CC BY
44
Электроника, технологии производства материалов электронной техники
Осипов А. М., Козловский Э. Ю., Селезнев Б. И. Формирование диодных структур с барьером Шоттки
на арсениде галлия
Введение
При реализации защитных устройств (ЗУ) на диодах с барьером Шотки (ДБШ) одним из наиболее эффективных способов снижения пороговой Р и просачивающейся Р мощности является
пор г пр
уменьшение высоты потенциального барьера на границе металл-полупроводник (фвш)[1].
Уменьшение высоты барьера Шоттки (БШ) может быть достигнуто несколькими способами:
- применение узкозонных полупроводников 1пА5, ¡пСэАб и др.;
- химическая или плазменная обработка поверхности ваАэ перед формированием барьерной металлизации [2];
- управление уровнем легирования полупроводника в приповерхностной области (непосредственно под барьерной металлизацией) [3];
- использование структур с 5-легированием [4].
Первый способ в значительной степени представляет научный интерес, но в настоящее время малоприменим в производственной практике, поскольку технология узкозонных материалов применительно к СВЧ-электронике сравнительно мало изучена.
Второй способ прост в реализации, но имеет крайне низкую воспроизводимость и малый диапазон регулирования высоты БШ. Кроме того, принимая во внимание, что химические и плазменные обработки уменьшают высоту барьера за счет изменения плотности поверхностных состояний, данный способ обладает нестабильностью во времени, что также негативно отражается на параметрах прибора и его надежности в целом.
В данной работе ставится задача исследования возможности получения диодов Шоттки с малой высотой барьера на арсениде галлия, используя наиболее интересные с праюпческой точки зрения третий и четвертый способы уменьшения высоты барьера Шоттки.
Экспериментальная часть
Транспортные характеристики контактов металл-полупроводник, изготовленных в чистых эпитаксиальных или сверхвысоковакуумных условиях. являются хорошо изученными. Токоперенос в основном определяется параметрами потенциального барьера Шотки в полупроводнике вблизи границы с металлом. В частности, для ОаАв с умеренной концентрацией электронов (<10|!< см ') БШ имеет высоту в пределах (0,8-1,0) эВ для наиболее технологичных металлов, используемых при формировании БШ в производственной практике (Аи, Тк Р1 и др.).
В некоторых пределах высоту барьера можно изменять путем сильного легирования полупроводника.
При исследовании возможности управления высотой БШ через сильное легирование полупроводника нами были исследованы различные структуры, представленные на рисунке 1 и в таблице 1.
Структуры типов 1-3 представляют собой случай сильного объемного легирования полупроводника. Структура типа 4 (со скрытым п"-слоем) является "классической" при изготовлении ДБШ.
буфер
подложка
буфер подложка
тип 1
тип 2
Рис. I. Эиитаксиальные структуры, испол!
п-слой
буфер
подложка
п-слои
буфер
подложка
тип 3
тип Л
говления ДБШ
Научно-технические ведомости СПбГПУ 6' 2008. ^Информатика. Телекоммуникации. Управление
Таблица 1
Параметры гГ- и п-слоев щи ¡ аксиальных структур
Тип структуры Концентрация п+. см-3 Толщина п+, нм Концентрация п. см-3 Толщина п, нм
тип 1 8-1018 200 - -
тип 2 81018 400 - -
тип 3 2-1018 250 1,8-1017 250
тип 4 8-1018 200 1-1017 100
t i * - nr ' " V.,;> г-"—
барьео Шотки
Оммческий контакт
Рис. 2. Топология ди(
На структурах типов был сформирован тестовый БШ с топологией, представленной на рис. 2.
