Разработка технологии создания и исследование высоковольтных переключающих арсенид-галлиевых структур с полевым управлением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

на правах рукописи

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИХ АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ СТРУКТУР С ПОЛЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат » диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена п Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Корольков В.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Михайлова М.П. (

кандидат физико-математических наук Тибилов В.К.

Ведущая организация: . АО "Позитрон"

»о

Защита состоится " л/Л 1996 г. в часов на заседаний

специализированно^ Совета К 0003.23.01 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург,

ул. Политехническая, 26.

Отзывы на автореферат по диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного сосетд.

Автореферат разослан " " . <--' о 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук Г.С. Куликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Впервые вертикальные полевые транзисторы (ВПТ) были рассмотрены Шокли [1]. Дальнейшее развитие это предложение получило в работе Нишизавы [2], в которой ВПТ названы транзисторами со статической индукцией. ВПТ представляет собой п+-п°-п+-структуру, в объеме или на поверхности п°-области которой в виде полосок или сетки формируются р+-затворные области. Характерной особенностью таких структур является возможность управлешм высотой потенциального барьера между истоком и стоком от нуля (в нормально открытых ВПТ) почти до ширины запрещенной зоны материала и без приложения напряжения к затвору. Так, при неизменной концентрации в канале, варьируя расстояние между соседними р+-областями, можно управлять степенью перекрытия областей пространственного заряда (ОПЗ) точно так же,как и подачей смещения на затвор. Благодаря ненасыщаюшимся выходным вальтамперным характеристикам, высокому быстродействию и существенному улучшению м<.«цностных характеристик, ВПТ нашли широкое применение (плавным образом за рубежом) в силовой электронике и технике связи. В последнее время начинается использование ВПТ в микроэлектронике и опгоэлектронихе.

Основным материалом для изготовления ВПТ является кремний. Анализ показывает, что основные характеристик! и параметры ВПТ могут быть существенно улучшены при использовании ваАв и родственных соединений. Привлекательность этих материалов обусловлена более высокой по сравнению с кремнием подвижностью электронов и прямой структурой зон. Однако, на пути разработки арсенвд -галлиевых ВПТ возникают серьезные технологические трудности, связанные как с получением нелегированных п°-слоев, так и с формированием локальных р+-затворных областей. Из-за отсутствия собственного окисла, подобного ЗЮ2 в высокой скорости поверхностной рекомбинации технология, развитая для ВПТ на основе кремния, неприменима для создания арсенид галлиевых приборов и является существенно более сложной.

Отметим, что несмотря нг многочисленные попытки создания ВПТ на основе СаАз, оптимальная технологическая схема их получения еще до сих пор не отработана. Неясны многие вопросы физики работы ВПТ, особенно в варианте с "оторванным" затвором при воздействии света.

Поэтому задача по разработке технологии создания ВПТ на основе Оа/и, изучению их электрических и фотоэлектрических свойств яапяется актуальной.

Данная работа посвящена разработке технологии создания и экспериментальному исследованию различных вариантов структур ВПТ на осиопс ОаАя. В работе решался следующий комплекс задач:

- разработка методики получения нелегированных слоев СаА? (п° 2 5*10" см Ь заданной толщины на п+-подложках;

- разработка методики формирования р+-областей;

- изучение электрических и фотоэлектрических свойств структур ВПТ в двухэлектродном варианте;

- исследование ВПТ с внутренним оптическим управлением.

Методы исслецопания. Для решения этих задач использовались различные экспериментальные методики, включающие в себя:

1) определение концентрации носителей и их подвижности в пелсгаровашшх слоях СаА5,

2) исследование характера распределена примеси по толщине эпитаксиальных слоев,

3) метод химического декорирования для нахождения толщины эпитаксиальных слоев,

4) электроино-зоидовые исследования,

5) исследование фотоэлектрических и алектралюминесцентных свойств структур ВПТ,

6) изучение статических и динамических характеристик структур ВПТ.

