Введение к работе
Актуальность работы. Одним из направлений развития современной полупроводниковой электрокики является создание быстродействующих полупроводниковых приборов миллиметрового и субмаллиметро-вого диапазона длин волн. Интенсивно развиваются такие области . применения этих приборов, кав космическая связь, спутниковое телевидение, распределительная телефонная связь, радиолокация и радиоастрономия. Важнейшей частью используемых при этой СВЧ и КВЧ систем являйся приемные устройства, характеристики которых определяются параметрами полупроводниковых диодов,применяемых в качестве преобразователей,детекторов, спасителей сигналов злектро-ыагеитного излучения. Одним из перспективных полупроводниковых приборов является диод с горячими носителями заряда (ДГНЗ), обладающий высокий быстродействием при детектировании сигналов непрерывной и импульсной СВЧ мощности. Линейность в широкой облеоти вольт-ваттных характеристик диодов и лреимуиестяенао активный импеданс позволяет применять ДГНЗ в качестве датчиков малых уровней СВЧ мощности.
Основные задачи, являющиеся актуальными при исследовании я разработке таких диодов,- это достижение высокой чувствительности при сопротивлении необходимом для оптимального согласования в СВЧ тракте, расварзние частотного диапазона и динамического диапазона, ограниченного низкочастотными пумами и пробойными явлениями в диодах.
При продвижении в область субмидлиыатрового х ПК-диапазона эффективность разогрева носителей заряда оникаетоя, что приводит ' к необходимости дальнейшего увеличения чувствительности ДГНЗ, оптимизации согласования в тракте и, следовательно, уменьшения активной области и размеров структуры диодов. При этом определяющими и актуальными являются вопросы, связанные с электрическими и физическими свойствами контактов и приконтактных областей ДГНЗ, а
tame их геометрией.
Цель работы. Цельп работы является исследование влияния геометрии контактных поверхностей и электрофизически! свойств контакта иеталл-цодупроводаик ДГШ на их основные характеристики яри изменении температуры, а хакхе путей увеличения чувствительности и расширения возможностей согласования в современных СВЧ и КВЧ дискретных устройствах и микроструктурах интегральной микро-вдектрошлш.
Ыетодика исследования. Теоретическое рассмотрение алектри-чеоких свойств контактов, приконтакткых обдаотей и их влияния ва характеристики ДГНЗ проводилось на основа модели И-к пера-хода, реаиния уравнения Пуассона и уравнения для плотности тока, а для анализа влияния геометрии контактов ва характеристики диодов использовалось уравнение Лапласа.
Экспериментальное исследование характеристик и параметров ДГНЗ осуществлялось с помацьи измерительных установок на основе восьмимиллиыетровых и трахсантииетровых волноводных трактов по стандартным методикам.
Научная новизна. Впервые проведен комплексный анализ контактов ДГНЗ с С~п переходом и антизапоркых метвлл-полупроводник при температурах 77-300 К, и их влияния аа основные характеристики диодов. Для контактов на освовв
рассчитаны зависимости высоты потенциального барьера от температуры и показана ее связь с лоиерхвоотными состояниями границы раздала контактов, опрвдэд&хщак появление барьера Шоттки при температурах вблизи Т 77 К. Определено влияние примесей с глубокими .авергвтяческина уровнями иа контактные свойства, низкочастотные нуны и лавинный пробой диодов, обнаружено изменение сопротивлеяня ДГНЗ с контактами Аи~р-(эС Пр8 иипудьснсм девааном пробое аа счет элехтродиффузии ионов Jlu. :
Предложены и теоретически иоследозавн ДГНЗ с пленарной системой контактов, периодической и матричной структурой контакта малой гшоцадк и определены их основные характеристики и параметры.
Предложен я экспериментально подтвержден способ снижения уровня няэкочстогных иумов я увеличения напряжения лавинного пробоя ДГНЗ за счот нейтрализации влияния примесей с глубокими энергетическими уровнями.
По результатам исследований получено четыре авторских свидетельства на изобретение.
Практическая значимость состоит в возможности использования полученных научных результатов для анализа характеристик а параметров ДГНЗ, а также для разработки и создания првобразова- ' телей, детекторов и датчиков СВЧ мощности на основе прэдлохваша зидов диодов с нейтрализацией влияния принесей с глубокими анар-гетичесхими уровнями, планерно-полосковой и пданарно-коаксиаль-нон геометрией контактов, периодической и матричной структурой контактов, оОдадаюцих более высокими параметрами по оравнаннв с типовыми диодами, имеющими полусферическую форму контакта, что подтверждается полученными авторскими свидетельствами на изобретение.
