Лаборатория неравновесных процессов в полупроводниковой электронике

В лаборатории проводятся исследования свойств многослойных полупроводниковых структур различного состава, изготовленных преимущественно на основе соединений A³B⁵. Основное внимание уделяется изучению поведения данных структур в сильно-неравновесных условиях. Мы стараемся ответить на следующие вопросы:

— Как влияет сильная полевая либо концентрационная неоднородность на свойства структур?

— К каким новым эффектам приводит сильное отклонение от равновесия?

— Каким образом можно использовать неравновесные эффекты на практике?

Исследовательская работа включает современные методы моделирования полупроводниковых приборов при помощи TCAD методов (TCAD — Technology Computer-Aided Design), технологические эксперименты по изготовлению прототипов новых приборов и экспериментальные исследования оптических и электрических характеристик приборов в стационарных и переходных условиях с высоким временным разрешением.

Среди интересных нам объектов — любые неравновесные системы из полупроводниковых материалов. Наибольшей практической значимостью обладают структуры из широкозонных полупроводников. Исследуются квантово-размерные гетероструктуры из нитридных соединений со встроенными полями спонтанной и пъезоэлектрической поляризации, для которых перепад потенциала на расстоянии длины свободного пробега носителей заряда достигает величины порядка 1 В. Интерес для лаборатории представляют и «более простые» системы, для которых сильная неоднородность по полю или концентрации носителей заряда возникает за счет приложенного внешнего смещения — арсенид-галлиевые приборы, работающие на эффектах сильного поля.

Структуры на основе нитридов применяются для изготовления высокоэффективных излучающих приборов и фотоприемных устройств. Эффекты резонансного туннелирования и инжекции горячих носителей используются при проектировании электронных ключей высокочастотного диапазона; высокая теплопроводность и широкая запрещенная зона нитридных соединений позволяют использовать их для изготовления высокотемпературных приборов, а также приборов быстродействующей и силовой электроники.

 Лавинные арсенид-галлиевые коммутаторы находят применение в экспериментальной физике высоких мощностей. Среди наиболее значимых областей применения сверхбыстрых лавинных коммутаторов в массовом сегменте рынка — накачка полупроводниковых лазеров для компактных лидаров, нано- и субнаносекундная коммутация электрооптических затворов лазеров с модуляцией добротности, высокоэффективная ионизация газов импульсами наносекундной длительности.

Нами впервые обнаружены и исследованы экспериментально резонансные переходы электронов в сверхрешетках InGaN/GaN в низкотемпературной области (Т < 150 К); изготовлены прототипы резонансно-туннельных приборов. Установлена роль сильных встроенных поляризационных полей (порядка 1 МВ/см) в формировании сложного потенциального рельефа и в резонансном переносе носителей заряда в сврхрешетках InGaN/GaN. Обнаружена инжекция горячих носителей в область множественных квантовых ям InGaN/GaN в излучающих структурах для низкотемпературной области (Т < 200 К).

Исследована роль перезарядки глубоких примесей в режиме лавинного пробоя для коммутаторов из арсенида галлия. Показано, что переключение коммутаторов из закрытого в проводящее состояние происходит сверхбыстро, за время, меньшее времени пролета носителей через активную область. Для структур с большими толщинами активной области, используемыми для высоковольтных фотоэлектрических разрядников и детекторов ионизирующего излучения проведены расчеты переноса носителей заряда в условиях перезарядки глубоких центров и деформации профилей напряженности электрического поля. Разработана технология изготовления прототипов лавинных коммутаторов с широким диапазоном параметров (напряжения переключения от 30 до 10000 В, импульсные токи от 0.1 до 500 А, частоты коммутации от единичных включений до 1 МГц). Изготовленные приборы использованы в установках наносекундной коммутации высоких мощностей (порядок — МВт), а также миниатюрных источниках питания полупроводниковых лазеров, используемых в лидарах (параметры оптических импульсов: длительность — не более 1 нс, частота — до 250 кГц, максимальная пиковая мощность — 100 Вт). Ведутся работы по усовершенствованию параметров.