. Научная новизна работы заключается в разработке основ технологии создания высоковольтных арсенид-галлиевых вертикальных полевых транзисторов, что позволило приступить к их исследованию. Показано, что нормально закрытые ВПТ (ОПЗ соседних р+-затворных областей перекрыты при нулевом смещении) обладают высокой фоточувсшггелыюстыо. Все это позволило создать высоковольтные быстродействующие переключатели на основе ВПТ с "оторванным" затвором, предложить и изготовить новый тип вертикального полевого трашистора с внутренней оптической связью.

Основные положения, выносимые па защиту:

1. Разработка основ технологии создания высоковольтных вертикальных полевых транзисторов на основе ОаАв, включающих в себя получение нелегированных слоев СаАэ с п° 2 5*1015 см-3, формирование р+-затворных областей и п°-п+ нстоковой области.

2. Нормально закрытые ВПТ, работающие в режиме с "оторванным" затвором, при импульсном освещении дают полную информацию об основных характеристиках транзистора и являются эффективными оптоэлектронными ключами.

3. Новый тип вертикального полевого транзистора с внутренней оптической связью, обладающий триодоподобными (ненасыщающимися) выходными ВАХ.

Практическая значимость. На основе разработанной технологии получения арссшщ-гашшевых ВПТ со скрытым затвором, работающих в режиме обогащения.

созданы и изучены высоковольтные оптоэлектронные ключи с большим отношением значений блокируемого и остаточного напряжений (К= У[/Уоп ~ 102), обладающие усилением в ~ 20 п быстродействием ~ Ю-10 сек.

Использование фотонной связи внутри структуры ВПТ позволило не только упростить технологию создания управляющего элекгрода, но и создать новый тип ВПТ с ьнутренней оптической связью, обладающей) входными характеристиками биполярного транзистора, а выходными- вертикального полевого.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Республиканской конференции "Актуальные проблемы полупроводниковых структурных элсметов", 1992 г., Фергана.

Результаты диссертационной работы докладывались также на семинарах лаборатории "Оптоэлектронных явлений в гетероструктурах", ФТИ им. А.Ф. Иоффе, РАК.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ. Перечень работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем лиссертаили. Диссертационная работа состоит га введения, четырех глав и заключения, содержит 80 страниц, включая 41 рисунок. Спнск цитируемой литературы состоит из 49 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ■ введении обоснована актуальность проведенных в диссертации исследоваий, сформулирована цель работы и дана ее общая характеристика. Указаны выбранные методы исследования и приведены научные положения, выносимые на защиту.

Первые две главы диссертации носят обзорный характер.

В первой главе "Вертикальные полевые транзисторы" дано краткое описание физики работы ВПТ, проведен анализ сравнительных характеристик ВПТ на основе GaAs и Si, а также приведены имеющиеся в литературе данные по технологии изготовления и свойствам арсениц-галлиевых ВПТ. ■

Рассмотрение проведено на примере нормально закрытого ВПТ со скрытым затвором.

Из построения зонных энергетических диаграмм транзистора в направлении исток-сток вдоль канала и перпендикулярно каналу вдоль затворных областей видно, что барьер для протекающего тока имеет седлообразную форму. Та;, je распределение потенциала в активной области затрудняет получение простых аналитических выражений для основных характеристик ВПТ. Этим и объясняется большое количество работ по численному моделированию электронных процессов в

ВПТ. Ток исток-сток управляется высотой потенциального барьера в области затвора, которая минимальна в центральной части канала и зависит как от напряжения на затворе изи , так и на стоке иСц . Напряжение иСи линейно распределяется по области исток-сток и изменение Дфь(Диси) ~ Лиси • Исходя из этих предположений, упрощенная модель выходных ВАХ была предложена в работе [2], где использована электрическая аналогия с вакуумным триодом. Согласно этой работе,начальный участок характеристик

1с» = №„)

и,„ - уаг

имеет экспоненциальную зависимость, которая при больших токах с учетом сопротивления стока и истока переходит в близкую к линейной.

