DIFFUSION OF IMPURITIES IN GaAs, DIFFUSION STRUCTURES AND DEVICES .pdf Исследования по диффузии примесей и диффузионным p - n-переходам в арсениде галлия были начаты в лаборатории физики полупроводников СФТИ в 1959 г., а с 1965 г. по настоящее время работа проводится совместно коллективами СФТИ и НИИПП. Исследования были инициированы В.А. Пресновым.На начальном этапе работы исследована диффузия примесей, создающих в GaAs центры с мелкими энергетическими уровнями. Со второй половины 60-х гг. основное внимание было уделено изучению закономерностей диффузии примесей с глубокими энергетическими уровнями. В результате были созданы принципиально новые приборные структуры (р - н - n-структуры) и ряд новых приборов на их основе: высокоскоростные переключающие лавинные S-ди-оды и триоды, не имеющие прямых аналогов и по совокупности основных параметров превосходящие все известные полупроводниковые переключающие приборы; высокочувствительные фотоприемники широкого спектрального диапазона; координатные радиационностойкие детекторы высокоэнергетических заряженных частиц, рентгеновского и гамма-излучения.1. ДИФФУЗИЯ ПРИМЕСЕЙ В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯПервая работа в мировой практике по диффузии примесей в арсениде галлия (диффузия цинка) была опубликована в журнале Nature в 1958 г. [1]. К настоящему времени число опубликованных работ составляет несколько сотен, большая часть которых систематизирована в монографиях [2 - 6]. Наши результаты по диффузии примесей и диффузионным p - n-переходам в GaAs публикуются с 1961 г. [7].На начальном этапе нами исследовались примеси, создающие в арсениде галлия центры с мелкими энергетическими уровнями: акцепторные примеси - Zn и Cd, донорные - элементы IV и VI групп периодической системы элементов (Ge, Si, Sn, S, Se, Te). По диффузии донорных примесей в GaAs нами проведены систематические исследования.Позднее были начаты и детально проведены исследования по диффузии примесей с глубокими энергетическими уровнями - элементов переходной группы железа периодической системы элементов. Детально была изучена диффузия в GaAs примесей Fe, Cr, Cu и Mn. Интерес к изучению диффузии в GaAs примесей с глубокими уровнями в первую очередь был обусловлен потребностью получения данных, необходимых для создания р - н - n-структур и приборов на их основе.Диффузия примесей в GaAs изучена в зависимости от температуры, давления паров мышьяка, концентрации примеси, состояния электронно-дырочного равновесия в кристалле. Исследования проводились с целью установления физических закономерностей процесса диффузии и получения данных, необходимых для разработки технологии создания p - n- и р - н-переходов, n+- и p+-слоев и, в конечном итоге различных типов приборов на основе GaAs-диффу-зионных структур. Установлено, что температурная зависимость коэффициента диффузии примеси (D), как правило, описывается уравнением Аррениуса: D = D0 exp(-E/kT), где D0 - предэкспоненциальный множитель, E - энергия активации процесса диффузии, а зависимость D от давления паров мышьяка-степенной зависимостью с показателем m. Определены параметры D0 , E и m в широком интервале условий диффузии. Для примесей переходных металлов изучена зависимость D от электронно-дырочного равновесия в кристалле при температуре диффузии, что важно для установления механизма диффузии примеси и открывает новые технологические возможности при создании многослойных приборных структур.1.1. Диффузия примесей с мелкими энергетическими уровнямиДиффузия акцепторных примесей. Несмотря на значительное количество работ, опубликованных в начале 60-х гг. по диффузии цинка в GaAs, не было данных, отражающих закономерности диффузии цинка в широком интервале поверхностных концентраций примеси. Этот пробел был восполнен в наших работах. В них диффузия примесей цинка и магния изучалась, прежде всего, с практической целью получения диффузионных слоев с малой поверхностной концентрацией [8, 9, 11, 16 - 18]. Определены зависимости коэффициента диффузии и поверхностной концентрации примесей от температуры (в интервале 700 - 1200 °С ), давления паров мышьяка (в интервале 10-7 ч 1 атм), концентрации примеси в паре. Были получены диффузионные слои р-типа с малой (~ (1 - 5) · 1017см-3) поверхностной концентрацией, что важно при изготовлении биполярных транзисторов и других приборов.