Положение з области коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборам:! в кано- и пикосекундном диапазонах радикально изменилось за последние несколько лет после того, как п №1 им.¿.Ф.Иоффе сотрудниками отдела "Сильноточной полупроводнп ковой электроники", возглавляемого Греховыи И.В., бита разработаны два новых принципа коммутации - с помощью управляющего

плазменного слоя, и с помощью задержанной ударно-ионизационной волны, позволившие повысить коммутируемую прибора!® мощность в наносекундном диапазоне почти на два-три порядка и в пикосе-кундном - почти четыре порядка / 1,2 /.

Быстродействие, величины абсолютной и удельной мощности, коммутируемой полупроводниковыми приборами.в значительной степени зависят от процессов заполнения электронно-дырочной плазмой области, имеющей в начальном состоянии высокое сопротивление и.блокирующей приложенное внешнее напряжение.Такой областью является область объемного заряда, истощенная сильным полем обраткосмбценного р-п-перехода.

Как известно, в трехэлектродпых приборах на основе транзисторных и тиристорных структур с диффузионно-дрейфовым механизмом переноса неравновесных носителей заряда (ННЗ) переключение инициируется пропусканием импульса тока в цепи эмиттер-база вдоль тонкого базового слоя. При этом в транзисторах, благодаря эффекту оттеснения, эмиттерный ток локализуется в узком канале (размером ~ Ьдаф ) вдоль границы эмиттер-база. В тиристорах ширина такого канала со временем увеличивается благодаря распространению включенного состояния, но скорость этого процесса ограничена. Тем самым, локаяьное протекание коммутируемого тока, а также продолжительное время распространения ННЗ делают практически невозможным быстрое - субнано-, тем более пико секундное переключение мощности в диапазоне сотен и даже десятков киловатт.

В результате исследований, выполненных в ОТИ им.А.Ф.Иоффе за последние несколько лет, стало возможным преодолеть эти фундаментальные физические ограничения. Созданы несколько новых классов мощных полупроводниковых приборов на основе кремния, таких,как обострители импульсов'диодного, транзисторного и ти-рпсторкого типов, работавщие в режиме двухэлекгродного включения. Их работы основаны на принципе коммутации с помощью за-деряанной ударно-ионизационной волны. Однако новые принципы, положенные в основу их работы, потребовали разработки и новой схемотехники, зачастую весьма сильно отличающейся от общепри-

-1ЯТ0Й.

Другое направление исследований связано с использованием

новых материалов, и прежде всего СаА5 и гетероструктур ка его основе. Цшсл работ, выполненных в лаборатории "Оптозлектронных-явленжй в полупроводниковых гетероструктурах", возглавляемой Корольковым Б.И., показал перспективу использования фотснно-ишсекционных механизмов связи между р-п-переходамп в высоковольтных многослойных структурах. Были получены первые лабораторные образцы, результаты исследования которых показали возможность комч, гации больших, мощностей трехэлектроднкми полупроводниковыми приборами в субнаносекундном диапазоне длительностей / 3 /.

Создание импульсных транзисторов и тг.ристороз на основе гетероструктур СаА?-А16аА5 стало возможным благодаря .разработке технологии получения высоковольтных р-п-переходов ка основе слаболегированного СаАв. Поэтому дальнейшее улучшение основных параметров и характеристик (повышение рабочих напряжений, улучшение быстродействия и воспроизводимости) коммутаторов связано с пониманием технологических процессов формирования высоковольтных р-п-структур, выбором оптимальной геометрик и поиском новых конструкций. Однако, до сих пор многие вопросы получения слаболегированных слоев ЯаА5 и формирования в процессе роста высоковольтных р-п-переходов до конца не выяснены. Не вполне изучено влияние технологических факторов на электрофизические свойства и геометрические размеры слаболегированных сдоев, что затрудняет создание высоковольтных коммутаторов с субнано- п пикосекунд-ным быстродействием. Совершенно не изучены статические и импульсные характеристики такого рода приборный структур, полученных в различных технологических условиях.

Поэтому постановка комплекса технологических и физических исследований, направленных на получение и изучение свойств слаболегированных слоев и создание на их основе мощных коммутаторов субнаносекундного диапазона,.является актуальной как в научном отношении, так и в плане решения практических задач.

Цата работы.

I. Определение оптимального температурно-времет'ого режг/а воспроизводимого получения п+-р^и°-транзпсторной структуры с высоковольтным р-п-переходом, сформированным за счет фонового легирования,и создание на их основе субнаносекундных мощных

коммутаторов.