В отличие от пленарной геометрии полевого транзистора в ВПТ затвор является предельно коротким, и величина активного сопротивления гм между наиболее узкой частью канала и истоком мала, и эффект обратной связи ■ отсутствует. Поэтому в выходных ВАХ отсутствует насыщение, в отличие от пленарных ПТ, где г,„ растет за счет расширения ОПЗ под затвором в сторону истока, так что увеличение гзи в точности компенсирует приращение напряжения на стоке, обеспечивая насыщение тока стока.

Малые значения г„, и См в ВПТ по сравнению с горизонтальной геометрией ПТ делают рассматриваемые структуры более высокочастотными по сравнению с биполярными и традиционными полевыми транзисторами.

Далее привесен краткий сравнительный анализ ВПТ на основе и ваА5. Используя выражение для, напряжения пробоя резкого р-п -перехода, легко показать, что для заданного Напряжения пробоя уровень легирования дрейфовой области N ~ Е 8 т.е. увеличивается как квадрат ширины запрещенной зоны.

Поскольку для снижения сопротивления в проводящем состоянии оптимальной считается структура, в которой длина дрейфовой области прибора Ь равна подзатворной области постранственного заряда для заданного напряжения пробоя 11В)легко показать, что

Ь = т.е.

для данных N. и и, длина дрейфовой области Ь обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны. Сопротивление ВПТ во включенном состоянии

Иоп = р 178 - V/ /^А'в1 ~ А«1^3 обратно пропорциональна подвижности основных носителей и третьей степени Е8. Откуда следует, что применение шнрокозонных материалов с высокой подвижностью электронов существенно улучшает мощностные характеристики ВПТ. Кроме того, используя стандартные выражения для крутизны и граничной частоты усиления , '),легко получить, что граничная частота

^ - Ц п Ец .

Таким образом, из проведенного качественного рассмотрения ВП'Г ясно шиши несомненные преимущества ВПТ на основе. СаАв по сравнению с кремниевыми ВПТ.

В конце этой главы рассмотрены имеющиеся в литературе различные варианты конструкции ВПТ на основе СаАв. Приводятся их основные характеристики. В большинстве описанных ВПТ в качестве затворных областей используются барьеры Шоттки. Небольшое число работ свидетельствует не 'только о сложносги создания ВПТ на основе СаАв, но и говорит г том, что работы в этом направлении только Начинаются.

Вторая глава - "Получение нелегированных слоев ОаАя методом жидкофазной эпитаксии'-посвящена анализу имеющихся в литературе данных по выращиванию сравнительно толстых (более 20 мкм) нелегированных слоев ОаАв. Показано, что выращивание таких слоев является одной из сложнейших технологических задач. Эти сложности обусловлены тем, что, фактически, легирование таких слоев происходит фоновыми примесями, источником которых могуг быть все компоненты выращивания и окружающее пространство системы выращивания.

Анализ литературных данных по получению нелегированних эпитаксиальных слоев СаАя показал, что эта сложнейшая физико-химическая задача до конца не решена. Слишком много факторов влияют на качество эпитаксиальных слоев СаАз. Помимо влияния материала контейнера, чистоты исходных материалов и чистоты водородт существенное влияние оказывают:

1) температура термообработки жидкой фазы;

2) длительность термообработки;

3) скорость потока водорода;

4) температура начала и конца кристаллизации;

5) скорость охлаждения;

6) толщина раствора-расплава;

7) кристаллографическая ориентация подложки.

Причем факторы 1,2,3,7 влияют на концентрацию мелких примесей, а 4,5,6,7 -па концентрацию глубоких примесных центров.

Поскольку все эти факторы поддаются контролю и управлению, открывается возможность выбора оптимальных режимов для получения необходимых эпитаксиа" ных слоев для использования в конкретных приборных структурах.

