CC BY
46
Дана стаття направлена на визначення взаємозв’язку межі розділу на вибір технології формування швидкодіючих структур ВІС на основі арсеніду галію та високоефективних приладних структур. Технологія формування структур таких приладів повинна забезпечувати необхідну стабільність структури міжфазної межі і можливість отримання високоякісних шарів на великій площі підкладок (діаметром >100 мм)
Ключові слова: легування, домішки, тунелюван-ня, межа, рекомбінації, гетероперехід, імплантація, активація, покриття
□-----------------------------------------□
Данная статья направлена на определение взаимосвязи границе раздела на выбор технологии формирования быстродействующих структур БИС на основе арсенида галлия и высокоэффективных приборных структур. Технология формирования структур таких приборов должна обеспечивать необходимую стабильность структуры межфазной границы и возможность получения высококачественных слоев на большой площади подложек (диаметром >100 мм) Ключевые слова: легирование, примеси, туннелирование, граница, рекомбинация, гетеропереход, имплантация, активация, покрытия ----------------------□ □--------------------------
УДК 621.382
ВПЛИВ АРСЕНІДГЕЛІЄВОЇ ТЕХНОЛОГІЇ НА ФОРМУВАННЯ СТРУКТУР ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ
С. П. Новосядлий
Доктор технічних наук, професор* E-mail: [email protected] Л. В. Мельник
Аспірант* E-mail: [email protected] *Кафедра комп’ютерної інженерії та електроніки Прикарпатський національний університет ім. В. Стефаника вул. Шевченка, 57, м. Івано-Франківськ,
Україна, 76025
1. Вступ
Фізичні і хімічні властивості межі розділу є факторами для використання напівпровідникових матеріалів в різних приладних структурах ВІС. Ці властивості визначають електричні характеристики і параметри приладів, технологічність формування їх структур та межі інтеграції ВІС.
В системах напівпровідник-напівпровідник величина електричного бар’єра визначається величиною розриву зон між краями валентної зони і зони провідності обох напівпровідників, а дефектні рівні на такій межі гетеропереходу можуть діяти як центри безви-промінювальної рекомбінації, які вже обмежують використання даної міжфазної межі в оптоелектронних приладах типу світло- чи лазерних діодів.
2. Аналіз дослідів і публікацій. Властивості межі розділу шаруватої структури і її дипольна модель
Фізичні і хімічні властивості межі розділу є факторами для використання напівпровідникових матеріалів в різних приладних структурах ВІС. Ці властивості визначають електричні характеристики і параметри приладів, технологічність формування їх структур та межі інтеграції ВІС. Електричні властивості - це один із найбільш важливих аспектів межі розділу. Електричні характеристики межі розділу визначаються відносним розміщенням електронних рівнів по обом сторонам від межі розділу, електрон-
©
ними станами на самій межі розділу і характером поведінки межі розділу при дії прикладених напруг, струмів і температур. Наприклад, в системах контакту метал-напівпровідник (КМН) положення рівня Фермі в металі по відношенню до краю зони провідності або валентної зони напівпровідника є важливим параметром, що визначає висоту бар’єра Шотткі і його ВАХ
[1]. В той же час для омічних контактів спад напруги на межі метал-напівпровідник при високому рівні інжекції струму повинен бути дуже малим. В системах напівпровідник-напівпровідник величина електричного бар’єра визначається величиною розриву зон між краями валентної зони і зони провідності обох напівпровідників, а дефектні рівні на такій межі гетеропереходу можуть діяти як центри безвипромінювальної рекомбінації, які вже обмежують використання даної міжфазної межі в оптоелектронних приладах типу світло- чи лазерних діодів.
До таких нових електронних приладів сьогодні відносяться: біполярні транзистори на гетеропереходах і варізонних напівпровідниках, селективно леговані транзистори з високою рухливістю електронів, транзистори на основі надграток, джерела випромінення на надвисоких частотах (лазерах), світловипроміню-юючі структури на основі квантової щілини. Кожна із використаних при цьому технологій в першу чергу залежить від властивостей межі розділу і тих змін, які можуть проходити на межі розділу в процесі обробки в технологічному маршруті їх формування.
До основних характеристик межі розділу шаруватих структур необхідно віднести їх відтворюваність,
...............................................Е
стабільність в часі і температурі та надійність, які повинні гарантувати нормальне функціонування сформованого приладу чи ВІС протягом тривалого часу. Наприклад, межа розподілу в стандартних тестових структурах приладів повинні витримувати багато-чисельні електричні і температурні цикли, а також відносно великі всплески рівня струму, що передбачається циклом тестових вимірювань. В приладних структурах існує два механізми пробою. Структурні зміни можуть бути результатом росту дефектів або сильної взаємної дифузії через межу розділу матеріалів -це перший механізм. Другий механізм є електричний і визначається зміною числа різних дефектних рівнів в процесі роботи приладів чи ВІС, що приводить до зміни електричного стану межі розділу. Чітке розуміння процесів розмиття межі розділу, а також ефектів, які проходять при термічному чи електричному навантаженні на атомарному рівні, дозволяє оцінити за тестовим контролем придатність кожної конкретної пари матеріалів для формування приладних структур з високою в часі працездатністю. Тут, звичайно, особливу роль відіграють методи гетерування і оцінка зарядового стану межі розділу за допомогою електрофізичних параметрів тестового контролю, як для Si, так і для GaAs з використанням хіллотронів.
