CC BY
220
Микроэлектроника
УДК 539.67:621.315.592
ФОТОПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ
С БАРЬЕРАМИ ШОТТКИ В.И. Митрохин, П.Л. Куршев, Р.Н. Антонов, Р.Е. Просветов
Представлена физическая модель полупроводникового фотопьезоэлектрического резонатора, основанная на учете вентильной фото-ЭДС вблизи поверхностных электродов пластины высокоомного арсенида галлия. Модель позволяет объяснить частотные свойства резонатора и высокие значения пьезо-ЭДС на его выходных электродах
Ключевые слова: пьезоэлектрический эффект, полупроводник, фотоэффект, барьер Шоттки, время релаксации
Введение
В работах [1-3] приведены результаты исследований эффекта
фотопьезоэлектрического возбуждения упругих резонансных колебаний в пластинах высокоомного GaAs. Авторами сделано предположение, что механическая деформация пластины при ее импульсном оптическом облучении возникает вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта в области оптического поглощения при участии объемной фото-ЭДС (ЭДС Дембера).
Если принять, что объемная фото ЭДС является единственным значимым источником фото-ЭДС в процессе возбуждения упругих колебаний пластины [1-3], то при характерном для данного полупроводника значении объемного времени релаксации
фотопроводимости - 140 мкс граничная частота данного эффекта не должна превышать нескольких килогерц. Однако проведенные авторами настоящей статьи исследования показали, что частотный диапазон акустических гармоник, возбуждаемых в пластинах GaAs с помощью световых импульсов, простирается дальше 1 МГц. Кроме того, экспериментальные значения пьезо-ЭДС на выходных электродах пластины GaAs были значительно больше, чем расчетные значения ЭДС Дембера. В связи с этим был проведен анализ возможного участия вентильной фото-ЭДС вблизи поверхностных электродов в процессе оптического возбуждения упругих колебаний пластины GaAs.
Митрохин Виктор Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук,
профессор, e-mail: mitro4@yandex.ru
Куршев Павел Леонидович - ОАО «НИИЭТ», инженер-
электроник, e-mail: mepavel@mail.ru
Антонов Роман Николаевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: arn-
i@mail.ru
Просветов Роман Егорович - ВГТУ, аспирант, e-mail: roman_hammer@list.ru
2. Образцы и экспериментальная методика
В качестве материала пьезоэлемента резонатора использовались пластины монокристаллического полуизолирующего GaAs, выращенного методом Чохральского с жидкостной герметизацией расплава и не содержащего специально введенных глубоких примесей. Материал имел удельное сопротивление порядка 107 Ом-см, и подвижностью электронов и дырок 5000 см2В" V1 и 200 см2В_1с_1 соответственно.
Пьезоэлементом резонатора служила пластина GaAs диаметром 50,8 мм с плоскостью среза {100} и толщиной 0,4 мм. На неосвещаемую сторону пластины вакуумным напылением был нанесен слой никеля толщиной около 1 мкм. В центре освещаемой стороны пластины аналогичным образом был нанесен пленочный электрод диаметром 5 мм. Исследуемая пластина GaAs закреплялась в геометрическом центре между двумя игольчатыми металлическими зажимами, служившими выводами пьезоэлектрического резонатора. Методика исследования
фотопьезоэлектрических свойств резонатора описана в работе [3].
3. Физическая модель фотопьезоэлектрического резонатора
Для более детального исследования свойств и потенциальных возможностей полупроводникового фотопьезоэлектрического резонатора была разработана его физическая модель, основанная на взаимосвязи между его электрической эквивалентной схемой (ЭЭС) и фото-ЭДС, возникающей в объёме пьезополупроводника.
Если рассматривать ЭДС Дембера, возникающую при оптическом облучении пластины высокоомного GaAs, в качестве основной фото-ЭДС, как в работах [2,3], то в этом случае для описания свойств фотопьезоэлектрического резонатора может быть использована следующая модель. ЭДС Дембера для исследуемого полупроводника можно оценить как
г Фт 1п
* (0)
*(Н)
(1)
где (рт - термодинамический потенциал
kT/q, величина которого при комнатной температуре составляет примерно 26 мВ; а (0)
и а (к) - проводимости полупроводника вблизи
освещённой поверхности и на глубине к от неё.