Несмотря ча то, что в настоящее время наилучшие результаты но получению нелегированных слоев СаАв методом ЖФЭ достншуты в кварцевых контейнерах, нами использовалась графитовая кассета, Ьтвопяюшая иаи(чч-ч-просто получать многослойные структуры.

-Быстродействующие оптоэлемронные ключи на основе вертикального полевого транзистора" — описана технология создания высоковольтных структур вертикального полевого транзистора и приводятся резульгагы исследования фотоэлектрических и электрических свойств В1ТГ в дпухэдектродном исполнении.

Анализ литературных данных показывает что для создания ВПТ на основе ОаА$ предпочтительней является конструкция транзистора со скрытым затвором, т.е. структура типа п+-п°-гГ ,в п°-областн которой .формируются р+ - 1атворы. Кроме того, при сравнительно простом аппаратурном оформлении только метод ЖФЭ позволяет "получать нелегированные "толстые" слои для размещения области пространственного заряда при рабочих напряжений 1!> 400-500 В, что и явилось решающим в выборе метода ЖФЭ.

В первой части главы дается подробное описание установки ЖФЭ, обоснование выбора режимов выращивания и материалов контейнера.

При разработке СаАв ВПТ определяющее значение имеют получение п+-п° структур и формирование в них затворных р+-областей. В соответствии с этими требованиями на первом этапе на п+-подложках СлАя выращивались нелешрованныс п°-слои толщиной от 10 до 50 мкм. Выращивание п°-слоя проводилось как в тщательно отожженной при высокой температуре графитовой кассете, так и в кварцевой лодочке сливного типа. Процессу кристаллизации предшествовала термообработка раствора-расплава при 750°С в течение 15 часов, скорость кристаллизации могла поддерживаться от 1.2 до 0.28 °С/мин,

охлаждение велось до температуры Т=700°С при скорости потока водорода Р=70 см'3/мин .

Па концентрацию фоновых примесей, характер их распределения по толщине, подвижность в значительной мере влияют условия выращивания. Для выбора оптимального режима выращивания (с точки зрения получения необходимой концентрации) было изучено влияние скорости потока водорода, температуры расплава, материала контейнера на концентрацию. Концентрационный профиль этих слоев исследовался вольт-емкостным методом путем послойного химического травления.

При комнатной температуре холловская подвижность свободных носителей полученных слоев постигала цп=(6-7)<103 см2® «сек при концентрации электронов п°=10,4+1015 см-3. Далее в изготовленных таким образом п+-п° структурах необходимо сформировать р+-затворные области. Для этого, используя локальное химическое травление и защитные покрытия-фоторезист или 51С>2 , в п°-области вытравливались канавки шириной 5 мкм с шагом от 2 мкм до 10 мкм н глубиной 3-5 мкм. Применя. ись канавки У-образной и трапецеидальной форм. Для уменьшения ширины канала вытравливались канавки трапецеидального ссчения, используя анизотропный травитель на основе нгрекиси водорода и вишюП кислоты. При травлении этим травителем профиль канавок травления на плоскости <100> получается различным в двух взанмо перпендикулярных

направлениях. При формировании У-образного профиля каназок маски необходимо ориентировать вдоль направления <110>, а для обратного профиля (типа "ласточкин хвост")- вдоль <110>. Для определения этого направления использовачись фигуры травления прямоугольной формы, вытянутые в направлении <110>, которые выявлялись в травнтеле Р20з+2НР, а расстояние между соседними р*- областями варьировалось заданием горизонтальных размеров полосок (с!,) и глубиной ямы. Типичные значения ширины Качалов составляла 3+5 мкм. Дач ее формировались. р+ затворные области.

Перед началом эпитаксии остатки Б ¡02 удалялись с поверхности структуры. В качестве легирующий примеси р+-СаАя использовался ве.

