Импульсный лавинный s-диод


 


Владельцы патента RU 2609916:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным лавинным полупроводниковым диодам, полученным легированием GaAs хромом или железом, и предназначено для использования в системах силовой импульсной электроники. Техническим результатом являются устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения S-диода, повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием только хромом или железом, повышение надежности работы таких структур в схемах импульсного питания. В S-диоде, выполненном на основе n-π-ν-n-структуры из арсенида галлия, компенсированного хромом, между n- и π-областями введена дополнительная область p-типа проводимости, толщина этого p-слоя не превышает 5·Ln, где Ln – диффузионная длина электронов в p-области. 2 ил.

 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным лавинным полупроводниковым диодам, и предназначено для использования в системах силовой импульсной электроники: в источниках питания полупроводниковых лазеров; в мощных полупроводниковых светодиодах; для диодов Ганна; для систем сверхширокополосной локации; в устройствах целеуказания и дальнометрии гражданского и военного назначения.

Для современных систем сверхширокополосной локации и активной локации в инфракрасном диапазоне требуются портативные микроэлектронные устройства, обеспечивающие надежную генерацию мощных субнаносекундных импульсов. Малая длительность электрических и оптических импульсов (не более 1 нс) обеспечивает высокую точность при заданном быстродействии, а увеличение мощности обеспечивает увеличение дальности распространения сигнала.

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

Наиболее близким (прототипом) 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 π-ν-n- (n+-π-ν-n-)-структуры, на статической обратной ветви вольтамперной характеристики которой наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления. 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 π-ν-перехода и развитием волны ударной ионизации в высокоомной π-области. 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 низким значением напряжения переключения (100-250 В) [2, 3].

Указанный недостаток устранен в другом аналоге, лавинном S-диоде, на основе полупроводниковой структуры π-ν-n-типа, легированной глубокой акцепторной примесью хрома. В таком приборе удельное сопротивление базы за счет легирования более глубоким акцептором повышается на 3-4 порядка по сравнению с S-диодами, легированными примесью железа. Это позволяет повысить значение напряжения переключения. Однако, надежность таких структур в схемах импульсного питания невысока, и они быстро выходят из строя. Это связано с наличием в таких структурах неконтролируемой инжекции электронов в π-область со стороны контакта до переключения S-диода, что, в свою очередь, приводит к росту среднего тока в схемах импульсного питания и перегреву диодов с последующим выходом их из строя [4].

Целью настоящего изобретения является устранение влияния инжекции электронов на протекание тока, повышение напряжения переключения лавинных импульсных S-диодов на основе арсенида галлиевой структуры, полученной легированием хромом либо железом.

Это достигается тем, что в предлагаемой структуре между π-областью, полученной легированием хромом и контактной n-областью, способной инжектировать электроны в π-область для инициирования и поддержания в структуре волны ударной ионизации, вводится дополнительная область низкого сопротивления p-типа проводимости, толщина которой не превышает 5·Ln, где Ln – диффузионная длина электронов в p-области.

На фиг. 1 показано схематическое изображение n-p-π-ν-n- структуры импульсного лавинного S-диода (а) и его энергетическая диаграмма при подаче напряжения смещения (б) с полярностью, показанной на (а).

На фиг. 2 показан пример полупроводниковой структуры, изготовленной диффузионно-эпитаксиальной технологией: 1 – ν-слой, полученный диффузией Cr в исходный n-GaAs; 2 – π-слой, полученный диффузией Cr в исходный n-GaAs; 3 – эпитаксиальный p-слой толщиной приблизительно 5 мкм, легированный Zn в процессе роста; 4 – эпитаксиальный n-слой толщиной приблизительно 10 мкм, легированный Sn в процессе роста.

Благодаря формированию p-слоя создается сложная n-p-π-ν-n-структура, в которой образуются включенные навстречу π-ν- и n-p- переходы. Таким исполнением структуры контролируется инжекция электронов из n-области в область объемного заряда π-ν-перехода, находящегося в состоянии лавинного пробоя, которые инициируют и поддерживают развитие волны ионизации в структуре и переключение S-диода в проводящее состояние.

