СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 16 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 с E = 200 кэВ составит ≈ 60 000 зонных электронов, а это соответствует уров- ню легирования ≈ 10 18 см -3 донорной примеси в полупроводнике. На самом деле конус имеет на порядки меньшее нижнее сечение и, следовательно, даже сверхлёгкие электроны с энергиями больше, чем водородоподобная запре- щённая зона (энергия ионизации ато- мов GaAs ≈ 6,8 эВ), будут иметь очень большую плотность в плазменном элек- тронно-дырочном канале, стремящую- ся к уровню > 10 18 см -3 . В таком случае, из слабого приближения бета-генера- ции V = μ E скорость сверхлёгких элек- тронов будет не меньше 10 8 см/с (в GaAs максимальная «зонная» скорость пролё- та электронов – 2 × 10 7 см/с, а подвиж- ность электронов может достигать при энергиях до ≈ 7 эВ до половины значе- ния такого «сверхподвижного» полу- проводника, как InSb (0,18 эВ). В таком случае возникает вопрос: а как эффек- тивно «собирать» сверхлёгкие электро- ны в том же СВЧ-диапазоне? И далее: что же с временем пролёта электро- нов в ОПЗ шириной 50 мкм? Из при- ведённых рассуждений вы, вероят- но, поняли, что поверхность области пространственного заряда в данном случае не является эквипотенциаль- ной, и она в филаментарных объёмах (в субнано/наноскопических объё- мах) при уровне плотности «сверхлёг- кой» электронно-дырочной плазмы > 10 18 см -3 составит ширину ОПЗ все- го не более 100 нм. Фактически, это – субнано-, нано-плазменный генератор, с другими механизмами скорости про- лёта носителей, которые будут близки к временам релаксации в полупрово- днике. Как же конструктивно «собрать» такую мгновенную энергию по раз- ные стороны ОПЗ i-слоя GaAs? На пер- вый беглый взгляд есть два варианта. Один из них – на высоколегированные нанослои наносить, например, «про- зрачную» для 100 кэВ плёнку металла в несколько десятков нанометров, допу- стим, плазмоидного алюминия. В дру- гом варианте, вероятно, более эффек- тивном, на поверхности i–n- и i–p- областей i-слоя GaAs можно вырастить от 30 нм «собственного» германия, в котором образуется очень плотный 2ДЭГ (> 10 14 см -2 ), который, обладая прекрасной подвижностью электро- нов, выполнит необходимую дивер- генцию генерируемых зарядов в сверх- лёгкой плазме. Напомним, что, в отли- чие от гетероструктуры Si-Ge, система Ge-GaAs имеет очень хорошее физи- ческое согласование (по построенной решётке они практически идентичны: по а = 0,56 нм, а по ТКР расхождение составляет ≈ 1–2%, в то время, как рас- согласование решёток Si и Ge состав- ляет более 4,0% (что для эпитаксии на грани фола). По ТКР разница вовсе катастрофическая: почти в 2,5 раза (!), что в итоге скажется на возможности достижения высоких рабочих темпе- ратур. Необходимо отметить и высо- кую подвижность дырок в собственном германии ≈ 2 × 10 3 см 2 /В × с, что почти в два раза выше подвижности электро- нов в GaN. Сюда же, в качестве положи- тельного показателя, следует отнести и высокую радиационную стойкость Ge к дефектообразованию пар Френкеля > 350 кэВ, а это говорит о возможности расширения выбора высокоэнергетич- ных изотопов для системы Ge–i-GaAs. В актив бета-процессов в LPE i-GaAs можно отнести и поглощение кванто- вого излучения рентгеновского диа- пазона, который имеет угол излуче- ния 2 π , то есть во всем объёме кри- сталла полупроводника, прилегающего к плазменному генерационному каналу (не путать с «тормозным» излучением при траектории электрона в ядерном кулоновском поле, которое резко ани- зотропно и, фактически, является вол- новым каналом для облегчения пролёта электронов в решётке). Рентгеновские кванты поглощаются достаточно силь- но легированной амфотерными атома- ми кремния или германия решёткой GaAs, допустим, на типовом уровне ∼ 1 × 10 15 – 5 × 10 15 см -3 с энергией иониза- ции (по водороду) ≈ 0,7 эВ, что приведёт к генерации одновременно (!) электро- нов и дырок (попарно, поскольку это и акцепторные, и донорные примес- ные центры), идентичной фото–ЭДС- генерации (солнечная фотовольтаика), что также усилит КПД бета-источника питания на основе LPE i-GaAs. В ЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ p–n- ПЕРЕХОДОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ БЕТА - ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ Известно, что дивергенция тока через равновесный p–n-переход равна нулю, то есть в объёме p–n-перехода генера- ционный ток уравновешивается реком- бинационным. При радиационном воздействии электроном на кристалл мы смещаем равновесие в сторону генерации, но вопрос в том, насколь- ко эффективно. Эффективность зави- сит от рекомбинационных процессов как в объёме полупроводника, так и на поверхности, и будет сильно зависеть от времени жизни носителей заряда. Площадь поверхности p–n-переходов в бета-источниках достигает значи- тельных размеров, и токи «обратной» утечки будут резко снижать долю гене- рируемых электронно-дырочных пар. В этой ситуации очень важно энергети- чески оптимально связать энергетику поверхности в части резкого снижения плотности поверхностных зарядовых состояний N ss /cм 2 до уровня не выше чем 10 11 см -2 . Во-вторых, необходимо, чтобы эти заряды не «двигались» при высоких рабочих температурах и не усиливали обратный паразитный ток через p–n-переход во время бета-гене- рации. В-третьих, что исключитель- но важно, необходимо, чтобы поверх- ность p–n-перехода была невосприим- чива к электронной радиации или, во всяком случае, была бы нивелирована до сверхмалых величин – уровня еди- ниц, максимум десятков фемтоампер. С этой задачей на кремнии неплохо справляется пассивация в виде системы SIPOS (поликремний/оксид/нитрид) или стёкла на основе Al 2 O 3 /PbO/SiO 2 . На арсениде галлия проблема решает- ся сложнее. GaAs – чрезвычайно энерге- тически активный материал на грани- це раздела GaAs-среда. Обеднение моле- кулами As, мгновенное образование хемосорбных оксидных соединений в атмосфере (до пяти типов оксидов), активная адсорбция – всего, что есть в пограничной среде, делает его поверх- ность неуправляемой, что, конечно, сказывается на уровне поверхностной рекомбинации зарядов, вплоть до токов практически короткого замыкания. Рас- пространённая практика пассивации полуизолятора GaAs в P-HEMT, MESFET, Ганна-диодах, GaAs SBD на основе нитрида кремния с его плотностью состояний на границе раздела Si 3 N 4 / GaAs на уровне от 10 13 см -2 и выше, ни к чему хорошему не приведёт. Это слож- ная задача, но мы её решили: получили ALD-защиту LPE GaAs p–i–n-перехода, которая гарантирует «темновые» токи на фемтоамперном уровне и, что очень важно, при высоких рабочих темпера- турах, вплоть до +300 ° С. Фактически, это исключительное технологическое достижение, полученное нашими пар- тнёрами по проекту, разработчиками ALD-технологии пассивации поверхно- сти i-GaAs. Это неоценимый результат, открывающий дорогу для новой элек- тронной индустрии. © СТА-ПРЕСС