Диффузия донорных примесей. Нами проведены систематические исследования закономерностей диффузии в арсениде галлия элементов IV (Si, Ge, Sn) и VI (S, Se, Тe) группы периодической системы. Были84определены коэффициенты диффузии в GaAs примесей и электрические характеристики диффузионных слоев в широком диапазоне вышеуказанных условий легирования [8, 9, 12, 19-24]. Показано, что наиболее вероятным механизмом диффузии примесей Ge и Sn в GaAs является миграция атомов примеси по узлам в комплексе с отрицательно заряженной вакансией галлия, а в случае диффузии Si при этом значительную роль играет миграция атомов по междоузлиям. Электрическая активность Si, Ge и Sn в GaAs объясняется с учетом амфотерного поведения примесей элементов IV группы в AnlBv.При больших парциальных давлениях в паре примесей элементов VI группы (S, Se и Те) имеет место реакционная диффузия с образованием слоев соединений типа АШ2ВУ13 и гетеропереходов GaAs - Ga2BVI3. При снижении парциального давления в паре ниже критического значения имеет место атомная диффузия примесей без образования химического соединения. Определены закономерности реакционной диффузии примесей VI группы в GaAs. Установлены критические концентрации S, Se и Те в паре, выше которых имеет место реакционная диффузия, а ниже - атомная. При изучении реакционной диффузии селена в GaAs обнаружен эффект Киркендалла -Френкеля.Атомная диффузия элементов VI группы в GaAs была изучена в широком интервале температур (800 -1200 °С), давлений паров мышьяка (от давления диссоциации до 2 атм), концентраций примеси в паре (1015 - 5-Ю17 см~3) и различных скоростях охлаждения после проведения диффузионного отжига.Образование дислокаций при диффузии примесей в GaAs. Проводились экспериментальные исследования зависимости структурного совершенства диффузионных слоев GaAs от условий диффузии элементов II (Zn и Mg), IV (Ge и Si), VI (S и Se) групп и группы переходных элементов (Cr, Fe, Mn, Cu) [8, 9, 25, 26].Было обнаружено, что диффузия в GaAs элементов II, IV и VI групп (предельная поверхностная концентрация которых Ns составляет ~1020 см~3) сопровождается образованием дислокаций плотностью до Ю7-^ 108см~2. При диффузии примесей Мп и Си (имеющих Ns ~ 1019 см~3) плотность дислокаций достигает 105 -;- 10б см~3, а для примесей с Ns ~1018 см~3 (Fe, Cr) дислокации при диффузии в условиях отсутствия конденсированной фазы на поверхности не образуются.Основной причиной образования дислокаций при диффузии примесей являются механические напряжения в диффузионном слое, обусловленные градиентом концентрации примеси. В случае диффузии элементов VI группы существенную роль играют также локальные напряжения в окрестности микровыделений второй фазы при распаде твердого раствора примесь - GaAs. Путем выбора условий проведения диффузии плотность дислокаций в диффузионных слоях можно понизить от 108 до ~ 104 см~2 (концентрации в исходном материале).Маскирующие свойства пленки SiC>2 при диффузии примесей в GaAs. С использованием диффузии примесей через аморфную пленку Si02 были решены задачи получения планарньгх р - и-переходов,слоев с малыми поверхностными концентрациями примеси и в конечном итоге изготовления биполярных транзисторов и других микроэлектронных приборов на основе арсенида галлия. Изучены закономерности диффузии в системе Si02 - GaAs примесей Zn, Mg, Mn, Fe и Cr в широком интервале условий диффузии, определены коэффициенты диффузии этих примесей в Si02 [9, 11,27-30].1.2. Диффузия примесей с глубокими энергетическими уровнямиИзучена диффузия в GaAs примесей переходной группы железа периодической системы элементов (Fe, Cr, Cu, Mn)[9, 13,28-38].Диффузия железа из различных источников.Изучение влияния типа диффузанта на процесс диффузии примесей с глубокими энергетическими уровнями было проведено нами на примере диффузии железа в GaAs. Диффузия Fe проводилась из газовой фазы, ионнолегированных слоев, напылённых слоев. Этим достигалось задание в широких пределах поверхностной концентрации примеси в диффузионном слое.При диффузии железа из любого источника в и-GaAs в результате компенсации исходных доноров глубокими акцепторами происходит образование вы-сокоомного слоя, включающего %- и v-области. Достоинством диффузии железа из газовой фазы, как метода получения высокоомных слоев, является сохранение гладкой поверхности GaAs. В процессе диффузии железа из напыленного слоя удается «перекомпенсировать» GaAs с высокой исходной концентрацией электронов до (3 - 5)-1018 см~3. В случае диффузии железа в GaAs из ионно-легированных слоев (ИЛС) удается сохранять зеркально чистую поверхность GaAs, получать слои с высоким удельным сопротивлением и заданной толщиной [37].Температурная зависимость коэффициента диффузии Cr, Fe, Mn и Си в GaAs исследовалась нами в интервале температур от 600 до 1200 °С. Для случая диффузии примеси из напыленного слоя (неограниченного источника) температурная зависимость коэффициента диффузии рассматриваемых примесей в GaAs описывается уравнением Аррениуса, причем параметр Е имеет значения 4,9; 3,8; 2,6 и 0,53 эВ, а параметр D0 - 8-Ю9; 2-Ю5; 4,5 и 0,03 см2/с соответственно для Cr, Mn, Fe и Си [9, 13, 35, 36, 44, 45].