2. Исследование влияния основных технологических факторов (температура начала кристаллизации Тн , толщины раствора-расплава Н, величины расхода водорода Р) на статические (напряжения включения Ивкл , тока управления 1упр ) и динамические параметры (время нарастания тока, время задержки включения относительно импульса управления, стабильность включения) переключающих структур.

3. Разработка способов повышения коммутируемой мощности арсенид-галлиевыми трехэлектродными переключателями в субнано-секундном диапазоне.

4. Изучение возможности использования высоковольтных суб-наносекундных коммутаторов для накачки пикосекундных оптических импульсов с повышенной мощностью.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Показана возможность эффективного управления параметрами и характеристика™ импульсных высоковольтных трехэлектрод-ных коммутаторов - фотонно-инжекционных транзисторов и тиристоров за счет использования собственного рекомбинационного излучения структур.

- Разработана технология формирования высоковольтных мощных субнаносекундных фотонно-инжекционных коммутаторов на основе арсекида галлия и его твердых растворов.

- Предложена конструкция трехэлектродного высоковольтного прибора для формирования импульсов д субнаносекундными фронтами. Его работа основана на эффекте сверхбыстрого переключения

в р-п-переходах, заключающемся в возбуждении ионизационной волны, инициируемой ударной ионизацией. Полученные результаты свидетельствуют о возможности субыаносекундной коммутации мощности более 50 кВт арсенид-галлиевыми, структурами..

- Изучена зависимость стабильности переключения относительно импульса управления высоковольтных фотонно-инжекционных коммутаторов в широком токовом и частотном режиме их эксплуатации, ее чувствительность к различным внешним воздействиям.

- Предложено оптсэлектронное устройство на основе высоковольтной п+-р°-п°(ваА5)-|\1-р-Р(АГСаА*)-гетероструктуры с вертикальной схемой интеграции излучающего и моделирующего элемен-

тов, которое при уровне накачки ~ 10^ А/см2 способно генерировать пикосекундные оптические импульсы модностью более 10 Вт.

Практическая ценность работы. Найдено оптимальное решение проблемы получения р-п-переходоз на основе слаболегированных слоев GaAs о высокими значениями электрофизических параметров и заданными толщинами базовых слоев для создания сверхбыстродействующих высоковольтных импульсных трёхэлектродных коммутаторов с фотонно-инжекционным механизмом переноса НКЗ. При этом, предельное значение импульсной мощности коммутируемой трех-електродными полупр оводниковыми приборами в субнаносекундном диапазоне длительностей повышено на два порядка, рабочая частота расширена до 250 кГц, а стабильность включения достигает (10 + 20) пс.

Определена зависимость стабильности вкличения полученных импульсных коммутаторов в широком токовом и частотном релсиме их эксплуатации, ее чувствительность к различным внешним воздействиям.

Изучена зависимость времени нарастания тока, напряжения переключения и стабильности момента переключения в широком температурном интервале. Установлено, что субнаносекундный режим включения сохраняется с увеличением температуры вплоть до (250 + 300)°С. Изменение напряжения переключения, времени нарастания тока и нестабильности момента переключения не превышает 30£ в интервале температур 20°С + 200°С.

Предложены способы повышения мощности коммутируемой ар-сенидгаллиевымта транзисторами и тиристорами в субнаносекундном диапазоне, основанные на разработке различных схемотехнических приемов их включения, а также использующие новый подход в конструировании высоковольтных субнакосекундных коммутаторов.

Показана перспективность применения разработанных высоковольтных импульсных полупроводниковых приборов-в пикосекундной оптоэлектронкке для накачки мощных лазерных и свотодиодных структур.

Основные положения, выносимые на затату.

I. Разработка технологии формирования арсенидгаллиевых структур с фотонно-инжекционным механизмом включения и созда-

• _ 8 -

гая на их основе мощных высоковольтных субнаносекундных коммутаторов.

2. При выращивании из ограниченного раствора-расплава -методом ЕОЭ изменение толщины раствора-расплава от I мм до 3 мм либо температуры начала кристаллизации от 850°С до 950°С приводит к уменьшению значения коэффициента передачи п+-р°-п°-структур, уваличению значения напряжения начала аномальна быстрого нарастания от 50 3 до 400 В с одновременным увеличением длительности нарастания тока, снижением стабиль-' ности момента переключения и ростом значений остаточного напряжения.

