Рожков А. В., Козлов В. А. Фізико-технічний інститут ім. А. Ф. Іоффе РАН 194021, Санкт-Петербург, вул. Політехнічна, 26, Росія Тел.: (812) 2479931; e-mail: rozh@hv.ioffe.rssi.ru

Анотація Представлені експериментальні результати дослідження динаміки відновлення блокуючих властивостей р-n переходу арсенідгалліевих (GaAs) діодів на основі слабколегованих шарів, отриманих методом епітаксійного вирощування. Вивчені діоди належать до класу дрейфових діодів із різким відновленням (девіантних дитячо-батьківських) і призначені для роботи в схемах формування потужних електричних імпульсів пикосекундной тривалості. Отримані значення швидкості відновлення зворотної напруги (dU / dt ~ 2000 V / ns) значно перевершують граничні швидкості відновлення відомих нам діодів з нагромадженням заряду і є рекордними для девіантних дитячо-батьківських.

I. Вступ

Можливість використання швидкого дрейфового механізму відновлення блокуючих властивостей р-n переходів для формування швидких перепадів напруги в навантаженні вперше була показана при дослідженні Si високовольтних діодів [1]. В даний час Si девіантних дитячо-батьківських добре відомі як ключові елементи генераторних схем, які формують нано субнаносекундние кіловольтовие імпульси напруги [2]. Великі перспективи пов’язані, на наш погляд, з використанням інших напівпровідникових матеріалів, що володіють великими в порівнянні з Si, шириною забороненої зони і рухливістю нерівноважних носіїв заряду, а значить і дрейфовой швидкістю при порівнянних значеннях напруженості електричного поля. В останні роки продемонстровані перші результати дослідження девіантних дитячо-батьківських на основі GaAs [3] і S / C [4]. Кращі з опублікованих раніше результатів за часами відновлення блокуючого напруги девіантних дитячо-батьківських лежать в межах субнаносекундного діапазону, а пикосекундной діапазон до останнього часу залишався доступним лише диодам з накопиченням заряду.

II. Отримання та основні електрофізичні параметри GaAs девіантних дитячо-батьківських

Жидкофазная епітаксії з обмеженого розчину-розплаву арсеніду галію в галії була використана як базова технологія вирощування досліджених нами р *-р-п-п+ діодних структур. Основні зусилля при використанні цієї технології були спрямовані на створення досить вузьких базових р і п-областей (Wn ~WP ~ 1РТ? 10 рт) з гранично низькими рівнями концентрації на кордоні шару об’ємного заряду. Граничні електрофізичні параметри діодних структур відповідали наступним значенням: максимальні блокуючі напруги Up.n = 220 V \ типові значення струмів при зворотному зміщенні р-n переходу в інтервалі від 0 до 0,9-Up.n 1??? ~ 1 РА при кімнатній температурі і -10 РА при 200 ° С; часи життя дірок в п базі тр ~ 20760 ns; товщина р ° і п °-областей, відповідно, Wp ~ (3?5) pm v\Wn~ (5712) рт; ємність р-n переходу при нульовому зміщенні і площі S -3-10 ‘4 см2 Зр.п~2 pF.

III. Експеримент

Динамічні параметри були виміряні в типовому для дрейфових діодів режимі імпульсного харчування прямим і зворотним струмами [1]. Величина заряду Qf накопиченого при протіканні прямого струму до моменту початку наростання зворотного струму, становила 0,5 пс 5 ПС.

На другому етапі, при перемиканні діодним структури зворотним струмом величина струму дірок через р-n перехід задавалася швидкістю наростання імпульсу зворотного напруги. В наших експериментах час наростання зворотної напруги (Тг) Становило ~ 500ps-1000ps. Оскільки в виготовлених GaAs девіантних дитячо-батьківських заряд, перенесений зворотним струмом 1п відповідає заряду QF, То значення амплітуди зворотного струму до моменту спаду концентрації дірок до нульового значення (Т0) Строго контролювалося амплітудою і тривалістю прямого струму, або затримкою між часом наростання зворотного струму і спаду прямого. З моменту Т0 починається процес відновлення напруги на що з’явилася області просторового заряду і тривалість фази спаду зворотного струму відповідає фронту наростання tr імпульсу напруги, формованого на навантаженні. Порівняльний рівень досягнутих у цій роботі результатів наведено в таблиці 1 основних технічних параметрів експериментальних GaAs девіантних дитячо-батьківських і діодів з нагромадженням заряду (Step Recovery Diodes) із зазначенням назви фірм виробників.

IV. Висновок

Представлені результати підтверджують перспективне використання GaAs для виготовлення надшвидких перемикачів з піко секундні швидкодією.

Робота виконана при частковій фінансовій підтримці РФФМ (грант N 02-02-08028) і ЗАТ “Імпульсні технології”. Автори висловлюють вдячність С. В. Зазуліна і А. Ф. Кардо-Сисоєву за допомогу в проведенні експериментів і корисні зауваження при обговоренні отриманих результатів.

Таблиця 1. Параметри експериментальних GaAs девіантних дитячо-батьківських і SRDs із зазначенням фірм виробників. Table 1. Parameters of experimental GaAs DSRDs and commercially produced SRDs.