Зависимость коэффициента диффузии примесей от давления паров мышьяка изучена для примесей Fe, Cr и Си в интервале давлений PAs == 1(Г5-3,0 атм [9, 13, 34, 35, 38, 105, 106]. Установлено, что для всех вышеуказанных примесей коэффициент диффузии уменьшается с ростом давления паров мышьяка по закону D ~ РА^ т , где коэффициентт составляет 2^-4 для хрома и железа и ~ 2 для марганца. Экспериментальная зависимость близка к теоретической: D ~ Р^ 4, ожидаемой для случая диссоциативного механизма диффузии [2].Диффузия меди в и-GaAs. Диффузию меди проводили из тонкого слоя Си при температуре 600 -851000 °С, Рм = 1 атм, в и-GaAs с концентрациями отэлектронов 1-Ю15 -^ 5-Ю18 см~3. Обнаружено, что глубина проникновения Си существенно выше в случае диффузии в собственном полупроводнике.Электрические и фотоэлектрические свойства слоев GaAs, легированных примесями меди и марганца в процессе диффузии, исследованы в работах [40, 41].Влияние электронно-дырочного равновесия на процесс диффузии в GaAs примесей переходных металлов. Влияние электронно-дырочного равновесия в GaAs на кинетику диффузии изучали для примесей Сг, Fe и Си. Состояние электронно-дырочного равновесия определяется типом и концентрацией заряда в полупроводнике при температуре диффузии. Для определения скорости диффузии примеси в дырочном и сильно легированном и-GaAs, когда высо-коомный слой не образуется, мы использовали методику, изложенную в [33]. Коэффициент диффузии примесей в и- и р+- и собственном GaAs (Z)Hi Dp и D') рассчитывали по методике [33, 42]. Эксперимент показал, что имеет место значительное ускорение процесса диффузии примеси в /?+-GaAs и некоторое замедление в и-GaAs. Так, при температуре диффузии 1050 °С и /? = 2,5-1020см~3 DpID' составляет около 3-Ю3, 1 103 и 2 для Си, Fe и Сг соответственно. Такой характер зависимости коэффициента диффузии в GaAs примесей переходных элементов от типа и концентрации носителей заряда может быть следствием влияния смещения электронно-дырочного равновесия в полупроводнике для случая диссоциативного механизма диффузии.Для примесей, мигрирующих по диссоциативному механизму диффузии, имеет место динамическое равновесие между концентрациями заряженных атомов примеси, замещающих узлы (Ns) и междоузлия (Щ, которое смещается в зависимости от положения уровня Ферми [43, 44]. Для однократно заряженных состояний атомов примеси в электронном полупроводникеNs=Nsi-,Ni=Nii^,a = ai(-) ,(1)в дырочном полупроводникеNS=N/^, Nt=N>^, сх = сх/^1 ,(2)РЩ\ р)где rij, пир- концентрации носителей заряда в собственном, электронном и дырочном полупроводниках при температуре диффузии; N's, N \, a,=N's/N \ - концентрации атомов примеси в узлах и междоузлиях и их отношение в собственном полупроводнике. В случае, когда процесс диффузии примеси не лимитируется миграцией вакансий, а поток атомов по междоузлиям существенно больше потока атомов по узлам, эффективный коэффициент диффузии атомов можно представить в виде [44]где Д - коэффициент диффузии атомов примеси по междоузлиям.Численная оценка влияния смещения электронно-дырочного равновесия в полупроводнике на процессдиффузии в GaAs примесей Fe, Си и Сг проведена по формулам (1) - (3). Показано, что имеет место достаточно хорошее соответствие экспериментальных и расчетных значений коэффициента диффузии железа в GaAs. Были определены также значения а,- и TV*,-:а,= 1; 104 и 107, аф 3-Ю18; 2-Ю14 и 2-Ю10 см"3 в ряду Си, Fe и Сг (при сравнительно небольшом изменении 7Vj = 5-Ю18; =2-1018; S2-1017 см"3). Отметим, что для случая диффузии железа при этом не обнаружено зависимости коэффициента диффузии железа от природы примеси, определяющей величину и тип проводимости сильнолегированного GaAs (доноры - олово и сера, акцепторы - цинк, германий и марганец).Можно считать, что при диффузии примесей переходных металлов в GaAs из какого-либо источника все атомы примеси, находящиеся в системе, распределяются по трем областям. Первая область - источник диффузанта. Вторая область - приповерхностный участок диффузионного слоя. В этом слое толщиной порядка 0,1 толщины объемного участка сосредоточена большая часть атомов примеси, так как концентрация примеси Ns на этом участке превышает Ns на объемном участке на два и более порядков. В приповерхностной области атомы примеси находятся, в основном, в связанном состоянии (в виде комплексов с собственными точечными дефектами, второй фазы и т.