Источники низкочастотных шумов в квантово-размерных светоизлучающих структурах и диодах Шоттки с дельта-легированием

Обзор литературы и актуальность темы диссертационной работы.

Одним из направлений современной радиофизики является исследование статистических характеристик шумов с целью изучения свойств объектов — источников шумов. Такие исследования могут быть полезными и при изучении различных процессов в веществе.

Настоящая работа представляет собой развитие цикла исследований, выполняемых на кафедре бионики и статистической радиофизики Нижегородского госуниверситета. Основные результаты, полученные ранее, обобщены в диссертациях С. В. Макарова [1], М. Ю. Перова [2], А. В. Белякова [3] и А. В. Моряшина [4].

К наиболее часто встречающимся шумам относятся: тепловойдробовойгенерационно-рекомбинационный шумышум, обусловленный флуктуациями температурыа таюке фликкерный шум.

Фликкерный шум, иначе называемый шумом эффекта мерцания, а также 1/f шумом, был впервые обнаружен при исследовании дробового шума электронных ламп на низких частотах [5], [6].

Фликкерные шумы обусловлены флуктуациями параметров радиоэлементов (например, резисторов, конденсаторов и др.) и могут наблюдаться при наложении на элемент напряжения или при пропускании через него тока. Фликкерный шум характеризуется своей спектральной плотностью мощности (далее у просто спектр), которая пропорциональна 1/f, где у — параметр формы спектра. Для многих объектов параметр формы спектра принимает значения около единицы: 0,8 <7 < 1,2. Поэтому такой шум часто называют «1/f шумом». Влияние фликкерного шума наиболее существенно на низких частотах.

Зависимости спектров фликкерного шумового тока Sj и напряжения Sv от величины тока I, протекающего через прибор, иногда аппроксимируются степенной функцией: S,~Ikl, S^I1*1. Случай к=к2−2 объясняется флуктуациями линейной проводимости исследуемого объекта.

Фликкерный шум, в силу своего модуляционного характера, ограничивает чувствительность и стабильность многих электронных устройств, требования к которым постоянно повышаются.

Исследования фликкерного шума, в том числе измерения его спектра, проводятся более 80 лет, однако природа шума до конца не выявлена [7, 8, 9]. Измерения спектра шума используются для получения информации об его происхождении. На данный момент имеется значительный теоретический и экспериментальный материал по физическим и статистическим свойствам фликкерного шума различных объектов, который был получен рядом исследователей: Ван дер Зил (A. Van der Ziel) [10, 11, 12], Дю Пре (F.K. Du Pre) [13], A.H. Малахов.

6, 7, 14], Xoyxe (F.N. Hooge), Клайнпеннин (T.G.M. Kleinpenning) и Фандамме (L.KJ.Vandamme) [9, 15, 16, 17], Ш. М. Коган [8], Датга (P.Dutta) и Хорн (P.M.Horn) [18, 19], Кларк (J. Clarke) и Восс (R.F.Voss) [20], Вейсман (M.B.Weissman) [21], Г. Н. Бочков и Ю. Е. Кузовлев [22], В. П. Паленскис [23], Н. Б. Лукьянчикова [24, 25], Р. З. Бахтизин и С. С. Гоц [26], А. К. Нарышкин и A.C. Врачев [27], Г. П. Жигальский [28, 29−41], В. В. Потемкин [42], С. А. Корнилов [43], В. Н. Кулешов [44], М. Е Левинштейн и С. Л. Румянцев [45], С.Ф. Тима-шев [46, 47], Г. А. Леонтьев [48], Муша (Т. Musha) и Ямомото (М. Yamamoto) [49], В. П. Коверда и В. Н. Скоков [50- 66], Хандель (Handel Р.Н.) [67], К. А. Казаков [68] и др.