На зааяту выяоситсяа
-
В области низких температур (Ї « 7? К) характеристики ДГНЗ определяет нелокальная связь между температурой носителей заряда и электрическим полам, возникавшая за счет эффекта Педь-тье и дивергенции теплового погода из приконгактной области, а для комнатных температур (Т =* 300 К) - изменение подвижности и тармо-э.д.с. горячих носителей заряда, согласно извеотным аналитическим выражениям.
-
Контакты к диодам на основе //и —p"Gc антиэапорны
в диапазоне температур 77-300 К и удельных сопротивлений германия J) ш 0,15-25 Ом см, кроме значений вблизи Т=77 K,j 3 Ом см, когда возникает обедненный слой, что при малой высоте барьера fa < 0,025 эВ практически не изменяет антиаапорных свойств контактов. Контакты ^U-~P~&6 при температурах Т » 300 К и /> ^ 5 Ом см - антизапорны, при ^ . 5 Ом см существует обедненный слой с 4% 0,1 зВ, то есть, тагам по своим свойствам близки к антизапорным. При поникании температуры высота барьера растет и степень обеднения увеличивается. На внооту потенциального барьера контактов tnU—pSej/Vl-P'Gc оказывает влияние ПС на границе раздела контактов, что при температура вблизи Т =77 К приводит к появлению барьера Иоттки, определяющего характеристики ДГНЗ.
3. Образование обедненного приконгактного слон {$*$<кТ) контактов Ш ДГНЗ нриводиі к увеличен»» «лактрического поля у контакта и повышению чувствительности по отношению к диодам с нейтральным контактом или контактом с обогащенным слоем.
^..Планерная система контактов ДГНЗ позволяет повысить аффективное» разогрева носителеа заряда в приконтактнои области, что приводит к более высокой чувствительности лланарно-полоско-вых и планарно-коаксиальных диодов по сравнению с диодами с полусферической формой контакта, а также позволяет раоиирить возможности согласования в соответствующих СВЧ трактах.
В ДГНЗ о матричной структурой контакта увеличение чувствительности достигается за счет локализации электрического поля на елементах контакта, а согласование в СВЧ тракте эа счет изменения кояичесгла алементов.
Подучена интегральные и крибянхевнне аналитические вырахе-вия для чувствительности и сопротивления ДГНЗ с периодической структурой контакта. Такие дяоды обладает высокой чувствитель-
?
ностью достигащай 90 Б/Вт и возможностью улучшения характеристик за счет резонансных свойств периодической структуры. .
5. Лсимэштрия лавинного пробоя ДГНЗ на основа ЛЦ—p-GC при различной полярности приложенного напряхения связана с внутренним электрический полей контакта, а величина напряхения пробоя с распределением примеси Ли, у поверхности границы раздела контакта Ш. Для диодов с полусферической формой контакта верхняя граница динамического диапазона определяется при малых радиусах Zk г$ 5 мкм лввинным пробоем, а при больших - тепловий.
Низкочастотные фликкер-пум и генарационно-рекоибинацион-ны8 шуїш, отвечавшие за нижнюв границу динамического диапазона ДГНЗ определяют горячие носители заряда, а повывенный уровень аумов и его увеличение при понижении температуры диода связан с примесями, создеюдими глубокие уровни и ПС на границе раздела контакта. Нейтрализация влияния примесей приводит к снижению уровня низкочастотных шумов и увеличение напряжения лавинного пробоя, что позволяет расширить динамический диапазон и повысить надежность ДТКЗ.
Личный вклад автора определяется его участием в расчетах физических свойств и геометрии контактов, характеристик и параметров ДГНЗ, а также в постановка и проведении эксперимента, анализа и интерпретации полученных результатов.
Апробвция результатов. Полученные результаты были представлены на:
Всесоюзний конференции "Физика и применение контакта металл-полупроводник" (16-19 ноября 1987, г.Киев).
П Всесоюзной школо-сеыинэре "Взаимодействие электромагнитных голн с полупроводниками и полупроводниковыми структурами" (сентябрь 1988, г.Саратов).
ХП Всесоюзной научно-технической конференции по твердотельной адектро вике СВЧ (сентябрь, 1990, г.Киев).
I Укреи иском симпозиуме "Физика и техника миллиметровых в субкиллиматровых радиоволн" (октябрь 1991, г.Харьков).
Международной конференции "Физика э Украине (июнь 1993, г.Киев).
По воведиам в диссертацию материалам в соавторстве опубликовано 17 работ.
Структура и объем работы. Диссертация обвдм обгемом Щ9 страниц состоит иг введения, четырех глав » гакзшчевия, содержит Ь6 рисунков, список литературы из 90 наименований.