п.). Большое различие экспериментальных данных по Ns на этом участке (более чем на порядок) [2, 45] обусловлено разным состоянием поверхности полупроводника, прежде всего различием механической и химической обработки. Третья область - объемная часть диффузионного слоя. Здесь атомы примеси преимущественно расположены в узлах галлия, небольшая часть в связанном состоянии: на дефектах типа дислокаций.Что касается механизма диффузии переходных элементов в GaAs, то анализ наших экспериментальных результатов по влиянию концентрации донорных и акцепторных примесей в исходном полупроводнике на коэффициент диффузии железа и меди в GaAs и по влиянию давления паров мышьяка на коэффициент диффузии железа, хрома и марганца в GaAs, а также литературных данных [2, 44, 45] показал, что практически все экспериментальные данные хорошо описываются в рамках диссоциативного механизма диффузии примесей в полупроводниках.2. ДИФФУЗИОННЫЕ ПРИБОРНЫЕ СТРУКТУРЫРабота по созданию GaAs-диффузионных структур с р - и-переходом и изучению их характеристик были проведены в период с конца 50-х до конца 60-х гг. в лаборатории полупроводников СФТИ и затем в отделе 40 НИИПП. Была решена задача создания р - п-структур как на основе п-, так и /?-GaAs, создана технология изготовления диффузионных р - и-переходов с оптимальными характеристиками, изучены физические процессы в р - и-переходах этого нового полупроводникового материала. Полученные результаты использованы для создания биполярных транзисторов и ряда диодов [87 - 90].86При этом были обнаружены нестандартные свойства/7 - и-переходов: на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) р - и-переходов наблюдались участки отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) как при прямом, так и при обратном смещении. Было установлено, что это обусловлено наличием в р - п-структуре неконтролируемых примесей с глубокими энергетическими уровнями, которые вводятся в процессе высокотемпературной обработки GaAs, сопровождающей диффузию примесей с мелкими уровнями. Возникла и была реализована идея создания электронно-дырочных структур нетрадиционным способом -путем контролируемого введения в GaAs примесей с глубокими уровнями. Были созданы структуры, которые позднее получили название я - v - и-структур.2.1. Структуры ср - и-переходомИсследованы характеристики диффузионных р - п-переходов на основе п- и/7-GaAs в зависимости от условий формирования структуры - температуры, давления паров мышьяка, концентрации примеси в паре, скорости последиффузионного охлаждения и свойств GaAs - концентрации носителей заряда, плотности дислокаций (введенных различными способами - ростовых, образованных пластическим изгибом и в процессе диффузии примесей), наличия неконтролируемых примесей; р - и-переходы получали в процессе диффузии донорных примесей элементов IV группы (Ge, Si, Sn), VI группы (S, Se, Те) и акцепторных примесей II группы (Zn и Mg) периодической системы элементов [6 - 9, 11, 12, 46 - 50].Показано, что свойства диффузионных р - «-переходов существенным образом изменяются в зависимости от условий проведения диффузии, причем наиболее сильно изменяются участки ВАХ, соответствующие лавинному пробою. Напряжение пробоя существенно уменьшается при увеличении концентрации примеси в паре, уменьшении давления паров мышьяка и скорости последиффузионного охлаждения. Установлено, что основной причиной этого эффекта является наличие дислокаций в области объемного заряда (003) р - и-перехода и механических напряжений, возникающих в процесс диффузии примесей. Установлен механизм токопрохождения на отдельных участках ВАХ р - и-перехода. Определена зависимость критической напряженности электрического поля в р - и-переходе от его толщины. Обнаружено, что диффузионные р - и-переходы на основе GaAs с низкой концентрацией носителей заряда (п = 1-1015см~3,/? = (0,2 - 2) -1016cm~3) имеют в прямой ветви ВАХ участок ОДС S-типа, что обусловлено наличием фоновых, глубоких центров.Детально изучено влияние дислокаций на свойства р - и-переходов. Плотность дислокаций в кристаллах GaAs изменялась в следующих пределах: ростовых -от 3-Ю3 до 7-105 см~2, введенных пластическим изгибом - от 5-Ю4 до 2-Ю7 см~2, введенных в процессе диффузии примесей - от ~ 104 до 108 см~2. Установлено, что наибольшее влияние дислокации оказывают на обратную ветвь ВАХ в области сильных электрических полей, приводя к возрастанию тока на пред-пробойном участке и уменьшению напряжения про-боя. Определена критическая величина плотности дислокаций, равная (0,3 - 1)-105см~2, ниже которой ВАХ р - и-переходов и приборов от плотности дислокаций практически не зависит.Впервые разработана технология изготовления и исследованы электрические характеристики планар-ных/7 - и-переходов на основе п- и/7-GaAs [49]. Показано, что р - и-переходы на основе /?