УДК 621.382.2
ДИОДЫ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНОГО ФОСФИДА ГАЛЛИЯ
ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ
С.Ю. Ерохин*, В.А. Краснов*, Ю.М. Шварц**, С.В. Шутов*
* Херсонский национальный технический университет, ** Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины
Получена 23 ноября 2007 г.
Сообщается о разработке методики получения эпитаксиальных структур GaP n-p+-типа из жидкой фазы для высокотемпературных диодов. Измерены термометрические характеристики диодов в диапазоне 80¸520К. Показана, в частности, перспективность применения подобных диодов в высокотемпературной термометрии, а также отмечается высокая воспроизводимость термометрических характеристик диодов и низкое энергопотребление.
Введение. Эпитаксиальные структуры фосфида галлия давно и достаточно широко используются в оптоэлектронике. В основном, для изготовления светодиодов и фотоприемников. При этом также известно о перспективности структур широкозонного GaP (Eg»2,26 эВ при комнатной температуре) для разработки приборов высокотемпературной электроники, включая и диодные датчики температуры, способные функционировать при температурах, значительно превышающих достигнутые пределы современных кремниевых сенсоров температуры [1]. В этой связи разработки эпитаксиальных технологий GaP, конструкций и технологий приборов на основе фосфида галлия актуальны. Так, в работе [2] показано теоретически, что верхний предел температур, измеряемых GaP диодными термодатчиками, может быть доведен до температур, превышающих 800 К.
Определения, критерии, уравнения. Термометрической характеристикой (ТМХ) диода считают измеренную зависимость прямого падения напряжения на диоде от температуры при постоянном токе через диод:
при
,
где U – падение напряжения на диоде, I – ток диода, Т – температура.
Считаем, что в процессах токопереноса в n-p+-структуре GaP при выбранных толщинах слоя базы диода nGaP, концентрации носителей в базе, их подвижности, при заданных малых прямых токах через диод диффузионной составляющей общего тока через диод можно пренебречь. В этом приближении токоперенос определяется преимущественно процессами рекомбинации внутри обедненного слоя диода.
В рамках этой модели токопереноса при выводе основных соотношений, определяющих зависимость (1) используется одномерная модель p+-n – перехода (с выполнением условий полной ионизации примесей и невырожденными носителями заряда). Полагаем также, что падение напряжения на n+-, n- и p+ - областях n-p+ - структуры GaP пренебрежимо мало.
С учетом данных допущений ТМХ n-p+ - диода (1) примет вид:
где j – плотность тока, протекающего через p+-n переход; jS – плотность тока насыщения; k – постоянная Больцмана; q – элементарный заряд; n – фактор идеальности вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода.
Из выражения (2) следует, что при j>>jS U(T) стремится к максимальным значениям во всем диапазоне работы диодного термодатчика.
Заметим, что диодная модель токопереноса в p+-n структуре применима только до температур Ti, при которых в n – базе наступает собственная проводимость. Соответствующий анализ для кремниевых диодных термодатчиков сделан, например, в работе [3]. Показано, что Ti, а следовательно и значения T, определенные согласно (2), прямо пропорционально зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника. То есть для создания широкодиапазонных диодных датчиков температуры более перспективны широкозонные полупроводники (GaP, SiC, GaN, AlGaInN и др.). В частности, диодные термодатчики на основе GaP позволят значительно расширить в область высоких температур диапазон измерений температуры по сравнению с применяемыми сейчас в измерительной технике кремниевыми диодными термодатчиками [4].
Эксперимент. Для жидкостной эпитаксии n+-n-p+-структур использовали стандартные полированные подложки n+GaP(Te), n » (1¸5)×1018 см-3, ориентированные в плоскости (100). Слои базы диодов nGaP выращивали в открытой системе, в потоке высокочистого водорода с точкой росы -700С методом зонной перекристаллизации в градиенте температур [5] с фоновым легированием по методу работы [6]. Эмиттерный слой p+GaP наращивали методом принудительного охлаждения раствора-расплава Ga-GaP с добавками легирующих примесей Zn и Mg при температуре начала кристаллизации (900±5)0С.
Электрофизические и структурные параметры эпитаксиальных слоев контролировали на пластинах – спутниках с применением оптической микроскопии, вольт-фарадного метода и измерений эффекта Холла. Результаты измерений сведены в таблицу 1.
Таблица 1.
Параметры и характеристики эпитаксиальных слоев GaP
Слой
Параметры, характеристики слоев
Толщина, мкм
Концентрация основных носителей заряда, см-3
Подвижность носителей заряда, см2×В-1×с-1
Плотность дислокаций, см-2
nGaP
5±1
n=5×1014¸3×1015
80K
300K
≤1×104
1100¸1200
200¸250
p+GaP
10¸15
p+=(1¸3)×1018
-
-
На поверхность p+GaP наносили методами термического и ионного распыления слои Ni/Ti сплавов с последующим их золочением или серебрением. Далее, с применением масочного метода, фотолитографии и селективного травления формировали мезаструктуры. После разделения приборных пластин на "чипы" выполняли операции термокомпрессии чипов на коваровый держатель, разварку выводов и герметизацию термодатчиков в корпус из термореактивной пластмассы.
