Defect engineering for carrier lifetime control in high voltage GaAs power diodes

Abstract

The paper considers the physical basis for the technique of controllable defect formation at heterointerfaces and in the bulk of epitaxial GaAs layers in the process of isovalent doping. Results of studying crystal defects and their rearrangement depending on the isovalent doping modes in the process of epitaxial growth are presented. The main aspects of the defect influence on the charge carrier lifetime as well as on the diode structure blocking voltage are analyzed. Particular cases of the developed technique application for controllable defect formation in fabricating such GaAs-based devices as Hyper Fast Recovery Epitaxial Diodes and Drift Step Recovery Diodes are considered.Keywords-gallium arsenide, liquid phase epitaxy, crystal defects, charge carrier lifetime, isovalent doping, turn-off time, fast recovery epitaxial diode, rise time, step recovery diode.

GaAs- A3B5heterostructures for high-speed power diodes manufacturing

“…It has been found previously [7] that, when layers for which the combination of the lattice mismatch and thicknesses is such that elastic stresses are partly relaxed and mismatch dislocations are thereby formed (see below), the composition of the solid solution of a layer tends to be the closest to that in equilibrium. This was confirmed by X-ray microanalysis on a Camebax installation for In x Ga 1-x As layers in which elastic stresses are partly relaxed via formation of a network of linear mismatch dislocations revealed by X-ray topography [7]. Diode chip samples had a form of «mesa» with round base which was obtained by chemical etching of active layers up to substrate around contact pads.…”

Влияние глубоких уровней дислокаций в гетероэпитаксиальных InGaAs/GaAs и GaAsSb/GaAs p-i-n-структурах на время релаксации неравновесных носителей

“…Сильно легированные теллуром n + -GaAs слои эмиттеров диод-ных структур выращивались в графитовой поршневой кассете. Типичное распределение концентрации свобод-ных носителей заряда по толщине GaAs или InGaAs p−i−n-структур и описание методики изготовления таких структур представлены в [2,4]. Профили рас-пределения свободных носителей заряда получали при послойном стравливании структуры из вольт-емкостных зависимостей обратносмещенного барьера Шоттки с помощью ртутного зонда.…”

“…К настоящему времени для создания высоковольтных GaAs p−i−n-структур в основном используется ме-тод жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) из ограниченного раствора−расплава Ga−As с контролируемым распреде-лением остаточных примесей [1][2][3][4]. Как было отмечено в работе [5], существенное влияние на временные ха-рактеристики арсенид-галлиевых диодов (время жизни неравновесных носителей заряда и нарастания пере-падов напряжения), а также на блокируемое диодны-ми структурами напряжение должны оказывать дефек-ты и интерфейсные состояния с глубокими уровнями (ГУ), образующиеся в процессе эпитаксиального ро-ста p−i−n-структур.…”

“…Эти уровни приписывались соответ-ственно дислокациям несоответствия и прорастающим дислокациям и могли действовать как центры рекомби-нации или ловушки для свободных носителей. Ранее в работе [4] было показано, что появление однородной сетки дислокаций несоответствия типично для слоев In x Ga 1−x As толщиной от 50 до 65 мкм с составом x в диапазоне от 1.5 до 3 мол%. Типичное значение плот-ности дислокаций для таких сеток составляло величину порядка 100 cм −1 .…”

“…Типичное значение плот-ности дислокаций для таких сеток составляло величину порядка 100 cм −1 . С появлением и развитием структур-ных дефектов такого типа связывались наблюдаемые эф-фекты значительного уменьшения времени релаксации неравновесных носителей заряда и плавного снижения блокируемых высоковольтными диодными InGaAs/GaAs гетероструктурами напряжений, что обусловливалось постепенным увеличением плотности дислокационной сетки при повышении x до ∼ 3 мол% [4]. Таким об-разом, возникает необходимость проведения работ по выявлению и изучению ансамбля ГУ в гетероструктурах In x Ga 1−x As/GaAs и GaAs 1−x Sb x /GaAs с дислокациями несоответствия и их влияния на времена релаксации неравновесных носителей заряда.…”