-GaAs имеют малые токи утечки. Определена зависимость напряжения пробоя от кривизны р - и-перехода.2.2. Структуры с глубокими энергетическими уровнямиВ наших работах, проводимых на протяжении ряда лет в Сибирском физико-техническом институте и НИИ полупроводниковых структур и приборов, с 1965 г. развивается нетрадиционный подход к созданию полупроводниковых структур и приборов на основе GaAs. В результате созданы принципиально новые приборные структуры (я - v - и-структуры), формируемые в процессе контролируемого введения в исходный и-GaAs примесей с глубокими акцепторными уровнями, обладающие уникальными свойствами и на их основе были разработаны принципиально новые приборы [9, 10, 13, 53 - 64].Рис. 1. Распределение примесей и ВАХ барьерных (а) и ре-зистивных (б) GaAs-структур с глубокими примесными центрамиСозданы структуры двух типов: барьерного и рези-стивного. Схематически типы структур и распределение примесей в них показаны на рис. 1. Барьерная структура (рис. 1, а) изготавливается путем введения в и-GaAs, однородно легированный донорами до концентрации Nd, глубокой акцепторой примеси с градиентом концентрации dNJdx. Барьерная структура представляет собой расположенный на и-подложке высоко-омный слой, включающий %-, v-области и ООЗ между ними. Такая структура получила название % - v - п-структуры. Резистивная структура (рис. 1, б) представляет собой высокоомный л-GaAs по всей толщине Nt > Nd, к которому создаются р+ (п+) или металлические контакты.87В качестве примесей с глубокими энергетическими уровнями использованы Cr, Fe, Mn, Си. Энергия активации этих примесей в GaAs перекрывает диапазон от Eg/2 до 0,1 эВ, что позволяет в широких пределах управлять свойствами GaAs и приборных структур. Структуры получают, в основном, методом высокотемпературной диффузии. Для примеси Fe используются также процессы ионного легирования и газофазовой эпитаксии, для примесей Fe и Сг - процесс жидкофазовой эпитаксии [37, 65, 66, 83]. Структура типа % - v - и существенным образом отличается от известных как по устройству, так и по способу изготовления. Различные типы структур и способы их изготовления защищены большим пакетом авторских свидетельств.Характеристики я - v - и-структуры. Барьерная емкость % - v - и-структуры благодаря процессу перезарядки глубоких центров на краю 003 обладает частотной и температурной зависимостями, а также релаксацией ее величины при подаче импульса напряжения смещения. Экспериментальные результаты частотной и температурной зависимостей емкости % - v - и-структуры [56] хорошо описываются теоретическими зависимостями, полученными в [69, 70].Прямая ветвь ВАХ я - v - и-структуры включает следующие основные участки: I - омический участок (при U< IkTIq); II - первый участок экспоненциальной зависимости тока от напряжения с коэффициентом в показателе экспоненты, близким к 2 (при U= 0,1 +■ 0,8 В); III - второй экспоненциальный участок с коэффициентом в показателе экспоненты, принимающим значения до 100 ■+ 300 ( при U> 1 В); IV -один или несколько участков ОДС преимущественно 5-типа (иногда TV-типа) или участков «вертикального» роста тока; V - участок с положительным сопротивлением, следующий за участком ОДС. Омический и первый экспоненциальный участок ВАХ % - v - и-структуры хорошо описывается теорией Шокли -Нойса - Саа (ШНС) для ВАХ/? - и-перехода [72], второй экспоненциальный - теорией Стафеева [73].Обратная ветвь ВАХ имеет следующие основные участки: I - омический участок (до U=2kT/q); II -участок слабого роста тока (до U= 0,1 Ј/п); III и IV -участки резкого нарастания тока (от U = 0,1 Ј/п до напряжения переключения Un); V - участок ОДС S-тя-па; VI - участок с положительным сопротивлением, следующий за участком ОДС (от тока ~10~2 до ~ 10 А). I и II - участки ВАХ удовлетворительно описываются теорией ШНС, согласно которой обратный ток определяется процессом генерации носителей в ООЗ. Плотность тока на II участке равна:qn-w(4)1 = -2т„где q - заряд электрона; и,- - концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике; w - толщина области объемного заряда; т0 - время жизни неосновных носителей.Начало участка ОДС 5-типа характеризуется величинами напряжения переключения (Ј/п) и тока переключения (7П). Имеет место экспоненциальный рост тока переключения от обратной температуры с энергией активности, равной ~ 0,5 эВ для структур, леги-рованных железом, и ~ 0,7 эВ - для структур, легированных хромом. Зависимость напряжения переключения от температуры имеет немонотонный характер.Для структур, легированных медью, участок ОДС 5-типа наблюдается в интервале температур 77 + 160 К. Ток переключения растет с температурой по экспоненциальному закону, а напряжение переключения от температуры практически не зависит [74]. Для структур, легированных марганцем, наблюдается один или два участка ОДС S-типа в интервале температур 77 - 130 К [57].