Результаты исследования фликкерного шума показывают разнообразие его проявления. Например, в работе [49] исследуется 1/f шум в биологических системах, в работе [17] исследуются 1/f флуктуации коэффициента затухания в оптическом волокне, в работе [60] исследуется появление 1/f шума при переходе к сфероидальной форме капли на горячей плите. Даже приборы, изготовленные в технологически идентичных режимах, имеют электрические 1/f шумы, обладающие весьма широким разбросом величины спектра. В настоящей работе, например, будут представлены образцы одного и того же типа лазеров, обладающие различными шумовыми характеристиками.

Помимо изучения фундаментальных аспектов, касающихся природы 1/f шума, отдельный интерес представляет практическое приложение шумового анализа.

Одним из направлений, активно развиваемых в последние годы, является использование 1/f шумового анализа в качестве неразрушающего инструмента t диагностики качества структуры прибора.

Во фликкерных флуктуациях, по-видимому, находят свое отражение электронные и атомные процессы в веществе, характеризующие особенности микроструктуры твердых тел. Это дает возможность использовать 1/f шум для получения информации о качестве и надежности полупроводниковых структур.

На данный момент одной из наиболее распространенных моделей для объяснения 1/f шума в полупроводниках является модель двухуровневых систем (ДУС) — систем, имеющих атомарную структуру, обладающих двумя метаста-бильными состояниями, разделенными относительно невысоким потенциальным барьером АЕ.

Предполагается, что в образце присутствует ансамбль ДУС, характеризующийся достаточно широким (в масштабе кТ) распределением высот внутренних энергетических барьеров, см., например, [19]. Спонтанные (термоактивированные) переключения между метастабильными состояниями отдельной ДУС приводят к изменению электрофизических параметров образца (например, проводимости), имеющему вид случайного телеграфного процесса (СТП). Если высоты внутренних барьеров АЕ распределены равномерно, то суперпозиция всех случайных процессов, генерируемых ансамблем ДУС, имеет спектр вида хотя и в ограниченном, но достаточно широком диапазоне частот. Разновидностями такой модели являются модель Когана и Нагаева [69, 70] для случая туннельного перехода частиц, а также модель, развиваемая в настоящей работе, связывающая возникновение фликкерного шума с наличием подвижных дефектов в твердом теле [71, 72, 73, 74, 75].

Дефекты представляют собой некоторые образования в кристаллической решетке образца [76, 77], природа которых окончательно не выявлена. Они могут формироваться атомами примеси. Каждый дефект может локализоваться около какой-либо точки образца, совершая диффузионные скачки в ее окрестности. В простейшем случае дефект имеет два метастабильных состояния, разделенных относительно низким потенциальным барьером, что образует двухуровневую систему (ДУС) [74]. Переход из одного состояния в другое происходит достаточно быстро, по сравнению с временем пребывания в одном из состояний. Следовательно, изменение электрофизических параметров образца (например, подвижности, концентрации носителей тока) при перемещении дефекта из одного состояния в другое и обратно может быть представлено случайным телеграфным процессом (СТП). В полупроводнике имеется определенное количество дефектов и 1/Г шум образуется суперпозицией (ансамблем) СТП.

Многие из новых разработанных статистических методов касаются проверки гауссовости и стационарности 1/Т шума [78, 79, 80, 81], см. также диссертации [1], [2]. Для этого, в частности, используются оценки вероятностного распределения (гистограммы) шума, кумулянтов высших порядков, в основном коэффициентов асимметрии и эксцесса.

На основе исследования статистических свойств 1/Т шума возможно тестирование и контроль качества полупроводниковых приборов.

Весьма часто исследование 1/Т шума затрудняется из-за влияния внешних электромагнитных наводок (помех). Этой проблеме в работе уделено отдельное внимание.

В диссертации исследованы шумовые и флуктуационные характеристики наноразмерных источников и приемников излучения.

