Сверхбыстрые переключатели или же лавинные S-диоды, обостряющие диоды, фотоэлектрические ключи HG PCSS на основе арсенида галлия с глубокой примесью, позволяют эффективно управлять мощностью: от нескольких сотен ватт до нескольких гигаватт, обеспечивая переключение за временной промежуток от 0.1 до 1 наносекунды. Данные устройства находят применение в области силовых импульсных технологий оборонного и специального назначения, а также в физике высоких энергий. Малые по мощности ключи (диоды) могут быть внедрены в системы сверхширокополосной локации и радиоэлектронного противодействия при условии минимизации временной нестабильности (джиттера) до допустимого уровня. К примеру, для синхронизации десятков передающих антенн активной фазированной решетки с временем переключения в 100 пикосекунд требуется применение ключей с дисперсией нестабильности в пределах 15 - 25 пикосекунд, что возможно при определённых условиях.
Ключи для генерации токовых импульсов в схемах импульсного питания малогабаритных твердотельных лидаров обладают большой перспективой. Они не требуют высокой стабильности при использовании методов временного пролета (ToF) и могут работать на низкоомную нагрузку с высокой эффективностью по сравнению с известными усилителями или выключателями тока на основе кремния.
Недавние исследования показывали, что в условиях генерации серии токовых импульсов на определенных (высоких) частотах в структуре S-диода формируются каналы n-типа проводимости. Данные каналы определяют локальные области, в которых происходит шнурование тока при последующем переключении. В пределах каждого канала отсутствуют электронно-дырочные переходы, так как глубокая акцепторная примесь перезаряжается в них за счет предыдущих переключений, и тем самым, акцепторы становятся нейтральными. В существующих S-диодах формирование каналов происходит случайным образом (из-за наличия неоднородного распределения примеси). Однако, представляет интерес переключение по заранее сформированным каналам. В связи с этим перспективным является разработка технологического процесса селективного легирования структур из GaAs для нового типа лавинных S-диодов. Данная работа направлена на предварительные исследования такой возможности: моделирование S-диодных структур со встроенным каналом п-типа.
В работе проведено моделирование вольт амперных характеристик структур для лавинных S-диодов различной конструкции. Моделирование проводилось в среде Synopsys sentaurus TCAD для двумерных моделей. В первой модели формировались однородные профили легирования вдоль направления протекания тока. Во второй модели введена неоднородность в данном направлении — канал n-типа проводимости с шириной 6 мкм. Расчетным путем было получено, что вид ВАХ двух структур совпадает: до напряжения порядка 80 В наблюдается слабый рост силы тока, что связано с генерацией тепловых носителей в области пространственного заряда обратно-смещенного электронно-дырочного перехода. При напряжении порядка 80 В начинается резкий рост тока, связанный с лавинной генерацией носителей заряда в области сильного поля обратно-смещенного перехода.
Основным количественным отличием является то, что в структуре с неоднородностью формируется канал с повышенной плотностью тока. Это приводит к более раннему пробою структуры S-диода. Для сравнения при напряжении 75 В сила тока в структуре с неоднородностью выше и составляет 1,5-10-9 А, когда для однородной структуры сила тока составляет 1,2-10-9 А.
Из полученных результатов следует, что изготовление структур для лавинных S- диодов, содержащих встроенные каналы n-типа, является перспективным технологическим методом. С одной стороны, встроенные каналы не приводят к значительному росту обратного тока в области тепловой генерации. С другой стороны, позволяют контролировать напряжение лавинного пробоя и локализовать область шнурования тока.