ВАХ 5-диодов существенно зависят от плотности дислокаций в GaAs, особенно величины тока и напряжения переключения [85].Механизм формирования ОДС и высокоскоростного переключения я - v - и-структуры при обратном смещении. Экспериментально наблюдаемые процессы, происходящие в GaAs % - v - и-структуре при обратном смещении, были объяснены нами на основе представлений, ранее изложенных в работах [67, 68].Механизм формирования ОДС в я - v - и-структуре связан с перезарядкой глубоких центров в ООЗ % - v-перехода в условиях лавинного пробоя. Идея этого механизма формирования ОДС высказана в работе Хейтца [67], более детально данный механизм рассмотрен в [68]. Отметим, что механизм Хейтца был предложен для объяснения небольших перепадов напряжения при пробое кремниевых р - и-переходов с неконтролируемо вводимыми глубокими центрами. Согласно [68], напряжение и ток переключения в % -v - и-структуре можно записать в следующем виде:U^UvrfiNi-fM;(5)I^qo^SiNi-foNO'Nt,(6)где pi = Nvexp (-EJ кТ); Unp - напряжение пробоя % - v-перехода; f0 - функция заполнения глубоких уровней электронами при и = р = 0; q - заряд электрона; ijs - скорость движения носителей в сильном поле; S - площадь % - v-перехода.В соответствии с данным механизмом, при малых плотностях тока (/ < /п) плотность заряда в v-части ООЗ определяется разностной концентрацией ионизованных доноров и глубоких акцепторов (Ni = Nd - Щ, а падение напряжения на ней, в соответствии с [39], определяется выражением(7)и„q Nd-Ntгде ss0 - диэлектрическая проницаемость GaAs; E^^ -максимальная напряженность поля в ООЗ. При больших плотностях тока в условиях лавинного пробоя захват неравновесных дырок на отрицательно заряженные глубокие акцепторы и их нейтрализация приводит к увеличению плотности заряда в ООЗ до Ni = Nd, а падение напряжения на ней уменьшится доss0 -fimax. .^ост-(°)9 Nd При этом пробой носит микроплазменный характер. В результате пробоя v-части ООЗ большая часть внешнего напряжения перераспределяется на л-об-ласть и в условиях локального пробоя ООЗ % - v-nepe-хода происходит пробой л-области. Bit-v- «-структуре образуется высокопроводящий «шнур» диаметром 3-^-10 мкм, простирающийся от и-области до контакта к л-области. Это состояние структуры определяет окончание участка ОДС (/= 1(Г2 А). При дальнейшем увеличении тока высокопроводящий слой расширяется и заполняет большую часть сечения структуры.Ожидалось, что время переключения л - v - п-структуры из высокоомного в проводящее состояние при подаче на нее ступеньки напряжения (без учета времени задержки) будет определяться временем дрейфа неравновесных носителей заряда через высо-коомную область структуры с максимальной дрейфовой скоростью us:tn=d/vs,(9)где d - суммарная толщина л-области и 003. Однако реальная величина tn оказалась в 3 - 10 раз меньше расчетного времени переключения, определенного по формуле (7), и составляет 40 - 500 не (в зависимости от типа структуры и режима ее работы).Переключение структуры осуществляется при напряженности электрического поля Е в ООЗ л - v-nepe-хода, при котором развивается ударная ионизация и лавинный пробой. Время установления распределения плотности заряда Qи напряженности поляЕвп-v-ne-реходе после подачи на структуру ступеньки напряжения U > Un определяется временем диэлектрической релаксации в v-области тм, которая составляет около 10~14 с [78]. Наличие глубоких центров (ГЦ) в v-части ООЗ л - v-перехода приводит к тому, что процесс ударной ионизации сопровождается процессом захвата свободных дырок на отрицательно заряженные ГЦ в этом же слое, приводя к перезарядке центров, возрастанию плотности заряда и перераспределению поля. Время установления этого процесса составляет 10~10 -10~12 с [78]. При достижении некоторой критической величины плотности тока (Лр), когда плотность заряда создаваемая свободными носителями, начнет превышать плотность заряда ионов вблизи границы л- и v-областей, структура переходит в принципиально новое состояние - режим формирования и распространения волны ударной ионизации. Согласно [51], волна ударной ионизации распространяется со скоростьюгде J - плотность тока через структуру; р - концентрация носителей заряда, соответствующая данному току; Ni - концентрация доноров в v-области структуры. Таким образом, волна ударной ионизации распространяется через высокоомную область структуры со скоростью \>z > \>s, заполняя ее высокопроводящей плазмой. В результате собственное время переключения л - v - и-структуры (переход ее в высокопро-водящее