ПИКОСЕКУНДНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ДРЕЙФОВЫЕ ДИОДЫ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

July 26, 2012 by admin Комментировать »

Рожков А. В., Козлов В. А. Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26, Россия Тел.: (812) 2479931; e-mail: rozh@hv.ioffe.rssi.ru

Аннотация Представлены экспериментальные результаты исследования динамики восстановления блокирующих свойств р-n перехода арсенидгаллиевых (GaAs) диодов на основе слаболегированных слоев, полученных методом эпитаксиального выращивания. Изученные диоды принадлежат к классу дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и предназначены для работы в схемах формирования мощных электрических импульсов пикосекундной длительности. Полученные значения скорости восстановления обратного напряжения (dU/dt~2000 V/ns) значительно превосходят предельные скорости восстановления известных нам диодов с накоплением заряда и являются рекордными для ДДРВ.

I.  Введение

Возможность использования быстрого дрейфового механизма восстановления блокирующих свойств р-n переходов для формирования быстрых перепадов напряжения в нагрузке впервые была показана при исследовании Si высоковольтных диодов[1]. В настоящее время Si ДДРВ хорошо известны как ключевые элементы генераторных схем, формирующих нанои субнаносекундные киловольтовые импульсы напряжения [2]. Большие перспективы связаны, на наш взгляд, с использованием иных полупроводниковых материалов, обладающих большими по сравнению с Si, шириной запрещенной зоны и подвижностью неравновесных носителей заряда, а значит и дрейфовой скоростью при сопоставимых значениях напряженности электрического поля. В последние годы продемонстрированы первые результаты исследования ДДРВ на основе GaAs [3] и S/C [4]. Лучшие из опубликованных ранее результатов по временам восстановления блокирующего напряжения ДДРВ лежат в пределах субнаносекундного диапазона, а пикосекундный диапазон до последнего времени оставался доступным лишь диодам с накоплением заряда.

II.              Получение и основные электрофизические параметры GaAs ДДРВ

Жидкофазная эпитаксия из ограниченного раствора-расплава арсенида галлия в галлии была использована как базовая технология выращивания исследованных нами р*-р-п-п+ диодных структур. Основные усилия при использовании этой технологии были направлены на создание достаточно узких базовых р и п -областей (Wn ~WP ~1рт ?10 рт) с предельно низкими уровнями концентрации на границе слоя объемного заряда. Предельные электрофизические параметры диодных структур соответствовали следующим значениям: максимальные блокирующие напряжения Up.n = 220 V\ типичные значения токов при обратном смещении р-n перехода в интервале от 0 до 0,9-Up.n 1??? ~ 1 рА при комнатной температуре и -10 рА при 200 °С; времена жизни дырок в п базе тр ~ 20760 ns; толщина р°и п°-областей, соответственно, Wp ~ (3?5) pm v\Wn~ (5712) рт; емкость р-n перехода при нулевом смещении и площади S -3-10′4 см2 Ср.п~2 pF.

III. Эксперимент

Динамические параметры были измерены в типичном для дрейфовых диодов режиме импульсного питания прямым и обратным токами [1]. Величина заряда Qf накопленного при протекании прямого тока к моменту начала нарастания обратного тока, составляла 0,5 пС 5 пС.

На втором этапе, при переключении диодной структуры обратным током величина тока дырок через р-n переход задавалась скоростью нарастания импульса обратного напряжения. В наших экспериментах время нарастания обратного напряжения (Тг) составляло ~500ps -1000ps. Поскольку в изготовленных GaAs ДДРВ заряд, перенесенный обратным током 1п соответствует заряду QF, то значение амплитуды обратного тока к моменту спада концентрации дырок до нулевого значения (Т0) строго контролировалось амплитудой и длительностью прямого тока, либо задержкой между временем нарастания обратного тока и спада прямого. С момента Т0 начинается процесс восстановления напряжения на появившейся области пространственного заряда и длительность фазы спада обратного тока соответствует фронту нарастания tr импульса напряжения, формируемого на нагрузке. Сравнительный уровень достигнутых в данной работе результатов приведен в Таблице1 основных технических параметров экспериментальных GaAs ДДРВ и диодов с накоплением заряда (Step Recovery Diodes) с указанием названия фирм изготовителей.

IV.  Заключение

Представленью результаты подтверждают перспективное использования GaAs для изготовления сверхбыстрых переключателей с пикосекундным быстродействием .

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант N 02-02-08028) и ЗАО “Импульсные технологии”. Авторы выражают признательность С. В. Зазулину и А. Ф. Кардо-Сысоеву за помощь в проведении экспериментов и полезные замечания при обсуждении полученных результатов.

Таблица 1. Параметры экспериментальных GaAs ДДРВ и SRDs с указанием фирм изготовителей. Table 1. Parameters of experimental GaAs DSRDs and commercially produced SRDs.

Изготовитель

Тип диода

dU/dt, V/ns

ubr V

^ р-П) v

tp, ns

tr, PS

О

с

LL

О

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 литературы

[1]     Гоехов И. В., Ефанов В. М., Кардо-Сысоев А. Ф., Шендерей С. В. // Письма в 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. И., Рожков А. В., Петропавловская Л. АЛ Письма в ЖТФ. 2001. Т.27. В.17. С.46-50

[4]     Гоехов И. В., Иванов П. А..Константинов А. О., Самсонова Т.П. // Письма в 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.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты