Продемонстрированы мощные диоды из бездефектного нитрида галлия

Кремниевые полупроводниковые устройства быстро приближаются к пределам своих возможностей. В качестве кандидатов на замену кремнию рассматриваются такие материалы как нитрид галлия (GaN). Но, обладая многими желательными качествами, GaN также известен дефектами и низкой надёжностью.

Поэтому, команда инженеров Корнелльского университета, компании IQE и Университета Нотр-Дам (штат Индиана) поставила перед собой задачи создания нитрида галлия с рекордно низким содержанием дефектов и разработки мощных устройств на его основе. О проделанной работе они рассказали в статье для журнала Applied Physics Letters.

Авторы исследовали p-n переходы, получаемые соединением полупроводниковых материалов с дырочной (p) и электронной (n) проводимостью, и применяемые в солнечных батареях, светодиодах, выпрямителях и более сложных устройствах. «Для тестирования свойств GaN в нашей работе мы использовали высоковольтные диоды p-n», — пояснил Цзунянь Ху (Zongyang Hu) из инженерной школы Корнелльского университета.

В оценке того, насколько вольтамперная характеристика отклоняется от идеального случая бездефектного устройства, команда руководствовалась так называемым коэффициентом идеальности диода. По словам Ху, это чрезвычайно чувствительный показатель присутствия поверхностных, интерфейсных и объемных дефектов и сопротивления устройства.

Уровень дефектности материала они описывали периодом рекомбинации Шокли-Рида-Холла (SRH) — время, проходящее с момента ввода электронов и дырок на переходе, до их рекомбинации на дефектах. «Чем ниже уровень дефектности, тем больше время жизни SRH, — комментирует Ху. — Также интересно отметить, что для GaN длинный период SRH оборачивается увеличением яркости излучения света диодом».

Данная работа стала первой экспериментальной демонстрацией нитрид-галлиевого p-n диода, почти идеального как по коэффициенту идеальности, так и по напряжению лавинного пробоя, и с добротностью, вдвое превосходящей лучшие прежние достижения.

Сюрпризом для авторов стало неожиданно низкое дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме. «Материал всего p-n диода как будто становится прозрачным для тока, — отметил Ху. — Мы считаем это результатом высокой концентрации вводимых неосновных носителей и их долгого времени жизни, и намерены продолжить изучение этого феномена».