Исследование влияния формы контактных площадок на параметры возникающих колебаний тока в полуизолирующем GaAs

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Саратовский государственный университет им. Чернышевского»

Кафедра физики полупроводников ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА по направлению «Электроника и наноэлектроника»

на тему «Исследование влияния формы контактных площадок на параметры возникающих колебаний тока в полуизолирующем GaAs»

Студент-дипломник И. А. Чертов Научные руководители Зав. кафедрой, профессорА.И. Михайлов АссистентИ.О. Кожевников ДОПУСКАЕТСЯ К ЗАЩИТЕ Заведующий кафедрой А. И. Михайлов д.ф.-м.н., профессор САРАТОВ 2014

1. Анализ современного состояния работ, посвященных исследованию неустойчивостей тока в полупроводниковых структурах

2. Экспериментальное исследование влияние формы контактных площадок на параметры токовых колебаний в мезапланарных структурах на основе высокоомного GaAs

2.1 Параметры используемых материалов и технология изготовления экспериментальных образцов

2.2 Схема экспериментальной установки для проведения исследования

3. Анализ результатов экспериментального исследования влияния формы контактных площадок в мезапланарных структурах на основе высокоомного GaAs

Заключение

Список используемой литературы Приложение колебание неустойчивость тока полупроводниковая структура

Идея использования динамической неоднородности в полупроводниках в качестве носителя информации привела к формированию функциональной электроники. Функциональная электроника является одним из современных и перспективных направлений микроэлектроники. Она основана на использовании физических принципов интеграции и динамических неоднородностей, обеспечивающих несхемотехнические принципы работы устройств. Динамические неоднородности в полупроводниках и полупроводниковых структурах и связанная с ними неустойчивость тока представляют значительный интерес для создания принципиально новых приборов[2]. Функциональная интеграция обеспечивает работу прибора, как единого целого. Разделение его на элементы приводит к нарушению функционирования. Ее появление обусловлено грядущим достижением физических пределов схемотехнике.

Крайне важным аспектом функциональной электроники является омический контакт. История исследования этого типа контактов насчитывает порядка 60 лет. Технология получения контактов совершенствуется по сей день, так как от исполнения омического контакта зависит работоспособность прибора в целом, чем она эффективнее и совершеннее, тем лучше. Они необходимы для присоединения внешних выводов. Омические контакты должны обладать следующим важнейшим свойством — не влиять на измеряемые ВАХ, падение напряжения на них должно быть пренебрежимо малым по сравнению с общим напряжением на образце. Также, немаловажным аспектом является форма самого контакта. От нее зависит форма распределения электромагнитного поля в образце.

В связи с этим, целью данной работы является экспериментальное исследование влияния формы контактных площадок на параметры возникающих колебаний тока в мезапланарных структурах на основе полуизолирующего GaAs.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— экспериментальное исследование ВАХ структур Me-n⁺-n-подложка на основе GaAs с различной формой контактных площадок.

— экспериментальное исследование влияния формы контактных площадок мезапланарных структур на пороговое напряжение возникновения колебаний тока, их амплитуду, частоту и форму.

1. Исследование рекомбинационных неустойчивостей тока в полупроводниковых структурах

Неустойчивости тока представляют собой довольно обширный класс. Для их возникновения является необходимым наличие динамической неоднородности в полупроводнике под действием приложенных физических полей (электрических, магнитных, электромагнитных). Таких как статистические и динамические домены, ансамбли заряженных частиц и квазичастиц, динамические неоднородности волновой природы (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны, волны пространственного заряда). Наиболее перспективными средами для функциональной электроники, в которых возможно возникновение динамических неоднородностей электрического поля, являются многодолинные широкозонные полупроводники (GaAs, GaN, InP, CdTe и др.). В GaAs n-типа при комнатной температуре возникают СВЧ-колебания. Частота их составляет порядка 5 Ггц, при длине образца порядка 0,1 мм. Этот эффект генерации СВЧ-колебаний получил название эффект Ганна. Из всех видов неустойчивости тока наименее изученным является класс неустойчивостей, обусловленных рекомбинацией зарядов в полупроводниках — рекомбинационных неустойчивостей тока. Необходимым условием существования колебаний является наличие в образцах ловушек, энергетические уровни которых попадают в запрещенную зону полупроводника. Такие уровни создают либо введением примеси, либо связаны с наличием всевозможных дефектов или поверхностных состояний.