В настоящее время развивается область наноэлектроники, связанная с разработкой полупроводниковых приборов с квантово-размерными структурамиквантовыми ямами (КЯ) и квантовыми точками (КТ). Предполагается, что такие приборы из-за малых размеров активной области должны обладать более высокой температурной стабильностью [82] и радиационной стойкостью [83], а также сравнительно небольшим количеством подвижных дефектов, которые могут быть причиной негауссовости 1уТ шума.

В представленной работе продолжены исследования флуктуационных характеристик светоизлучающих диодов и лазеров, имеющих наноразмерную структуру, изготовленных в Научно-исследовательском физико-техническом институте ННГУ на основе ОаАэ и его твёрдых растворов (см. диссертации [2, 3]).

Другими приборами, исследуемыми в данной работе, являются низкобарьерные диоды Шоттки, разрабатываемые в Институте физики микроструктур РАН [84−88]. Диод с барьером Шоттки является одним из основных нелинейных элементов, используемых при приеме микроволнового излучения. Однако, из-за относительно большой высоты барьера Шоттки, «обычные» диоды обладают большим начальным сопротивлением. Это приводит к необходимости использования дополнительного внешнего смещения. Уменьшение эффективной высоты барьера Шоттки позволяет уменьшить дифференциальное сопротивление диода и, тем самым, получить детектор сигналов или умножитель частоты, работающие без постоянного смещения.

Способом снижения эффективной высоты барьера Шоттки является обеспечение высокой туннельной прозрачности вблизи вершины потенциального барьера при сильном неоднородном легировании полупроводника вблизи контакта с металлом. Перспективным является использование технологии 8-легирования для изготовления низкобарьерных диодов.

В настоящей работе представлены предварительные результаты исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) и спектра низкочастотного шума низкобарьерных диодов Шоттки. Анализ ВАХ нужен для диагностики структуры диодов. В частности, из ВАХ могут быть определены параметры диода: дифференциальное сопротивление, сопротивление базы и контактов, высота барьера. Шоттки, и т. д. Особенно важно, что из анализа ВАХ может быть уточнено значение толщины 5-слоя, полученное в процессе выращивания структуры.

ВАХ этих диодов детально исследовалась Производителем, см., например, [84−88]. Здесь используется иной подход, ориентированный на выявление технологических областей в структуре диода, содержащих источники наблюдаемого фликкерного шума.

При исследовании диодных структур за основу была взята теория работы диода с р-п переходом. В соответствии с моделью, предложенной А. Ван дер Зилом (см., например, [12]) в диоде с р-п переходом существуют естественные шумы, то есть дробовой шум, возникающий при направленном движении носителей тока, и тепловой шум, связанный со случайностью процесса диффузии. Причем тепловой шум преобладает в несмещенном диоде, а дробовой шум — при наличии прямого или обратного напряжения, приложенного к диоду.

Кроме естественных шумов в диодах наблюдается 1/?* шум. Существуют различные модели, описывающие эмпирические зависимости спектра фликкерного шума от величины тока, протекающего через диод.

В диссертации представлены модифицированные модели, учитывающие специфику рассматриваемых приборов. В качестве причины возникновения фликкерного шума рассматриваются бистабильные дефекты, приводящие к флуктуациям электрофизических параметров полупроводникового материала и, как следствие, к флуктуациям различных компонент тока диодной структуры.

Суммарный ток через полупроводниковый диод может формироваться следующими компонентами:

— «диффузионный» ток, обусловленный диффузией носителей через область пространственного заряда (ОПЗ) и рекомбинацией в нейтральной области диода, либо на контактах;

— «рекомбинационный» ток, носители рекомбииируют в ОПЗ и/или в квантовых точках (КТ) и квантовых ямах (КЯ).

— ток «утечки», обусловленный утечкой по периметру перехода, либо через дефекты структуры.

При большом прямом токе необходимо учитывать (последовательное) сопротивление базы и контактов, которое может иметь нелинейный характер.