На отобранных для измерений и испытаний образцах GaP диодов с приблизительно идентичными параметрами и характеристиками эпитаксиальных n+-n-p+-структур были измерены ТМХ в диапазоне температур 80 К ¸ 520 К при пропускании через диод фиксированных прямых токов 10 мкА и 100 мкА, а также ВАХ одного из данных диодов при 295 К.
Результаты и их обсуждение. Графики ТМХ и ВАХ диодов представлены на рис.1 и 2. Из рис.1 следует, что ТМХ диодов практически линейны во всем исследуемом интервале температур, а сами диоды отличались высокой воспроизводимостью ВАХ "от образца к образцу".
Рис.1 ТМХ GaP – диодов при прямых токах: D - 10 мкА; ð - 100 мкА.
Линейный характер ТМХ свидетельствует, кроме прочих причин, о выполнении условия n » const. при T=var., Iпр.=var. Так значение n, определенное по наклону ВАХ (рис.2) в диапазоне прямых токов ~10-10 ¸ 5×10-5 А (экспоненциальный участок ВАХ) приблизительно равно 2,0.
Рис.2. ВАХ GaP – диода при Т=295 К
Полученное значение n служит также подтверждением предположения о преобладании рекомбинационной составляющей общего тока через диод над диффузионной [7].
Расчеты по наклону ТМХ средней термочувствительности
диодов дают величину ~ 2,4 ¸ 2,5 мВ/K, что согласуется с результатами работы [8] для GaP диодов. При этом заметим, что ТМХ, приведенная в работе [8], получена при значительно более высоких прямых токах через диод (~ 100 мА). Это выходит за пределы принятого в термометрии диапазона токов (≤10мА) и приводит, в частности, к увеличению габаритов датчика и уровня потребляемой им мощности.
Выводы. Определены требования к эпитаксиальным структурам n-p+-GaP для реализации на их основе высокотемпературных диодных датчиков температуры. Разработана опытная методика жидкостной эпитаксии структур n+-n-p+-GaP, изготовлены и исследованы образцы GaP диодов, измерены их ТМХ в диапазоне температур 80 К ¸ 520 К, а также ВАХ диода при 295 К. Показано, что исследованные диоды обладают в широком диапазоне прямых токов практически экспоненциальными ВАХ, линейными ТМХ во всем диапазоне температур измерения ТМХ, а также высокой воспроизводимостью ТМХ диодов и экономичностью энергопотребления, что делает их перспективными для создания высокотемпературных сенсоров температуры.
Эта работа выполняется в ИФП им. В.Е. Лашкарева НАН Украины в рамках проекта № III-41-07 "Фізичні та фізико-технологічні аспекти створення і характеризації напівпровідникових матеріалів і функціональних структур" и договора о творческом сотрудничестве лаборатории №23 ИФП НАН Украины с кафедрой энергетики и электротехники ХНТУ.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Zipperian Th.E., Chaffin R.J., Dawson I.A. // IEEE Trans. on Ind. Electron, 1982, IE-29, p.129.
2. Шварц Ю.М. Дис. докт. ф.-м. н. Киев, ИФП им. В.Е. Лашкарева НАНУ, 2004.
3. Shwarts Yu.M., Borblick V.L., Kulish N.R., Venger E.F., Sokolov V.N. Novel Method for Optimization of Diode Temperature Sensors. // Book of Abstracts the 13th European Conf. Solid-State Transducers – Session 13P: Physical Sensors and Systems – The Hague (The Netherlands), 1999, p.403-406.
4. Sclar D., Pollock D.B. On diode thermometers. Sol. St. Electron, 1972, v.15, N2, pp.473-480.
5. Краснов В.А., Шварц Ю.М. Жидкостная эпитаксия слоев GaP(N) для высокотемпературных диодных сенсоров. Тез. докл. Х нац. конф. по росту кристаллов, НКРК – 2002, Москва, ИК РАН, 2002, с.525.
6. Василенко Н.Д., Краснов В.А., Крыжановский А.Н., Чернер В.М. // Изв. высш. учебн. заведений. Физика, 1991, №1, с.23-27.
7. Sze S.M. Physics of Semiconductor Devices. N.Y., Wiley, 1981.
8. Соболев М.М., Никитин В.Г. Высокотемпературный диод на основе эпитаксиальных слоев GaP. // Письма в ЖТФ, 1998, т.24, №9, с.1-7.
,
