拡散形GaAsスイッチダイオード
手塚和夫
清水東
石田哲朗
（昭和43年9月12日受理）GaAs Diffused Switching Diode
KazuoTEZUKA AzumaSHIMIZU TetsuroISHIDASynopsis Switching diode used in the logic circuits of computer isrequiered to have a shorter switching time． It is favourable for the diode to use materials having a short minority carrier lifetime as possible， because the switching time is comparable to the lifetime． The carrier lifetime of GaAs being so short as 10−9∼10−13／sec， GaAs is regarded as a suitable material for the switching diode． According to the experiments， the diodes being made of n type GaAs of impurity concentration 2．7xlOn／cm3 proved that the switching time is in proportion to the junction capacitance and the former falls to about 2 nsec in case of IpF of the latter． As the result of the measurement of UHF impedance and storage time in the current response for switching characteristics of the diodes， it is proved that the minority carrier lifetime of the material is 2∼3 nsec． This fact is followed that the switching time obtained from GaAs diode is about 2 nsec or so． 1． ま え が き スイッチ素子としてはいろいろな原理のものがある。 本論文では，順方向と逆方向のイソピーダンスの相違を 利用したダイオードを扱う。このスイッチダイオード は，主として電子計算機等の論理回路のゲートやサソプ リングオシロスコープのヘッド等に使用できる。現在， 電子計算機等の論理回路は1nsec以上の高速のものが 要求されている。このような高速化は，論理回路に用い られるトランジスタやダイオードのスイッチ時間が短縮 されてはじめて可能になる。 ダイオードを順バイアスから逆バイアスに切り換えた ときの逆回復時間は少数キャリア寿命に比例しているの で，寿命の短い材料を用いることが望ましい。逆回復時 間は，ゲルマニウムを母材としたものでは，ゴールドボ ンド形で0．2μsec程度が限度であった。シリコンを母材 とするものでは，Au拡散によってキャリア寿命を短く し，2∼3nsecの回復時間が得られている1）。これらは pn接合ダイオードであり，いずれも主として少数キャ リア蓄積効果によって回復時間が制限される。しかし， 蒸着で金属・半導体接触を作ったショットキーダイオー ドでは，少数キャリアの注入が行なわれないので，lnsec 以下の回復時間のものができるようになった。 GaAsはμ／κが大きく高周波用としてすぐれている。 また，Egが大きいので高温で使える。少数キャリア寿命 は不純物濃度が高いほど短く，10−13secにもなっている と報告されている2）・3）。GaAsのキャリア寿命はこのよ うに短く，また逆回復時間は少数キャリア寿命と同程度 であるので4），これをスイッチ用として使用できると考 えた。母材の不純物濃度2．7×10’7cm’3のn形GaAsを 使用して拡散形ダイオードを製作した結果，逆回復時間 が約2nsecのものを得，逆回復時間は空乏層容量にも非 常に関係していることがわかった5）。またスイッチ特性 における蓄積時間および交流インピーダンスから寿命を 求め2∼3nsecが得られた6）。したがって，これ以上逆 回復時間を短くすることは困難ではあるが，十分実用に なるとの結論を得た。 e ＊現在，タケダ理研工業株式会社勤務 2． スイッチ時間の理論的解析 ダイオードのスイッチ回路を図一1に示す。順方向に バイアスされたスイッチ1の状態では，P側の正孔は11 側に注入され，順方向に一定電流Ifが流れる。
