Лазерный мир

Олейник, Прудаев  // В сборнике: Актуальные проблемы радиофизики АПР-2023. Cборник трудов X Международной научно-практической конференции. Томск, 2023. С. 163-164

В последнее десятилетие интенсивно ведется разработка беспилотных систем управления, для них требуются радары, дальномеры и лидары. Лидар состоит из полупроводникового лазера, работающего в инфракрасном диапазоне длин волн, на который подается высоковольтный наносекундный импульс, при этом чем короче длительность оптического импульса, тем лучше разрешающая способность прибора. Для коммутации высоковольтных наносекундных импульсов в лидарах обычно используют силовые транзисторы изготовленные из GaN, однако у них есть два основных недостатка: большой размер и относительно высокая цена. В качестве альтернативы транзистору из GaN, предложено использование S-диодов на основе GaAs, который может выдавать высоковольтные электрические импульсы длительностью порядка 1 нс, а также на несколько порядков меньший размер по сравнению с транзисторами. Однако классическая методика производства S-диодов не позволяла получить большого выхода готовых приборов с одинаковыми характеристиками с одной пластины.
В работе описан новый техпроцесс для изготовления S-диодов на основе GaAs применяемых для накачки полупроводниковых лазерных диодов. Рассмотрено влияние состава и толщины легированных областей в изготовленных приборах на предельные токовые характеристики. Показано сравнение электрических характеристик S-диодов, произведенных по эпитаксиально-диффузионной технологии и с классической диффузионной.

Методики изготовления S-диодов
Классическая диффузионная технология [1, 2] проводилась в несколько этапов. Исходные пластины представляли собой GaAs (100) полученные из слитка, выращенного методом вертикальной направленной кристаллизации, исходная концентрация электронов n = 5·1016 см-3. На одну, из стороны которых электронно- лучевым испарением наносили пленку Fe толщиной ~30 нм. В печи диффузионных отжигов УДО–3 в потоке осушенного Ar проводилась диффузия Fe в объем GaAs температура варьировалась от 800 до 1100 °C. Время проведения диффузионного отжига варьировалось от 1 до 11 часов. Для создания приконтактных слоев использовалась легирующая примесь Si (n+-типа проводимости) [2]. Для этого после основной диффузии пластины помещались в кварцевые ампулы с навеской Si, а также добавлялась навеска мышьяка для предотвращения разложения GaAs во время проведения диффузии. Масса мышьяка рассчитывалась для создания парциального давления паров мышьяка в ампуле равном 1 атмосфере. Затем ампула вакуумировалась при помощи вакуумного поста фирмы Pfeiffer Vacuum и запаивалась газовой горелкой. Диффузионный отжиг проводился в промышленной диффузионной печи СДО-125/А. Время проведения диффузии варьировалось от 1 до 2 часов, при температурах 900–1100 ℃. Для создания омических контактов напылялась пленка AuGe с обеих сторон структуры. Завершающим этапом была резка пластины на дискретные S-диоды.
Совершенствующийся техпроцесс изготовления S-диодов в течение нескольких десятилетий позволил получать большой выход рабочих диодов с пластины [2], но в них наблюдается большой разброс по электрическим характеристикам. Это предположительно связано либо с перераспределением легирующей примеси Fe при проведении диффузии для создания приконтактных слоев, либо с неоднородностью исходных пластин GaAs. Для решения этой проблемы предложено использовать многослойные структуры GaAs выращенные методом газофазной эпитаксии.
Эпитаксиально-диффузионная технология состояла из следующих этапов. Сначала проводился рост эпитаксиальных слоев n-GaAs хлорид-гидридным методом из газовой фазы на установке ЭТР-100. Рост проводился на подложках АГЧТ с направлением (100), в качестве легирующей примеси использовалась сера. Технологический процесс газофазной эпитаксии выглядит следующим образом: исходными веществами являются жидкий легколетучий AsCl3 и кристаллический GaAs (источник). В потоке Н2 (газ-носитель) пары AsCl3 преобразуются в хлористый водород и свободный мышьяк. Эти вещества поступая в зону источника и взаимодействуя с ним образуют газовую смесь, состоящую из GaCl, As4 и H2, которая переносится в зону осаждения, где на исходную подложку осаждался GaAs. Главная особенность применённой технологии роста – получение высококачественных структур с заданным профилем легирования. Следующим этапом была диффузия Fe в потоке аргона, используемые режимы и оборудование аналогичны описанным для классической диффузионной технологии. Далее создавались омические контакты и проводилась резка на дискретные S-диоды. Предложено два типа эпитаксиальных структур: 1) многослойные эпитаксиальные структуры, выращенные за
один цикл с верхним n+-слоем (n = 1.5·1018 см-3). Большая концентрация донорной примеси использовалась, чтобы при проведении диффузии Fe в приконтактном слое не поменялся тип проводимости в результате компенсации примесями разного типа проводимости; 2) эпитаксиальные структуры выращенные без n+-слоя, который выращивался после проведения диффузии Fe..

Сравнение толщины легированных слоев показало увеличение предельного напряжения на S-диоде с увеличением толщины слоя. Напряжения для разных партий варьировались от 100 до 550 В, при толщинах слоев от 15 до 40 мкм. Диоды произведенные по эпитаксиально-диффузионной технологии показали больший выход рабочих S-диодов с меньшим разбросом напряжений из одной пластины, по сравнению с классической технологией.
Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда № 23-29-00053, https://rscf.ru/project/23- 29-00053/.