DARBELİ GÜÇ UYGULAMALARI İÇİN GaAs TABANLI OPTO TRİSTÖR

I. GİRİŞ

Darbeli Güç Uygulamaları

İçin GaAs Tabanlı

Opto Tristör*

A nahtariama aygıtları, yüksek güçlü darbeli lazerler ve par çacık hızlandırıcıları gibi darbeli güç dizgelerinin te mel parçalarıdır. Bu parçaların bazı istenen özellikleri; yüksek engelleme gerilimi, yüksek tepe akım, yüksek akım yükselme hı zı, düşük kayıp, yüksek kapı lama kazancı, kapı izolasyonu ve uzun kullanım ömrüdür. Bu tip darbeli güç anahtarları için uygun olan adaylar optik kapılamalı yarı ilet ken anahtarlardır, özellikle GaAs ve onun üçlü bileşenleri olmak üzere Ill V grubu bileşik yarı ilet kenler, malzeme ve eklem özel likleri olarak yüksek di/dt oranını sağlayacak yapıdadırlar, bu ne denle bu tip uygulamalarda tercih edilen malzemelerdir, örneğin; Si'den daha büyük yasak band aralığına sahip olan GaAs daha yüksek sıcaklık ve daha yüksek ışıma enerjisi ile çalışabilir. Bü yük yasak band aralığı aynı za manda eklemli aygıtlarda daha yüksek yıkım gerilimlerine ulaşıl masını sağlar [1]. GaAs'ın direkt yasak band aralıklı yapısı optik kapılama işlemlerinde çok önemli olan fotonlarm soğurulması ve yayımının verimli olmasına yar dımcı olur. Buna ek olarak Si'den daha yüksek elektron mobilitesi ne sahip olan GaAs daha hızlı anahtariama ve elektron sürük lenmesinin etkin olduğu aygıtlar da daha düşük direnç gösterir.

Çeviri: Şimşek DEMİR

• IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES Aralık 1990, 37 Sayı: 12, s.2520

Son zamanlarda GaAs/AlGaAs malzeme tabanlı tristörler üzerine yapılan araştırma sonuçlarında [2 4] di/dt oranının 5x10+1° A/s dolayında olduğu bildirilmiştir. An cak bu çalışmalarda bildirilen te pe akım değerleri lOA'den daha azdır. GaAs ve Si tristörlerin akım yükselme üssel zaman sabitlerini karşılaştıran bir çalışma bu sabi tin GaAs tristörlerde Si tristörler den 5 kat daha yüksek olduğunu bulmuştur [5]. Bu çalışmalarda ortaya çıkan ilginç bir nokta, açıl

386 ELEKTRİK A f\*\ MÜHENDİSLİĞİ I U O

ma süresinin doyum hızı ile baz aygıt yapısındaki

katmanından geçen elektronlar epitaksiyel katman

için hesaplanan değerden daha lar metal organik

kısa olmasıdır. Bu hızlı açılmalı kimyasal buhar de

GaAs tristörlerini açıklamak için poziti (MOCVD) ile

sağlam bir kuram olmasa da, fo büyütülmüştür. Ta

tonların baz bölgesinde yaratıl ban ilk önce kon

masının ve tekrar soğurulması vansiyonel çözücü

nın bu mekanizmada önemli rol ler ile temizlenmiş

oynadığına inanılmaktadır [6]. ve kimyasal olarak

Bu tristörlerin optoelektronik ola H2SO4 : H2 O2 :

rak işlemeleri bütün aygıtların H2O (5:1:1) çözelti

homojen olarak açılmasını sağ sinde n engel ve p+

ladığından fazlası ile önemlidir. emitör katmanları

Si aygıtlarda açılma süresinin nın büyütülmesin akım dağılması ile sınırlandığı den önce aşındırıl

ŞEKİL2 GaAs Opta thsOrûn 6çk AVözeHiği. 800 vengelleme genhmiiçm karanlıkta sızdırma akımı 12/uA.

kabul edilmektedir.

mıştır. Bu katmanların her ikisi bağımsız tristörler oluşturmak

Ill V bileşikleri tabanlı eklemli ay gıtların darbeli güç uygulamala rındaki kullanabilirliğini araştıran

nin de kalınlığı 1um ve katkı lama üzere parçalanmıştır. Alınan ba

yoğunluğu sırasıyla 10+17 ve zı örnekler NH4OH:H2O2:H2O

5x10+18crn 3tür.