В даному розділі статті ми розглянемо основні явища, які виникають на межі розділу, які були досліджені при розробці субмікронних структур ВІС (схем пам‘яті, мікропроцесорів і мікроконтролерів) на ВАТ «Ро-дон», які включають в себе сучасні методи зондування матеріалів приладних структур на атомарному рівні. Почнемо це з електричних властивостей і дипольної моделі межі розділу.
Основним елементом, який є необхідним для формування твердотільного приладу, є, звичайно, бар’єр, сформований між різними областями матеріалу шляхом зміни його основної сполуки або його домішкового рівня. Для того, щоб зв’язати такі зміни в хімічній чи фізичній структурі з поведінкою бар’єру, ми повинні, в першу чергу, вияснити, які особливості приладної структури. Почнемо цей опис межі розділу з концепції диполя. Потім розглянемо скачок потенціалу, що проходить на межі розділу і дослідимо характерні особливості окремих типів міжфазних меж, які визначають параметри бар’єра. Визначимо також вплив на межу розділу і локальних енергетичних станів в забороненій зоні напівпровідника, які відповідають за її електричну стабільність [2].
Тут основна задача визначення відносного положення електронних рівнів на межі розділу в твердому тілі полягає у визначенні вкладу в загальний заряд дипольних шарів, які і приводять до скачка електростатичного потенціалу. Тому вклад міжфазної межі розділу як у висоту бар’єра Шотткі, так і в зсув зон в гетеропереходах може бути розглянута з позиції дипольної моделі межі розділу. Характерною особливістю любого дипольного шару є те, що він містить заряд обох знаків. І тому простий шлях для визначення впливу складнозарядженно дипольного шару-подати область міжфазної межі у вигляді зарядженно плоского конденсатора (рис. 1, б). Якщо заряд на одиницю площі кожної із пластин конденсатора позначити через о, а діелектричну проникливість як скачок потенціалу на межі розділу буде визначатись формулою:
ЛФ = оd / ££0,
(1)
де d - товщина міжфазного шару; £0 - діелектрична проникливість вакууму.
Ця модель може бути застосованою до любої задачі, що зв’язана з межею розділу. При цьому міжфазна область представляється у вигляді заряджених дипольних шарів, що дозволяє досить легко визначити відносне положення електронних рівнів та сумарний заряд (рис. 1, а). В дипольному вигляді можна розглядати тільки частину міжфазної межі, бо диполі повинні бути настільки тонкими, щоб їх неможливо було розрізнити відповідними експериментальними вимірюваннями.
Розглянемо дану модель більш детально на прикладі гетеропереходу. Допустимо, що ми можемо визначити положення внутрішніх рівнів в напівпровідниках по відношенню до рівня вакуума, виключивши поверхневі дипольні шари, які завжди існують на реальній поверхні. Тоді ми можемо визначити різницю в положенні країв валентної зони, що є в даному випадку зсувом зон.
Рис. 1. Дипольна модель міжфазної межі: а — Дипольний шар; б — аналогія плоского конденсатора
При розрахунку сумарного скачка зон до власного зсуву необхідно ще додати величину зсуву, обумовленою зарядом дипольних шарів, які існують між двома напівпровідниками. Отримана таким чином сума дає реальну картину зсуву валентної зони. Тоді скачок зон можна подати у вигляді суми двох компонент (суперпозиції), один із яких є зв’язаний із межею розділу, а другий- з об’ємними властивостями матеріала напівпровідника. Для прикладу, припустимо, що £ = 10 і d=1 нм. Тоді із виразу (1) випливає, що скачок потенк ціала ДФ = 1,8/о, еВ.нм2; де а - заряд на одиницю площі в одиницях заряду електрона q. Відповідно, щоб отримати ДФ=0,1 еВ поверхнева густина заряду повинна бути на рівні 5.1012 см-2. Це і є реальна величина заряду, який повинен бути присутнім у вигляді обох заряджених станів всередині шару шириною в 1нм на міжфазній межі.