Общая площадь БШ для каждой тестовой структуры составила 64 мкм:. В качестве барьерной металлизации использовалась система У-Мо-Аи. Такая система обладает термостойкостью и отличается малой деградацией параметров во времени при существенной электрической нагрузке. На полученных образцах БШ были сняты
Параметры БШ Ме-п+ структур
в с барьером Шотгкн
ВАХ барьера при прямом смешении. Измерения проводились в режиме ограничения по току до 60 мА. что позволяет исследовать зависимость тока от напряжения в диапазоне до 2 В. По экспериментальным данным с использованием методики Фукуи [5] была выполнена экстракция параметров БШ на участке малых токов (до 2 мА), что позволило исключить влияние сопротивления базы диода. В таблице 2 приведены значения параметров БШ для исследованных структур.
Таблица 2
кии уровень объемного легировании)
Параметр БШ тип 1 (п", 200 нм, 8-10'" см ') тип 2 (п\ 400 нм, 8-10" см3) тип 3 (п , 250 нм, 2-10|К см ') тип 4 (п. 100 нм, 1-10,7см3)
Коэффициент неидеальности п 2,05 2,10 1,49 1,09
Высота барьера фш, )В 0.42 0,41 0,64 0,86
Более эффективного снижения высоты барьера можно достигнуть, используя приповерхностное легирование полупроводника. С этой целью в качестве барьерной металлизации нами выбрана система Се-Аи. Подслой германия выступает в качестве легирующей примеси. При высокотемпературном отжиге происходит диффузия германия вглубь полупроводника, создавая вблизи поверхности область с высоким содержанием легирующей примеси.
При проведении эксперимента установлено, что режим отжига (температура и время процесса) существенным образом может повлиять на параметры барьера.
В качестве тестовой использовалась структура типа 3, на которую была напылена система металлов С<?-Аи. До проведения отжига высота барьера составляла 1,49 эВ.
После отжига при температуре 300°С в течении 30 минут высота барьера уменьшилась до 0,32 эВ. Дополнительный отжиг в течении 20 минут привел к уменьшению высоты барьера 0.31 эВ. При этом существенно ухудшился коэффициент неидеальности барьера - с 1,49 он увеличился до 1.85 и 2,03 соответственно.
Дальнейший отжиг при температуре 300°С привел к незначительному изменению параметров барьера Шоттки. а повышение температуры до 330°С привело к преобразованию барьера Шоттки в омический контакт с высоким контактным сопротивлением и нелинейностью.
Для исследования характеристик ДБШ на структурах с 5-легированием использовалась структура, приведенная на рисунке 3.
В данной структуре вместо приповерхностного легирования германием, используется 8-слой, располагающийся на расстоянии в несколько нанометров от поверхности структуры. Благодаря тому, что легирование реализовано непосредственно в процессе эпитаксиального роста, обеспечивается существенно более высокая стойкость к температурным воздействиям и меньшая дефектность полупроводниковой структуры. Прогнозируется и более высокая воспроизводимость параметров БШ. Управление высотой барьера осуществляется за счет изменения толщины п -слоя.
Исходная структура 8-слоем была условно поделена на области с различными временами травления п -слоя. На структуре были изготовлены тестовые структуры БШ и проведены измерения их ВАХ.
Высота барьера для исходной структуры составила 0,70 эВ. коэффициент неидеальности 1,2.
Для структуры, подтравленной в перекисно-амми-ачном растворе в течении 2 секунд высота барьера составила 0,45 эВ. коэффициент неидеальности 1,6. Для структуры, подтравленной в течении 4 секунд высота барьера составила 0,42 эВ, коэффициент неидеальности 1,7.
п"-СЛОЙ
(5-слой
п-слой
буфер
подложка
Рис. 3. Структура с 5-легированием
Для оценки возможности использования полученных ДБШ проведены измерения просачивающейся мощности Р при подаче на вход ЗУ, реализованного на исследуемых ДБШ. входной непрерывной мощности I Вт на частоте 6 ГГц.
Просачивающаяся мощность , Рпр для защитных устройств на диодах Шоттки изготовленных на ОаАь п-типа составила около 250 мВт. Использование объемно легированного ваА$ пг-типа позволило снизить этот параметр до 120 мВт. На структурах с приповерхностным легированием удалось получить уровень просачивающейся мощности 50 мВт.