Процесс селективного выращивания методом ЖФЭ достаточно сложен, так как требует точ1Й>го выбора температуры, чистоты поверхности мезаструктуры, насыщенности раствора-расплава в момент эпитаксиального выращивания в ограниченном объеме раствора-расплава. Если не учитывать все это, то воэможено растравливание мезаструктур, соединение р+-затворных областей, несмачивание или частичное смачивание поверхности мезасгруктур, что приводит к дефектам слоя.

Эпитаксиальное заращивание проводилось в графитовой лодочке. Температура начала кристаллизации р+-областей составляла 730-750°С при неизменных потоках водорода Р=30 см 3/мин , скорость охлаждения уохл=1 .2 °С/мин и далее выращивались п°- слой толщиной 10-15 мкм и контактный слой п^-СаАя толщиной 1-2 мкм.

Омические контакты к слоям создавались термическим напылением сплавов (Аи-ве к п-слоям, Аи-2п к р+-слоям) в вакууме. Используя технику фотолитографии и химического травления были изготовлены ВПТ со сплошным омическим контактом со стороны »"'"-подложки диаметром 300 мкм и верхним контгктом диаметром 50 мкм, со стороны которого вводился свет. Поскольку вывод затворных областей требовач еще ряда технологических операций, дня оценки возможностей данного метода изготовления ВПТ были изучены электрические, фотоэлектрические и импульсные характеристики таких структур в двухэлектродном варианте с контактами между стоком и истоком, а в качестве напряжения на затворе использовалось внешнее освешение. Для этих целей были созданы структуры нормально закрытого ВПТ, т.е. ВПТ, в котором уже при нулевом смещении на затворе канал перекрыт. Были изучены структуры шириной затворных р*- областей 5 мкм и шагом ог 10 до 20 мкм с суммарной толщиной п°- области от 25 до 40 мкм. С уменьшением толщины п°- области напряжение пробоя падало.

Темповые ВАХ 1Сц=Г(иси) рассматриваемых ВПТ были асимметричны, что связано с разными толщинами п°-о6ластей. Характер зависимостей 1П,-К1\М) указывает на то, что уже при нулевом напряжении на затворе траншеюры находились в закрытом состоянии. Напряжение пробоя достигало Ппрор-ЛОО И Обычно темповой ток при напряжении - 0.5 Ц|роб "ренмтач 10 мкА

Исследование спектральной характеристики фоточувствительности таких структур при различных полярностях и значениях приложенного между стоком и истоком напряжений показало наличие острого пика >.=0.87 мкм, обусловленного поглощением света в области пространственного заряда и затяжки в коротковолновую область, простирающуюся до 0.3-0.4 мкм. С ростом напряжения иси чувствительность в коротковолновой области возрастала, что свидетельствует о приближении ОПЗ к освещаемой поверхности.

Изучение световых характеристик при различных уровнях освещенности показало, что из-за сильного перекрытия каналов коэффициент усиления фототока в был меньше 1 (С« 0.04+0.1) вплоть до мощностей падающего света Р - 10 мВт. По мере увеличения мощности падающего света Р коэффициент усиления возрастал и достигал значений 20-30 (Р> 100-200 мВт), что обусловлено эффективной модуляцией канала.

Выходные ВАХ рассматриваемых ВПТ в области высоких уровней освещенности приведены на рис. 1.

Как видно из рисунка, при Р=200 мВт сопротивление ВПТ не превышало 30 Ом«см2 при плотности тока ¡«2*103 А/см2. Сравнительно низкое

сопротивление

I, А

U, В

и высокое значение отношения V{/Von (Vb-блокируемое

напряжение, Von- напряжение в открытом состоянии) позволяют использовать данную структуру в качестве эффективного опто-электронного ключа, которые в настоящее время находят все более широкое применение в различных областях техники, когда для повышения рабочих напряжений применяется послсдоиательное включение мошных траншей оров. От идеального ключа помимо высоких значений V(/Von требуется и высокое значение Ion/I(, (Ib-ток утечки при U=U^, Ion- ток во включенном состоянии), стабильность формирования импульсов длительностью < 50 не.