состояние) будет определяться временем прохождения волны ударной ионизации через высокоомную область структуры. Следует подчеркнуть, что условия формирования волн ударной ионизации в л - v - и-структуре, содержащей глубокие центры, существенным образом отличаются от условий формирования в п+ - п -/7+-структуре. Если необходимым условием формирования волн ударной ионизации вп - п - р -структуре является высокая скорость нарастания поданного напряжения (более 1012 В/с [52]), то для л - v - и-структуры этого не требуется. Благодаря перезарядке ГЦ (которая при развитом лавинном пробое происходит за t = 10~12 с) [81] быстрое нарастание напряженности поля в области умножения л - v - и-структуры осуществляется за счет внутреннего процесса и реализуется при малых скоростях подачи внешнего напряжения (109 В/с и менее).Структуры с охранным кольцом. Была изучена возможность использования полуизолирующих слоев, образованных в процессе диффузионного и ионного легирования GaAs железом, для создания охранных колец, обеспечивающих защиту от поверхностного пробоя планарных/7+ - и-переходов в GaAs [82]. Этот метод имеет преимущество перед защитой слоями, полученными в процессе протонного облучения, так как «протонные» слои нельзя использовать в сочетании с такими основными технологическими операциями, как диффузия, ионное легирование, газофазовая и жидкофазовая эпитаксия, проходящими при высоких температурах.3. ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ ДИФФУЗИОННЫХ СТРУКТУРНаиболее интересные новые результаты были получены при разработке приборов на GaAs-структурах с глубокими примесными центрами. Была создана серия приборов: переключающих лавинных S-диодов и триодов, превосходящих по совокупности основных параметров известные полупроводниковые переключающие приборы. В период 70 - 80-х гг. пять разновидностей 5-диодов освоено опытным производством НИИПП. В последние десять лет на основе GaAs л - v - «-структур созданы высокочувствительные фотоприемники широкого спектрального диапазона, а также радиаци-онно-стойкие с высоким пространственным разрешением полосковые и матричные детекторы заряженных частиц, рентгеновского и гамма- излучения.3.1. Приборы на основе р - и-переходаНиже приведены результаты исследований и разработок ряда арсенидогаллиевых приборов с р - «-переходами, которые демонстрируют возможности ар-сенида галлия как материала для приборов с широким интервалом рабочих температур (от 4 до 600 К): диоды общего назначения, диодные датчики температуры и биполярные транзисторы. В основу разработки приборов были положены полученные нами результаты по диффузии примесей в GaAs и исследованию характеристик/7 - и-переходов, изложенные выше.Была разработана конструкция и технология арсе-нидогаллиевого выпрямительного диода на основе диффузионных р - и-переходов, обеспечивающие его работоспособность при высоких температурах [87]. Конструктивно диод оформлен в металлическом корпусе, р - и-переход формируется в процессе диффузии цинка в GaAs с концентрацией электронов 3-1016 см~3. Прибор работоспособен в интервале температур 77 - 523 К, имеет в указанном интервале температур обратное напряжение 100 - 150 В, прямое падение напряжения при токе 300 мА - менее 2 В, об-89ратный ток при 250 °С - не более 15 мкА, рабочую частоту - до 1 мГц.Были разработаны оптимальные конструкция и технология арсенидогаллиевого диодного датчика температуры, использующего прямую ветвь вольт-амперной характеристики. Термометрическая характеристика (U=f(T) при J= const) и общий вид термодатчика приведен на рис. 2. Датчик внедрен в серийное производство на заводе НИИПП и нашел практическое применение. Его основными достоинствами является широкий рабочий диапазон температур, высокая чувствительность, хорошая стабильность и воспроизводимость показаний [88].Рис.2Основные параметры промышленных диодных датчиков температуры (тип АД302): интервал рабочих температур - 4,2 - 373 К, рабочий ток - 10 - 50 мкА, чувствительность при 4,2 К - 0,65 мВ/град, при 77 К -1,5 мВ/град, в интервале температур 273 - 373 К -2,5 мВ/град, тепловая инерционность - 0,1 - 0,15 с.Была создана промышленная технология, изготовлены первые отечественные арсенидогаллиевые биполярные транзисторы и изучены их электрические характеристики [89, 90]. Транзисторы имели структуру^?-^- п- ир - п -Ј>-типа. Базовая область и коллекторный переход транзисторов п-р - я-типа создавались диффузией магния или цинка через пленку Si02 в GaAs с концентрацией электронов п = (2 - 5) х х Ю16 см~3, эмиттер - диффузией олова. Толщина базовой области составляла 0,3 - 0,4 мкм. Типичное значение коэффициента усиления а = 0,8 - 0,9. Пла-нарные транзисторы со структурой р - п - /?