Наилучшие результаты достигнуты при использовании структур с 5-легированием, уровень просачивающейся мощности составил менее 20 мВт.
Обсуждение результатов
Типовые значения параметров БШ на структуре типа 4 ("классическая" структура) составляют п= 1,09 исрьш = 0,86 эВ.
Из таблиц 2 видно, что использование объемного легирования полупроводника (>101к см !) позволяет уменьшить высоту барьера до (0,40-0,65) эВ, однако при этом увеличивается коэффициент неидеальности до (1,5-2,1). При этом, чем сильнее легирован полупроводник, тем меньше
Научно-технические ведомости СПбГПУ 6' 2008. Информатика. Телекоммуникации. Управление
высота барьера и выше коэффициент неидеальности. Уменьшение высоты барьера обусловлено экранирующим действием п-слоя. Поскольку при реализации ДБШ на сильнолегированном полупроводнике увеличивается вклад туннельной составляющей тока, то соответственно увеличивается и показатель неидеальности барьера, используемый при описании БШ исходя из термополевой эмиссии электронов. Толщина слоя гГ не влияет на параметры барьера.
Данные таблицы 2 также указывают, что более эффективным способом уменьшения высоты БШ является локальное приповерхностное легирование. При этом в приповерхностной области (на расстоянии нескольких нанометров от поверхности) возникает область, имеющая существенно более высокий уровень легирования, чем исходный материал, усиливая эффект экранирования поля контакта еще больше, чем в случае объемного легирования. Однако, параметры барьера изменяются при температурном воздействии. Высота барьера уменьшается, вероятнее всего, из-за увеличения содержания германия в приповерхностном слое за счет диффузии. а коэффициент неидеальности увеличивается
в результате усиления туннельной составляющей тока. В случае, когда ширина потенциального барьера становится критически малой (температура 330°С) в результате обогащения германием, эффект туннелирования становится преобладающим и БШ утрачивает выпрямляющие свойства. Кроме эффекта туннелирования имеет место также химическое взаимодействие ОоАб и Ое, что также способствует возникновению омического контакта.
Структуры с 5-легированием изначально ориентированы на расчетное уменьшение высоты барьера, исходя из параметров структуры. Однако, к таким структурам предъявляются существенно более высокие требования по качеству их изготовления. Толщины слоев таких структур составляют единицы нанометров, границы между слоями (профили легирования) должны быть максимально резкими.
В таблице 3 приведены данные для сравнения параметров барьеров Шоттки. изготовленных на различных типах структур. Из таблицы видно, что наилучшие совокупные характеристики барьера, малый коэффициент неидеальности и малая высота барьера, достигаются при использовании структур с 8-легированием.
Таблица 3
Параметры барьеров Шоттки, изготовленных на различных тинах структур
Техмо.ю! ни изготовлении Коэффициент неидеал М10С1 и п Высота барьера <рьш, эВ Примечание
ДБШ на ОаДэ п-типа 1,06 0,86
ДБШ на объемно легированном ОаАа п'-типа 1.5-2.10 0.64 0,41 Во зможно изменение высоты барьера в зависимости от концентрации п
ДБШ на приповерхностно легированном СаЛз п'-типа 1.85-2,19 0.32 - 0.28 Возможна достаточно простая реализация ДБШ с малой высотой, высокий коэффи ниент неидеальности
ДБШ на структурах с 5-ле-гированием 1.6-1,7 0,45 - 0,42 Параметры ДБШ задаются на этапе роста структуры
С точки зрения практической реализации защитных устройств на диодах с барьером Шоттки кроме величины барьера и значения коэффициента неидеальности большое значение имеют также значение сопротивления базы диода и его барьерная емкость, ограничивающая рабочий частотный диапазон.
Выводы
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что при реализации СВЧ защитных устройств на диодах с барьером Шоттки наиболее
перспективными являются структуры с 5-леги-рованием, позволяющие реализовать диоды с барьером Шотгки с лучшей совокупностью параметров, включая такие важные как высота барьера и коэффициент неидеальности.