Одной ич важнейших характеристик ключа является быстродействие. Импульсные характеристики ВГ1Т были исследованы с применением стандартной методики модуляции фотопроводимости образца при воздействии прямоугольных или тречтоп.ных импульсок сне',1 При шмерениях на коротких импульсах в качестве источника итлгк-пки р чь ..попался гетеролазер с модулируемой iiofipiimxTMO в системе (ia/V AKi. -

Рис.1

Установлено, что с ростом падающей мощности и приложенного напряжения между стоком и истоком фронт нарастания импульса фототока уменьшается. Так,при ис|,= 150 В и Р=100 мВт фронт нарастания импульса фототока составлял 500-600 пс, а время спада 3-4 не.

Еще более короткие импульсы фототока были получены при освещении ВГГГ пикосекундным (длительность импульса ' на полувысоте 12 пс) полупроводниковым лазером с Х=0.87 мг.м. В этом случае фронт нарастания (1п) импульса фототока составлял 200 пс, а время спада (1сп) -400 пс.

Таким образом, показано, что двухэлсктроднын зариант ВПТ дает полную информацию не только о качестве технологии создания и основных характеристиках ВПТ (блокируемые напряжения, сопротивление в проводящем состоянии), но и является эффективным оптоэлектронным ключом.

По основным параметрам и характеристикам - низкое сопротивление во включенном состоянии, высокое быстродействие и стабильность переключения -он существенно превосходит традиционные ключи на основе палуизол ируЮщих материалов.

-"Вертикальные полевые транзисторы с внутренним оптическим управлением"-приведены результаты исследования нового тина ВПТ. Как показано в предыдущей главе ( ВПТ в двухэлсктродном исполнении, работающие в режиме обогащения (нормально закрытые), обладают высокой фоточувствительностью, и можно ожидать, что, ко1да в самой структуре входной электрический сигнал преобразуется в световой, тахже будет наблюдаться эффективное управление проводимостью каналов.

В новом типе ВПТ, рассматриваемом в данной. работе, в отличие от традиционных ВПТ, добавляется р+-область, которая вместе с п-облэстью истока образует цепь управления. По сути дела, цепь управления является светодиодом, который служит для преобразования входного тока управления в свет. При протекании тока упраатения в пропускном направлении часть возникающего

рекомбинационного излучения поглощается. в барьерной области каналов, создавая электронно-дырочные пары. В результате разделения электронно-дырочных пар происходит модуляция каналов, и ток между истоком и стеком возрастает. Схематическое изображение ВПТ с внутренним оптическим управлением дачо на рис. 2. Такой ВПТ с внутренним оптическим управлением фактически отличается от рассмотренного электронного ключа добавлением верхней р-области. Поэтому технологическая схема создания транзистора подобна описанной в главе III.

п<* ОшА! р*- П»А» -

П*- 0«А< Подлопа

Рис.2

Отмстим, что концентрация носителей п^-области, которая выращивается после формирования р+- затворных областей, увеличив?-тся к поверхности для снижения контактного сопротивления в цепи управления. Дополнительный р+-слой ваАз легировался германием до конце1Гграций р - (5-6)1017см"3. Используя стандартную технику фотолитографии, был изготовлен ВПТ общей площадью 5=0.64« 10-2 см2, с "мертвой" площадью 8р=0.57«10'2 см2 и площадью светодиода управления 8^^=0.07« 102 см2. Как было описано в главе III, структура подобного типа в зависимости от толщины п°-областн может выдерживать напряжение между стоком и истоком 500-600 В.