Аналогічні міркування можуть бути використані і для системи метал-напівпровідник при формуванні бар’єра Шотткі. В цьому випадку висота бар’єра буде рівна різниці між енергетичними положеннями цих двох рівнів (країв зон провідності метала і напівпровідника) плюс вклад від міжфазного дипольного шару. Відповідно і для системи напівпровідника-напівпро-відника бар’єр Шотткі також визначається вкладом двох доданків: міжфазними диполями і власне об’ємом цих двох напівпровідників. Постає питання- як же буде визначатись висота бар’єра на межі розділу в реальних приладних структурах? Підкресливши цен-
а
тральну роль міжфазних диполів, розглянемо тепер джерела всіх вкладів в сумарну зміну потенціала на межі розділу (тобто зсув енергетичних рівнів всередині структури вже приладу в умовах рівноваги). Охарактеризуємо їх через значення висоти бар’єра Шотткі, розрив зон і електронні стани на межі розділу фаз. І на цій основі розглянемо швидкодію комплементарної пари польових транзисторів Шотткі. Це дозволить в свою чергу визначити придатність даної моделі в гетерофазній структурі як елемента інтегральної арсе-нідгалієвої схеми, бо висота бар’єра Шотткі визначає ефективність використання польового транзистора із затвором Шотткі в швидкісних інтегральних схемах. Якщо в ролі напівпровідникових приладів є вибраний арсенід галію, то різниця між рівнем Фермі метала і краєм зони провідності напівпровідника складає декілька десятих електронвольта. Так високе значення висоти бар’єра Шотткі означає, що на напівпровіднику п-типу провідності дуже легко формувати бар’єри з дуже низькими значеннями струмів втрат. В той же час як інший напівпровідник (ІпР ) фосфид індію теж має відносно невелике значення висоти бар’єра Шотткі і в даному випадку, відповідно, його вже не можна використовувати в ПТ із затвором Шотткі. Таким чином, електричні властивості міжфазної межі впливають і на вибір архітектури схемотехнічних швидкісних ВІС.
Розрив на краях забороненої зони відіграє також аналогічну роль в структурах з гетеропереходом. Так, менша величина розриву валентних зон по відношенню до розриву країв зони провідності в гетерострук-турі GaAs -AlAs забезпечує можливість формування таких гетероперехідних структур, як лазери, в яких дірки можуть легко переноситись із одного шару в інший, формуючи вже шаруваті наноструктури.
Можливість використання межі розділу напівп-ровідник-ізолятор для формування польових транзисторів із ізольованим затвором (МДН-транзисторів) визначається густиною поверхневих станів на межі розділу. Це особливо видно на кремнієвій технології, яка дозволяє формувати комплементарні структури. У випадку GaAs всі ізолятори приводять до утвореня ня високої густини поверхневих станів, які фіксують рівень Фермі поблизу середини забороненої зони. В результаті цього виникає складність при створенні інверсного шару на межі розділу GaAs - ізолятор. Але існують такі технології, які дозволяють формувати капсулюючі покриття, що забезпечують низький рівень густини поверхневих станів (<1012 еВ4см'2) на межі розділу, наприклад (фосфид індію) ІпР -ізолятор, а це вже дозволяє закріпити рівень Фермі поблизу краю зони провідності. В таких системах можна достатньо легко змістити рівень Фермі в зону провідності і добитись інверсії поверхні. Саме таке явище забезпечило успіх у формуванні МДН- транзисторів на ІпР . Нами розроблені низькотемпературні технології формування капсулюючих покриттів Si3N4,AlN,BN , які дозволяють формувати низький рівень енергетичних станів на межі розділу GaAs - ізолятор, а значить можна, як і на кремнії, розробити технологію виготовлення комплементарних арсенідгалієвих структур.
Таким чином, згідно аналізу електричних рівнів на межі розділу, для формування приладів на основі GaAs доцільно застосовувати технологію польових транзисторів із затвором Шотткі, а для при-
ладів на основі ІпР оптимальною вже буде технологія МДН-транзисторів. Як бачимо, технологія формування діелектриків визначає енергетичний рівень між-фазної межі напівпровідник-ізолятор.
Положення атомів в області міжфазної межі визначають властивості отриманих в приладах бар’єрів. Саме визначення структури міжфазної межі - це одна із найбільш складних задач як з теоретичної, так і експериментальної точки зору. В широкому змісті межі розділу можна розділити на два великих класи: з різко вираженою шаровою структурою та з дифузійно розмитою межею. Різка межа характеризується невеликим (порядку декількох атомних шарів) відхиленням від об’єму структури в контактуючих матеріалах. На відміну від цього дифузійна межа має розміри в декілька десятків атомних шарів і значно відрізняється за атомним складом в порівнянні з об’ємом вихідних матеріалів. Тут можуть накладатись і дефекти, що виникають при осадженні шарів [3].
Структура межі розділу залежить від технології -способу її формування. Тому при проектуванні структур ВІС на першому плані стоїть технологія (маршрут), а потім уже схемотехніка та її можливості в реалізації швидкодії. За допомогою технології можна керувати межею розділу: термічним оксидуванням, фотонним чи лазерним відпалом, епітаксійним осадженням шарів (осадження із моноорганічних сполук плазмовою НВЧ-епітаксією). Сьогодні на перший план виходять експериментальні дослідження технології формування шаруватих структур арсеніду галію на кремнієвих підкладках, де буферним шаром виступає германій для зближення постійних граток Si і GaAs. При оптимальних умовах епітаксійного росту, коли усувається взаємна дифузія, перехідна область між об’ємом GaAs і об’ємом Ge займає всього 4 атомні площини. Такий буферний германієвий шар можна створити і багатозарядною імплантацією германію в Si. На рис. 2 схематично подана структура надграток та електрична межа розділу гетеропереходу (Al01Ge05As) -^е2) та (А10^е0^)і20 -^ )іоо , що отримана методом молекулярно - променевої епітаксії германію на GaAs - підкладці при Т < 350°С де перехідна область має розмір одного атомного шару.