Для длины волны излучения светодиода использовавшегося в экспериментах (L53-SF6 с длинной волны 860 нм, соответствующей области собственного поглощения арсенида галлия), коэффициент собственного
оптического поглощения в GaAs имеет значение порядка 104 см-1 [4]. Поэтому всё оптическое излучение поглощается в тонком приповерхностном слое толщиной 1..3 мкм. В этом слое происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар, которые затем диффундируют вглубь полупроводника. Как показали исследования, проведенные в работе [2], в высокоомном специально не легированном GaAs, при не слишком больших уровнях оптического возбуждения
концентрация носителей заряда а, следовательно, проводимость уменьшаются с глубиной по экспоненциальному закону (собственной проводимостью можно пренебречь)
* (х) = * (0) • е
(2)
где - диффузионная длина
неравновесных носителей заряда, которая для данного полупроводника составляла примерно 250 мкм.
Подставив (2) в (1), взяв для глубины к значение толщины пластины а, получим следующее выражение для определения ЭДС Дембера
и в =фт
(3)
Толщина пластины пьезоэлемента экспериментального образца резонатора равна 0,4 мм. Следовательно, расчётное значение ЭДС Дембера по формуле (3) составляет примерно 42 мВ. Частотную зависимость амплитуды ЭДС Дембера можно представить в виде
(4)
в в д/1 + 4р 2! 2 г2
где г - время релаксации собственной фотопроводимости.
Для исследуемых пластин GaAs величина г составляла примерно 140 мкс, поэтому с учетом (4) уже на основной частоте колебаний резонатора Ав будет менее одного милливольта. Это значительно меньше резонансных амплитуд напряжения А0 на выходных электродах пьезоэлемента, наблюдаемых в экспериментах при частоте около 50 кГц и составлявших значения порядка 100 мВ.
В данной работе была предпринята попытка объяснить столь высокие значения А0 усилением напряжения переменной
составляющей ЭДС Дембера из-за механического резонанса пьезоэлектрической пластины. На рис. 1 показана модель фотопьезоэлектрического резонатора, в которой роль источника напряжения выполняет ЭДС Дембера. Из-за большой диффузионной длины неравновесных носителей заряда Ьв электрическое поле Дембера Ев распределяется практически равномерно по всей толщине пластины, поэтому образец можно рассматривать как параллельное соединение пьезоэлектрического резонатора Q и источника фото-ЭДС ив. Но если это так, то напряжение на электродах резонатора не может превышать значение ив, поскольку в противном случае сама ЭДС Дембера являлась бы нагрузкой. Таким образом, основная фото-ЭДС образца не может быть связана только с эффектом Дембера.
©@@© ©0©©
’■У'Ч
Е» к (~) ц, Г
Й © © © о
-А
Рис. 1. Модель фотопьезоэлектрического резонатора с возбуждением от ЭДС Дембера
и
в
в
а
і
в
Появление значительных амплитуд напряжения, по-видимому, можно объяснить возникновением вентильной фото-ЭДС, величина которой может намного превышать ЭДС Дембера. Существование барьеров Шоттки на электродах образца резонатора было подтверждено измерением вольтамперных характеристик. Электрическую эквивалентную схему пьезоэлемента резонатора можно представить как два встречно включенных диода Шоттки. Как показали измерения, при напряжении около 400 В возникал лавинный пробой.
Оценим максимальную протяжённость вентильной фото-ЭДС, рассчитав ширину её области пространственного заряда (ОПЗ) [5]
(5)
где N в - концентрация ионизированной примеси; - контактная разность
потенциалов; и - напряжение смещения.
Как показали исследования,
максимальное значение Д^ для контактов Шоттки к арсениду галлия обычно не превышает 1 В [6]. Концентрацию ионизированной примеси N в в выражении (5)
можно определить по значению измеренного пробивного напряжения
N = ££ 0Е т
п В ~ "
пр
(6)
2q и
где Е
электрического поля составляет 3,5405 Вем"1;
критическая напряжённость
которая для GaAs напряжение
и
пр
концентрации формуле (6) соответствует
пробоя плоского диода.
Расчётное значение ионизированной примеси по составляет 1,1 -1015 см"3, что ширине ОПЗ барьера Шоттки порядка 1 мкм (при отсутствии смещения). Следовательно, вентильная фото"ЭДС образца, в отличие от ЭДС Дембера, концентрируется в тонком слое полупроводника, прилегающем к
металлическим электродам. Таким образом, можно рассматривать принципиально другую модель резонатора, в которой источник фото" ЭДС Ев включен последовательно с пьезоэлектрическим резонатором Q (рис. 2).