Устройство работает следующим образом.

При подаче обратного напряжения смещения на π-ν-переход (см. фиг. 1) основное падение напряжения происходит на высокоомной π-области и области объемного заряда (ООЗ) π-ν-перехода. Вследствие этого напряжение переключения повышается, а инжекция электронов из контактной n-области до развития лавинного пробоя незначительна. Этому препятствует введенная p-область, в которой на длине диффузии электронов все инжектируемые из n-области электроны рекомбинируют, не доходят до ООЗ π-ν-перехода и не инициируют преждевременное развитие лавинных процессов в структуре S-диода.

Сущность изобретения заключается в контролируемой инжекции электронов из n-области в ООЗ π-ν-перехода. Инжектируемые электроны выполняют важную функцию работы S-диода, инициируя его переключение. Но инициирование этого процесса должно включаться тогда, когда напряженность электрического поля в структуре S-диода достигает своего предельного значения, достаточного для развития и прохождения волн ударной ионизации. В предложенной n-p-π-ν-n-структуре достигается самосогласованный контроль инжекции при обратном смещении π-ν-перехода. Поскольку n-p и π-ν-переходы включены встречно, то при подаче напряжения смещения с полярностью, показанной на фиг. 1, все падение напряжения будет падать на обратно смещенном π-ν-переходе и высокоомной π-области. На n-p-переходе, смещенном в прямом направлении, падение напряжения не превышает 0,1 В, и инжекции электронов в π-область не происходит (фиг.1, б). При достижении критического значения напряженности поля, когда за счет микроплазменного пробоя дифференциальное сопротивление ООЗ обратно смещенного π-ν-перехода резко уменьшается, идет самосогласованное перераспределение поданного напряжения на сопротивлении растекания микроплазмы в π-область. Сила тока в структуре возрастает, пропорционально растет падение напряжения на прямо смещенном n-p-переходе, который стимулирует инжекцию электронов в π-область, поддерживает прохождение волны ударной ионизации, инициированной пробоем ООЗ π-ν-перехода. Толщина формируемой p-области будет определять характеристики условия переключения. С увеличением толщины p-области (dp) растет значение напряжения переключения по параболическому закону, Uп~(dp)1/2. При dp≥5·Lp напряжение переключения растет уже незначительно, но начинает экспоненциально расти сила тока переключения, что резко снижает срок службы S-диода.

Реализация предложенной структуры возможна при помощи диффузионно-эпитаксиальных технологических методов. Пример осуществления изобретения представлен на фиг. 2. Изначально в GaAs n-типа проводится диффузия хрома на глубину 50 мкм при температуре 970оС (время диффузии – 120 минут), градиент концентрации примеси хрома в ООЗ равен 9⋅1018 см-4. Далее на поверхности πCr-слоя методом газофазной эпитаксии в едином процессе при температуре 720оС наращиваются последовательно p-слой толщиной 1-5 мкм (Lp ~ 1 мкм в арсениде галлия), а затем n-слой толщиной 2-10 мкм (не менее глубины вплавного контакта). Напряжения переключения S-диодов в рассмотренной структуре составляют в среднем 300-400 В при токах переключения Iп<10-6 А. Управление напряжением переключения в такой структуре осуществляется изменением толщины высокоомного πCr-слоя при постоянном градиенте концентрации примеси в области π-ν-перехода. Эксперименты показывают, что напряжение переключения увеличивается пропорционально толщине πCr-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 – 40 А (при скважности 105).

Техническим результатом изобретения являются устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения S-диода, повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием GaAs только хромом или железом, повышение надежности работы таких структур в схемах импульсного питания.

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.

4. Толбанов О.П., Хлудков С.С. Способ изготовления полупроводниковых S-диодов. – А.С. №1023962 (СССР).