(1:1:5) çözeltisinde de 30 saniye

bir çalışmada yarı yalıtkan bazı olan GaAs tabanlı bir optotristör incelenmiş ve sonuçları bu yazı da sunulmuştur. Genil (maksi mum) DA (DC doğru akım) en gel gerilimi 800V ve karanlıkta sızdırma akımı 12uA olarak bu lunmuştur. Aygıt, genil 300A te pe akımı ve 1.5x10+10 A/s di/dt ile akım darbelerini anahtariaya bilmiştir.

Tabanın öteki yüzü 200um civa rında kalınlığa mekanik olarak getirilmiş ve kimyasal mekanik olarak sodyum hipoklorit ve "@collidal silica" kullanılarak dü zeltilmiştir. Düzlenen yüzey te mizlenmiş ve kimyasal olarak aşındırılmış, bunu takiben sırası ile 5um ve 1UJTı kalınlığında, 2.5x10+17 ve 10+19 cm 3 katkılı p engel ve n+ emitör katmanları

süreyle aşındırılmıştır.

III. DA Akım Gerilim özellikleri

DA akım gerilim (I V) özellikleri hem olduğu gibi alınmış hem de aşındırmadan geçirilmiş ömekler için ölçülmüştür. Şekil 2, optoris törün tipik DA I V özelliğini gös termektedir. Genil ileri engelle me gerilimi (V^) olduğu gibi alınmış örneklemeler için karan

II. AY GIT Y APISI VE ÜRETİMİ

büyütülmüştür, p engel, yarı ya lıkta sızıntı akımı 5jıA olmak lıtkan ve n engel katmanları tris üzere 600 V çıkmıştır. Aşındırıl

Şekil 1 tristör yapısının bir kesiti törün p i n yapısını böylelikle madan geçirilmiş örneklemeler

ni görtermektedir. Cr katkılı, oluşturmuş olur.

için ise genil ileri engelleme geri

Brkjgman büyütmeli yan yalıtkan

limi karanlıkta sızıntı akımı l2uA

(100) GaAs, taban başlangıç Yüzey oksitlerini ortadan kaldır olmak üzere 800V'un üzerine

malzemesi olarak kullanılmış ve mak için, metalizasyon yapılma çıkmıştır. Genil ileri engelleme

Katot (Av/Ge + Nı teması)

K i"

ı>+(io19)

emitör

dan önce malzeme HCI:H2O (1:5) çözelti sine daldırılmıştır, n tipli temas noktası sı

gerilimindeki bu artış, engelleme kapasitesinin kenar yüzey kalite lerine bağlı olduğunu göstermek tedir.

P (2.5«ıo17) engel

Yarı yalıtkan taban

n (io"t p+(5iio18)

engel emitör

5 fim

200(IııI

1 (im 1 Hin

rasıyla 1500A Au:Ge ve 400 A Ni buharlaş tırması ile, p tipli te mas noktası ise sıra sıyla 100ACrve 1200 A Au buharlaştırarak oluşturulmuştur. Meta lik temaslar için 1 mm

Opto tristörün ileri engelleme ge rilimi baz bölgesinde banttan banta çığ yıkımı ve engel kat manları içinden darbe geçişleri nedeniyle yıkım gerilimi ile karşı laştmlabilirdir. GaAs etki iyoni zasyon katsayısı için Bulman'ın vd. [7] elde ettiği deneysel ifade

Anot (Cr + Av teması)

çapında nokta yapı ler şöyledir: kullanılmıştır. Üretilen

ŞEKİL 1 Crkalktı, Bridgman bûyûtneH, yer yalıtkan GaAs baz kalmanı olan GaAs opta tsUrûn bir kesit

malzeme

5x5mm2 (1)cx=Aexp( (B/E)n),

alanlara sahip olan

104 386 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

A= 2.

B= 6.7x105V/cm n+ 1.68 ve E elektrik alan olmak üzere.

Sonucun kesinliğini kaybetme den, işlemleri basitleştirmek amacıyla elektron ve boşluklar için çarpma etki iyonizasyon kat sayısı eşit alınmıştır. Bundan do layı, yukarıdaki değiştirgenler elektron ve boşlukların etki iyoni zasyon katsayı değiştirgenlerinin ortalamasını ifade etmektedir ve aynı yapıda ifade kullanan diğer yayınlanmış değiştirgelerden çok farklı değildir [1], [8]

Tetik 1 Gecikmeli ma Darbe

Lazer

Kaynağı

Darbe Tetik 2

Kayn.