Существенная особенность характеристики на рис. 1, а, состоит в том, что в определенной области значений токов, jv < j < jр, напряженность поля есть многозначная функция плотности тока. В интервале jv < j< jр при заданном значении плотности тока система может находиться в одном из трех пространственно однородных состояний, в двух из них (при Е = Е₁ и при Е = Е₃) дифференциальная проводимость положительна, в третьем (при Е = Е₂)—отрицательна. Вольтамперная характеристика такого вида называется N-образной. Очевидно, в этом случае дифференциальная проводимость меняет знак, проходя через нуль в точках (Е = Е_p, j=j_p) и (Е = E_v, j = j_v).

Характерной особенностью неустойчивости тока является область отрицательной дифференциальной проводимости на ВАХ (Рис. 1, а)[3].

На Рис. 1,6 представлена вольтамперная характеристика другого типа, называемая S-образной. Она соответствует случаю, когда в некотором интервале значений напряженности поля плотность тока j есть неоднозначная функция Е, а дифференциальная проводимость меняет знак, обращаясь в бесконечность в точках (Е = Е_p, j=j_p) и (Е = E_v, j = j_v) (рис. 1, б).

В работе Приведены результаты экспериментальных исследований образцов p-Ge (Au) и проведено их качественное сравнение с одномерной теоретической моделью, разработанной для рекомбинационной неустойчивости в германии с золотом в двухпараметрическом пространстве «напряжение-эмиссия». Показано существование в системе трех режимов функционирования в пространстве параметров. Обнаружено наличие на вольт-амперной характеристике (ВАХ) второго участка с S-переключением, который, возможно, связан с шумоиндуцированным неравновесным фазовым переходом. Также были обнаружены различные режимы функционирования, возникновение субдоменов и их перестройка, а также другие свойства, необычные для типичных нелинейных систем. При этом вольт-амперные характеристики (ВАХ) образцов, в зависимости от области параметрического пространства, изменялись от омической к суперлинейной, в последующем плавно переходили к насыщению или N-образной форме и далее с ростом параметров надкритичности — к S-образной ВАХ. В работе использовались p+ —p—n⁺-структуры с d = 1 ч 3 мм на основе p-Ge (Au) со следующими характеристическими параметрами при 77 K: I группа образцов—с₁ = 8.7 * 10⁴ Ом * см, µ₁ = 16 500 см²/В * с, P₀₁ = 4.33 * 10⁹ см^-3, II группа образцов — с₂ = 1.95 * 10⁵ Ом * см, µ₂ = 29 900 см²/В * С, P₀₂ = 1.07 * 10⁹ см^-3 (где с — удельное сопротивление, µ — подвижность дырок, P₀ — равновесная концентрация дырок). Измерения проводились в температурном интервале 77−130 K в импульсном режиме с длительностью до 500 мкс во избежание джоулева разогрева образца, а длительности пилообразного импульса напряжения для записи восходящей и нисходящей ветвей ВАХ составляли 400 мкс. Полученные результаты, в случае одновременных инжекции с контактов и освещения с ростом напряжения, представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Временные реализации, фазовые портреты и спектры мощности при значениях приложенного напряжения: 1 — 31.4 V, 2 — 102.4 V, 3 — 107.5 V.

В начале сублинейного или N-участков возникают колебания тока, близкие по форме к когерентным, которые с ростом приложенного напряжения через квазипериодичность (рис. 2,1) переходят в хаотические колебания (рис. 2,2). Дальнейшее увеличение напряжения приводит к пичкообразным колебаниям доменного типа (рис. 2,3).