Бистабильные дефекты, находящиеся в различных технологических областях диода (базы, ОПЗ, и т. д.), приводят к появлению фликкерных флуктуаций той или иной компоненты тока. В зависимости от того, какая компонента подвержена наиболее сильным флуктуациям, и от того, какая компонента наиболее сильно проявляется в ВАХ диода, возникают различные эффекты в токовой зависимости спектра шумового напряжения, выделяющегося на диоде.

Эффект насыщения" заключается в том, что при относительно малых токах спектр фликкерного шума (в напряжении) > нарастает пропорционально квадрату тока / через диод (как в линейных резисторах). При дальнейшем увеличении /токовая зависимость «насыщается», переходя в плато, 5У~/°.

Впервые такая зависимость обнаружена в германиевых диодах [89]. Впоследствии её объяснение было предложено А. Н. Малаховым [90]. Поэтому здесь эффект насыщения будет называться «Эффектом Малахова» .

Считалось, что эффект насыщения шума возникает в том случае, когда в диоде присутствует только диффузионная компонента тока, подверженная фликкерным флуктуациям (см. также [72]).

В настоящей работе показано, что, при определенных условиях, к эффекту насыщения могут привести и флуктуации рекомбинационной компоненты тока. Кроме того, наличие сопротивления нагрузки, шунтирующего диод по малому сигналу, приводит к тому, что насыщение наступает при больших значениях тока через диод.

Другой эффект состоит в том, что величина спектра напряжения фликкерного шума диода, выделяющегося на диоде, обратно пропорциональна току через диод, //. Такая зависимость часто наблюдается в кремниевых диодах, см, например, [16].

По-видимому, впервые объяснение этого эффекта было дано А. К. Нарышкиным [91], исследовавшим шумы германиевых диодов с большой шириной ОПЗ. Данный эффект будет называться здесь «Эффектом Нарышкина» .

Предполагалось, что токовая зависимость вида 5У~1// обусловлена совместным действием двух механизмов. В диоде присутствует достаточно большая диффузионная компонента, не подверженная флуктуациям. Кроме того, присутствует и рекомбинационная компонента, практически не проявляющаяся в ВАХ диода, но являющаяся основным источником фликкерного шума (см. также [72]).

Клайнпеннином [16], предложена альтернативная модель для описания токовой зависимости вида 8У~И. Эта модель основана на использовании эмпирической формулы Хоухе — Клайнпеннина — Фандамме [9, 15], не имеющей физического обоснования. Поэтому данная модель здесь не используется.

В настоящей диссертации осуществлен пересмотр эффекта Нарышкина. Показано, что при учете диффузионной и рекомбинационной компонент тока через диод в области малых токов имеет место рост спектра пропорционально квадрату тока, а в области больших токов спектр обратно пропорционален току в первой степени.

Это справедливо только для «обычных» диодов с /?-и-переходом. В свето-излучающих диодах и лазерах на КТ и КЯ диффузионная компонента тока не проявляется, поэтому в таких структурах, если «шумит» именно рекомбинационная компонента, должен наблюдаться эффект насыщения шума.

Третий эффект, наблюдаемый в токовой зависимости спектра фликкер-ных шумов напряжения, — эффект максимизации. При увеличении тока / через диод сначала наблюдается зависимость вида ¿->У~/2, типичная для линейных резисторов. Затем, при достижении определенного тока /, спектр достигает максимального значения. Дальнейшее увеличение тока приводит к ярко выраженному уменьшению шума.

Эффект максимизации шума описан в работах [92, 93, 94, 95] и объяснен авторами [92, 94, 95], (см. также [72]). Этот эффект обусловлен проявлением флуктуаций тока утечки.

В настоящей диссертации выполнен детальный анализ эффекта максимизации шума в светоизлучающих структурах, начатый в работе [3]. На основе анализа ВАХ и токовых спектральных зависимостей шумов напряжения в нано-размерных лазерах и светодиодах подтверждено, что фликкерные шумы в исследуемых образцах обусловлены шумами тока утечки.