3. Время нарастания, время задержки и стабильность включения относительно импульса управления зависят от толщины базовой области, формируемой на основе р0-, п°-слоев. Снижение толщины п°-области, при прочих равных условиях, приводит к снижению длительности переключения и при толщине Ьпо & 30 мкм значения времени нарастания импульса тока не превышают |ф ¡¿. 150 пс (по. уровне ОД + 0,9).

4. Задержка включения относительно импульса управления определяется преимущественно временем диффузии НПЗ через высо-коомную п°-область, а стабильность переключения относительно иппульса управления высоковольтных арсенидгаллиевых структур тиристорного типа наиболее точно отражает влияние внутренних (электрофизических и геометрических параметров слаболегирован-шх слоев, формирующих высоковольтный р-п-переход) и внешних (температура р-п-перехода, интенсивности и спектрального 'диапазона оптического излучения, частоты переключения и др.) условий формирования фронта нарастания тока.-

5. В структурах с фотонно-инкекционным механизмом включения, содержащих два обратносмещенкых р-п-перехода, возможно увеличение мощности, коммутируемой в субнаносекундном диапазоне до 50 кВт. Субнаносекундное включэние такого рода структур сопровождается распространением задерганной ударно-ионизационной волны, условие формирования которой соответствует условиям» обеспечиваемым режимами включения обострителей импульсов.

6. Использование разработанных высоковольтных импульсных коммутаторов для накачки пикосекундшх оптических лазеров позволило генерировать оптические кмпульсы мощностью более 10 Вт.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на I Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989 г)): на У Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990 г.); на Международном симпозиуме (Sharlottville , 1991 г., U3A).

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 10-ти научных работах и одном изобретении, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введегагя, трех глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит страниц сквозной нумерации, в том числе страниц машинописного текста, рисунков на страницах,

таблиц. Список литературы включает наименований на страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, изложены науч1!ая новизна и практическая ценность работы. Приведено краткое изложение содержания-диссертационной работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Глава I. О возможности субнано- и пикосекундной коммутации полупроводниковыми приборами больших мощностей (Обзор литературы).

Первая глава носит обзорный характер, в которой на основе имеющихся литературных данных предпринята попытка дать краткий обзор известных полупроводниковых приборов, использующихся в качестве высоковольтных ключей высокого быстродействия. Рассмотрены физические принципы их работы. Для ограничения глубины поиска изучены публикации, в которых сообщается о структурах, способных коммутировать мощности более 100 Вт в нано-, субнано- или пикосекундном диапазонах

Особое внимание уделено вопросам, связанны:,! с развитием новых принципов генерации и переноса носителей заряда в полупроводниковых структурах, вопросам использования новых матери -алов и, прежде вссго, широкозонных материалов типа А^В^, в

частности, СаЛ5-Л1СаЛ5. Подробно рассмотрены вопросы получения с.!,й^олсг;:роЕанн1!Х эпитаксиальных слоев СаАв и способы формирования высоковольтных р-п-переходов на его основе.

Ооосноьан вь:бор матодики получения и создания субнаносе-кундных фотокно-дкжекциошггх коммутаторов.

В конце главы сформулированы цель и основные задачи, которые решались в данной работе.

Глава П. Исследование субнакосекукдных высоковольтных коммутаторов ка основе слаболегированного арсеипда галлия и его твердых растворов.

Втсоря глава посвящена изложению результатов исследования субканосекувдного включения высоковольтных коммутаторов ка основе слоев слабо,легированного арсенида галлия, в основу которых положен принцип фотонного переноса ННЗ. Рассмотрены технологические особенности получения слаболегированных слоев и приборных структур, кратко описаны использованные методики исследования и установи:. Наибольшее внимание уделено исследованию процессов включения в режиме больших токов и напряжений. Показано влияние технологических факторов (температуры начала кристаллизации и длительности отжига жидкой фазы,- величины ростового зазора, величины потока водорода) на статические и динамические характеристики переключающих структур. Предложен способ повышения мощности, коммутируемой арсенидгаллиевыми тиристорами в субнаносекундном диапазоне. Приведены результаты исследования полупроводниковых структур, содержащих два обратносмещен-шх р-п-перехода, в основу импульсного включения которых положен принцип распространения задержанной ударно-ионизационной волк:.

Б первом параграфе описаны методики получения и исследования слаболегированных слоев СаАв с использованием принудительного охлаждения раствора-расплава, аппаратурное оформление ЕЙЭ, характеристики используемых исходных материалов (галлия и арсенида гаглия).

Процесс выращивания проводился в потоке водорода, прошедшего от/.стку через лалладиевый фильтр с парциальным давлением паров воды не балее 2 р.р.м. (точки росы - 70 °С). Применялись кварцевые'лодсчхи сливного типа.