В работе приведены данные об обнаружении и исследовании нового типа электрической неустойчивости в плазме полупроводников — так называемых рекомбинационных волн. Использовались образцы на основе Ge n — типа. Центрами рекомбинации были атомы марганца. Марганец компенсировался сурьмой так, что верхний уровень (Е_с — 0,37 эв) был заполнен электронами частично. Спонтанные колебания тока возникали при температурах, близких к комнатной, и существовали в сравнительно узком интервале температур (несколько десятков градусов). Критическое поле неустойчивости было мало и для разных образцов лежало в пределах немногих десятков В/см. ВАХи образцов до возникновения колебаний тока были строго линейными. Вблизи порога колебания тока имели шумовой характер, но при дальнейшем увеличении поля становились правильными. Частота колебаний лежала в пределах 0,1 — 1 Мгц и не зависела от длины кристаллов. Амплитуда колебаний была велика; глубина модуляции тока (i_max — i_min)/ i_max достигала 50−90%. Исследование изменения потенциала в пространстве и времени в процессе колебаний, проведенное с помощью подвижного прижимного зонда, показало, что неустойчивость имеет объемный характер. При этом было обнаружено, что колебания поля возникают только в ограниченной части кристалла, отстоящей на разные расстояния от обоих электродов. Специальные опыты с образцами весьма различной формы показали, что возможная инжекция с контактов не играет принципиальной роли в развитии неустойчивости. Точно так же не было обнаружено заметного влияния обработки поверхности кристаллов.

Также в работе был проведен сравнительный анализ полученных данных с теоретическими расчетами. Его результаты для образца с наиболее интенсивными колебаниями тока представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

Где n₀, p₀ — равновесные концентрации электронов и дырок,

N — концентрация Mn,

f — равновесная степень заполнения электронами верхнего уровня марганца при температуре опыта,

E — значение поля щ — частота колебаний

k — значение критического поля В работе исследовалась рекомбинационная неустойчивость тока в эпитаксиальных p⁺ — n^- структурах с локально введенными в n^- область примесными атомами и определялись параметры глубоких центров на ее основе.

Образцы изготавливались на основе кремниевых структур на p-областях (с = 10^-2 Ом * см) которых эпитаксиально выращивался n-слой толщиной 10—15мкм (с = 2—4 Ом * см). Активный контакт создавался посредством размещения на n-области структуры навесок из примесных атомов олова, свинца и кадмия в виде шариков диаметром 0.5 мм. Типичная ВАХ активного контакта (АК) при разомкнутом p⁺ —n^- переходе приведена на рис. 2.

Особенность ВАХ состоит в том, что с некоторого обратного напряжения величиной U_ak (U_ak = 2—8 В для различных образцов) в цепи АК возникают интенсивные импульсные колебания тока (характерное размытие на ВАХ, см. рис. 2). Одновременно на p⁺— области относительно вывода базы возникают пилообразные колебания потенциала большой амплитуды. Типичная осциллограмма колебаний тока через АК и напряжения на p⁺ —n^-переходе приведена на рис. 3.

Как отмечают исследователи, одним из наиболее важных процессов, способствующих указанным особенностям структуры, является стимулируемое положительными обратными связями по току и напряжению накопление дырок в n-области структуры, существенно изменяющее структуру области пространственного заряда АК и p+ —n-перехода и, в частности, приводящее к уменьшению ее ширины.

Как показал анализ работ [2−6] рекомбинационная неустойчивость тока, наблюдается в различных структурах, на основе таких материалов как кремний и германий. Отметим здесь, что кремний является непрямозонным полупроводников, однако генерация токовых колебаний имела место, при определенных условиях.

В данной работе в качестве материала подложки выступает высокоомный GaAs. Влияние расстояния между контактами на возникновение многочастотной генерации было исследовано в работе.

2. Экспериментальное исследование влияние формы контактных площадок на параметры токовых колебаний

2.1 Параметры используемых материалов

Экспериментальные образцы представляют собой планарноэпитаксиальные мезаструктуры на основе GaAs с четырьмя вариантами формы контактных площадок: 1 — плоскопараллельная, 2 -плоскозаостренная, 3 — встречно-заостренная, 4 — вогнуто-заостренная. Выбор данных вариантов форм контактных площадок мезапланарных структур обусловлен следующими особенностями. Форма площадок плоскопараллельного типа является самой простой в плане реализации, однако из-за неоднородности поверхности межконтактной области, ток протекает непредсказуемо по пути наименьшего сопротивления, что может оказывать влияние на параметры возникающих токовых колебаний. Для плоско-заостренной формы контактных площадок характерно более упорядоченное направление протекания тока однако, сужение пути протекания тока может привести к ухудшению фоточувствительности прибора. Вогнуто-заостренная форма контактных площадок является компромиссом между направленностью тока и хорошей фоточувствительностью, где вогнутый контакт является как бы собирающим направленный поток от острия второго контакта. Расстояние между омическими контактами каждой мезаструктуры равно 60 мкм.

