zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2023-89-7-25-33zldm-1973Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLВлияние центров захвата, внесенных облучением протонами с энергией 1 МэВ, на время восстановления обратного тока в диодах Шоттки на основе Ga2O3The effect of trapping sites introduced by 1 MeV proton irradiation on the reverse current recovery time in Ga2O3-based Schottky diodesЩемеровИ. В.SchemerovI. V.

Иван Васильевич Щемеров

119049, Москва, Ленинский пр-т, д. 4

Ivan V. Schemerov

4, Leninsky prosp., Moscow, 119049

schemerov.iv@misis.ruПоляковА. Я.PolyakovA. Ya.

Александр Яковлевич Поляков

119049, Москва, Ленинский пр-т, д. 4

Alexander Ya. Polyakov

4, Leninsky prosp., Moscow, 119049

ЛаговП. Б.LagovP. B.

Пётр Борисович Лагов

119049, Москва, Ленинский пр-т, д. 4;

119071, Москва, Ленинский пр-т, д. 31, к. 4

Peter B. Lagov

4, Leninsky prosp., Moscow, 119049;

31, k. 4, Leninsky prosp., Moscow, 119071

КобелеваС. П.KobelevaS. P.

Светлана Петровна Кобелева

119049, Москва, Ленинский пр-т, д. 4

Svetlana P. Kobeleva

4, Leninsky prosp., Moscow, 119049

КочковаА. И.KochkovaA. I.

Анастасия Ильинична Кочкова

119049, Москва, Ленинский пр-т, д. 4

Anastasia I. Kochkova

4, Leninsky prosp., Moscow, 119049

КуланчиковЮ. О.KulanchikovYu. O.

Юрий Олегович Куланчиков

119049, Москва, Ленинский пр-т, д. 4

Yuri O. Kulanchikov

4, Leninsky prosp., Moscow, 119049

ДорошкевичА. С.DoroshkevichA. S.

Александр Сергеевич Дорошкевич

141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио-Кюри, д. 13

Alexander S. Doroshkevich

13, ul. Jolio-Curie, Dubna, Moskovskaya obl., 141980

КириловВ. Д.KirilovV. D.

Виктор Дмитриевич Кирилов

119049, Москва, Ленинский пр-т, д. 4

Viktor D. Kirilov

4, Leninsky prosp., Moscow, 119049

НИТУ «МИСиС»РоссияNational university of science and technology «MISiS»Russian FederationНИТУ «МИСиС»; Институт физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАНРоссияNational university of science and technology «MISiS»; Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS (IPCE RAS)Russian FederationОбъединённый институт ядерных исследованийРоссияJoint Institute for Nuclear ResearchRussian Federation2023250720238972533Copyright © Щемеров И.В., Поляков А.Я., Лагов П.Б., Кобелева С.П., Кочкова А.И., Куланчиков Ю.О., Дорошкевич А.С., Кирилов В.Д., 20232023Щемеров И.В., Поляков А.Я., Лагов П.Б., Кобелева С.П., Кочкова А.И., Куланчиков Ю.О., Дорошкевич А.С., Кирилов В.Д.Schemerov I.V., Polyakov A.Y., Lagov P.B., Kobeleva S.P., Kochkova A.I., Kulanchikov Y.O., Doroshkevich A.S., Kirilov V.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1973

Время восстановления обратного тока – важная характеристика диодов и транзисторов, определяющая их рабочую частоту и область применения. Дефекты в структуре полупроводника могут существенно затягивать восстановление обратного тока, уменьшая быстродействие прибора и приводя к дополнительному нагреву. В работе представлены результаты определения времени восстановления обратного тока малой величины в диодах Шоттки на основе пленок α- и β-Ga2O3. Измерения проводили путем подачи на диод импульсов тока различной полярности и снятия кривой релаксации обратного тока. Показано, что в диодах на основе β-Ga2O3 на собственной подложке характерное время обратного восстановления малых токов может достигать 20 нс и ограничено, главным образом, характерным временем спада для RC-цепочки, образуемой структурой. Облучение структуры протонами с энергией 1 МэВ приводит к появлению внутри структуры большого количества дефектов, которые могут «работать» как глубокие центры захвата носителей. В этом случае тепловой выброс носителей из таких центров может затягивать релаксацию восстановления обратного тока, замедляя процесс переключения. В образце α-Ga2O3 после облучения характерное время переключения составило 6 мкс, что вдвое превышает время, которое можно было бы ожидать исходя из параметров эквивалентной RC-цепочки. Затягивание релаксации обратного тока определяется не только временем разрядки RC-цепочки, но и большим количеством глубоких центров, которые могут быть внедрены путем облучения или возникать в процессе роста или эксплуатации устройства. Методами адмиттанс-спектроскопии и релаксационной спектроскопии глубоких уровней были получены данные о природе центров захвата, замедляющих процесс переключения диода при комнатной температуре: вероятно, это – межузельные атомы кислорода. Полученные результаты могут быть использованы при совершенствовании технологии роста кристаллов для получения диодов Шоттки с высокой граничной частотой.