- II -

В качестве исходной инхты в работе использовался. rav¡:rM

99,99997$ чистоты, в качестве насыщающего материала моно- ::

т к

поликристаллическкй GaAs с п ~ 10 с;,; и подбг-уность:) ^ЗСОК _ ^qq + еоОО сг^/В-с, а в качестве материала подл осе:: монокристаллический арсенид галлия, полненный из стехномстри-ческих расплавов, легированный оловом до концентрации (I ■»• 2). 10^® см-3, марки AI40-I, а также монокристаллический арсеннд галлия, легированшй цинксм до концентрации (3 + 5)-I0i3 с:.Г°, марки АГЧЦ-17, с ориентацией (ICO).

Температура начала кристаллизации составляла (850 + 950)°С. Процессу кристаллизации предшествовала термообработка растзсра-расплава при 750°С в течение 15 часов. Скорость крнстачлипата: могла поддерживаться от 1,2 до 0,28 °С/мин. Программируемое охлаждение велось до температуры Т = 650°С.

Для понимания процессов формирования высоковольтных р—г:— структур, выбора оптимальной геометрии и поиска новых конструк-• ций изучались параметры основных и неосновных носителей заряда в эпитаксиальных слоях, характер распределения концентраций :: толщины составных слоев. -

Во втором параграфе приведены экспериментальные результаты по получению высоковольтных р-п-переходов на основе слаболегированных слоев GaAs за счет фонового лепфования расплава. Рассмотрено влияние основных технологических факторов на электроТ'и-зические и геометрические характеристики этих слоев.

Влияние температуры начала кристаллизации Тн Кр и длнтель-ности Íq^x высокотемпературной термообработки на параметры изготавливаемых структур изучалось в диапазоне температур от 850°С до 950°С при неизменных потоке водорода (Г - 70 см^/тан), скорости охлаждения ( Woxr =1,2 °С/мин) и ростового зазора (Н = 2 мм). Результаты изучения показа.:;:, что с ростом Т„ Кр увеличиваются размеры низкоомной части hp hpO-области и величины пробивных напряжений L/^poCj • Исследование влияния длительности высокотемпературной терм- ">бработки раствора-расплава при F = 70 см3/мин, Н = 2 мм. ?н>кр = ЭОС °С :: сказал и, что с ^сличением длит'~льности термообработки происходи! очистка галлия от примесей и окислов исходных материалов, что приводи? к енн.чон-.м на несколько порядков концентрации активных примесей з эпптак-сиалышх слоях.

- 12 -

Влияние расхода водорода было изучено при двух температурах Тн = 950°С и 90С°С, при ±оти< = 2,5 часа и Н = 2 мм. Результаты показали, что с ростом расхода водорода увеличивается толщина низкоомной части ^о-области.

Для эффективной работы транзисторов толщина низкоомной части ЬрО-области должна быть как можно меньшепоэтому важное значение* приобретает возможность управления этой толщиной. Было установлено, что особую роль в технологии получения п+-р°-п°-структур играет величина ростового зазора. Так, с увеличением ■ величины ростового зазора возрастают толщины низкоомной ( Ьр), высокоомной к-части Ь^о-области. При этом также растут пробивные напряжения структ^фы. Для, снижения Ьр следует уменьшать величину зазора мажду подложками, оставляя остальные условия прежними. Однако, следует учитывать тот факт, что несмотря на то, что существует прямая пропорциональность между Ь0<зщ и Н, соотношение толщин между областями слоя могут нарушатся. Это может происходить, если коэффициенты сегрегации остаточных примесей зависят от скорости кристаллизации. Скорость же кристаллизации при постоянной скорости охлаждения системы определяется величиной Н. Как показали результаты исследования, в области низких скоростей охлаждения пропорционально Н меняется только Ьпо, а температура формирования р-п-перехода остается постоянной. Толщина же Ьр растет быстрее в более тонких ростовых зазорах. С ростом |/"охл пропорциональность между Н и Ьр восстанавливается. Следовательно, предпочтительней для роста слоев является 1/"охл =1,2 °С/мин. При больших скоростях ухудшается морфология поверхности,, что особенно заметно при зазорах Н^2 мм,

С целью оптимизации технологии выращивания и конструкции тиристоров и транзисторов изучены зависимости коэффициентов передачи ) п+-р°-п°-транзисторных структур от толщины низкоомной части Ьр0-0бласти и от температуры. Для изготовления тиристоров и транзисторов могут быть использованы только п+-р°-п^-структуры с определенными толщинами Ьр-части ЬрО-области, которые обеспечивают высокие значения коэффициентов передачи.