AlGaAs r~

Lazer U k

OHV—r—ı

C

M"^

: GaAS Opto Tristör

Tektronix 7912 Digitizer mam giriş yük

Macintosh

GPIB

Denetley.

ŞEKİL 3 GaAs opto tistörûn anahtanama özelliğini ölçmek için kullanılan devrenin şematik çizimi. 80 ns darbe genişliği, 848 nm dalga boyu, \ 2yul darbe enerjisi olan bir AlGaAs lazer diyotu opik kapılama kaynağı olarak kutlanılmıştır.

İncelenen yapı için elektrik ala nın ters beslenmiş p i n baz ya pısının yarı yalıtkan katmanı bo yunca sabit olduğu ve etki iyoni zasyonunun bu katmanda oluştu ğu varsayılmıştır. Bu sayede, çığ yıkım kriteri şu hale indirgenmiş tir:

250 800 V engelleme gerilimi

= ~1.5xlOıoA/s

(2) f l a da , W| = 200 u.m

(um = baz katmanının kalınlığı)

10 15 20 25

a, (1) eşitliğinde verildiği gibi ol mak üzere. (2)'nin hesaplanma sı çığ yıkımını V^ = 3734V ola rak verir. Transistor etkisi şu şe kilde işlemlere katılır [9]:

Vr / Vbr = [1 (a1 + <x2)]1/n, Vr aygı tın gerçek yıkım gerilimi;

av 04 transistörlerin transfer katsayıları, n: malzemeye bağlı değiştirgen olmak üzere.

Logan'ın vd. [10] kullanımını esas alarak GaAs için n= 3.5, azınlık taşıyıcı difüzyon uzunluğu olarak 1017cm3, engel katmanla rı için L= 1u,m kullandık [11]. Bu değerlerle, aygıt yıkım gerilimini Vr= 2740V olarak hesapladık.

ŞEKİL 4 GaAs opto • İristir ile anahtarianmtş tipik bir akım darbesi profili, engelleme gerilimi 800 v. Depo kapasitansı 4 nF, yük direnci 5 mü

GaAs opto tristörün ölçülen en gelleme gerilimi hesaplanan de ğerden çok küçüktür. Bu erken yıkımın olası iki etkinin birinden kaynaklandığını düşünüyoruz: derin seviye etkisi ve kenar yıkı mı. Derin seviye etkisi, yarı yalıt kan GaAs malzemelerdeki yük sek yoğunluklu Cr derin seviyele rinden kaynaklanabilir. Bu derin seviyeler taşıyıcı tuzakları olarak davranabilir ve yakalanmış olan taşıyıcılar banttan banta etki iyo nizasyonu için gerekenden daha düşük elektrik alan seviyelerinde iyonize olabilirler. Bu derin sevi yeler baz katmanından taşınan

taşıyıcılar için, taşıyıcıların ömrü nü kısaltan, birleşme merkezleri olarak da davranabilir. Ömürdeki bu azalma tristörün ileri gerilim düşüşünü artıracaktır.

Ancak, düşük engelleme gerilimi için daha olası bir ihtimal kenar yıkımıdır. Genil engelleme gerili minin üzerindeki gerilimlerde, ay gıt yıkımdan daha sonra geri dö nüşü olası olmayan hasarlara uğ ramıştır. Bu ^aygıtların kenarları aşındırıldığında veya kesildiğinde de aygıt yüksek gerilim altında kalmıştır. Bu aygıtın kenarlarda veya kenarların yakınlarında kalı

386 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

cı yıkımlara uğradığını gösterir. Bu nedenle bu tip aygıtlarda ke nar yıkımlarının engelleme gerili mi için sınırlayıcı mekanizma ol duğu sonucuna varılmıştır. Ek lem yakınlarında yüzey yük yo ğunluğu belirgin seviyelere ulaş maya başladığında, eklem yıkımı kenar yıkımı ile oluşacaktır ve kütle yıkımından daha düşük ola caktır [13]. Optik tetikleme işareti aygıtın kenarlarına yöneltildiğin den kenarda veya kenar yakınla rında foto çığ etkisi oluştuğunda da ek bir kenar etkisi ortaya çıka caktır.