Реализация в интегральном исполнении параллельного соединения десяти одинаковых мезаструктур общими шинами питания позволяет получать одновременное функционирование элементов, сопровождающееся возникновением мультиколебаний тока, складывающихся между собой во внешней цепи.

2.2 Схема экспериментальной установки для проведения исследования структур

Для проведения измерений, в данной работе, использовалась схема, представленная на рис. 2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки. ИПТ — источник постоянного тока, Rнагр — сопротивление нагрузки, А — амперметр, О — осциллограф универсальный запоминающий Исследование проводилось следующим образом. Образец размещался на измерительном столике микроскопа. С помощью микроскопа на контактных площадках выбранной структуры располагались прижимные вольфрамовые зонды. с помощью вольфрамовых зондов к структуре прикладывалось постоянное напряжение (до 40 В) от источника постоянного тока (ИПТ) Б5−49. Показания тока регистрировались амперметром (А) РВ7- 22А. Сигнал снимался с сопротивления нагрузки (100 Ом), включенного последовательно с исследуемой структурой, и отображался на экране осциллографа (O)

3. Анализ результатов экспериментального исследования влияния формы контактных площадок в мезапланарных структурах на основе высокоомного GaAs

В ходе проведения эксперимента были получены следующие вольт-амперные характеристики для мезапланарных структур с различной формой контактных площадок.

ВАХ плоскопараллельных контактов

ВАХ плоско — заостренных контактов

ВАХ встречно — заостренных контактов

ВАХ вогнуто — заостренных контактов

По представленным ВАХ можно сделать вывод о том что, воспроизводимость результатов в большей степени удовлетворительна. Отличие ВАХ одних и тех же форм контактных площадок различных структур может быть связан как с несовершенством технологии, так и с наличием чужеродных разрязнителей на поверхности структур. Стоит отметить, что по величине падающего участка ВАХ можно судить о величине возникающих колебаний тока. Наибольший пиковый ток был зарегистрирован на вогнуто — заостренных формах контактных площадок. Также из ВАХ можно выделить интервалы пороговых напряжений. Образование интервалов также может быть связанно с несовершенством технологии, а также с разогревом образца.

Результаты полученных значений пороговых напряжений для разных форм контактных площадок представлены в виде функций распределения по частоте детектирования того или иного порога [Приложение, Таблицы 2−5].

Как видно из полученных функций распределения, наибольшей устойчивостью порогового напряжения и, одновременно, наименьшим его величиной, обладает плоско — параллельная форма контактной площадки. Наличие высоких пороговых напряжений может быть связанно с различными дефектами на поверхности структуры.

Вогнуто — заостренная форма также обладает удовлетворительной устойчивостью порогового напряжения, в сравнении с оставшимися двумя формами, которые имеют очень размытый характер распределения.

Ввиду построенных экспериментальных распределений можно сделать однозначный вывод, что форма контактных площадок в значительной степени влияет на значение порогового напряжения.

Результаты полученных значений амплитуды сигнала для разных форм контактных площадок представлены в виде функций распределения по частоте детектирования того или иного значения амплитуды[Приложение, Таблицы 6−9].

Анализ функции распределения по амплитуде в зависимости от формы контактных площадок показал, что плоско — параллельная форма контактных площадок обладает хорошей степенью устойчивости токовых колебаний по амплитуде, однако это косвенно говорит о том, что на этой форме контактных площадок число генераций является небольшим ~2 [Приложение, Таблица 14]. Плоско — заостренная и вогнуто — заостренная формы контактных площадок имеют самое устойчивое распределение по амплитуде, они же имеют наибольшее число устойчивых генераций тока [Приложение, Таблица 14] и охватывают большой интервал значений амплитуды.

Встречно — заостренная форма колебаний имеет очень размытое распределение по амплитуде, а также обладает малым количеством устойчивых генераций тока [Приложение, Таблица 14].

Из всего вышесказанного, следует вывод о том, что форма контактных площадок в значительной степени влияет и на амплитуду возникающих токовых колебаний. Наиболее пригодными к применению по итогам анализа являются формы плоско — заостренная и вогнуто — заостренная.