Импульсный лавинный S-диод, выполненный на основе n-π-ν-n-структуры из арсенида галлия, компенсированного хромом, отличающийся тем, что между n- и π- областями создается дополнительная область p-типа проводимости толщиной, не превышающей 5·Ln, где Ln –диффузионная длина электронов в p-области.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковым приборам. В полупроводниковом конструктивном элементе, имеющем полупроводниковое тело (21) с первой стороной (22), второй стороной (23) и краем (24), внутреннюю зону (27) с основным легированием первого типа проводимости, расположенную между первой стороной (22) и внутренней зоной (27) первую полупроводниковую зону (61) первого типа проводимости с концентрацией легирования, которая выше концентрации легирования внутренней зоны (27), расположенную между второй стороной (23) и внутренней зоной (27) вторую полупроводниковую зону (29) второго типа проводимости, с концентрацией легирования выше концентрации легирования внутренней зоны (27), по меньшей мере один первый краевой скос, который проходит под первым углом (30) к плоскости прохождения перехода от второй полупроводниковой зоны (29) к внутренней зоне (27) по меньшей мере вдоль края (24) второй полупроводниковой зоны (29) и внутренней зоны (27), второй краевой скос со вторым углом (71), величина которого меньше величины первого угла, который проходит вдоль края (24) первой полупроводниковой зоны (61) или скрытой полупроводниковой зоны (41), при этом по меньшей мере одна скрытая полупроводниковая зона (41) второго типа проводимости с концентрацией легирования, которая выше, чем во внутренней зоне (27), предусмотрена между первой полупроводниковой зоной (61) и внутренней зоной (27) и проходит по существу параллельно первой полупроводниковой зоне (61).

Изобретение относится к полупроводниковым электронным приборам. В полупроводниковом диоде на полупроводниковой GaAs подложке расположены катодный слой, обедненный слой, барьерный слой, обедненный узкозонный слой, анодный узкозоный слой, анодный слой.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. В диоде с отрицательным дифференциальным сопротивлением согласно изобретению объединены два комплементарных полевых транзистора в единую вертикальную структуру с параллельно расположенными каналами, между которыми образуется электрический переход, при этом исток р-канала расположен напротив стока n-канала, а сток р-канала - напротив истока n-канала.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. Мультиэпитаксиальная структура кристалла двухинжекционного высоковольтного гипербыстровосстанавливающегося диода на основе соединений галлия и мышьяка содержит высоколегированную монокристаллическую подложку p+-типа проводимости, с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 3·1018 см-3 и толщиной не менее 200 мкм, выполненный на ней эпитаксиальный GaAs слой p-типа проводимости толщиной не менее 5,0 мкм и изменяющейся разностной концентрацией донорной и акцепторной легирующих примесей от концентрации в подложке до значений не более чем , p-n-переходный по типу проводимости эпитаксиальный GaAs i-слой толщиной 5÷100 мкм, содержащий область пространственного заряда и внутрирасположенную мультиэпитаксиальную металлургическую переходную зону, и эпитаксиальный GaAs слой на p-n переходном эпитаксиальном i-слое, выполненный n+-типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей в приповерхностном слое не менее чем 1·1017 см-3 и толщиной не менее 0,1 мкм.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности, к формированию самосовмещенных высоковольтных диодов. .

Изобретение относится к области дискретных полупроводниковых приборов, в частности к блокирующим диодам для солнечных батарей космических аппаратов. .

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в источниках питания полупроводниковых лазеров, мощных полупроводниковых светодиодов, диодов Ганна, системах сверхширокополосной локации.

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока в радиоаппаратуре, радиоизмерительных приборах и системах.

Изобретение относится к технологическим процессам производства компонентов микроэлектроники и вычислительных схем. .

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока и преобразования ВЧ-сигнала в постоянное напряжение в источниках питания радиоаппаратуры, радиоизмерительных приборах и системах.
Наверх