昭和43年12月 山梨大学工学部研究報告 第19号 1 2 P Pno 図一1 スイッチ回路 Fig．1 Representative switching circuit． 図一2 スイッチ過程における正孔の分布 Fig．2 Hole density distributions during the switching． 竃 ↑ 心 ’ア
→時間
ご ＿ ＿ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ＼ 0．1∫r τ1 言2 図一3 スイッチソグにおける電流応答 Fig．3 Current switching characteristics of a diode． n側の正孔分布は拡散方程式を解いて P・ Pno＋P・・ exp（砦ずP） （・） と求まり，図一2のt＜0の曲線となる。tニ0においてス イッチを1から2に切り換えると，n側の正孔が十分に ある0＜t〈t、の間は外部抵抗R。で制限される図一3の 一定電流Irが流れる。この時間を蓄積時間という。 t＞tlの場合一定電流を流すのに十分な正孔密度こう配 がなくなり，電流密度は∫一一qD（蹴。 （・）
D：拡散定数 に従って流れ，図一3のように徐々に減少して逆飽和電 流に落ちつく。電流がIrの10％までに回復する時間t2 を減衰時間という。スイッチ時間（逆回復時間）t．はtl とt2の和と定義されている。 次に力とt2を計算する。11形母材の厚さをW，拡散距 離をLp＝㎡b｝i■ip（Dp：拡散定数，τp：少数キャリア寿 命）としたとき，W＞五ρならば拡散方程式は爵一弗一㌃ （・）
となる。τ＝0において，順電流および逆電流がそれぞれ Ifおよび∫。なる境界条件で，ラプラス変換を用いて式 （3）を解くと4）erf〆☆一、＋i／、， （・）
÷一・卜f∼／ξ＋票蒜）一ユ］（・）
となる。式（4）∼（5）で，t、／τρおよびt2／TpはIr／lfの関 数であることがわかる。τpがわかっていれば∫，／万の ある値に対するtl， t2が求められ，逆回復時間は t。＝tl＋t2と求められる。たとえばみ＝lfとしたとき t。＝tl＋t2＝0．8τpとなる。 3．スイッチングダイオードに必 要な電気的特性と設計指針 スイッチングダイオードに必要な最も重要な特性は次 の三つである。 1） スイッチ時間が短い。 2） しゃ断周波数が高い。 3）逆電流が小さく，かつ耐圧が10V程度ある。3．1スイッチ時間
2で述べたように，スイッチ時間はτpと同じ程度で あり，τpが小さいほど有利である。GaAsはGe，Siなど に比べてτpが非常に小さいが，報告者によってその値 は異なり，確かな値が得られていない。また不純物濃度 が高いほどτpも小さくなり7），1nsec以下の寿命を得る ためには，不純物濃度を1016／cm3より大きくしなけれ ばならない。 3．2 しゃ断周波数 高周波しゃ断周波va f，を，空乏層容量C（V）によるリ アクタンス分と直列抵抗Rsの値が等しくなる周波数と 定義すれば8） 1 （6） fcニ 2π1∼、C（の となり，これが使用可能な周波数の上限を与える。 直列抵抗および空乏層容量はできるだけ小さくしなけれ ばならないことがわかる。このしゃ断周波数とダイオー ドの材料，不純物分布および構造との関係9）から，μ／κが 大きい材料が望ましい。n形GaAsの場合はに μ／κ＝8500／11．1≒765となりGeやSiよりもすぐれて いる。 3．3ダイオードの設計 1nsec以下の寿命を得るための不純物濃度は 1016／ cm3以上であり，一方，10V以上の耐圧を得るための拡散形GaAsスイッチダイオード 不純物濃度は3×10i7／cm3以下でなければならない1°）． したがって，不純物濃度は3×1017／cm3にできるだけ近 いものがよい。実際には，入手し得た2．7×1017／cm3の n形GaAsを使った。 