При исследовании особенностей излучения полупроводниковых свето-диодов и лазеров возникает задача исследования влияния электрических шумов на шумы интенсивности оптического излучения.

Спектр 1/Г флуктуаций интенсивности оптического излучения лазерных диодов исследовался во многих работах [96], [97], [98], [99], [100], [101], [102], [103], [104],[105].

В данной работе подтверждено наличие корреляции между электрическими шумами (тока утечки) и флуктуациями интенсивности оптического излучения лазеров на К КЯ, обнаруженной в результате предварительного анализа, выполненного в диссертации [3].

В настоящее время диагностика светодиодов производится с помощью исследования картины перераспределения светового потока по объему диаграммы излучения в процессе наработки [106]. Обнаруженная корреляция показывает, что поскольку оптика в образцах полностью отсутствует, такое перераспределение существует и внутри излучающего кристалла, в его активной области, где расположена квантовая яма. Ток утечки модулирует ток через через квантовую яму и трансформируется во флуктуации интенсивности оптического излучения. Таким образом, появляется потенциальная возможность проводить диагностику приборов, исследуя шумы и деградацию только в электрическом канале.

Основные цели настоящей работы:

— уточнение и пересмотр существующих представлений об источниках фликкер-ного шума в наноразмерных диодных структурах на основе ваАэ и его твёрдых растворов;

— выявление и дифференциация источников фликкерного шума путём анализа токовой зависимости спектра низкочастотного шумового напряжения, генерируемого исследуемой структурой;

— анализ спектральных и простейших статистических характеристик низкочастотного шума с целью выявления новых механизмов шумообразования в наноразмерных светоизлучающих структурах;

— модификация существующих методов анализа ВАХ, предназначенных для диагностики структуры низкобарьерных диодов Шоттки, с целью дифференциации возможных источников низкочастотных шумов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем. 1. Модифицированы модели, описывающие источники и проявление фликкерного шума в полупроводниковых диодных структурах. Впервые проанализировано влияние возможных флуктуаций электрофизических параметров квантово-размерных объектов (ям и точек) на электрические и оптические свойства светоизлучающих структурпредложена модель, описывающая фликкерные шумы в низкобарьерных диодах Шоттки.

2. Обнаружено возникновение существенной негауссовости шума, сопровождающееся сменой механизма генерации низкочастотного шума, в лазерах на квантовых ямах при переходе через порог генерации индуцированного излучения.

3. Модифицирована процедура анализа В АХ низкобарьерных диодов Шоттки, что, в дополнение к диагностике структуры, позволяет выявить возможные источники низкочастотных шумов. Показано, что фликкерные шумы в исследуемых образцах могут быть обусловлены флуктуациями эффективного числа атомов донорной примеси в 8-слое перехода Шоттки.

4. Впервые доказано, что модель Ван дер Зила, определяющая спектр естественных шумов в полупроводниковом диоде, не применима при коэффициенте неидеальности ВАХ, отличном от единицы.

Краткое содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, пяти приложений и списка цитируемой литературы.

Основные результаты, представленные в настоящем приложении, опубликованы в работах [115, 118, 124, 132].

В настоящем приложении рассмотрены наиболее существенные помехи, мешающие измерениям низкочастотных (НЧ) шумов, и анализируется их влияние на измерительные установки НЧ диапазона. Оцениваются напряжения, наводимые помехами на элементы конструкции измерительной аппаратуры. В качестве способа борьбы с помехами рассмотрено экранирование. На НЧ в ближней зоне излучения электрическое поле при некоторых условиях с увеличением расстояния убывает быстрее, чем магнитное. Поэтому необходимо осуществлять экранирование как электрического, так и магнитного полей. Показано, что в качестве материала, обеспечивающего приемлемое экранирование плоских волн, электрических и магнитных полей, можно использовать пермаллой.

Для измерений НЧ шумов основную проблему создают атмосферные, индустриальные, и помехи от других радиоэлектронных устройств [157−162].