Результаты исследования зависимости •< от Ьр показали, что величина «< резко падает уже при толщине Ьр ^ 30 мкм независимо от условий получения п+-р°-п^-структур. При этом, толщина высокоомной части Ь о-области вплоть до .120 мкм не

эказывает существенного влияния на значения -с . Исследование зависимости <*■ от температуры показали, что более резкую температурную зависимость имеют структуры без Ьр-областей.

В третьем параграфе приведены результаты получения и исследования импульсных субнаносекундных коммутаторов с фотонно-инжекционным механизмом связи между р-п-переходами.

При исследовании влияния технологических режимов выращивания на основные характеристики приборных структур выполнялся контроль параметров основных и неосновных носителей заряда в эпитаксиальных слоях, распределения состава твердых растворов, концентрации и толщины слоев. Описание методик исследования,, разработанных и примененных в процессе выполнения работы, приведено при рассмотрении соответствующих экспериментальных данных.

Высоковольтные импульсные субнаносекундные коммутаторы изготавливались в два этапа: на первом этапе выращивались р0-, и°-слои (5аАб, являющиеся базовыми областями структуры,

на втором этапе в графитовом контейнере выращивались излучающие части прибора. Таким образом, формировался высоковольтный импульсный фотонно-инжекционный коммутатор: п+-р°-п°((?аА*)- М(А1Х1Са1_Х1Ав)-р6аА»-Р(А13^Са1_^А«) ,

х1 > Хз = 0,3 + 0,2 .

При использовании стандартной техники нанесения защитных покрытий (^¿с^) и травления изготавливались мезаструхтуры с кольцевым управляющим электродом к М+-слою. Диаметр эмиттерно-го перехода менялся в диапазоне (250 + 1000) мкм.

Работа описываемых структур основана на принципе преобразования входного электрического сигнала 1| в световой с последующим преобразованием света в выходной электрический сигнал являющийся в суше с током накачки гетеросветодиода.

Свойства высоковольтных коммутаторов определяются преимущественно характером протекания рекомбинационных процессов в слаболегированных областях. Одним из параметров, определяющих эффективность диффузионной связи меаду р-п-переходами, является время жизни носителей заряда в р°- и п°-областях Р-р-структуры.

Результаты измерений времен жизни в фотонно-инжекционннх

структурах показывают, что времена жизни дырок в п°- и электронов в р-областях лежат в диапазоне сотен наносекунд и, по-видимому, определяются концентрацией и сечением захвата неконтролируемо вводимых рекомбинационных центров.

Результаты исследования влияния основных технологических факторов (температура начала кристаллизации, величина ростового зазора) на статических характеристиках приборных структур показали, что с увеличением Т„ и Н увеличивается Ц„„„

(1 • • ¿¿КЛ •

и I коммутатора.

Характеристика управления фотонно-инжекционного тиристора (ШТГ) в режиме больших анодных напряжений - зависимость 1/дер

/(I.™ ) имеет два характерных участка. На первом участке -У цу»

при малых напряжениях, переключение обеспечивается обычным регенеративным механизмом, когда отношение ширины базы к диффу-, эионной длине является тем параметром приборной структу-

ры, который определяет вид зависимости коэффициента передачи от тока и анодного напряжения. Диапазон токов управления при малых анодных напряжениях регулировался преимущественно путем подбора толщины базовых р°- и п°-ойластей. Чем тоньше р0-, п°-базовые области высоковольтных структур, тем больше коэффициенты передачи составных транзисторов и тем меньше в токах управления выполняется условие переключения.

Второй - "аномальный" участок характеристики управления, на наш взгляд, связан о лавинным характером нарастания тока благодаря эффекту ударной ионизации в области высоковольтного р-п-перехода. Значение напряжения, начиная с которого наблюдается изменение в механизме переключения высоковольтной структуры Ицдр , является характерным для зависимости МП0рф= /(1уцр Величина*напряжения Ц^п« существенно зависит от режимов вира

Нор» я А

щивания слаболегированных р - и п -областей и р-п-переходов на их основе. Причем, при фиксированных условиях формирования высоковольтных р- п-переходов И*ер тем меньше, чем меньше толщи на эазора и тоньше п°-область.