スイッチ時間がnsec程度のスイッチダイオードでは C（V）は1pF以下，Rsは5Ω以下であることが望ましい。 C（V）を小さくするには図一4のようなメサ構造にし，接 合の直径dを小さくすれぽよいが，dが小さくなるとRs が大きくなり，両者は相反する性質のものである。 接合の形を階段接合で近似し，接合の直径と空乏層容 量との関係を求めると図一5のようになる。空乏層容量 を1pF以下にするためには， dを30μ以下にする必要が ある。一方Rsは次のように表わされる。 R・一㌃＋π1，￡；1：’4＋R・ （・） ρb：母材の抵抗率 Pm：メサ部分の抵抗率 d：接合の直径 t：メサの高さ Ro：オーム接触の抵抗 式（7）の右辺第1項は広がり抵抗を，第2項はメサ部分 の抵抗を表わす。不純物濃度と抵抗率との関係1°）を使っ て第2項を計算すると1Ω以下となり，R。も十分小さ くできるので，いずれも第1項に比較して無視できる。
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図一4 ダイオードのメサ構造 Fig．4 Mesa structure of a diode・ 101 已＿ ）培 娯） 黒匝翫0・ “｛（￠ るぐ江 迫撫 10−1 10−2 10° 101 102 103 接合直径（μ） 図一5 接合直径と空乏層容量および広がり抵抗との関係 Fi9．5 Junction capacitance and spreading resistance as a function of junction diameter． ・汐
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したがって式（7）は ρb 3．5×10−3 （Ω） Rs≒一＝− d 2d となる。R，とdとの関係も図5に示した。 （8） この図からR，を5Ω以下にするためにはdを7μ以上 にしなければならないことがわかる。したがってC（0）＜ 1pF， Rs＜5Ωの両者を満足するためには7μ＜d＜30μ とすればよい。メサの高さはほぼp層の厚さと考えられ るので，p層は薄い方がメサエッチしやすい。しかし，オ ーム接触を合金でつけるため，そのくい込みを考慮して 拡散層の厚さを10μとする。 4．製 作 法 不純物濃度2．7×1017／cm3のn形GaAs Vc Znを拡散 してpn接合を作り，これを適当な大きさに切り出す。 これにオーム接触をつけてマウントし，電解法でメサエ ッチする。製作の基本方針はC（V），Rs， L（リード線な どによるインダクタンス）をできるだけ小さくすること である。製作過程を図一6に，組み立てられたダイオー ダの構造を図一7に示す。 Ni板 GaAs Snハンダ 石英パイプ中へ 真空封入 07 Snハンダ付き Ni板 真空中てオー一ム 接触付け 図一6 製作過程 Fi9．6 Fablication process． 7．0 C2．0 ． 8 0 巴 ‘ 1 怐@ 1 Sn球 イi英パイフ しんちゅうり…ド 図一7 ダイオードの構造 Fig．7 Assembled diode．昭和43年ユ2月 山梨大学工学部研究報告 第19号 図一8 電圧・電流特性測定回路 Fig．8 Set・up for voltage’current test． 50 ＜ ∈ ＼ン s 10 5 1γ（ （＜ さ ∨ 50 図一9 電圧・電流特性 Fig．9 Voltage・current characteristics． 5．測定法および測定結果
5．1電圧・電流特性
測定回路を図一8に，測定例を図一9に示す。電源とし ては定電圧源および定電流源を用いる。また電流計の内 部抵抗による電圧降下の補正を行なう。順方向でに1V 付近から立ち上がりはじめ，1．28∼1．30Vで10mA流れ る。順電流の十分大きい部分の接線から求めた直列抵抗 は2∼5Ωとなる。接合面積が小さくなるにしたがって 直列抵抗も大きくなるが，ほぼ設計値を満足している。 逆方向に流れる電流は6∼8V付近までは0。1μA以下で あり，10V付近で1μA流れ，11・5V付近で急峻な降伏を 示す。耐圧についてもほぼ設計値に近い値が得られた。 5．2 電圧・容量特性 空乏層容量は電圧に依存して変化するので，図一10の ように外部からバイアスを加え，電圧による容量の変化 をみる。バイアス回路のコンデンサは，空乏層容量に比 較して十分大きいものを使う。空乏層容量は階段接合で 電圧の一1／2乗に，傾斜接合で一1／3乗に比例する。こ こで作ったダイオードの実測値は，図一11に示すように C」㏄（Vr十Vα）−n，（1／3＜n＜1／2）となっている。ただ しVT：接触電位， V、：印加電圧である。このことは拡 散が補誤差関数に従わないことを示している。5．3スイッチ特性