Уровень помех от радиоэлектронных устройств различен для каждой конкретной ситуации и плохо поддается даже приближенному прогнозированию. В связи с этим далее будем полагать, что наша измерительная система достаточно удалена от других радиоэлектронных устройств и уровень помех от этих устройств существенно ниже уровня атмосферных и индустриальных помех, так что взаимными помехами можно пренебречь.

Характерные значения стандарта измеряемого в эксперименте шумового напряжения составляют порядка 5−30 мкВ.

Для сравнения стандарта измеряемого шума с напряжениями, наводимыми помехами, оценим напряжения, наводимые на различные элементы конструкции измерительной установки.

Любая металлическая конструкция экспериментальной установки (провод, проводящая поверхность, корпус аппаратуры) находящаяся в зоне действия помехи может выступать в роли рецептора помех. Зная напряженность электрического поля помехи и зная действующую длину рецептора можно оценить напряжение, наводимое в рецепторе помехой.

Для определения напряжений, наведенных в рецепторах (эквивалентных антеннах), необходимо знать их электрические характеристики. Характеристики рецепторов в большой степени зависят от того находятся ли они в свободном пространстве, расположены ли рецепторы в непосредственной близости от поверхности земли, находится ли рецептор в среде с потерями, взаимодействуют ли рецепторы.

Напряжения, наводимые на различные наиболее распространенные типы рецепторов (в качестве таких рецепторов выступают элементы конструкции экспериментальной установки для измерения шумов), когда их линейные размеры меньше длины волны излучаемого поля, можно оценить как и=Е Нц, где Е-напряженность электрического поля, действующая длина рецептора (Действие помех на подводящие кабели рассмотрены в работах [115], [124], [132]). Наиболее высокая частота, на которой проводятся измерения, составляет 10 кГц, эта частота соответствует длине волны А,=30 км. Длина подводящих проводов (рецепторов) составляет около 10 см, т. е. много меньше длины волны поля помехи. Действующая длина рецепторов выбирается при этом из известных из теории антенн соотношений для малых симметричных и несимметричных вибраторов [163], [164]. В частности, для несимметричного вибратора над поверхностью земли кд=1г/2, где /г-геометрическая длина.

В таблице П4.1 приведены количественные оценки напряжения, наводимые на различные типы рецепторов, под действием атмосферных и индустриальных помех при длине /г=0,1 м.

Заключение

.

Ниже представлены основные результаты, полученные в данной работе.

1. Модифицированы модели, описывающие источники и проявление фликкерного шума в полупроводниковых диодных структурах.

2. На основе детального изучения В АХ и токовых зависимостей спектра шумового напряжения светодиодов и лазеров на квантовых ямах и квантовых точках подтверждено, что фликкерный шум в исследуемых образцах обусловлен шумом тока утечки. В указанных структурах, работающих как в «темновом» режиме, так и в режиме спонтанного излучения, возможные флуктуации электрофизических параметров КЯ и КТ не проявляются.

3. Показано, что флуктуации интенсивности спонтанного излучения лазеров на КЯ обусловлены шумом тока утечки, модулирующим рекомбинацион-ную компоненту тока через прибор.

4. Обнаружено существенное проявление негауссовости 1/Т шума в лазерах на КЯ при переходе через порог генерации индуцированного излучения. После порога генерации индуцированного излучения происходит увеличение мощности шума за счет появления дополнительного белого шума, что свидетельствует о смене механизма шумообразования.

5. На основе предварительного анализа В АХ и токовых зависимостей спектра шумового напряжения диодов Шотгки с 8 — легированием обнаружено, что фликкерные шумы в исследуемых образцах могут быть обусловлены флук-туациями эффективного числа атомов донорной примеси в 5 — слое перехода Шотгки.

6. Доказано, что модель Ван дер Зила, определяющая спектр естественных шумов в полупроводниковом диоде, не применима при коэффициенте неидеальности ВАХ, отличном от единицы.