Быстродействующие высоковольтные GaAs-диоды для силовой электроники

Инновации в энергетике имеют для России исключительное значение. Но, к сожалению, развитие электронной компонентной базы (ЭКБ) силовой электроники на сегодняшний день недостаточно [1, с. 15‒19]. Решение данной задачи вполне возможно с помощью высоких технологий, в данном случае через энергоэффективную преобразовательную технику, основу которой составляет ЭКБ на широкозонных полупроводниках.

Одно из направлений развития ЭКБ силовой электроники ‒ высоковольтные быстродействующие переключающие диоды на основе многослойных GaAs эпитаксиальных p-i-n -структур, изготовленных комбинацией методов жидкофазной (ЖФЭ) и газофазной (ГФЭ) эпитаксий [2, с. 36‒47]. Достоинства GaAs p-i-n -диодов можно кратко перечислить: высокая скорость переключения; высокая рабочая температура; высокая радиационная стойкость; минимизированная емкость; малый заряд обратного восстановления; высокие частоты коммутации; высокая динамическая устойчивость; слабая зависимость заряда восстановления, времени обратного восстановления и обратного тока восстановления от температуры.

Ряд российских предприятий освоил технологию производства многослойных эпитаксиальных GaAs -структур и, соответственно, p-i-n -диодов на их основе [3, с. 16‒19]. Исследование таких диодов относительно идентификации их важнейших параметров с целью определения возможности применения таких диодов в электронной технике является достаточно актуальной задачей. Структура кристалла GaAs p-i-n -диода приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Структура кристалла GaAs p-i-n -диода ( A – катод, B – n⁺, C – p-i-n -область, D – анод).

Указанная структура, как говорилось ранее, выращивается методами ЖФЭ и ГФЭ. Полученные эпитаксиальные p-i-n- структуры имеют металлургические переходы внутри i- эпитаксиальной области. В зависимости от разностной концентрации носителей заряда величина диффузионной длины электронов L n находится в пределах от 15 до 60 мкм , так, при значениях легирующей примеси - 840 15 см "3 - L n - 35 мкм , время жизни составляло 130 нс ; для концентраций 10 14 см -3 L n - 60 мкм , а т n - 360 нс .

Физическая структура и распределение концентрации в p-i-n -диоде приведена на рисунке 2. Если принять общую протяженность базовых областей GaAs p-i-n -диода такой, как показано на рисунке 2, то на переходах x j1 , x j2 , x j3 , x j4 возникают диффузионные потенциалы, сумма которых дает полное диффузионное напряжение на диоде при T =300 K :

U . =U Р+и +U +U Р=1,ЗВ

p - i - n pE p ’ . ⁽¹⁾

Для GaAs p⁺-p-i-n-n⁺ -структуры, ВАХ будет отличной (по крайней мере, в части коэффициента неидеальности) от кремниевого p-i-n -диода. Рассчитаем характеристику такой структуры. В отличие от кремниевой, в GaAs p⁺-p-i-n-n⁺ -структуре, учитывая размеры i -области и время жизни носителей заряда в ней, мы не можем пренебрегать падением напряжения на i -области – U mi , которое сопоставимо с напряжениями на других областях GaAs p⁺-p-i-n-n⁺ -структуры (рисунок 2).

Рис. 2. Распределение концентрации носителей заряда в p-i-n -диоде.

Предположим, что структура симметричная: N AE = N DE , N A = N D . Из условия симметрии можно записать:

Up +« Un + , < Ump - Umn .(2)

Пренебрегая падениями напряжений на высоколегированных областях U p+ и U n+ , падение напряжение на всей диодной структуре можно записать в виде (3):

US = Ui + U2 + Ump + Umi + Uз + Umn + U4 .(3)

Учитывая (3), согласно [4, с. 82‒88], расчетная прямая ветвь ВАХ GaAs p-i-n -диода будет такой:

I = Is [exp( U^) -1],(4)

4Фт где Is=qniSW/тп - ток насыщения диода, m=4 - коэффициент неидеальности p-i-n -структуры, US – напряжение, приложенное к p-i-n-диоду.

На экспериментальных образцах диодов в количестве 20 шт., было проведено исследование прямой и обратной ветвей ВАХ , а также проведено измерение времени обратного восстановления. Усреднненная прямая ветвь ВАХ при T=300 K приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Прямая ветвь ВАХ GaAs p-i-n –диодов.

Согласно полученным экспериментальным данным, был уточнен коэффициент неидеальности p-i-n –диода. Записывая соотношение (4) в виде:

• 1    / I   1A ¹   Us

ln(— + 1) =   • — ,                              (5)

Is      m Pt мы получим уравнение прямой в координатах ln(I/Is-1) – Us/φT, у которой тангенс угла наклона равен 1/m (tg(α)=1/m). С учетом вычисленного значения коэффициента неидеальности (m=2,23), прямая ветвь ВАХ будет записана следующим образом:

• ¹ = I s [exp⁽ - U ^) ^- 1] ,                            (6)

2,25^.

где I s – ток насыщения, составил величину – I s =3,2·10^-10 А .

Исследование обратной ветви ВАХ проводилось в диапазоне температур от 25^o C до 250^o C и показало, что зависимость обратного напряжения от температуры не приводит к увеличению тока более 1 мА (рисунок 4). При этом напряжение лавинного пробоя [5, с.103‒117] достаточно стабильно и не ниже 800 В . То есть, в диапазоне 25‒250^o C обратное напряжение практически не снижается.

Анализ измеренных значений времени обратного восстановления   tRR экспериментальных образцов GaAs p-i-n-диодов [5, с.117‒119] показывает, что среднее значение данной величины – tRR=54,5 нс (см. таблица 1). Полученное значение вполне приемлемо для использования диодов в быстродействующей электронике. Отметим лишь то, что на подобных структурах возможно получение времени обратного восстановления менее 10нс (trr^10 нс). Но это комплексная задача, включающая как оптимизацию физической структуры кристалла GaAs p-i-n-диода, так и решение сложных задач разработки технологических процессов.

Рис. 4. Зависимость обратного тока диодов от обратного напряжения для различных температур.

Таблица 1

Время обратного восстановления экспериментальных образцов диодов

Номер диода	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
t RR , нс	80	60	50	50	50	60	50	40	50	40

	Продолжение таблицы 1
Номер диода	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	Ср.
t RR , нс	50	40	60	60	50	50	50	80	50	70	54.5

На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что статические и динамические характеристики GaAs p-i-n -диодов вполне позволяют использовать их в быстродействующих устройствах электронной техники.