Рис. 2. Схематичне представлення електричної межі розділу GaAs.Ge (на підкладках GaAs (100)) вирощений шар Ge і структура надграток (Al0■|Ge0,5As)1-(Ge2)1 із стовбчастою полікристалічною структурою та структура надгратки (Alo,1Geo,5As)12o—(Ge2)1oo з монокристалічною структурою ^є вирівнює сталу гратки)
Для порівняння на рис. 3 поданий мікрофотознімок січення кремнієвої структури Si -SiO2 - Si, що сформована на Si - підкладках термічним оксидуванням
..................................................Е
Si товщиною (~7 нм) і осадженням в РПД полікремнієм при Т < 620 оС.
Рис. 3. Структура Siмоно—SiO2—Siполі з різною межею Si—SiO2 в межах моно шару (0,27 нм) при товщині SiO2 7 нм
Межа Si - SiO2 є різкою і плоскою в межах моношару (0,27 нм). Як бачимо структура межі розділу визначається низькотемпературною технологією формування шарів. А тепер розглянемо структури сформованих приладів на GaAs з використанням дипольної моделі межі розділу.
3. Формування цілей і задач
Ціллю даної роботи було сформулювати математичну модель дипольного шару міжфазної межі у вигляді зарядженого плоского конденсатора і на цій основі пояснити ефекти в приладних структурах, які формуються на основі субмікронної арсенідгалієвої технології, а саме :
- комплементарну арсенідгалієву структуру із само суміщеним WN-затвором;
- структуру арсенідгалієвого діода із резонансним тунелюванням;
- структуру сонячного елемента на основі ZnO/CdS/CuInSe2.
4. Особливості технології формування структур
4.1. Комплементарна арсенідгалієва структура із самосуміщеним WN-затвором
Розвиток технології GaAs ВІС майже повністю сконцентрований сьогодні навколо логічних схем, виконаних тільки на п- канальних польових транн зисторах із затвором Шотткі (ПТШ). При переході до комплементарних структур на ПТШ однією з основних проблем стає мала висота бар’єра Шотткі на GaAs р-типу.
В даному розділі розглядається технологія формування затвора на основі реактивно напиленого (ВЧ-магнетроном) методом нітриду вольфраму WNx, який може використовуватись для формування бар’єру Шотткі і в п-канальних ПТШ.
Так як при формуванні самосумісних структур ПТШ тугоплавкий матеріал затвора використовується як маска в процесі іонної імплантації, то контакт Шотткі повинен витримувати певну термообробку, призначену для активації імплантованої домішки. Саме і в цьому напрямі проведені дослідження термо-нагріву на висоту бар’єра, що створювався контактом Шотткі WN -типу до р - GaAs . Для експериментів використовувались підкладки GaAs р-типу (леговані
з...............................................
Zn ) діаметром 76 мм. За допомогою хімічного осадження із газової фази металоорганічної сполуки дие-тилцинку вирощувався епітаксійний шар, легований Zn з концентрацією дірок 5.1017 см-3. Нітрид вольфраму був осаджений за допомогою ВЧ- магнетронного розпилення вольфрамової мішені в аргоно-азотній плазмі при співвідношенні Аг/^ 72 % N. Безпосередньо перед розміщенням в установку магнетронного розпилення (Ораторія-5) вольфрамова мішень оброблялась в НСІ (2 хв) з метою зняття власного оксиду. Потім за допомогою фотолітографії з використанням сухого травлення в CF4 /02 із плівки WNx товщиною
0,3 мкм були сформовані діоди Шотткі. Для проведення активації імплантованої домішки в стік-вито-ковій області використовувалось фосфоросилікатним склом, товщини 0,3мкм, яке наносилось на установці «Ізотрон-3». Самосуміщені р- канальні ПТШ формувались за допомогою технологічного процесу, поданого на рис. 4, де 1-імплантація Ве+ на товщину 0,1 мкм; 2-формування каналу активацією; 3-відпал р-шару; 4-осадження підзатворного нітриду вольфраму WNx; 5 - р+ -імплантація ( Mg++ ) на товщину 0,25 мкм; 6-від-пал стік-витокових р+ - областей; 7-формування контактів до стік-витокових областей сплавом AuZn - Аи.