The reverse current recovery time is an important parameter of diodes, fast rectifiers and transistors which determined their high-frequency properties and area of application. Defects in the structure may sufficiency reduce the cutoff frequency and lead to overheating. The reverse recovery of the low currents in the α- and β-Ga2O3 Schottky diodes was measured and analyzed in this study. The reverse recovery time in the β-Ga2O3-based Schottky diode is limited mainly by the relaxation of the RC-circuit formed by the equivalent diode circuit and can be very low (20 nsec in this case). Irradiation can introduce some defects in the structure, which may act as deep levels and prolong the relaxation. We have demonstrated experimentally that increasing serial resistance of the circuit lead to an increase in the reverse recovery time. But we can point an additional part of relaxation that can be attributed to the emission from deep levels in the forbidden gap of the semiconductor. It is shown that prolongation increases with the reverse recovery time but saturates. In the α-Ga2O3-based structures the reverse recovery time measured after proton irradiation was 6 μsec, twice as high than it can be expected from RC-circuit relaxation time. These deep levels can be associated with interstitial oxygen atoms. The results obtained can be used to improve the technology of crystal growth to produce Schottky diodes with a high boundary frequency.

время восстановления обратного токадиод Шотткипротонное облучениеглубокие центрыreverse recovery timeSchottky diodeproton irradiationdeep levelsРабота выполнена при поддержке гранта президента РФ (соглашение № 075-15-2022-581). Авторы выражают признательность коллективу ЛНФ ОИЯИ за помощь в проведении работ по облучению экспериментальных образцов: А. С. Дорошкевичу, Р. Ш. Исаеву, Ж. В. Мезенцевой.ReferencesLax B., Neustadter S. Transient Response of a p – n Junction / J. Appl. Phys. 1954. Vol. 25. Issue 9. P. 1148 – 1154. DOI: 10.1063/1.1721830Lax B., Neustadter S. Transient Response of a p – n Junction / J. Appl. Phys. 1954. Vol. 25. Issue 9. P. 1148 – 1154. DOI: 10.1063/1.1721830Zhang M. A modified finite difference model to the reverse recovery of silicon PIN diodes / Solid-State Electronics. 2020. Vol. 171. P. 107893(1 – 13). DOI: 10.1016/j.sse.2020.107839Zhang M. A modified finite difference model to the reverse recovery of silicon PIN diodes / Solid-State Electronics. 2020. Vol. 171. P. 107893(1 – 13). DOI: 10.1016/j.sse.2020.107839Kingston R. H. Switching Time in Junction Diodes and Junction Transistors / Proc. IRE. 1954. Vol. 42. N 5. P. 829 – 834. DOI: 10.1109/jrproc.1954.274521Kingston R. H. Switching Time in Junction Diodes and Junction Transistors / Proc. IRE. 1954. Vol. 42. N 5. P. 829 – 834. DOI: 10.1109/jrproc.1954.274521Тогатов В. В., Гнатюк П. А. Метод измерения времени жизни носителей заряда в базовых областях быстродействующих диодных структур / Силовая электроника. 2005. Т. 29. Вып. 3. С. 378 – 381. DOI: 10.1134/1.1882802Togatov V. V., Gnatyuk P. A. A method for measuring the lifetime of charge carriers in the base regions of high-speed diode structures / Semiconductors. 2005. Vol. 39. Issue 3. P. 360 – 363. DOI: 10.1134/1.1882802Tien B., Hu C. Determination of carrier lifetime from rectifier ramp recovery waveform / IEEE Electron Device Lett. 1988. Vol. 9. N 10. P. 553 – 555. DOI: 10.1109/55.17842Tien B., Hu C. Determination of carrier lifetime from rectifier ramp recovery waveform / IEEE Electron Device Lett. 1988. Vol. 9. N 10. P. 553 – 555. DOI: 10.1109/55.17842Dean R. H., Nuese C. J. A refined step-recovery technique for measuring minority carrier lifetimes and related parameters in asymmetric p – n junction diodes / IEEE Transactions on Electron Devices. 1971. Vol. 18. N 3. P. 151 – 158. DOI: 10.1109/t-ed.1971.17167Dean R. H., Nuese C. J. A refined step-recovery technique for measuring minority carrier lifetimes and related parameters in asymmetric p – n junction diodes / IEEE Transactions on Electron Devices. 