На основе проведенных исследований влияния технологически факторов на динамические параметры ФШТ определены следующие основные зако«омер"ости:

I. Субнаносекундный режим перешп',чения высоковольтных

структур в отличие от традиционного регенеративного механизма надежно наблюдается в широком интервале толщин слаболегированных р0-, п°-областей. В структурах с ^o/Wq^ I при 11<11пв^ с диффузионно-дрейфовым регенеративным нарастанием тока переключение могло и отсутствовать. Снижение толщины п°-областя, при прочих равных условиях, приводило, как правило, к снижению длительности переключения,и при толщине hno i 30 мкм значения времени нарастания импульса тока не превышали ¿ф ¡S 150 пс (по уровне 0,1 + 0,9). Дальнейшее детальное изучение влияния параметров слаболегированных p-, L-, п°-областей на длительность переключения тиристорной структуры ограничивалось временным разрешением измерительного тракта.

2. Изменение толщины раствора-расплава от I мм до 3 юл, либо теглпературы начала кристаллизации с 850 °С до 950 °С увеличивало значение напряжения начала аномально быстрого увеличения Ц*6р с 50 В до 400 В. Наблюдалось одновременное увеличение длительности нарастания тока, снижение стабильности момента переключения и рост значений остаточного напряжения 11ост .

3. Стабильность переключения относительно импульса управления высоковольтных арсенидгаллиевых структур тиристорного типа наиболее точно отражает влияние внутренних (электрофизических и геометрических параметров слаболегированных слоев, формирующих высоковольтный р-п-переход) и внешних (температуры р-п-перехода, интенсивности и спектрального диапазона оптического излучения, частоты переключения и др.) условий формирования фронта нарастания тока.

Установлено, что субнаносекундный режим включения сохраняется с увеличением температуры вплоть до (250 + 300)°С. Изменение напряжения переключения , времени нарастания тока и нестабильности момента переключения не превышает 30£ в интервале температур 20°С т- 200°С.

В четвертом параграфе приведены результаты исследования трехэлектродного высоковольтного прибора, содержащего два обрат-носмещеннкх р-п-перехода для формирования импульсов с субнано-секундными фронтами.

Приведены результаты исследования технологии получения и создания составных транзистор-транзисторных структур. Использование такой структуры позволило увеличить коммутируемую моц-

ность тириотора. Предложенный трехэлектродный высоковольтный коммутатор работает на эффекте сверхбыстрого переключения в р-п-переходах, заключающемся в возбуждении ионизационной волны, инициируемой ударной ионизацией. Полученные результаты свидетельствуют о возможности субнаносекундной коммутации мощностей более 50 кВт арсенид-галлиевыми структурами.

Глава Ш. Использование фотонно-инжекционных импульсных тиристоров для модуляции пикосекундных оптических импульсов.

В третьей главе рассмотрены вопросы использования фотонно-ивкекцнонных импульсных тиристоров в качестве источника модулирующих импульсов большой мощности.

В первом параграфе приведены результаты исследования накачки лазеров на основе двойных гетероструктур. В эксперименте использовались лазерные двойные гетероструктуры с раздельным ограничением (ДГС РО) на основе Сам-АЮаАб, а также лазерные структуры на основе 1пСаАР-1пР. Активная область имела размеры (400 + 500) X и волноводная - 0,5 мкм. Пороговая плотность тока била порядка кА/сиГ и выше. Ширина полоска 1л/= 100мкм,

дайна резонатора !•= 300 + 1200 мкм. Оптический сигнал регистрировался с помощью ЛФД-2А или р-ь-п-фотодиода, включаемых в разрыв полосковой линии. Измеряемый сигнал с нагрузочного сопротивления Кн - 50 Ом подавался на стробоскопический осциллограф С1-91/3.

Значение пиковой мощности первого оптического импульса для лазерной структуры СаАв-АЮаАв, используемой в эксперимент те, составляло 5 Вт. Близкие значения пиковой мощности ( >3,5 Вт) получены и при модуляции 1п(?аА5Р-1пР ДГС РО импульсами тока 1а ~ 40 А.

На основе полученных результатов найден сравнительно простой путь интеграции источника пикосекундных импульсов и генератора модулирующих импульсов. Предложено оптоэлектронное устройство на основе высоковольтной п+-р°-л°(СаАз)-И-р-РСА^Оа^^«)-гетероструктуры с вертикальной схемой интеграции излучающего и модулирующего элементов, предложенная структура при уровне на/сачки ~ 10^ А/см^ способна генерировать пикосекундные оптические импульсы мощностью более 10 Вт с одной грани лазерного

элемента.

