Влияние центров захвата, внесенных облучением протонами с энергией 1 МэВ, на время восстановления обратного тока в диодах Шоттки на основе Ga₂O₃

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.

1. Lax B., Neustadter S. Transient Response of a p – n Junction / J. Appl. Phys. 1954. Vol. 25. Issue 9. P. 1148 – 1154. DOI: 10.1063/1.1721830

2. Zhang 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.2020.107839

3. Kingston R. H. Switching Time in Junction Diodes and Junction Transistors / Proc. IRE. 1954. Vol. 42. N 5. P. 829 – 834. DOI: 10.1109/jrproc.1954.274521

4. Тогатов 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: 10.1134/1.1882802

5. Tien 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: 10.1109/55.17842

6. Dean 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.1971.17167

7. Григорьев 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.

8. 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: 10.1088/1742-6596/830/1/012152

9. Pavlov 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: 10.1088/1742-6596/747/1/012085

10. Kulevoy 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: 10.1088/1742-6596/2244/1/012096

11. Анфимов 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/S0020168515150029

12. Булярский 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.

13. 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/MC170021

14. Winterhalter 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: 10.1109/63.712311

15. Pearton 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: 10.1063/1.5006941

16. Pearton 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: 10.1063/1.5062841

17. Zhang 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: 10.1063/1.5142999

18. Langørgen 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: 10.1063/5.0083861

19. Polyakov 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: 10.1063/1.5094787

20. Кучерова 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.

21. 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: 10.1063/1.3642962

22. Zhang 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: 10.1063/1.4941429

23. Polyakov 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: 10.1063/1.5012993

24. Kobayashi 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