импульсный лавинный s-диод

Формула изобретения

1. Импульсный лавинный S-диод на основе арсенида галлия, легированного железом, отличающийся тем, что между слоями - и -типа дополнительно помещен слой -типа с высоким удельным сопротивлением.

2. Импульсный лавинный S-диод по п.1, отличающийся тем, что дополнительный слой -типа с высоким удельным сопротивлением получен легированием арсенида галлия n-типа примесью хрома.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к полупроводниковым импульсным лавинным диодам, и предназначено для использования в импульсных источниках питания полупроводниковых лазеров, мощных полупроводниковых светодиодов, диодов Ганна, систем сверхширокополосной локации.

В устройствах целеуказания и дальнометрии различного гражданского и военного назначения часто стоит задача использования «коротких» сигналов высокой мощности. При этом малая длительность оптических импульсов (не более 1 нс) обеспечивает высокую точность при заданном быстродействии, а увеличение мощности обеспечивает увеличение дальности распространения сигнала. Для современных систем сверхширокополосной локации и активной локации в инфракрасном диапазоне требуются портативные микроэлектронные устройства, обеспечивающие надежную генерацию мощных субнаносекундных импульсов.

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

Наиболее близким к заявленному техническому решению является диод полупроводниковый импульсный лавинный (ДПИЛ) на основе бинарного полупроводникового соединения, арсенида галлия, который легирован мелкой донорной примесью и глубокой акцепторной примесью железа. Такой прибор изготавливается на основе - -n-(n⁺- - -n-) структуры, на обратной ветви вольтамперной характеристики которой наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления [2, 3].

В ДПИЛ S-участок и связанное с ним быстрое переключение в проводящее состояние инициируется развитием лавинных процессов с последующей перезарядкой глубоких уровней в области объемного заряда - -перехода. Быстродействие в этом случае определяется не дрейфовыми процессами, а прохождением волны ударной ионизации в области базы со скоростью, превышающей скорость дрейфа неравновесных электронов. Таким образом, времена переключения лавинных S-диодов существенно меньше времен переключения лавинных транзисторов и могут достигать 0,05 нс. Недостатком такого прибора является относительно малая амплитуда импульсов коммутируемого напряжения, обусловленная малым напряжением переключения (100-250 В). Диод полупроводниковый импульсный лавинный (ДПИЛ), описанный в [3], принят за прототип заявленного технического решения.

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков лавинных импульсных S-диодов на основе арсенидгаллиевой структуры, полученной легированием примесями, повышение напряжения переключения, для чего следует устранить влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении - -перехода до переключения S-диода.

В предлагаемом S-диоде это достигается тем, что между слоем -типа, полученным легированием железом, и слоем -типа дополнительно помещен слой -типа с высоким удельным сопротивлением.

Изобретение иллюстрируется рисунками.

На фиг.1 показано схематическое изображение заявленного импульсного лавинного S-диода. На фиг.2 показаны профили распределения примесей в предлагаемой структуре, полученной диффузионным способом.

Область 1 (см. фиг.1) получена легированием железом, ее удельное сопротивление составляет 10⁴-10⁵ Ом·см. Для области 2 удельное сопротивление составляет 10⁴-10 ⁵ Ом·см. При подаче обратного смещения на - -переход основное падение напряжения происходит на высокоомной области 2 и области объемного заряда (ООЗ) - -перехода. Вследствие этого напряжение переключения повышается, а инжекция электронов с контакта (слева от области 1) до развития лавинного пробоя незначительна.

Таким образом, сущность изобретения заключается в следующем: в диоде создают дополнительную область 2 с высоким значением удельного сопротивления, например 10⁸-10⁹ Ом·см. Слой -типа с высоким удельным сопротивлением может быть создан известными методами, например, легированием арсенида галлия n-типа примесью хрома.

Снижение влияния инжекции из контакта (слева от области 1 на фиг.1) в базу при обратном смещении - -перехода происходит по двум причинам. С одной стороны, легирование железом приводит к ограничению распространения поля в базу по сравнению со структурой, легированной только хромом. С другой стороны, повышается барьер для инжекции неосновных носителей электронов на величину Е=E_Cr-E_Fe 0.25 эВ (E_Cr, E_Fe - энергетические уровни в запрещенной зоне GaAs для примесей хрома и железа, равные 0.75 и 0.5 эВ соответственно). В этом случае, пока сопротивление ООЗ - -перехода много больше сопротивления низкоомной части базы, протекающий ток обусловлен преимущественно генерационными процессами в области объемного заряда. При повышении напряжения смещения в структуре диода последовательно протекают:

- генерационный ток;

- ток, обусловленный эффектом Пула-Френкеля;

- ток лавинного микроплазменного пробоя.

При достижении критического значения напряженности поля, когда за счет микроплазменного пробоя дифференциальное сопротивление ООЗ обратносмещенного - -перехода резко уменьшается с увеличением напряжения смещения (dU/dI=exp(- U)/(I_o ), где U, I - напряжение смещения и сила тока, I_o , - константы), в области объемного заряда электроны, инжектированные с контакта, инициируют переключение структуры по механизму, аналогичному для структур, легированных железом.

Структуру по изобретению можно получать при помощи различных технологических методов (диффузионных и эпитаксиальных).

Пример получения лавинного S-диода диффузионным методом поясняется на фигуре 2, где представлен вид распределения легирующих примесей при диффузионном легировании GaAs. Здесь N^Sn - концентрация мелкого донора (олова); N^Cr - концентрация глубокого акцептора (хрома); N^Fe - концентрация глубокого акцептора (железа); область ^Fe соответствует области 1 (см. фиг.1); область ^Cr соответствует области 2 (см. фиг.1).

Сначала в GaAs n-типа проводится диффузия хрома, например, на глубину 50 мкм при температуре 970°С (приблизительное время диффузии - 120 минут). Далее проводится диффузия железа в данную структуру, например, на глубину 30 мкм при температуре около 1000°С (приблизительное время диффузии - 7 минут). Так как коэффициент диффузии хрома много меньше коэффициента диффузии железа при данных условиях, то за время диффузии железа профиль хрома практически не изменяется. Толщина области 1 для данного случая составляет около 30 мкм, толщина области 2 - 20 мкм, градиент концентрации примеси хрома в ООЗ равен 9·10¹⁸ см^-4. Напряжения переключения S-диодов с рассмотренной структурой составляют в среднем 300-400 В при токах переключения I_п<10^-6 А, что в 2-2,5 раза выше, чем у прототипа.

Управление напряжением переключения в заявленной структуре осуществляется изменением толщины упомянутого высокоомного слоя при постоянном градиенте концентрации примеси в области - -перехода. Эксперименты показывают, что при легировании примесью хрома напряжение переключения увеличивается пропорционально толщине ^Cr-слоя. Максимальные значения напряжения переключения таких структур, достигнутые в режиме автогенерации, достигают 640 В. При этом рабочие частоты составляют от 1 до 5 кГц, максимальные импульсные токи - до 40 А при скважности 10⁵.

Техническим результатом изобретения являются устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении - -перехода до переключения S-диода и повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием GaAs железом.

Источники информации

1. Пикосекундная импульсная техника. / Под ред. В.Н.Ильюшенко. - М.: Энергоатомиздат, 1993, с.263.

2. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник. / Под ред. Б.А.Наливайко. - Томск: МГП «РАСКО», 1992 - с.74-75.

3. Л.П.Иванов и др. Диод из арсенида галлия, легированного глубокими примесями для генерации токовых импульсов. Сб. Труды НИИПП, вып.3 ч.I, 1973,с.158.