図一12の測定回路で，まず定電圧源から順方向に一定 電流を供給しておき，次いで，立上りの速いパルス発生 器で負の電圧を加える。このときの各部の応答を①，②， ③の出力端で測定する。電流応答は②の出力端で観測す ⊃発振器 容量ブリツジ 検出器 VVA
一号 図一10電圧・容量特性測定回路 Fig・10 Set・up for voltage・capacitance test． 恒 抽 雑 11x／ 期 loo lO−1 ＼ 、＼々
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100 101 電圧（V）， 図一11電圧・容量特性 Fig．11 Voltage・capacitance charactristics． 0．05 サンプリング オシロスコー一プ ③ 図一12 スイッチ特性測定回路 Fig．12 Set−up for diode switching test． る。 パルスの立上りが非常に速いため，ダイオードを接続 しなくても，接続端子間の漂遊容量による電流が観測さ れる。このためR4，Rsの位置および電極の構造に注意し なければならない。また素子とアース間の漂遊容量，ダ イオードの容量，回路素子およびダイオードのインダク タンスのために応答が振動1生になるので，これらをでき るだけ小さくする必要がある。 ダイオードをスイッチしたとき，逆方向に流れる電流 は蓄積された少数キャリアのみであるとして解析した が，実際には，空乏層幅の変化により，ここから流れ出 る電子電流Jcもかなりの割合であることがわかった。拡散形GaAsスイッチダイナード （1）y6＝2．5V （2） Vb＝3．OV （a）Ifニ40mA （3）Vb＝5．OV ’ （b） 1f＝＝0 図一13スイッチ特性（時間軸2nsec／div．） Fig．13 Switching characteristics． 電圧・電流特性にあまり影響を与えることなくユpF程度 まで空乏層容量を下げることができた。この程度まで容 量を下げたダイオードでは，スイッチ特性に二つの形が あることがわかった。一つは順電流が小さい場合で，逆 電流中でJcの占める割合が大きく，一定電流領域がな い特性となる。他は順電流が大きい場合であり，理論解 析で示した一定電流領域と減衰領域が観測された。後者 の一例を図一13に示す。 （a）は順電流を一定にしたときの逆パィアスによるスイ ッチ特性の変化の一例である。（b）は順電流を流さないで （a）と同じ大きさの逆バイアスを加えたときの電流応答を 示す。（a），（b）とも基線より下の曲線で囲まれた部分は流 出するキャリアの量を表わしている。（b）は順電流を流さ ないのでキャリアの蓄積がない。このとき，逆電流は空 乏層幅の変化により流出する電子電流Jcであり，（a）の 逆電流は蓄積された正孔による電流Ipと（b）の」，との和 であると考えられる。五と」。との割合は（a），（b）の電流 波形と基線とで囲まれた面積を比較すれぽわかる。順電 流が小さいときは，スイッチ特性の逆電流中に占める Jcの割合が大きく，一一定電流の領域は観測されない。し
昭和43年ユ2月 山梨大学工学部研究報告 第19号 101 百 ： 堂 迎 回 100 10” 1，／lf 10° 図一141r／1アによる逆回復時間の変化 Fig．14 Revese recovery time as a f皿ction of lr／lf・ かし図一13（a）のように，順電流が大きい場合はlcの割合 が小さくなるので，一定電流領域が観測される。この畜 積時間は逆電流が大きくなると短くなりf，に・マスクさ れてしまう。ここで得られた逆回復時間は約2nsecであ る。蓄積時間と式（4）とからτρを求めると2∼3 nsec となり，この試料で得られるスイッチ時間は2nsecが限 界であると考えられる。 5．4逆バイアスによる逆回復時間の変化 逆回復時間は同一試料でも順電流Ifと逆電流lrの比 によって変化する。1。／lfと回復時間t。との関係を図一14 に示す。 