АяН^ + Аг
- -
СаА —► —►
ІмтантЩ:Ц Активація Осадження
берилію р-домішки
Д/ег++ ЯЮ2 '
Імплантація магніт з Осадження БФСС Формування контактів використанням маски 00 р+області ЛиХп — Ли
ЯЮ2 + Шх
Рис. 4. Технологічний процес формування ПТШ на p—GaAs
Із рис. 4 видно, що активний канал формувався за допомогою селективної імплантації в нелегова-ну GaAs -підкладку іонів Ве+ з енергією 30 мВ і дозою 5.1011 см-2. Активація імплантованої домішки ( Ве+ ) проводилась без захисної атмосфери в потоці Аг / AsH3 протягом 15 хв при фотонному ламповому відпалі на установці «Імпульс-3» протягом 10-15 с (Т = 820°С ). дослідження показали, що при цьому забезпечилась степінь активації берилію до 82 %. Як затвор до р-GaAs використовувався нітрид вольфраму, що був осаджений ВЧ-магнетронним розпиленням вольфрамової мішені в аргоно-азотній плазмі [4]. Стік-витокові р+ -області ПТШ формувались двозарядною імплантацією Mg++ з енергією 120 кеВ і дозою 1.1013 см-2 на товщину 0,25 мкм. Самосуміщення затвора проводилось з використанням фотолітографії і маски SiO2 + WNx. Для активації домішки в стік-ви-токових областях теж використовувався ламповий фотонний відпал протягом 5-8 с при Т = 780- 800°С. Металізація стік-витокових контактів проводилась
осадженням золота із водневого розчину золотохло-ристоводневої кислоти і напилення сплаву AuAz .
Отримана для виготовлення діодів Шотткі залежність висоти бар’єра фв діодного коефіцієнта А від температури фотонного відпалу Т подані на рис. 5.
З допомогою вимірювання ВАХ затворів з розміром 4x24 межі було визначено, що висота бар’єра лежить в межах фв = 0,68±0,027, а величина діодного коефіцієнта п = 1,15±0,02 , останній визначає генераційно-ре-комбінаційні процеси в таких діодах [5]. Близькі значення висоти бар’єра Шотткі для п- і р- діодів із конр тактів WNX до GaAs вказують, що технологічно можна формувати комплементарні пари ПТШ та будувати на них цифрову швидкодійну схемотехніку.
Рис. 6. Вихідні характеристики p-ПТШ із затвором WNx
Проведені результати моделювання за допомогою програми SPICE логічних вентилів на рис. 7, а, б. Вентилі (с) і (а) мають зсуваючі рівень діоди. Саме введення діодів Шотткі дозволяє підвищити напру-
гу живлення із 0,75 В до 1,2 В. А вентилі в) і д) є вже квазікомплементарними, бо в них р- канальні ПТШ працюють в режимі збіднення рис. 7, в.
Рис. 7, г демонструє моделювання затримки від потужності вентиля. Кращим в цих варіантах є варіант с).
Рис. 5. Залежність висоти бар‘єра фв і діодного коефіцієнта А для п і р—GaAs
Були також виміряні параметри ПТШ на основі рівняння: ІСв=К(и3иТ)2, де ІСВ - струм насичення ланки стік-витік, из, иТ - напруга прикладена до затвору і порогова напруга. При довжині затвора (каналу) L=4 мкм порогова напруга иТ=-200 мВ, а при довжині затвора L=1 мкм, порогова напруга зменшуо валась до величини иТ=-75 мВ. При розмірах затвора 2x24 мкм коефіцієнт К = 0,088 ± 0,01 мА/В2.
На рис. 6 подані вихідні характеристики р-ПТШ із затвором на основі нітриду вольфраму. Як бачимо межа розділу СаАз -нітрид вольфраму є досить стабільною для формування комплементарної пари. Крутизна ВАХ не перевищувала < 4,5 мСм/ мм.
в
Рис. 7. Схематичне зображення : а — логічні вентилі (збагачення); б — логічні вентилі (збіднення);
В — передавальна характеристика; г — затримка вентилів
Таким чином, на GaAs можна формувати комплементарні пари ПТШ для швидкісних логічних (цифрових) схем з малим живленням (<1,2 В). Аналогічно, використовуючи півзатворний діелектрик у вигляді плівки нітриду бору, можна вже формувати комплементарні пари арсенідгалієвих МДН- транзисторів з високою швидкодією. Як бачимо, тут провідну роль відіграє стабільна міжфазна межа.
4. 2. Новий арсенідгалієвий діод з резонансним тунелюванням
Розроблена технологія формування нового резонансно-тунельного діода (РТД), який має покращені параметри в порівнянні з двобар’єрними гетеро структурами, як аналога тиристорної структури. Такий прилад сформований на основі гетероструктури AlGaAs/GaAs з трьома квантовими ямами (КЯ), де важливу роль відіграє різна міжфазна межа із стабільним зарядовим станом. Досліджувалась робота такого РТД в ролі трирівневого логічного елемента для цифрових ВІС. Розрахунок тунельного струму Іт такого діода проводився на основі виразу
qkT
2л2Г
} dEzm*RT(Ez) ■ ln {1+exp {-(Ez - Е^)/квт}|
j dEzm*LT(Ez ) ■ ln {1+exp {-(Ez - ER )/ квТ}}
(2)
де ЕС і Е£ - енергії краю зони провідності, а Е£ і Е^ -рівні Фермі електронів на обох сторонах резонансно-тунельного бар’єру.