Исходя из принципа работы рассматриваемого ВПТ можно ожидать, что он обладает входными характеристиками биполярного транзистора, а выходными-вертикального полевого, т.е. ненасыщающимися. Понятно, что усилительные свойства такого транзистора определяются эффективностью светодиода, длиной волны излучения и геометрией структуры, от которой а значительной мере зависит фоточувствительносгь. Эффективность такого способа управления зависит от эффективности преобразования электрического сигнала в световой и наоборот на каждом этапе.

Проведенное в работе исследование спектральных характеристик фоточуаствительнскли таких структур, работающих в режиме фототранзистора, а также спектров рекомбинационного излучения цепи управления показало, что большая часть рекомбинационного излучения поглощается в канальных областях транзистора.

600 -. г -, I I т Типичная выходная характе-

ристика, т.е. ток истока как функция напряжения сток-исток при различных значениях не напряжения на затворе, а тока управления показана на рис. 3. В отличие от традиционного ВПТ входным является не напряжение на затворе, а ток. При этом, входная вольтамперная характеристика - это обычная ВАХ арсешщ-галлиевого светодиода е пропускном направлении с напряжением 15 отсечки иэтс*= (1.3-1.4) В. Как видно из рисунка, выходные характеристики имеют триодоподобную зависимость, которая характерна для

полевых транзисторов. Сопротивление транзистора во включенном состоянии ( аналогично работе биполярного транзистора в режиме насыщения ) Я0п®( 10-50) мОм«см2. При изменении полярности напряжения между истоком и стоком общий вид выходных характеристик сохраняется, но ухудшается эффективность управления.

Рис. 3

корогкоканальных вертикальных

На рис. 4 а), 6) приведены зависимости 1си~Шупр) ПРИ различных

усиления от тока в схеме с общим истоком, ~гк как ток стока пропорционален коэффициент)' усиления В.

Несмотря на многоступенчатый характер преобразования входного сигнала, описываемые вертикальные полевые транзисторы обладают сравнительно большим интегральным коэффициентом усиления, который превышал !03. Столь большие В наблюдались при токах управления порядка Ю-3-10'4 А. С ростом тока управления коэффициент усиления падал, что, по-видимому, связало с характером зависимости напряжения на затворе от интенсивности падающего света. На рис. 4 видна сильная зависимость коэффициента усиления от напряжения иС11. Очевидно, что при малых иси не все созданные светом электронно-дырочные пары попадают в барьерные области канала. Сопротивление !?оп оказывается выше расчетного геометрического, что, вероятно, связано с неполной модуляцией

периферийных каналов, улучшить которую можно подбором отношения й/Б^р.

04 06

а)

Рис.4

В)

Такая структура ВПТ оказалась весьма удобной для изучения влияния степени перекрытия ОГО соседних р+- затворных областей на коэффициент усиления фототока. Показано, что по мере снижения высоты барьера в центральной части канала коэффициент усиления падат.

Еще одной интересной особенностью рассматриваемых структур являегся наличие Э-обрашой вольтамперной характеристики при работе в двухалектродном режиме с "оторванным" истоком. Причем, напряжение переключения сильно зависело от шгтенсивностн падающего света, уменьшаясь с ростом падающей мощности. Этот эффект, по-видимому, связан с особенностями зонной энергетической диаграммы структуры вдоль направления протекания тока.

Из-за перекрытия каналов областями пространственного заряда соседних р+-затьоров реализуется структура типа п+-!-»+-р+, т.е. структура со встроенным треугольным барьером, которая обладает высокой фа. ^чувствительностью и при определенных условиях З-образной ВЛХ.

Тахим образом, несмотря на неоптимальную структуру транзисторов, полученные результаты являются обнадеживающими. Это связано с существенным упрощением технологии создания управляющего электрода затвора в случае нормально закрытого ВИТ, играющих основную роль в технике коммутации. Кроме того, уже первые результаты показывают возможность получения сравнительно низких сопротивлений высоковольтных транзисторов во включенном состоянии.