Ters engelleme gerilimi Şekil 2'de gösterildiği gibi 100 Vun al tındadır. Bu düzenlemede iki pn eklemi, p+ emitör ve n engel kat manları ve p engel ve n+emitör katmanları, ters beslenmiştir. Bu katmanlar yoğun katkılandığın dan, tünel yıkımının, çığ yıkımı nın oluşmasından önce, düşük gerilimlerde (10 Vun altında) oluşması beklenmiştir. Bundan dolayı, bu tünel yıkım gerilimin den daha yüksek gerilimler için, engel ve emitör katmanları te mas katmanları olarak görev ya par ve yarı yalıtkan baz katmanı nın etkisi altında IV özelliği ileri beslenmiş p i n diyota benzer. Şekil 2'deki IV özelliğinin asimet risi eklemin, aygıtın çalışmasın da önemli bir rol oynadığını gös terir.

IV. Darbeli Güç Anahtarlama Özelliği

Şematik olarak şekil 3'de göste rilmiş olan kapasitif boşalma devresi ile opto tristörün anahtar lama özelliği ölçülmüştür. Darbe li akımın di/dt oranını sınırlaya cak indüktansı azaltmak için ta sarım sırasında dikkatli davraml mıştır. Akımı görüntülemek ve yük görevini yapması için 5mQ düşük indüktanslı akım görüntü leme direnci kullanılmıştır. Öl çüm düzeneğinde enerji depola ma aygıtı olarak 4nF düşük in dükstanlı disk kapasitör kullanıl mıştır.

Opto tristör AlGaAs laser diyotla optik tetiklenmiştir. Laser çıkış penceresi aygıtın kenarından 5 mm uzağa yerleştirilmiştir. Laser diyot tek darbe modunda 1 2uJ laser darbe enerjisinde ve 80

ns darbe genişliğinde çalıştırıl mıştır. Tepe dalgaboyu 848nm olmuştur.

Şekil 4 opto tristörie anahtarla nan tipik bir akım darbesini gös termektedir. 800 V engelleme geriliminde di/dt oranı 1.5x1010 A/s olmak üzere anahtarlanan akımın tepe değeri yaklaşık 300A olmuştur. Şekil 4'ün çö zümlemesi seri RLC devresinde indüktansın ~30nH olduğunu göstermektedir. C=4nF ve L=30nH olduğunda 300A tepe akımını elde etmek için devrede ki direnç değerinin 0.5i2'dan da ha düşük olması gerekir. Bu, ay gıtın etkin direncinin 0.5ü'dan daha az olduğunu gösterir.

Aygıtın anahtarlama işleminin iletim fazında ileri yöndeki düşü şünü belirlemek amacıyla dene me devresindeki kapasitör 50Q,

<6

^—

I4

/

•

Lazer Darbesi

•ı

4O0

• 400

J

300 = O

200 O o

ŞEKİL 5 • GaAs opta trisBrie anahtarianmış PFN'de tipik akım (üst eğri) ve gerilim (alt eğri) proBeri. PFN oluşturmak için seki Steki kapasitör 50 O, 260 ns gecikme kablosu ile değiştirilmiştir. Aygıt, Hk ince 350 ns kadar 15 A iletmiş, sonra daha yüksek akım seviyesine, ~9A, çıkarılmıştır. Yüksek akm Helen durumunda, aygıt üzerindeki gerilim ~100 Vtır.

106 386 ELEKTRİK M ÜHE NDİ SL İ Ğİ

260ns geciktirme kablosuyla dar be oluşturucu ağ yapısı (PFN Pulse Forming Netvvork) oluştur mak için değiştirilmiştir. Tektro nix yüksek gerilim probu (P6015) ise aygıt üzerindeki gerilimi doğ rudan görüntüleyebilmek için kul lanılmıştır. PFN ileri yöndeki dü şüş ölçümünde geçiş süresi etki lerini azaltır. Burada kullanılan 50Q PFN, akımı 600Vta 12A'e sınırlar. 300A aralığında düşüşü ölçmek için daha düşük dirençli PFN kullanılması gereklidir.

Şekil 5 akım görüntüleyici direnç ile ölçülen PFN'deki akım profili ni ve probla ölçülen gerilimi gös termektedir. Aygıt ilk olarak dü şük akım ( 2.5A) durumunda anahtarianmış, 350ns gecikme den sonra daha yüksek akım se viyesine (~9A) çıkarılmıştır. Şekil 5'deki gerilim profili düşük akım durumunda gerilimin ~480V ve yüksek akım durumunda, baz bölgesinde ~5kV/cm elektrik ala na denk gelen bir gerilimle, 100V olduğunu göstermektedir. Bu alan, kütle yarı iletken GaAs için yüksek akım "kilitlenme" ko şullarında ölçülenlere eşittir, yani kalın baz bölgesi kütle GaAs'a benzer kilitlenme özelliği göste rir.