1971. Vol. 18. N 3. P. 151 – 158. DOI: 10.1109/t-ed.1971.17167Григорьев Б. И., Рудской В. А., Тогатов В. В. Разностный метод измерения времени жизни неосновных носителей заряда в силовых транзисторах / Приборы и техника эксперимента. 1981. ¹ 4. С. 226 – 228.Grigoriev B. I., Rudskoi V. A., Togatov V. V. Differencial method of minority carrier lifetime measurement in the power transistors / Prib. Tekh. Éksp. 1981. N 4. P. 226 – 228 [in Russian].Lagov P. B., Drenin A. S., Zinoviev M. A. Proton-irradiation technology for high-frequency high-current silicon welding diode manufacturing / J. Phys. Conf. Ser. 2017. Vol. 830. N 1. P. 012152(1 – 4). DOI: 10.1088/1742-6596/830/1/012152Lagov P. B., Drenin A. S., Zinoviev M. A. Proton-irradiation technology for high-frequency high-current silicon welding diode manufacturing / J. Phys. Conf. Ser. 2017. Vol. 830. N 1. P. 012152(1 – 4). DOI: 10.1088/1742-6596/830/1/012152Pavlov Y. S., Surma A. M., Lagov P. B., et al. Accelerator-based electron beam technologies for modification of bipolar semiconductor devices / J. Phys. Conf. Ser. 2016. Vol. 747. N 1. P. 012085(1 – 7). DOI: 10.1088/1742-6596/747/1/012085Pavlov Y. S., Surma A. M., Lagov P. B., et al. Accelerator-based electron beam technologies for modification of bipolar semiconductor devices / J. Phys. Conf. Ser. 2016. Vol. 747. N 1. P. 012085(1 – 7). DOI: 10.1088/1742-6596/747/1/012085Kulevoy T. V., Losev A. A., Alekseev P. N., et al. Laser ion source for semiconductor applications / J. Phys. Conf. Ser. 2022. Vol. 2244. P. 012096(1 – 5). DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012096Kulevoy T. V., Losev A. A., Alekseev P. N., et al. Laser ion source for semiconductor applications / J. Phys. Conf. Ser. 2022. Vol. 2244. P. 012096(1 – 5). DOI: 10.1088/1742-6596/2244/1/012096Анфимов И. М., Кобелева С. П., Щемеров И. В. Измерение времени жизни неравновесных носителей заряда в монокристаллическом кремнии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. № 1. С. 41 – 45. DOI: 10.1134/S0020168515150029Anfimov I. M., Kobeleva S. P., Shchemerov I. V. Measurement of lifetime of nonequilibrium charge carriers in single-crystal silicon / Inorganic materials. 2015. Vol. 51. N 15. P. 1447 – 1451. DOI: 10.1134/S0020168515150029Булярский С. В., Жуков А. В., Ермаков М. С. и др. Определение параметров центров рекомбинации в силовых полупроводниковых приборах / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 4. С. 26 – 30.Bulyarsky S. V., Zhukov A. V., Ermakov M. S., et al. Determination of the Recombination Center Parameters in Power Semiconductor Devices / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2015. Vol. 81. N 4. P. 26 – 30 [in Russian].Veher O., Sleptsuk N., Toompuu J., et al. The dependence of reverse recovery time on barrier capacitance and series on-resistance in Schottky diodes / WIT Transactions on Engineering Sciences. 2017. Vol. 116. P. 15 – 22. DOI: 10.2495/MC170021Veher O., Sleptsuk N., Toompuu J., et al. The dependence of reverse recovery time on barrier capacitance and series on-resistance in Schottky diodes / WIT Transactions on Engineering Sciences. 2017. Vol. 116. P. 15 – 22. DOI: 10.2495/MC170021Winterhalter C., Pendharkar S., Shenai K. A novel circuit for accurate characterization and modeling of the reverse recovery of high-power high-speed rectifiers / IEEE Transactions on Power Electronics. 1998. Vol. 13. N 5. P. 924 – 931. DOI: 10.1109/63.712311Winterhalter C., Pendharkar S., Shenai K. A novel circuit for accurate characterization and modeling of the reverse recovery of high-power high-speed rectifiers / IEEE Transactions on Power Electronics. 1998. Vol. 13. N 5. P. 924 – 931. DOI: 10.1109/63.712311Pearton S., Yang J., Cary IV P., et al. A review of Ga2O3 materials, processing, and devices / Appl. Phys. Rev. 2018. Vol. 5. P. 011301(1 – 57). DOI: 10.1063/1.5006941Pearton S., Yang J., Cary IV P., et al. A review of Ga2O3 materials, processing, and devices / Appl. Phys. Rev. 2018. Vol. 5. P. 011301(1 – 57). DOI: 10.1063/1.5006941Pearton S., Ren F., Tadjer M., Kim J. Perspective: Ga2O3 for ultra-high power rectifiers and MOSFETS featured / J. Appl. Phys. 2018. Vol. 124. P. 220901(1 – 19). DOI: 10.1063/1.5062841Pearton S., Ren F., Tadjer M., Kim J. Perspective: Ga2O3 for ultra-high power rectifiers and MOSFETS featured / J. Appl. Phys. 2018. Vol. 124. P. 220901(1 – 19). DOI: 10.1063/1.5062841Zhang J., Shi J., Qi D.