Во втором параграфе приведены результаты исследования динамики излучения суперлюминесцентных светодиодов на основе ЗаДь-АК^Ав. В отличие от полупроводникового лазера, суперлю-®гаесцентные светодиоды (СЛД) лишены оптического резонатора и усиление света носит однопроходный характер.

Использование ФИИТ в качестве модуля токовой накачки дает возможность значительно улучшить динамические характеристики СЛЦ, повысить импульсную мощность излучения, доведя ее значение до единиц ватт. ■

Максимальная оптическая мощность 1,3 Вт была получена на 1 СЛД с длиной активной области 1500 мкм и при токе накачки 7 А. При фиксированной / более длинные СЯД дают значительный выигрыш по мощности, по сравнению с .более короткими. Это объясняется большей длиной, на которой происходит усиление света, и соответственно более эффективным преобразованием энергии электрического тока в энергию оптического импульса.

Полученные результаты показали, что режим суперлюминесценции с достаточно хорошими динамическими параметрами может быть достигнут на сравнительно простых в изготовлении ДГС структурах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ '

1. Определены режимы эпитаксиального выращивания, обеспечивающие воспроизводимое получение высоковольтных р-п-переходов на основе слаболегированного (ЗаАв дал создания субнано- и пико-секундных полупроводников коммутаторов.

2. Изучено влияние технологических факторов на электрофизические свойства эпитаксиальных слоев. Установлено, что с увеличением температуры начала кристаллизации и величины ростового зазора увеличиваются толщина низкоомной части р°-области и пробивные напряжения п+-р°-п°-структур, а величины коэффициента передачи уменьшаются.

3. Установлены зависимости времен нарастания, задержки и стабильности включения относительно импульса управления коммутатора от толщины базовой области, формируемой на основе р-,

¿-, п°-слоев. Снижение толщины п°т-области, при прочих равных условиях, приводит к снижению длительности переключения и при тол-

щине Ьдо ^ 30 мкм значения времени нарастания импульса тока не превышают 4.150 пс. Задержка включения относительно импульса управления определяется преимущественно временем диффузии ННЗ через высокоомную п°-область, а стабильность переклю чения относительно импульса управления высоковольтных арсенид-галлиевых структур тиристорного типа наиболее точно отражает влияние внутренних (электрофизических и геометрических параметров слаболегированных слоев, формирующих высоковольтный р-п< переход) и внешних (температуры р-п-перехода, интенсивности и спектрального диапазона оптического излучения, частоты переклю чения и др.) условий формирования фронта нарастания тока и со-стаэляет(10 + 20) пс.

4. Изучено влияние основных технологических факторов на статические и динамические характеристики созданных приборов. Установлено, что изменение толщины раствора-расплава от I мм до 3 мм, либо температуры начала кристаллизации от 850°С до 950°С приводит к увеличению напряжения включения, тока управления, увеличению значения напряжения начала аномально быстрого нарастания с 50 В до 400 В. Наблюдается одновременное увеличение длительности нарастания тока, снижение стабильности момента переключения, рост значения остаточного напряжения.

5. На основе полученных эпитаксиальных слоев слаболегированного БаА5 изготовлены и исследованы субнаносекундные фотон-но-инжекционные импульсные коммутаторы, обладающие следующими параметрами:

- допустимые напряжения в закрытом состоянии более I кВ

- импульсный ток в открытом состоянии до 50 А

- время нарастания (I50*300)п

- допустимая скорость нарастания тока до 10®А/мк

- нестабильность момента переключения (10*20) пс

- частота следования до 200*250

кГц.

6. Установлено, что субнаносекундный режим включения сохраняется с увеличением температуры вплоть до (250*300)°С. Изме нение напряжения переключения, времени нарастания тока и неста олльностн момента переключения не превышает 30$ в интервале температур 20°С + 200°С.

- 19 -

7. Предложена конструкция трехэлектродного высоковольтного прибора, содержащего два обратносмещенных р-п-перехода для формирования импульсов с субнаносекунднымя фронтами со следующими параметрами:

- допустимые напряжения в закрытом состоянии более 1,5 KB

- импульсный ток в открытом состоянии до 25 А

- время нарастания (300500) пс

- нестабильность момента переключения (50+100) пс

- частота следования 20 кГц.

8. Показана перспективность применения разработанных импульсных полупроводниковых приборов в пикосекундной оптоалек-тронике для накачки мощных 'лазерных и светодиодных структур. На основе полученных результатов найден сравнительно простой путь интеграции источника пикосекундных оптических импульсов л генератора модулирувдих импульсов.