Ефективна маса електрона в AlGaAs т* = (0,067 + 0,083х)т0, де х-молярна доля Al. Для
а
г
Е
електронної ефективної маси в GaAs з врахуванням пентаромбічної Г-зони т* = 0,067т0{1 -6а(Е-Еч)}, де Е-енергія електрона, a = -0,82x, Еч = 1,42еВ. Така система містить три КЯ (Ш1,Ш2,Ш3) із нелегованно GаAs з товщиною 11,0; 5,7; 6,9 нм відповідно; 4 потенціальних бар’єра: два нелегованих А1Аз - шара по краям системи і два нелегованих бар’єра А103І^а07^ між КЯ: сильно леговані п + - GaAs -шари з №д=14018 см-3 катода і анода на обох сторонах діодної системи (рис. 8, а).
Зсув країв зони провідності між GaAs і А1Аз складає 0,956 еВ, а між GaAs і А103І^а07^ в 0,2 еВ. Пікові
рівне -3. На
рис. 8, б показана ВАХ структури РТД. Лінія навантаження фіксує три стабільних точки Оі, О2, Оз при 10,90 і 160 мВ. Нагрузовий опір складав 0,15 Ом [6].
значення концентрацій електронів в КЯ Ш1
11017 см-3, Ш2 рівне 11016 см-3,
- 31016 см
(2) з концентрацією донорної домішки 5.1017 см-3 і глибиною 150 нм. Область стоку і витоку (3) і (4) також формувались імплантацією іонів 8і+ але вже з концентрацією 5.1017 см-3 теж на глибину 150 нм. Домішки активувались фотонним відпалом 5-8 с при Т = 780°С [8]. Після відпалу методом ПФХО з плазмовою активацією наносився шар оксинітриду кремнію 8іїОуК2 товщиною 100 нм, на основі нього формувалось охоронне кільце (5) по краю резистивного затвору (7). Потім напилювався сплав Аи - Ge - № для формування контактів (6). Методом ВЧ-магнетронного розпилення та оберненої (взривної) фотолітографії формувався затвор із нітриду вольфраму ( WNX ) з поверхневим опором Я3=30 кОм/п товщиною 150 нм. Процес форр мування структури ПТШ завершувався металізацією TiPtAu (8) та пасивуючого нітридного покриття 8і3№4 (рис. 9, а).
Вольтамперна характеристика такого ПТШ подана на рис. 9, б. Такий ПТШ із схемою регулювання був використаний для генератора НВЧ-потужності (>50 Гц).
Рис. 8. Діодна система : а — Структура РТД; б — ВАХ РТД
Нелегований шар GaAs товщиною 10 нм (1) після п+- GaAs-анода. ВАХ структури РТД демонструє дві області від’ємного опору, що ідеально підходить для трирівневої логіки. Напруги піків складали 42 і 116 мВ. Даний РТД може бути з успіхом використаний для генерації НВЧ-коливань (>100 ГГц).
Для формування такої наноструктури РТД необхідно:
1) забезпечити різку межу розділу
GaAs - А1Аз - A10 36Ga074As низькотемпературною
НВЧ-епітаксією;
2) забезпечити стабільний зарядовий стан межі п -GaAs -п+- GaAs - і GaAs [7].
4. 3. Новий арсенідгалієвий діод з резонансним тунелюванням
Структури таких приладів формувались на базі звичайної арсенідгалієвої технології іонно-легованих ПТШ. Структура такого приладу подана на рис. 9. На GaAs - підкладках з орієнтацією (10) нелегованого GaAs (1) імплантацією 8і+ формується канал п- типу
Рис. 9. Структура ПТШ: а — з резистивним затвором і від‘ємною провідністю; б — ВАХ ПТШ
Як бачимо в даній технології знову використана зарядова стабільність міжфазної межі GaAs легованого і нелегованого та резистивної плівки нітриду вольфраму. Підлегування даної плівки кремнієм (до 1 %) покращує температурну стабільність ВАХ структури [9].