-C., et al. Recent progress on the electronic structure, defect, and doping properties of Ga2O3 featured / APL Materials. 2020. Vol. 8. P. 020906(1 – 35). DOI: 10.1063/1.5142999Zhang J., Shi J., Qi D.-C., et al. Recent progress on the electronic structure, defect, and doping properties of Ga2O3 featured / APL Materials. 2020. Vol. 8. P. 020906(1 – 35). DOI: 10.1063/1.5142999Langørgen A., Zimmermann C., Frodason Y., et al. Influence of heat treatments in H2 and Ar on the E1 center in β-Ga2O3 / J. Appl. Phys. 2022. Vol. 131. P. 115702(1 – 7). DOI: 10.1063/5.0083861Langørgen A., Zimmermann C., Frodason Y., et al. Influence of heat treatments in H2 and Ar on the E1 center in β-Ga2O3 / J. Appl. Phys. 2022. Vol. 131. P. 115702(1 – 7). DOI: 10.1063/5.0083861Polyakov A. Y., Smirnov N. B., Shchemerov I. V., et al. Deep trap spectra of Sn-doped α-Ga2O3 grown by halide vapor phase epitaxy on sapphire / APL Materials. 2019. Vol. 7. P. 051103(1 – 7). DOI: 10.1063/1.5094787Polyakov A. Y., Smirnov N. B., Shchemerov I. V., et al. Deep trap spectra of Sn-doped α-Ga2O3 grown by halide vapor phase epitaxy on sapphire / APL Materials. 2019. Vol. 7. P. 051103(1 – 7). DOI: 10.1063/1.5094787Кучерова О. В., Зубков В. И., Цвелев Е. О. и др. Неразрушающая диагностика наногетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN методом температурной спектроскопии адмиттанса / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76. № 3. С. 24 – 28.Kucherova O. V., Zubkov V. I., Tsvelev E. O., et al. Nondestructive control of nanoheterostructures with multiple quantum wells InGaN/GaN using thermal spectroscopy of the admittance / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2010. Vol. 76. N 3. P. 24 – 28 [in Russian].Irmscher K., Galazka Z., Pietsch M., et al. Electrical properties of β-Ga2O3 single crystals grown by the Czochralski method / J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. P. 063720(1 – 7). DOI: 10.1063/1.3642962Irmscher K., Galazka Z., Pietsch M., et al. Electrical properties of β-Ga2O3 single crystals grown by the Czochralski method / J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. P. 063720(1 – 7). DOI: 10.1063/1.3642962Zhang Z., Farzana E., Arehart A., Ringel S. Deep level defects throughout the bandgap of (010) β-Ga2O3 detected by optically and thermally stimulated defect spectroscopy / Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 108. Issue 5. P. 052105(1 – 6). DOI: 10.1063/1.4941429Zhang Z., Farzana E., Arehart A., Ringel S. Deep level defects throughout the bandgap of (010) β-Ga2O3 detected by optically and thermally stimulated defect spectroscopy / Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 108. Issue 5. P. 052105(1 – 6). DOI: 10.1063/1.4941429Polyakov A. Y., Smirnov N. B., Shchemerov I. V., et al. Point defect induced degradation of electrical properties of Ga2O3 by 10 MeV proton damage / Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 112. Issue 3. P. 032107(1 – 7). DOI: 10.1063/1.5012993Polyakov A. Y., Smirnov N. B., Shchemerov I. V., et al. Point defect induced degradation of electrical properties of Ga2O3 by 10 MeV proton damage / Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 112. Issue 3. P. 032107(1 – 7). DOI: 10.1063/1.5012993Kobayashi T., Gake T., Kumagai Yu., et al. Energetics and electronic structure of native point defects in α-Ga2O3 / Applied Physics Express. 2019. Vol. 12. N 9. P. 091001(1 – 6). DOI: 10.7567/1882-0786/ab3763Kobayashi T., Gake T., Kumagai Yu., et al. Energetics and electronic structure of native point defects in α-Ga2O3 / Applied Physics Express. 2019. Vol. 12. N 9. P. 091001(1 – 6). DOI: 10.7567/1882-0786/ab3763

The authors declare that there are no conflicts of interest present.