Реализованные на такого типа структурах защитные устройства обладают наименьшим уровнем просачивающейся мощности и наилучшей ограничительной характеристикой по сравнению с защитными устройствами на диодах с барьером Шоттки, изготовленными на структурах другого типа.
СПИСОК* ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сверхвысокочастотные защитные устройства / А. И. Ропин, А. М. Старик, К. К. Шутов. М.: Радио и связь, 1993.
2. Малаховский О. К).. Божков В. Г., Курма-
сва Т. А. Влияние нарушений поверхностного слоя арсенида галлия на характеристики диодов с барьером Шоттки. Сборник трудов шестого всесоюзного совещания по исследованию арсенида галлия. 1987. Т. 2, С. 8-9.
3. Ьрямиева Т. А.. Винниченко В. К).. Любчен-ко В. Е., Сульженко II. С., Юневич Е. О. Выпрямляю-
щие контакты Au-GaAs с пониженной высотой барьера. Сборник трудов шестого всесоюзное совещание по исследованию арсенида галлия. 1987. Т. 2. С. 45-46.
4. Шишкин В. И.,МурельА. В.,Данильиев В. М„ Хрыкин О. И. Управление характером токопереноса в барьере Шоттки с помощью б-легирования: расчет и эксперимент для Al/GaAs. Физика и техника полупроводников. 2002. Т. 26. Вып. 5. Р. 537-542.
5. Fukui Н. "Determination of the Basic Device Parameters of a GaAs MESFET". Bell System Technical Journal. March 1979. P. 771-797.
Котов И. О., ЛиокумовичЛ. Б., Хадеев И. И. Операторный метод расчета модового распределения мощности
в миогомодовом волокне с резкими неоднородностями
Введение
В многомодовом (ММ) световоде можно возбудить разный модовый состав, от очень "узкого" распределения мощности по модам (РММ), близкого к одномодовому режиму, до "широкого" распределения с равным возбуждением всех мод, которые могут распространяться в световоде [1]. На практике ММ волоконный тракт передачи часто содержит резкие неоднородности, такие как соединения волокон. При этом модовый состав излучения, возбужденный источником на входе волокна может значительно изменяться в процессе распространения. И характеристики волоконного тракта, такие как затухание, коэффициент пропускания, потери в соединениях и т. д., существенно зависят от РММ распространяющегося в волокне излучения. Однако в общепринятых инженерных расчетных соотношениях для параметров ММ волоконных трактов величина РММ не входит (как правило, полагается равномерное возбуждение всех мод) [2], а значит, не учитывается не только возможность возбуждения на входе волокна разных РММ, но и изменения модового состава на протяжении тракта.
Говоря об актуальности проблемы, отметим, что в области современной оптической волоконной связи востребованным стало построение высокоскоростных многомодовых линий, обеспечивающих гигабитные скорости передачи данных
(от 1 Гбит/сек и выше). В качестве примера можно привести действующие стандарты: Gigabit Ethernet (стандарт IEC 802.3z), Fiber Channel, 10 Gigabit Ethernet (стандарт IEC 802.3ae) [1. 3]. Возможность передачи информации с такими скоростями обеспечивается комбинированием широкополосного многомодового волоконного световода с выбранным полупроводниковым источником (как правило, это - поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором VCSEL). при котором достигается некоторое селективное возбуждение многомодового световода, обеспечивающее максимальную полосу пропускания [2]. Кроме того, в современной практике часто встречается необходимость расчета и построения протяженных волоконных трактов, содержащих серию последовательных соединений.
Расчет характеристик подобных систем невозможен без учета зависимости РММ от способа возбуждения волокна и преобразования модового состава в местах резких волоконных н^однород-ностей. Нахождение характеристик таких трактов не освещено в литературе, а сложность строгого расчета резко возрастает от числа соединений в составе тракта, что делает актуальным использование метода, представленного далее.
Постановка задачи
Проблема учета РММ в рамках строгого теоретического рассмогрения связана с тем. что