4. 4. Механізми переносу в СЕ з використанням структури 7пО / CdS / СиІп8е2
Найбільш повно проявляється межа розділу в структурах тонкоплівкових СЕ. Фотоперетворювачі із структурою CdS/CuInSe2 є сьогодні перспективні для широкого використання в наземних енергетичних пристроях. Проте втрати у фронтальному шарі CdS таких сонячних елементів є досить великими. Тому застосування широкозонних напівпровідників, таких як 7пО, Іп2О3, ZnCdS, SnO2 в ролі фронтального шару значно збільшують фотострум. Для цього ми вибрали таку структуру, в якій вивчались механізми переносу носіїв заряду в тонкоплівковій структурі СЕ
а
а
ZnO / CdS / CuInSe2 (рис. 10, а), а саме темнові ВАХ в діапазоні температур 200-300 К та спектральні характеристики і залежність ємності від частоти і прикладеної напруги (рис. 10, б). Структура такого СЕ подана на рис. 10, а. Шар CuInSe2 товщиною в 2 мкм наносився на саму підкладку, покриту шаром Мо, який служив тильним контактом до шару CuInSe2. Тонкий (50 нм) проміжний шар CdS покращує поверхневі властивості шарів і служив хімічним буфером, що захищав основний шар CuInSe2 протягом всього технологічного циклу. Фронтальний шар ZnO , що нанесений поверх шару CdS виконував роль противідбивного (просвітлюючого) шару, що зменшує коефіцієнт відбивання на 6-10 % [10].
Темнова ВАХ сонячного елемента знімалась як при прямій б), так і зворотній напрузі і освітленні (рис. 10, в). В основу розрахунку була взята модель діода з врахуванням шунтуючого Яр і послідовного опору за формулою
I, = (и - Ж5)/Яр + ^р^и - /АкТ) -1}, (3)
де !0 - обернений струм насичення, А- діодний коефіцієнт, що визначає генераційно-рекомбінаційні процеси.
Параметри СЕ при освітленні в умовах АМ 1,5 (100 мВт/см2) були наступними VXX=0,38 В, IКЗ=40 мА/см2, FF = 0,71 і К.К.Д 11.5 %. Вивчались також спектральні характеристики квантової ефективної СЕ. Зменшення фотоструму в довгохвильовій частині спектра (при Х>0,9 нм ) пояснюється поглинанням вільних неосновних носіїв заряду в шарі CuInSe2, яке зумовлене певною дефектністю цього шару (рис. 7, г). Також вимірювалась залежність ємності СЕ від частоти і прикладеної напруги. З ростом частоти від 20 кГц до 10 МГц ємність зменшувалась від 2200 до 750 пф, що вказує на наявність глибоких рівнів, які зазвичай спостерігаються в СЕ на основі CuInSe2. На рис. 10, г подана залежність від’ємного заряду в збідненому шарі CuInSe2 від його ширини [11].
При нульовому зміщенні ця ширина складала
0,3-0,4 мкм. Враховуючи результати вимірювання залежності !0 і А діодного коефіцієнта від температури, можна розглянути для такого СЕ декілька моделей переносу носіїв заряду. Якщо рекомбінація на межі розділу є переважаючим механізмом, то коефіцієнт А повинен наближатись до 1.
Виміряне значення діодного коефіцієнта приймало значення А = 1,7 - 2,05, а значення енергії активації лежало в межах 0,47-0,43 еВ і є менше 1 еВ. Це значить, що на межі розділу рекомбінація не може бути домінуючим механізмом переносу в структурі СЕ ZnO/CdS/CuInSe2. На межі розділу переважає механізм рекомбінації/ генерації в збідненому шарі, про що говорять значення енергії активації, але є рівне половині ширини забороненої зони CuInSe2 (тобто
<0,5 еВ). Другим механізмом переносу носіїв може бути термічно стимульоване тунелювання [12].
Як бачимо, для покращення параметрів тонко-плівкових структур СЕ необхідно забезпечити високу чистоту плівок, які, як правило, осаджуються при підвищених температурах, що сприяють росту дефектності.
Рис. 10. Механізм переносу: а — структура тонкоплівкового СЕ ZnO/CdS/CuInSe2, б — вольтамперні характеристики СЕ ZnO/CdS/CuInSe2,
В — при прямому зміщенні і при прямому і оберненому зміщенні, г — залежність заряду збідненого шару Си^е2 від його товщини
5. Висновки
1. На основі експериментальних досліджень розроблена дипольна модель межі розділу шаруватих структур, що представляє собою зміну поверхневої густини плоского конденсатора.
2. Дипольна модель дозволяє ефективно моделювати як вольтамперні, так і вольтфарадні характеристики приладних структур, сформованих на нових технологічних ефектах.
3. З використанням моделі межі розділу технологічно вибрані капсулюючі покриття та підзатворний діелектрик для арсеніду галію, що дозволяє сформувати комплементарні пари на транзисторах Шотткі та МДН-транзисторах.
4. Визначено вплив межі розділу в тонкоплівко-вих структурах СЕ на їх електрофізичні параметри і характеристики. Зокрема встановлено, що технологія формування шарів CuInSe2 визначає ефективність структури СЕ, а саме напруги холостого ходу та густини струму короткого замикання.
Література
1. Новосядлий, С. П. Суб-наномікрона технологія структур ВІС [Текст] / С. П. Новосядлий. - Івано-Франківськ Місто НВ, 2010. - 456 с.