Заключение

Основными целями данной работы было:

1) изучение возможности создания высоковольтных ВПТ на основе йаАз, представляющих собой п+-п°-п+-структуру , в г.°-области которой сформированы локальные р^-затворные области,

2) выбор тестовой структуры, позволяющей получать наиболее полную информацию о качестве выбранной технологии,созданий и характере физических процессов, протекающих в ВПТ,

3) исследование основных параметров и характеристик полученных структур. Поэтому работа носила комплексный характер и включала в себя как поиск оптимальных путей создания структуры ВПТ|так и исследование электрических, фотоэлектрических и электролюминесцентных свойстр ВПТ и его сос-. ;вных частей. В качестве основного метода выращивания был выбран метод ЖФЭ.

Основные результаты данной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1) иаццсны оптимальные условия выращивания нелегированного ОаАБ с концентрацией г.° £ (0.5+5)* 1015 см*3, подвижностью цп= (6-7)103см2/Вс и толщиной до 50 мкм,

2) с использованием селективного химического травления и селективного эпитаксиального выращивания разработана методика формирования затворных р+-областей шириной 5-8 мкм, глубиной 3-5 мкм и шагом от ~ 10 до 40 мхм,

3) в качестве тестовой структуры выбран двухэлектродный вариант ВПТ и изучены его электрические и фотоэлектрические свойства,

4) на основе арсенид-галлиевых вертикальных полевых транзисторов созданы высоковольтные оптоэлектронные переключатели с большим отношением значений блокируемого и остаточного напряжений ( к=У(/Уоп - 102),

обладающие усилением G ~ 20-30 и быстродействием - 10"10 сек,

5) создан новый тип вертикального полевого транзистора с внутренней оптической связью, обладающий триодоподобными (ненасыщающимися) выходными ВАХ. Коэффициент усиления по току достигал значений В - 103 В области малых токов управления, сопротивление во включенном состоянии Ron ~ (50-100) мОм*см2.

Основные положешя диссертации опубликованы в работах:

1. Рахимов Н., Рахимов У.Х., Холмирзаев А.К., УбаДдртлаев М.А., Исследование эпитаксиалышх слоев GaAs, Матер, перв. нац. конф. "Актуальные проблемы полупроводниковых структурных элементов", Фергана, 1992, с. 49-30.

2. Рахимов Н., Рахимов У.Х., Холмирзаев А.К., Убайдуллаев М.А., Исследование глубоких уровней фосфида гашшя и их влияние на рабочее напряжение высоковольтной структуры. Матер, перв. нац. конф. "Актуальные проблемы полупроводниковых структурных элементов", Фергана, 1992, с. 50-51.

3. Жебулев И.А., Корольков В.И., Никитин В.Г., Табаров Т.С., Убайдуллаев М.А., Высоковольтный вертикальный полевой транзистор на основе слаболегированного GaAs, Письма в ЖТФ, 1993, т.19, в.15, с 39-41.

4.Жебулеп И.А., Корольков В.И., Табаров Т.С., Убайдуллаев М.А., Вертикальный полевой транзистор с внутренним оптическим управлением , Письма в ЖТФ, 1995, т.21, в. 4, с. 28-31.

5. V.l. Korolkov, T.S. Tabarov, I.A. Zhebulev, M.A. Ubaiduilaev, Study GaAs vertical- field - effect transistor with internal optical control, Baltic Electron Conference, Tallinn, 1996.

Литература

1. Shockley W. A Unipolar Field-Effect Transistor, Proc. IRE, 40, 1365 (1952).

2. Nishizawa I., Terasaki T. Shibata I., Field-effect transistor versus analog transistor

(static induction transistor), IEEE Trans. Electron. Dev. 1975, v. ED-22, N 4,

p. 185-197.

Отпечатано в типографии ПИЯФ

Зак. 248, тир. 100, уч.-изд. л. 0,8; 23/IV-1996 г. Бесплатно