Современная электроника №3/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2020 Новое поколение GaAs-диодов: n-i-p («ниппель») диоды Диоды n-i-p – биполярная уникаль- ность, это связано с двухсторонней инжекцией в высокоомную p-базу из: ● n + -GaAs-подложки; ● p + -AlGaAs-анода (изотипный инжек- тор). В итоге образуется мощная, быстро аннигилирующая при переключе- нии ЭДП-плазма. Электроны – неос- новные носители «с потолочной», согласно классическим представле- ниям, подвижностьюμ n → 8000 см 2 /В•с. При включении диодов формируется релятивистский импульс «подготовки к включению» (в среднем или дальнем СВЧ-диапазоне) p-n-переходов (n + - p – и p + - p – ). В силу большой скорости про- никновения дырок в p – -область форми- руется плюсовой динамический заряд вблизи границы n + -p – перехода, который и приводит к механизму дифференци- ального отрицательного сопротивле- ния (ДОС) на прямой вольт-амперной характеристике (то есть приводит к снижениюU F против изначального U F0 ). Мало того, что n-i-p-диоды в перспек- тивевытеснятSiCSBDвклассе600–800В, к тому же от них можно ожидать и таких проявлений, как вполне объяс- нимая с физической точки зрения ДОС на прямой ВАХ в случае гетероанода. Гетероструктура n-i-p («ниппель») диода способна совмещать в себе силовой гиперскоростной диод (допу- стим, на 600 В при частотах коммута- ции 10–20 МГц) и объёмный лазер со сверхмощным излучением на едини- цу объёма. Пожалуй, самый мощный, по прогнозам, в своём классе. Также гетероструктура может выступать в качестве эффективнейшего сол- нечного элемента, сверхдобротного варикапа, великолепного коммута- тора (СВЧ) или СВЧ-смесительного диода. ДОС в этом случае будет играть непоследнюю роль. В силу специфи- ки структуры на таких диодах могут быть выполнены сверхмощные ЛПД- генераторы со SMART-оптическим управлением. Материнские n + -p – -плёнки под n-i-p («ниппель») структуры – это возмож- ность построения СВЧ n-i-p-диодов и мощных фотодиодов (фотодетекторов) с рабочими частотами вплоть до 60 ГГц. Почему всё вышеперечисленное имеет чёткое обоснование? Дело в исходном уникальном материале. LPE n + -p – -GaAs-структуры содержат в p – -слое квантово-точечно-атомныемаг- нитные центры, что также имеетместои в n + -n – -GaAs-структурахподперспектив- ные высоковольтные, с субнановремена- ми SBD(см. далее). Профиль легирования исходнойn + -p – -структурыпод гетероди- однуюструктуру (HBD) былпредставлен вматериалахМеждународного IEEE семи- нара по проектированиюи технологии производства электронных средств (SED- 2019). Мероприятие состоялось в апреле 2019 года вПраге. В томчисле былпред- ставлени типовойвариантHBD-диода в качествефотовольтаического диода [10]. Фотодиодыс высочайшимуровнемреак- циина солнечное излучение в комбина- ции сфононнойLPEGaAs-электроникой идеальны для измерения спектра излу- чения магнитного поля Солнца. Они используются в космических аппара- тах, таких как упомянутый зонд PARKER. Частотные и динамические характе- ристики n-i-p («ниппель») отражены в таблицах 3, 4, 5. Комплементарные LPE GaAs-диоды Шоттки (SBD) на базовых эпитаксиальных плёнках n- и p-типов проводимости MOCVD GaAs SBD широко распро- странены на СВЧ-рынке. Силовые MOCVDGaAs-диоды появились в начале 2000-х годов, когда на мировой рынок с ними вышла американская фир- ма IXYS. Но газотранспортная эпи- таксия не позволяла получить диод- ные SBD-чипы с уровнем напряжений выше 250–300 В и токами свыше 15 А на чип. Фирма выпускала GaAs-диоды и через 10 лет сняла их с производства. По инерции несколько лет выпускала их английская фирма Semelab. Эстафету подхватили и в НИИПП в Томске (про- изводили с помощью хлоридного мето- да), но пока сложно судить о результате. Потенциал LPE GaAs SBD на эпитак- сиальных структурах с квантово-точеч- ными атомно-магнитными центрами, радиус которых идентичен радиусам атомов Ga и As, очень велик. Данная оценка базируется на макет- ных, пробных чипах GaAs SBD, полу- ченных в Великом Новгороде на базе АО «ОКБ-Планета». Оценка позволя- ет с большим оптимизмом смотреть Таблица 3. Сравнительные характеристики LPE GaAs SBD c MOCVD SiC-, GaN-, GaAs-, Si-диодами; LPE p-i-n GaAs-, LPE n-i-p GaAs-диодами (600 В) Тип, класс приборов T j (°C) I rr , A t rr , нс Q rr , гКл Условия испытаний GaN SBD 25 175 1,88 1,80 19,4 19,6 19,7 19,9 U R = 400 В; I F = 4 A; di/dt = 200 A/мкс SiC SBD 25 175 1,08 1,12 11,8 13,2 7,4 8,2 Si Diode 25 175 3,58 8,14 26,6 116 51,7 403 MOCVD GaAs SBD 25 175 1,3 1,4 20 23 15 18 U R = 400 В; I F = 4 A; di/dt = 200 A/мкс LPE p-i-n GaAs* 25 300 2,7 2,6 24 23 32 30 U R = 110 В; I F = 14,6 A; di/dt = 210 A/мкс LPE GaAs SBD* 25 300 0,5 0,5 ≤ 5 ≤ 5 3 3 U R = 400 В; I F = 4 A; di/dt = 200 A/мкс LPE n-i-p GaAs* 25 300 1 1 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 20 ≤ 20 U R = 110 В; I F = 15 A; di/dt = 200 A/мкс * прогноз Таблица 2. Сравнительные характеристики SiC- и LPE GaAs-диодов (1200 В) Тип, класс приборов U RRM , В I F , A U Fmax , В C (pF) U R =0 f=1МГц t rr * (нс) (I Fmax ) Q rr * гКл (I Fmax ) Предельная частота коммутации, МГц 25°С 150°С 25°С 150°С 1. IDW40G120C5B (SiC) [14] 1200 55 20 1,65 2,20 1500 ≥ 30 202 ≤ 2 2. C4D2012OH (SiC) [15] 1200 50 20 1,8 3 1500 ≥ 30 200 ≤ 2 3. GaAs HJSBD* 1200 50 50 ≤ 0,5 ≤ 0,5 600 ≤ 15 20 5…8 4. LPE p-i-n GaAs* 1200 50 50 1,9 2 40 80 2000 1 5. LPE n-i-p GaAs* 1200 50 50 1,5 1,3 50 30 40 10 * U R = 800 В; I F = I Fmax ; di/dt = 200 А/мкс Si UFRED – не рассматриваются, их частоты коммутации на порядок ниже