Для определённости будем считать, что контакт Шоттки образуется с полупроводником «-типа электропроводности. Оптическое
излучение генерирует электронно-дырочные пары вблизи поверхности полупроводника. При этом одна часть из них (поток ^) диффундирует в затемнённую область под электродом А, а другая, благодаря большой диффузионной длине Ьв, направляется к электроду В (поток 32). Попадая в сильное поле объёмного заряда Барьеров Шоттки, электронно-дырочные пары подвергаются пространственному разделению. Это приводит к возникновению вентильной фото-ЭДС вблизи электродов А и В. Фото-ЭДС электрода А обусловлена лишь небольшим числом носителей заряда, которые диффундируют под него на расстояние нескольких диффузионных длин. Напротив, фото-ЭДС электрода В покрывает площадь примерно равную площади освещаемой поверхности образца. Из этого следует, что основным источником напряжения следует считать барьерную фото-ЭДС Ж, возникающую на обратной стороне пластины.
Ъ\
1Ш н
ж
Г
© © , /!
© 0 Ц © ©
0 0 п - СаАя © ©
□ ) О
©
Рис. 2. Модель фотопьезоэлектрического резонатора с возбуждением от вентильной фото-ЭДС
С помощью данной модели можно объяснить частотные свойства образца. Как видно из электрической схемы (рис. 2), пьезоэлектрический резонатор Q вдали от резонансных частот ведёт себя как ёмкость С0, поэтому переменное напряжение фото-ЭДС всегда будет как бы просачиваться через неё. Это объясняет наличие фоновой составляющей напряжения А' которая увеличивается с ростом частоты или сопротивления нагрузки. На резонансной частоте сопротивление последовательного колебательного контура Я/сЬС!! резко уменьшается и, следовательно, на выходе резонатора происходит увеличение амплитуды напряжения.
Более точное представление о поведении второй модели экспериментального образца фотопьезоэлектрического резонатора можно получить из результатов компьютерного моделирования. На рис. 3 представлена электрическая схема модели образца, используемая для анализа в программной среде проектирования СВЧ устройств
AWR Design Environment 9,0. В качестве фото-ЭДС в модели использовался источник синусоидального напряжения V2 с последовательно включенным резистором R4, выполняющего роль добавки внутреннего сопротивления фотопьезоэлектрического
эффекта r0 . Элементы цепи L1, C1, R1 и С2 — экспериментально измеренные параметры ЭЭС пьезоэлектрического резонатора. В качестве резистивной нагрузки использовался PORT.
IND CAP RES
Рис. 3. Электрическая схема компьютерной модели экспериментального образца резонатора
На рис. 4 представлены амплитудночастотные характеристики (АЧХ) выходного напряжения для модели резонатора в окрестности основной частоты колебаний.
Рис. 4. АЧХ напряжения модели резонатора в окрестности основной частоты колебаний
Результаты моделирования очень близки к экспериментальным данным [3]. Это подтверждает правильность выбора модели.
При проведении компьютерного моделирования обнаружилось, что если нагрузить образец резонатора на некоторую оптимальную ёмкостную нагрузку, то на его выходе можно получить амплитуду напряжения, превышающую фото-ЭДС (рис. 5).
Рис. 5. Влияние ёмкостной нагрузки на
АЧХ выходного напряжения модели резонатора
Одновременно с этим удаётся заметно снизить вклад фоновой составляющей А'. С точки зрения электрических цепей это явление объясняется последовательным резонансом ёмкости нагрузки с динамической индуктивностью резонатора. Поэтому и наблюдается такой острый пик на резонансной частоте.
Полученный результат был подтверждён экспериментально. При подключении конденсаторов различного номинала к выходу резонатора, удавалось достичь малых значений фоновой составляющей с одновременным повышением амплитуды резонансного напряжения.
В практических устройствах ёмкостной нагрузкой может служить затвор полевого транзистора. В этом случае одновременно получится компенсировать его входную ёмкость, что очень важно при работе на высоких частотах.
4. Практическое применение
Описанный в настоящей работе фотопьезоэлектрический резонатор, являясь высокоселективным по частоте модуляции оптического излучения фотоприёмником может успешно использоваться в атмосферных оптических линях связи (АОЛС) и волоконнооптических линях передач (ВОЛП). Подобный резонатор может также найти применение в
ИК-портах, которые широко используются в пультах дистанционного управления, мобильных телефонах, ноутбуках и карманных компьютерах.