Ir／lfが大きくなるにしたがってt。は次第に減少する。 この変化は1アの大小にほとんど関係しない。順電流と 逆電流の大きさとを等しく，すなわちIr／万＝1とする と逆回復時間は約2nsecとなる。 5．5 空乏層容量がスイッチ時間に及ぼす影響 試料をエッチし，空乏層容量を下げながら測定した逆 回復時間と空乏層容量との関係を図一15に示す。ここで は比較のために順電流，逆電流ともにユOmAとした。逆 回復時間は空乏層容量に比例して小さくなっている。逆 電流のピーク値を一定とした場合，容量が大きいもので はIpにくらべて1，が大きいので，低い電圧でピーク値 に達し，また電圧が低いとちの回復時間が長くなるの で逆回復時間も長くなるものと考えられる。 口 △ 口 ●∫∫＝20mA 30mA δ 0 40mA o △ 50mA △ 口 60mA 6．む す び GaAsはsiやGeよりキャリア寿命が短く，またμ／κが 大きくて高周波的にすぐれているので，スイッチダイオ ードに適していると考えてこの研究を行なった。スイッ チ時間をどこまで短くできるかは，少数キャリア寿命で 決まるが，空乏層容量が大きいと逆回復時間が長くなる ことがわかった。したがって，速いスイッチ時間を得る 盲 の 旦 堂 回 101 100 100 101 零バイアス空乏層容量（pF） 図一15空乏層容量による逆回復時間の変化 Fig．15 Reverse recovery time as a function of j皿ction capacitance． ためには，接合面積を狭くして空乏層容量を小さくしな ければならない。しかし，空乏層容量を小さくすれぽい くらでもスイッチ時間が短くできるものではなく2nsec 程度で限界が現われた。これ以上スイッチ時間を短くで きるかどうかが問題である。空乏層容量を十分小さくし たときのスイッチ特性で観測された蓄積時間および順バ イアス高周波インピーダンスより寿命を求めると，約2∼ 3nsecとなった。したがって，スイッチ時間を二れ以 上短くすることは困難ではあるが，十分に実用になる。 文 献 1） A．E． Bakanowski and J． H． Torster：‘’Electrica properties of gold・doped diffused silicon computer diodes”， BSTJ 39，1， P87，（Jan．1960）． 2） A．Amith：‘‘Photoconductive and photoelectromagne・ tic lifetime determination in presence of trapping． I Small signals”， phys． Rev．116，4，p793，（Nov．15，1959）・ 3） C．Hilsum and B． R． Haleman：Conference on Semiconductor physics，（1960）． 4） R．H．Kingston：”Switching time in junction diodes and junction transistors”， Pros． IRE 42，5，p829，（May 1954）． 5）石田，清水，手塚，小林：‘‘GaAsスイッチングダイオー ド”，昭41信学全大，548． 6）手塚，清水，石田：‘‘GaAsダイオードのキャリア寿命”， 昭42連大，1701． 7） T．Kinsel and L Kudman：‘‘Carrier recombination in gallium arsenide”， Solid・St． Electron．8，10， p797， （Oct． 1965）． 8） A．Uhlir， Jr；‘‘Two・terminal P・n junction devices for frequency conversion and computation”， Pros． IRE 44，9，P1183，（Sep．1956）． 9）西沢，清水，渡辺：‘‘パラメトリック増幅用ダイオードの 選定”，パラメトック増幅研究専門委員会資料（昭35 一 06）． 10） H．Kressel and A． Bliker：‘‘Breakdown voltage of GaAs diodes having nearly abrupt junction”， pros IRE 50，12， p2493，（Dec．1962）．