2. Новосядлий, С. П. Фізико-технологічні основи субмікронної технології ВІС [Текст] / С. П. Новосядлий. - Івано-Франківськ : Сімка, 2003. - С. 52-54.
Е
3. Буджак, Я. С. Лабораторно-розрахунковий практикум з фізики напівпровідників та теорії твердого тіла [Текст] / Я. С. Буд-жак, П. І. Мельник, С. П. Новосядлий. - Альт, 2008. - 240 с.
4. Пека, Г. П. Варизонные полупроводники [Текст] / Г. П. Пека, В. Ф. Коваленко, А. Н. Смоляр; под ред. Г. П. Пека. - К.: Выща шк., 1989. - 251 с.
5. Черилов, А. В. Исследование електрофизических характеристик ионно-легированих слоев GaAs [Текст] / А. В. Черилов. -Електронная техника, 1984. - С. 8-12.
6. TSANG, W. T. Extremely low threshold AlGaAs graded index wave guide separate confinement heterostructure lasers grown by molecular beam epitaxy [Text] / W. T. TSANG. - Appl. Phys. Lett. - 1982. -Vol. 40. - P. 217-219.
7. Горщеев, Л. И. Влияние легирующей примеси на механические и рекомбинационные параметры варизонных твердых растворов AlGaAs [Текст] / Л. И Горщеев, В. Ф. Коваленко, Б. М. Масенко.: Укр-физ журнал. - 1982. - Т. 27. - С. 568-571.
8. Sassi, G. Theoretical analysis of solar cells based on graded band-gap strutures [Text] / G. Sassi // Journal of Applied Physics -1983. - Vol. 54. - P. 5421-5427.
9. Базбек, А. И. Быстродействующие светодиоды на основе варизонных твердых растворов AlGaAs(Si) [Текст] / А. И. Базбек,
B. Ф. Коваленко, В. А. Краснов. // Журнал прикладной спектроскопии. - 1986. - T. 45. - С. 274-279.
10. Новосядлий, С. В. Високоекфективні структури сонячних елементів на основі аморфного гідрогенізованого кремнію [Текст] : Матер. ІІ Міжн.науково-прак. конф. / С. В. Новосядлий, Л. В. Мельник, Т. П.Кіндрат // Фізико-технологічні проблеми радіотехнічних пристроїв, засобів телекомунікації , нано-та мікроелектроніки. - 2012. - С. 172-173.
11. Новосядлий, С. В. Дослідження ефективності гетерних технологій в структурах GaAs [Текст] / С. П. Новосядлий,
C. М Марчук, Т. Р. Сорохтей, Ю. В.Возняк. // Фізика і хімія твердого тіла. - 2012. - С. 416-428.
12. Патент на корисну модель № 68203 МПК TO1L21/20 від 26.03.12. Спосіб формування епітаксійних арсенід-галієвих шарів на монокристалічних кремнієвих підкладках [Текст] / Новосядлий С. П., Вівчарук В. М., Кіндрат Т. П. - Прикарпатський національний університет. - 7 c.
----------------------□ □-------------------------
В роботі приведено узагальнені зміни параметрів спектрів пропускання багатошарових інтерференційних структур відрізаючих оптичних фільтрів в залежності від поляризації та кута падіння паралельних потоків випромінювання відносно нормалі до їх поверхні. Розроблено модель та досліджено вплив перехідної області з неоднорідним розподілом показника заломленя на спектральні характеристики відрізаючих фільтрів в залежності від кута
Ключові слова: характеристична матриця, спектральні характеристики, спектр пропускання, неоднорідності показника заломлення
□-----------------------------------------□
В работе приведены обобщенные изменения параметров спектров пропускания многослойных интерференционных структур отрезающих оптических фильтров в зависимости от поляризации и угла падения параллельных потоков излучения относительно нормали к их поверхности. Разработана модель и исследовано влияние переходной области с неоднородным распределением показателя преломления на спектральные характеристики отрезающих фильтров в зависимости от угла
Ключевые слова: характеристическая матрица, спектральные характеристики, спектр пропускания, неоднородности показателя преломления ----------------------□ □-------------------------
УДК 519.85
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОСТОРОВО-ПОЛЯРИЗАЦІЙНИХ ПАРАМЕТРІВ СПЕКТРАЛЬНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВІДРІЗАЮЧИХ ОПТИЧНИХ ФІЛЬТРІВ
В . І. П е ц к о
Аспірант Кафедра кібернетики та прикладної математики Ужгородський національний університет вул. Підгірна, 46, м. Ужгород, Україна, 88000 E-mail: [email protected]
1. Вступ
За останні роки набув чималого розвитку синтез багатошарових оптичних систем, помітно зріс інтерес до технічного застосування тонких плівок, що викли-
кало швидкий розвиток тієї галузі фізичної оптики, що стосується відбивання, пропускання і поглинання світла в багатошарових тонкоплівкових системах. Практична цінність таких систем, зокрема і фільтрів, полягає в тому, що за їх допомогою можна в широкому
©