На рис. 6 представлена возможная конструкция фотопьезоэлектрического
резонатора, рассчитанного на использования в низко- и среднечастотном диапазонах оптической модуляции (например, в ИК-портах).
Пластина GaAs
і-GaAs
Электроды
Ni
Рис. 6. Конструкция фотопьезоэлектрического резонатора для низко- и среднечастотного диапазона оптической модуляции
Резонатор может работать как на продольных колебаниях, так и на колебаниях по толщине. Он основан на пластине из монокристаллического высокоомного арсенида галлия (/-ваАБ), на которой методом эпитаксии формируют слой из GaAs «-типа толщиной 1..3 мкм с концентрацией электронов 1016 см-3. На большие грани пластины наносят электроды, методом термического вакуумного напыления плёнки №. Длина электродов должна составлять 60 - 85 % относительно длины пластины. В электроде на лицевой стороне пластины методом взрывной литографии делаются световые окна. Такой резонатор работает в пассивном (вентильном) режиме и не нуждается в создании дополнительного напряжения смещения.
Для высокочастотного диапазона оптической модуляции (вплоть до 300 МГц) может использоваться конструкция тонкоплёночного резонатора (рис. 7). Исходная структура изображена на рис. 7, а. Она содержит все необходимые эпитаксиальные слои: и-ваАБ - необходим для создания фотодиода на Барьере Шоттки; и+-ваАБ -
нужен для уменьшения выходного сопротивления фотодиода; /-ваАБ - выполняет роль пьезоэлектрического резонатора; и+-А10.3ваа7АБ -служит барьером в процессе селективного
травления донной части резонатора. Такой
фотопьезоэлектрический резонатор работает в активном (фотодиодном) режиме (рис. 7 б), поэтому необходимо наличие цепей смещения.
л-GaAs
л-GaAs
«-GaAs
-B^-AlfljGaa^As
-і-GaAs
Рис. 7. Структура фотопьезоэлектрического резонатора для высокочастотного диапазона оптической модуляции: a - исходная структура; б -структура после завершения всех технологических операций
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Проект №13-02-97520 рцентра).
Литература
1. Митрохин В.И. Эффект оптического
индуцирования механических колебаний в монокристаллах арсенида галлия / В.И. Митрохин, С.И. Рембеза, А.А. Руденко // Письма в ЖТФ. - 2006. -Т. 32. - № 11. - С. 32 - 36.
2. Митрохин В.И., Рембеза С.И., Антонов Р.Н. Фотопьезоэлектрическое индуцирование резонансных акустических волн в монокристаллах полуизолирующего арсенида галлия // ФТП 2011. Т. 45. № 12.- С. 1611-1616.
3. Митрохин, В. И. Полупроводниковый пьезоэлектрический резонатор как высокоизбирательный приемник оптических сигналов [Текст]/ В. И. Митрохин, С. И. Рембеза // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 10.- С. 9-12.
4. Lee S.S. Self-Excited Piezoelectric Cantilever Oscillators. The 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX / S.S. Lee, R.M. White. - Elsevier Science S.A., 1995.
5. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 кн. / пер. с анг. В.А. Гергеля, В.В. Ракитина; под ред. Р. А. Суриса. - М.: Мир, 1984. - Кн. 1. - 456 с.
6. Арсенид галлия в микроэлектронике: Пер. с англ. с сокращ. и доп. / У. Уиссмен, У. Френсли, У. Дункан и др.; под ред. Н. Айнспрука, У. Уиссмена. - М.: Мир, 1988. - 555 с.
Воронежский государственный технический университет
ОАО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж
THE PHOTOPIEZOELECTRIC RESONATOR ON GALLIUM ARSENIDE WITH SCHOTTKY'S
BARRIERS
V.I. Mitrokhin, P.L. Kurshev, R.N. Antonov, R.E. Prosvetov
The physical model of the semiconductor photopiezoelectric resonator based on the accounting of a valve photo-EMF plate near superficial electrodes of high-resistance arsenide of gallium is presented. The model allows to explain frequency properties of the resonator and high values piezo-EMF on its output electrodes
Key words: piezoelectric effect, semiconductor, photoelectric effect, Schottky's barrier, relaxation time