9. Предложено оптоэлектронное устройство на основе высоковольтной n+-p°-nc(GaAs)- N-p-P(AIxGaj_xAs)-re?epocTpyKTypu с вертикальной схемой интеграции излучающего и модулирующего элементов. Проведенные оценки показывают, что предложенная структура при уровне накачки - I04 А/см^ способна генерировать? пикосекундные оптические импульсы мощностью более 10 йг с одной грани лазерного элемента.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Н.Рахимов, У.Х.Рахимов, Я.Рафиков, С.И.Пономарев, А.М.Султанов. Расчет температурной зависимости коэффициента передачи п+-р°-п°-транзистора. УДК 621.315.592.6.6.н., Деп.ст. в ВИНИТИ. 1989.

2. Н.Рахимов, У.Х.Рахимов, Я.Рафиков, А.М.Султанов, Г.И.Цви-лев. Исследование влияния высокотемпературной обработки на электрические свойства слаболегированных слоев и параметры эпитаксиальных структур на основе арсенида галлия. УДК 621. 315.592.2. ВИНИТИ. Деп.ст. в.6. 1989.

3. В.И.Корольков, Н.Ю.Орлов, А.В.Рожков, М.Н.Степанова, A.M. Султанов. Особенности создания мощных импульсных транзисторов на основе GaAs. I Всесоюзная конференция по физическим основам твердотельной электроники. Ленинград, т.2. С.86-87.

1989.

4. В.И.Корольков, Н.Ю.Орлов, А.В.Рожков, М.Н.Степанова, A.M. Султанов. Элементы интегральной ппкосекундной оптоэлектро-никл на основе тиристорных формирователей мощных импульсов Тез. докладов У Всесоюзной конференции по физическим вопро сам в полупроводниковых гетероструктурах. Т.Н. С.104-106,

1990, Калуга.

' 5. В.И.Корольков, Н.Ю.Орлов, А.В.Рожков, А.М.Султанов. Перспе: тивы использования фотонно-инжекционных импульсных тиристо ров для модуляции усиления полупроводниковых гетеролазеров ЭТ, сер.материалов, в.3/257. С.16-18. 1991.

6. В.И.Корольков, Н.Ю.Орлов, А.В.Рожков, А.М.Султанов. Динами: излучения суперлюминесцентных светодиодов, выполненных на основе GaAs-AIGaAe. Письма в ¡ГО. T.I7. В.15. С.38-40. 199

7. V.I.Korol'kov, N.Yu.Orlov, A.V.Rozhkov, A.H.Sultanov. Pers pectivee оf applying photon-ingection thyristors for Modul tion of semiconductor Lazer gain. Proceeding of the Intern tional Seniconductor Device Research Symposium, Sharlottes yille, USA, 1991.

8. В.И.Корольков; Н.Ю.Орлов, А.В.Рожков, М.Н.Степанова, A.M. Султанов. Оптоэлектронное устройство. Заявка на патент

Л 485I69I от 27.07.90 г., имеется решение о выдаче патентб

9. В.И.Корольков, А.С.Прохоренко, А.В.Рожков, А.М.Султанов. Исследование стабильности переключения высоковольтных суб-наносекундных фотонно-инжекционных коммутаторов. Письма в ЖТФ, Т. С. 1992.

10. Е.А.Аврутин, В.И.Корольков, Н.Ю.Орлов, А.В.Рожков, А.М.Сул танов. Динамические характеристики мощных импульсных GaAs-AIGaAs су эрлюминесцентных светодиодов. ФТП. Т.26. В.4. C.I36-I4I. 1992.

Цитированная литература

1. В.М.Тучкевич, И.В.Грехов. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами.

Ленинград, "Наука", 1988.

2. И.В.Грехов, В.М.Ефанов, А.Ф.Кардо-Сысоев, И.А.Смирнова. Полупроводниковые мощные субнаносекундные коммутаторы с большим временем удержания.

Письма в ЕТФ, Т.Н. № 15. С.901-905. 1985.

3. Алферов Н.И., 'Ефанов В.М., Задиранов Ю.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Корольков В.И., Пономарев С.И., Рожков A.B. Электрически управляемые трехэлектродные высоковольтные переключатели субнаносекундного диапазона на основе многослойной GaA»-AIGaAs гетероструктуры.

Письма в ЖТФ, Т.12, й 21. С. I28I-I285. 1986.

РГП ПИЯФ,эак.458,тир.100,уч.-изд.л.' I ;15/У1-1992г. Брсплатно