Результаты полученных значений частоты токовых колебаний для разных форм контактных площадок представлены в виде функций распределения [Приложение, Таблицы 2−5].

Из всех представленных распределений стоит отметить то, что плоско — заостренная форма имеет очень большую устойчивость по частоте, а также обладает ее наибольшим значением. Из этого следует вывод, что используемая технология вполне пригодна для изготовления контактов этого типа и может обеспечить хорошую воспроизводимость результатов. Однако, формы встречно — заостренная и вогнуто — заостренная обладают большим интервалом частот, но менее устойчивыми колебаниями тока.

Следует отметить также и весьма удовлетворительное распределение по частоте плоско — параллельной формы, но оно обладает меньшим значение частоты, в сравнении с плоско — заостренной формой.

Очевидно, что наиболее пригодными, в случае получения наибольшей выделенной частоты колебаний тока, является плоско — заостренная форма.

Для представления влияния формы контактных площадок на форму возникающих колебаний рассмотрим следующие осциллограммы.

Плоско — параллельная форма контактных площадок:

Осциллограмма 1.

Осциллограмма 2.

Плоско — заостренная форма контактных площадок:

Осциллограмма 3.

Осциллограмма 4.

Встречно — заостренная форма контактных площадок:

Осциллограмма 5.

Осциллограмма 6.

Вогнуто — заостренная форма контактных площадок:

Осциллограмма 7.

Осциллограмма 8.

Из представленных осциллограмм 1−8, можно сделать вывод о том, что форма контактных площадок не оказывает влияния на форму возникающих колебаний тока. Они представляют собой пикообразные колебания с резким подъемом и резким, но сглаженным спуском.

Заключение

Анализ полученных данных позволил установить степень влияния формы контактных площадок на параметры токовых колебаний и форму колебаний тока в мезапланарных структурах на основе высокоомного GaAs.

1) Основным выводом квалификационной работы является то, что форма контактных площадок в значительной степени влияет на параметры возникающих колебаний тока. Различные формы контактных площадок, указывают на то или иное достоинство генерируемых колебаний. по результатам общего анализа наибольший интерес представляют 2 формы контактных площадок, а именно, плоско — заостренная и вогнуто — заостренная. Результатом этого может быть более упорядоченное распределения поля на этих формах.

2) Было выяснено, что форма контактных площадок не влияет на форму генерируемых колебаний. Анализ работ [4−6] показал, что возможным фактором влияющим на форму колебаний токовых осцилляций, может является сама активная среда. Также это может быть связанно с тем что все процессы рекомбинации заряда происходят не между контактами, а под одним из них.

Список используемых источников

1.Муравский Б. С., Григорян Л. Р., Рубцов Г. П., Черный В. Н. Перспективы использования рекомбинационной неустойчивости тока в функциональной электронике //

2.Щука А. А. Функциональная электроника // Успехи современной радиоэлектроники. 2004. № 5−6. С. 149−168.

3.Бонч-Бруевич В.Л., Звягин И. П., Миронов А. Г. Доменная электрическая неустойчивость в полупроводниках. М.: Наука, 1972. 416 с.

4.Ибрагимов Х. О., Алиев К. М., Камилов И. К., Абакарова Н. С. Рекомбинационная неустойчивость и двойное S-переключение в p-Ge (Au) // ЖТФ. 2003. Т. 29(3). С. 82−88.

5.Успехи физических наук // 1969. Т. 98(4). С. 736−738.

6.Муравский Б. С., Куликов О. Н., Черный В. Н. Рекомбинационная неустойчивость тока в эпитаксиальных p±n-структурах с локально введенными в n-область примесными атомами и определение параметров глубоких центров на ее основе // ФТП. 2003. Т. 4(37). С. 393−397.

7.Многочастотная генерация в параллельных высокоомных планарно-эпитаксиальных структурах на основе арсенида галлия

8.Михайлов А. И, Митин А. В., Кожевников И. О., Особенности возникновения устойчивых колебаний тока большой амплитуды в длинных высокоомных планарно-эпитаксиальныхструктурах на основе арсенида галлия

Приложение

Таблица 2.

Таблица 3.

Таблица 4.

Таблица 5.

Таблица 6.

Таблица 7.

Таблица 8.

Таблица 9.

Таблица 10.

Таблица 11.

Таблица 12.

Таблица 13.

Таблица 14.