Гетеропереходы oсновы современной электротехники и микроэлектроники. Султанов А. М

ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ OСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ.
Султанов А.М НамИTИ, г. Наманган ул. Касансайская 9. Кафедра физика, доцент. sulix80@ mail.ru
Аннотация Целю данной работы является исследование гетерострурные материалы и созданные на их основе субнаносекундные полупроводниковые приборы – коммутаторы, а также изучение режима субнано- и пикосекундная включения фотонно-инжекционных коммутатора созданная на основе слабо-легированного GaAs и его твердых растворов AlGaAs и их перспективы применения в волоконно-оптических линиях связи, радиолокации, ракета технике, космических отраслях и оптоэлектронике.
Ключевые слова: Гетеро структурные полупроводники, гетеропереходы, слаболеги-рованные слои, коммутация импульса, субнано- и пикосекундная коммутация импульсов, оптоэлектронные приборы.
Введение В настоящее время быстро развивается субнано- и пикосекундная импульсная техника, что связано с потребностями лазерной, локационной, радиопередающей техники, а также техники физического эксперимента. Одна из основных возникающих при этом проблем - создание ключевого прибора данного способного коммутировать большие мощности (от сотен Вт до МВт в импульсе) при высокой надёжности и стабильности параметров коммутации. Однако, известные полупроводниковые приборы, такие как туннельные диоды, СВЧ транзисторы, диоды с накоплением заряда коммутируют мощности не более нескольких ватт.
Наиболее мощные приборы - кремниевые диодные, транзисторные и тиристорные обострители [1], оптоэлектронные ключи [2] требуют очень сложных схемы для запуска, имеют низкую предельную рабочую температуру, а также небольшие предельно допус-тимые частоты повторения импульсов. В современной микроэлектронике все больший интерес представляют применения большие сложных полупроводниковых структур, которые образуются при совместном использовании материалов разного вида. В качестве простого примера можно вспомнить об уникальных свойствах переходов металл-полупроводник и создаваемых на их основе диодов, биполярных и полевых транзисторов Шоттки. Но еще более перспективными являются приборы, в которых для создания полу-проводниковых структур совместно используются разные химические элементы. Такие структуры называются гетерогенными или гетеро структурами. А основным элементом гетероструктур различного типа является гетеропереход. Гетеропереход – это переход, который образуется в месте контакта различных по химическому составу полупроводников. На границе раздела изменяется обычно ширина запрещенной зоны ∆Е, подвижность носителей тока, их эффективные массы и др. характеристики полупроводников. Идеальная стыковка кристаллических решёток в полупроводниковый гетеропереход возможна лишь при совпадении типа, ориентации и периода кристаллических решёток сращиваемых материалов.
Метод. Особенностью технологии получение низкотемпературный процесс крис-таллизации GaAs моноэпитаксиальных слоёв с получением уникального сочетания свойств i – GaAs слои – исключительно низкая дефектность, высочайшая кристаллог-лографическая однородность, великолепные изоляционные свойства высокая подвиж-ность электронов. Гетеропереходы, с различной шириной запрещенной зоны и различной степенью легирования, получили широкое практическое применение в излучающих и фотоэлектрических приборах (светодиоды, лазеры, фотодиоды и.др). Использование гетеропереходов в полевых и биполярных транзисторах позволяет значительно увеличить их рабочие частоты, что важно в сверхвысокочастотных (СВЧ) аналоговых и сверхскоростных цифровых ИС. Для получения гетеропереходов обычно используется метод жидкостной эпитаксии, позволяющий изготовить не только двух-слойные но и многослойные (четырех – пятислойные) гетеро структуры. При этом полу-проводники должны иметь близкие кристаллические структуры с практически равными параметрами кристаллической решетки. Большая заслуга в получении полупроводнико-вых гетеропереходов и исследованиях их свойств принадлежит лауреату Нобелевской премии по физике академику Ж.И. Алферову и возглавляемой им научной школе [3,4]. Наиболее освоенными являются гетеропереходы между твердыми растворами полупроводниковых соединений А³В⁵: Al_xGa_1-xAs – GaAs, GaAs_xP_1-x – GaAs, GaAs_xP_1-x – GaP, Ga_xIn_1-xAs – InP и др. (здесь х=0,2, … 0,3 – атомное содержание одного из компонен-тов твердого раствора) При этом толщины эпитаксиальной пленки твердого раствора достигает 0,1…2,0 мкм. Изменяя процентное содержание исходных полупроводников AlAs и GaAs или InAlAs и InGaAs можно регулировать ширину запрещённой зоны Е, шаг кристаллической решётки или высоту пика ∆Е в энергетической диаграмме гетеро-перехода. Одной из наилучших пар для создания гетероперехода является GaAs – AlGaAs [7]. Гетеропереходы применяются в различных полупроводниковых приборах. Например, потенциальная яма, формируемая пиком в энергетической диаграмме перехода, позволяет увеличивать к.п.д. светоизлучающих электронных приборов, таких как полупроводнико-вые лазеры или светодиоды. Применение гетеропереходов в эмиттере биполярных транзисторов НВТ позволяет увеличить проводимость базы, не опасаясь увеличения обратного тока в цепе эмиттера [6]. Тем самым можно улучшать частотные свойства транзистора или добиваться больших токов, по сравнению с обычной структурой транзистора. Большая высота барьера гетеропереходов позволяет улучшить параметры излучающих оптоэлектронных приборов. Свойство односторонней инжекции в р-п гетеропереходах с сильнолегированной базой может использовано в биполярных транзисторах. Гетеропереходы между полупро-водниками одного типа проводимости применяются для создания полевых СВЧ транзис-торов и сверхскоростных цифровых ИС. Цикл работ, выполненных в последние годы, показал перспективность применения гетеропереходов и оптического способа управления для создания тиристоров повышенного быстродействия на основе GaAs - AlGaAs. Исследования прибора, названного фотонно - инжекционным импульсным комму-татором (ФИИК), который содержит в качестве составных транзисторов оптотранзистор с гетеро светодиодном управления и транзистор с высоковольтным р⁰- n⁰ переходом, пока-зали возможность коммутации больших мощностей трех электродными полупроводни-ковыми приборами в субнано-секундном диапазоне [5 - 8]. Создание импульсных транзис-торов и тиристоров на основе гетероструктур GaAs-АlGaAs стало возможным благодаря разработке основ технологии получения высоковольтных р⁰-n⁰ переходов на базе нелеги-рованного GaAs за счёт фоновой компенсации. Однако до конца не выяснен механизм фоновой компенсации при формировании плавных переходов, что затрудняло, воспроиз-водимо получать приборные структуры