Виробник

Тип діода

dU/dt, V/ns

ubr V

^ Р-П) v

tp, ns

tr, PS

Про

з

LL

Про

Hewlett Packard

SRD

330

25

25

75

0.3

Hewlett Packard

SRD

240

60

100

250

1.5

Alpha

SRD

225

45

25

200

0.8

Alpha

SRD

190

75

200

400

1.4

MACom

SRD

430

30

8

70

0.2

MACom

SRD

330

50

15

150

0.7

Ioffe Institute

SRD

2500

500

200

200

100

Ioffe Institute

SRD

2000

220

40

100

2.5

V. Список літератури

[1] Гоехов І. В., Єфанов В. М., Кардо-Сисоєв А. Ф., Шендерів С. В. / / Листи до ЖТФ.1983.Т.9.В. 7. С. 435-439.

[2] Kardo-Sysoev A. F., Efanov V. М., Tchashnikov I. G. Н Proc.XIl Pulsed Power Conf. Albuquerque, USA. 1995.

P.342.

[3] Корольков В. І., Рожков А. В., Петропавлівська Л. АЛ Листи в ЖТФ. 2001. Т.27. В.17. С.46-50

[4] Гоехов І. В., Іванов П. А.. Константинов А. О., Самсонова Т.П. / / Листи до ЖТФ 2002. Т. 28.В.13. С.24-29.

GaAs PICOSECOND HIGH-VOLTAGE DRIFT DIODES

Rozhkov A. V., Kozlov V. A.

Ioffe Physico-Technical Institute, RAS 26 Politechnicheskaya Str., St Petersburg,

Russia, 194021 phone: +7 (812) 2479972, e-mail: rozh@hv.ioffe.rssi.ru

Abstract Experimental results of studying recovery dynamics of GaAs diodes based on weakly-doped layers grown by liquid-phase epitaxy are presented. The diodes belong to a class of drift step recovery diodes (DSRDs) and are intended for operation in circuits generating high-power picosecond pulses. The obtained values of recovery rates for the reverse voltage (dU/dt~2000V/ns) considerably exceed the highest recovery rates of known picosecond charge-storage diodes (CSDs) and are record values for DSRDs.

I.   Introduction

Only two categories of GaAs non-optoelectronic applications exist which are regularly mentioned in various scientific sources: microwave devices and circuits, as well as digital ICs. The information presented in this paper intends to focus on pulsed power applications where superior properties of GaAs switching devices may find extensive use. The paper considers the concepts behind the design of high-voltage GaAs DSRDs. Similar concepts were previously suggested for Si DSRDs [1]. Nowadays Si DSRDs are widely used as principal devices in various pulse power generator circuits [2]. Recently the first experimental results have been reported for wide-gap materials, such as GaAs [3] and SiC [4] DSRDs. Subnanosecond transition times were previously observed with these DSRDs, while picosecond transition times were restricted to low-voltage SRDs only. The progress in developing picosecond high-voltage DSRDs has been achieved for GaAs materials.

II.Device manufacture and DC measurements

High-voltage GaAs DSRDs were fabricated using a special process of a Liquid-Phase Epitaxy (LPE). The diode р-n junction was formed with weakly doped (‘intrinsic’) GaAs layers grown from a limited amount of epitaxial solution of GaAs in Ga on a p-type doping substrate. Compensation processes are critical in this technology, therefore considerable attention was paid to the purity of materials and gas system, thermal treatment conditions for the epitaxial solution, selection of initial temperature of crystallization and to the epitaxial solution cooling rate. The devices were checked using l-V and recovery time measurements. The maximum operating voltages were about 200V with breakdown voltages close to 220V. A typical leakage current at 0.9-Umax was below 1|jA at room temperature and ~10|jA at 200°C. The charge carriers lifetime test showed 2060ns values for injected holes. The thickness of pand n-layers was Wp~ (3 ^ 5) | jm and W “~ (5-H2) | jm. The р-n junction capacitance at the zero bias and at S-310 ‘4cm2was Cp.n~2pF.

III.  Experiment

Step recovery performance has been tested in accordance with the concept suggested for Si DSRDs. For these tests a specially designed pulsing circuit was used. In the first half of a switch cycle the pulse generator supplied a pulse storing a charge in the DSRD. Following a forward current pulse the generator supplied a voltage step (du/dt~160V/0.5ns) which reversed the diode current. The storage phase ends when the stored charge depletes and the diode suddenly becomes an open circuit causing the output ofthe generator to be applied to the load. The fall time of the diode reverse current tr equaling the rise time ofthe voltage at the load corresponds to the transition rise time. The results obtained are listed in Table 1 together with the data for well-known commercially produced Si SRDs. It should be noted that GaAs DSRDs in terms of transition times outperform low-voltage Si SRDs and exceed all diodes as regards operating voltages and switching rates.

IV.   Conclusion

It has been shown that even with inherently short carrier lifetimes GaAs might be considered as an alternative material for DSRDs. The new advanced design of these devices favorably differs from those proposed previously. It should be expected that in the nearest future GaAs would be the material bringing about another breakthrough in the high-voltage pulse switches performance.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.