-типа изготавливали на объемном GaAs и меза-планарные транзисторы на эпитаксиальном GaAs. Коллекторный и эмиттерный переходы р - п - ^-транзистора создавались локальной диффузией олова и цинка с использованием в качестве маски пленки Si02. Толщина базовой области составляла 0,1 - 0,2 мкм, коэффициент усиления по току а = 0,6 - 0,8.Таким образом, разработана меза-планарная и планарная промышленная технология изготовления GaAs-приборов с р - я-переходами и в НИИПП изготовлены первые отечественные биполярные транзи-сторы, обладающие диапазоном рабочих температур от -196 до 350 °С. Биполярные транзисторы на GaAs не нашли практического применения, однако разработанная технология была использована для создания ряда приборов на GaAs: прежде всего импульсных и СВЧ-приборов.3.2. Приборы на основе структур с глубокими центрамиПервым GaAs-прибором, который был создан на основе GaAs-диффузионных структур с глубокими центрами, был лавинный 5-диод [53 - 64, 74 - 84]. Основой GaAs-лавинного Ј-диода является % - v - п-структура, работающая при обратном смещении. Структура формируется в процессе легирования я-GaAs примесями Cr, Fe, Mn или Си (основные из них Fe и Сг)./I/поОсновными параметрами лавинного S-диода, предназначенного для формирования импульсов напряжения, являются: время переключения (7П), время задержки переключения (73), напряжение (С/п) и ток (7П) переключения (рис. 3).2,9 ^iк 'со 11 0 2,3^< Рис. 3. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики лавинного б*-диода и его габаритные размеры, смВ высокоомном состоянии сопротивление диода составляет около 1010Ом, в проводящем - менее 10 Ом. При подаче на диод напряжения, превышающего Un, после некоторого времени задержки t3 он за время переключения tn переходит из высокоомного состояния в низкоомное. Разработаны лавинные S-диоды с Un= 20 - 1000 В, U0CT< 0,ШП, tn= 40 - 500 не, 1п = 10~7 + 109 А, импульсным током - до 100 А.При формировании импульсов в автоколебательном режиме, когда через структуру протекает ток небольшой плотности, время переключения определяется пролетным временем носителей заряда, движущихся с максимальной дрейфовой скоростью. В режиме обострения, когда реализуется большая плотность тока, tn определяется временем прохождения через структуру волны ударной ионизации. Зависимость времени задержки переключения t3 от напряжения описываются выражениемt3=t4exp(B/U),(11)где В - константа, определяемая концентрацией ионов в v-слое структуры.Разработаны серийные лавинные Ј-диоды. Их основные параметры приведены в таблице [80].90Основные параметры промышленных S-диодов при температуре окружающей среды (25 ± 10) °СПараметрыТип диода АА732А, БАА742А, БЗА801А-6ЗД530А, БНапряжение включения, В100-180 (А) 150-200 (Б)350 - 600 (А) 500 - 700 (Б)50-210100-180 (А) 150-210 (Б)Остаточное напряжение, не более, В0,2С/По,з ип0,2Un0,2С/ПВремя переключения, не более, не0,50,60,20,5Время восстановления обратного сопротивления, не более, мке4010001003,0Максимальный средний ток, мА1,00,10,513,5Максимальный импульсный ток, А20503,015Гарантированная долговечность, ч5000500010000250000,69, 0,88 и 10,6 мкм. Пороговая энергия запуска составляет от ~10~9 до -КГ4 Дж в указанном интервале длин волн [9, 10, 13, 14].Диоды АА801 изготовлены в бескорпусном исполнении и могут работать как с электрическим, так и с оптическим запуском от ИК-излучения. Оптическая мощность запуска составляет 10~9 + 10~10 Дж в импульсе. Диоды ЗД530 могут работать в более высоком частотном диапазоне, чем АА732, - до сотен килогерц, и имеют более высокий срок службы. Более высокое быстродействие диода ЗД530 достигнуто за счет инжекции носителей заряда с р - ^-перехода, встроенного в высокоомную область структуры методом газофазовой эпитаксии.На основе лавинных ^-диодов разработаны импульсные генераторы различного функционального назначения: импульсные источники питания твердотельных лазеров и диодов Ганна, генераторы формирования линейных разверток осциллографов и элек-тронографов, кадров субнаносекундной экспозиции, генераторы ударного возбуждения антенн несинусоидальной локации [91 - 93]. В импульсных схемах Ј-диоды могут работать в двух режимах: обострения и релаксатора в автоколебательном режиме. Генераторы формируют импульсы напряжения величиной до 1000 В или импульсы тока до 100 А на низкоомной или емкостной нагрузке. Длительность фронта импульса составляет 40 + 500 пс, длительность импульса -0,1 +- 100 не, частота следования - до сотен килогерц. На рис. 4 представлены параметры импульсов, которые могут быть сформированы с помощью традиционных полупроводниковых элементов (данные [86]) и арсенидогаллиевых

Скачать электронную версию публикации