Opto tristörün ileri yöndeki düşü

şü, bu nedenle, yarı yalıtkan baz katmanının derin seviye etkenle ri altında olmalı ve daha yüksek akımlarda ~100V'tan fazla sap mamalıdır. Bu varsayım 300A'de etkin direncin ~0.3Q olacağı an lamına gelir. Bu değer seri RLC devresi ile daha önce elde edilen değere yakındır. Bu nedenle ile tim fazında aygıt 100V'a kilitlenir ve akım değeri dış devre ile be lirlenir.

Opto tristörün genil anahtarlama oranları Tablo I'de özetlenmiştir. Tablo l'deki elektrik alanların be lirlenmesinde gerilimin tamamen baz bölgesi üzerinde olduğu var sayılmıştır. Metalik temasların nokta alanları akım yoğunlukları nın belirlenmesinde kullanılmış tır.

V. özet ve Sonuçlar

Optik kapılanmış bir GaAs tristör özel olarak darbeii güç uygula maları için, di/dt oranı üzerinde durularak geliştirilmiştir. Aygıtlar, yarı yalıtkan bir tabanın her iki tarafında MOCVD büyütülmüş epitaxial katmanlar uygulanarak üretilmiştir. Bu aygıtların darbeii güç anahtarları olarak özellikleri bu yazıda sunulmuş ve çözüm lenmiştir. Parça olarak kesildik ten sonra aşındırılmış aygıtlar

Tipik optik kapı lama enerjisi DA engel gerilimi Engel durumunda elektrik alan İleri yönde düşüş

1 2 uJ > 800 volts > 400 KV/cm

100 volts

800Vtan daha yüksek gerilimleri engellemeyi ve 300A kadar yük sek tepe akımlarını iletmeyi ba şarmışlardır. Bu aygıtlar için di/dt oranı 1.5x1010 A/s'den daha iyi dir. Kenar yıkımları engelleme gerilimini ve aygıt ömrünü sınır lamaktadır. İleri yönde düşüş ~100V civarında olmuştur ve bu nun aygıtın kalın baz bölgesinde oluşan kilitlenme etkisiyle belir lendiğine karar verilmiştir.

Aygıtın engelleme geriliminin kütle çığ yıkım gerilimi ile belir lenmesini sağlayacak şekilde ke nar yıkım etkilerinin azaltılması na yönelik incelemelerin yapıl ması gereklidir. Gelecekteki ça lışmalar aygıtın bir koruma hal kası kullanılarak kenardan ayrı tutulması ve yüzeyin pasifleştiril mesi ve kenarlarda oluşan elekt rik alanların azaltılmasını içere cektir. Yüksek akım seviyelerin deki temas noktası sorunları ve diğer hata mekanizmaları da in celenecektir.

İleri yönde büyük düşüşlere yol açan "kilitlenme" etkisi nedeniyle yarı yalıtkan GaAs, opto tristörler için uygun olmayabilir. Bu ne denle saf (1013 1014 cm3) ve kalın (200 300u.m) katmanların tristör baz bölgesi olarak kullanıl mak için epitaxial büyütülmesi üzerinde durulmaktadır. Sıvı faz epitaksi (LPE Liquid Phase Epi taxy) bu amaca en uygun tekno loji olarak görünmektedir. LPE, çözelti kabından kaynaklanan kirlenmeyi azalttığı için önemli olan düşük sıcaklıkta büyütmeye olanak tanır.

iletim durumunda elektrik alan 800 Vta tepe darbe akımı Tepe akım yoğunluğu di/dt

5 KV/cm 300 A

37.5 KA/cm2 > 1.5 x 1010A/s

Tablo 1 GaAs opta tnstörûn Genil Darbeii Güç Anahtarlama oranlan: (elektrik alanın belrlenmeside, besleme geriliminin 200 mm baz kalmanı üzerinde olduğu kabul edilmiştir. Temaslann nokta atanları (~ 0.008 cm2) akım yoğunluğunu beliriemede kullanılmıştır.)

Bu yazıda sunulan sonuçların, GaAs tabanlı opto tristörlerin darbeii güç aygıtları olarak kulla nılmak için önemli bir potansiyel oluşturduğunu gösterdiği ve op toelektronik özelliklerin tristör anahtarlama di/dt kapasitesini önemli ölçüde artırabileceği so nucuna vardık.

3 8 6 ELEKTRİK f fyj MÜHENDİSLİĞİ I U l