Введение к работе
Актуальность темы. Пробпема повышения быстродействия к шнрокопопосности радпоэпектронных систем является одной из нанбопее актуальных в современной электронике. Решение этой проблемы наряду с достижениями в обпасти схемотехники - во многом определяется повышением быстродействия элементной базы.
Инерционность процессов тункепирования через потенциальные барьеры составляет 10~,1^...10-12 с> что может служить основой для создания сверхбыстродействующих полупроводниковых структур и приборов. Однако их потенциальные возможности являются исследованными и реализованными в недостаточной степени.
Туннельные диоды (ТД) широко применяются в технике СВЧ и пикосокундиой импульсной технике. Расширение полосы частот пропускания современной РИА до 30 ГГц и выше обуславливает необходимость применения ТД с быстродействием < 10 ПС.
К началу настоящей работы уровень исследований и разработок ТД позволял при весьма малом проценте выхода годных изделий (доли, единицы процентов) и ограниченном диапазоне работоспособности достичь быстродействия 20-2 5 пс. Предельные возможности туннельных структур, влияние физических и технологических факторов на их быстродействие исследовалось в недостаточной степени. Мало изучено влияние свободных носителей заряда и глубоких центров (ГЦ) в сильно вырожденных переходах на их емкостные свойства, определяющие быстродействие, а влияние ГЦ на длительность фронта и тонкую структуру формируемого ТД перепада напряжения не исследовалось ни теоретически, ни экспериментально. Большой интерес представ-
пяет исспёдование возможности опредепения характеристик ГЦ в туннельных переходах (ТП) с помощью современных высокоинформативных методов.
Цепью работы является исследование и поиск путей повышения быстродействия ТД. Для этого необходимо: 1) исследовать влияние свободных носителей заряда и ГЦ на емкостные свойства р-п переходов; 2) исследовать и разработать методики и стенды для изучения физических характеристик ТП и контроля параметров быстродействующих ТД; 3) исследовать характеристики ГЦ в ТП; 4) исследовать предельные характеристики переключения ТД, влияние физических и схемотехнических факторов на быстродействие и тонкую структуру формируемого ТД перепада напряжения; 5) теоретически и экспериментально исследовать влияние технологических факторов на быстродействие. ТП, разработать и оптимизировать технологию быстродействующ щих ТД для жестких условий эксплуатации.
Научная новизна.В ходе выполнения работы получен ряд новых результатов. Получены уточненные аналитические выражения для опредепения стационарной барьерной емкости резкого р-п перехода и барьера Шоттки при наличии ГЦ в общем случае статистики Ферми-Дирака. Получено аналитическое выражение, определяющее временную зависимость изменения барьерной емкости р-п перехода при наличии (ГЦ в общем случае статистики Ферми-Дирака для произвольного закона изменения внешнего напряжения смещения. Созданы оригинальные методики и апг паратура для измерения параметров быстродействующих полупро-> водниковых приборов и для исследования ГЦ в ТП и емкостных структурах с активными потерями. Впервые экспериментально исследованы DLTS-спектры ТД на основе Ge и GaAs, в которых обнаружены локальные состояния, участвующие в формировании объемного заряда. "
Получены аналитические соотношения, устанавливающие свйзь между параметрами ВАХ ТД и его быстродействием. Установлено, что природа и параметры медленной части фронта при вершине формируемого ТД перепада напряжения обусловлены релаксационными свойствами неосновных носителей заряда и ГЦ.
Получена математическая модель технологического процесса формирования'быстродействующих ТП. Впервые, по из-
вестным литературным данным, получены ТД со временем переключения < 5,7 пс. Разработана и оптимизирована устойчиво воспроизводимая оригинальная технология изготовления быстродействующих ТД со.временем переключения "С 10 пс.
Технология изготовления, 'методики измерения и аппаратура защищены авторскими свидетельствами СССР на изобретения.
Практическая ценность. Разработаны конструкция, технология, методики и аппаратура для контроля параметров быстродействующих ТД. Достигнут устойчиво воспроизводимый высокий процент выхода годных ТД: 9...10% для V
Диоды внедрены в узлы формирователе"! и синхронизаторов повой сверхшпрокопопосной РИА: строб-осшіппографов С7-20, С7-2І, С7-20/4, строб-преобразователей программируемых Я4С-12 5, Я4С-125/4, а также при выполнении ряда НИР и ОКР, проводимых ВНИИРИП. Это позволило достичь в разработанных приборах нормируемой длительности фронта метропаги-«ческого перепада напряжения 22 пс и диапазона синхронизации 0,5...20 ГГц при нестабильности 15 пс, что не уступает аналогичным параметрам лучших зарубежных образцов. Достигнутый уровень быстродействия ТД позволяет существенно улучшить эти приборные параметры.
Разработанная методика и аппаратура контроля параметров ГЦ в ТП и емкостных структурах с активными потерями позво-тшот проводить экспресс-анализ их качества. Полученные аналитические выражения для барьерной емкости структур могут быть использованы при анализе и моделировании широкого класса! полупроводниковых структур и приборов.
Основные защищаемые положения;
1, Методика релаксационной емкостной спектроскопии глубоких уровней (DLTS) может быть использована для анализа дефектов в структурах с туннельными переходами при поддержа-
ний постоянной величины дифференциальной проводимости образца. В ТД на основе Ge и SaAs обнаружены локальные состояния, участвующие в формировании объемного заряда.
-
Предельное быстродействие ТД зависит от степени асимметрии его ВАХ и,, при прочих равных условиях, максимально для ВАХ, симметричной относительно напряжения впадины. Изменение асимметрии ВАХ при увеличении плотности туннельного пикового тока приводит к дополнительному увеличению быстродействия для ТД на.основе Ge и ухудшению быстродействия для ТД на основе GSlAs 'и GaSb.
-
Медленная часть фронта при вершине формируемого ТД перепада напряжения определяется релаксационными свойствами неосновных носителей-заряда и глубоких центров.'
-
Быстродействие формируемых ТП улучшается с уменьшением времени для растекания электродного сплава, увеличением скорости скачка температуры и уменьшением температуры формирования рекристаплизованного слоя.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на У-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Ос-циппографические методы измерений" (г. Вильнюс, 1986 г.), XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике (г. Тбилиси, 1987 г.), 1 Всесоюзной конференции По физическим основам твердотепьной электроники (г. Ленинград, 1989г.), Республиканских конференциях "Достижения технических наук в республике и внедрение их результатов"\ (Вильнюс-Каунас, 1987, 1989 г.), обсуждались на научных семинарах Вильнюсского университета, Вильнюсского НИИ радиоизмеритепьных приборов, Института физики полупроводников АН Литвы.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 26 печатных трудах, из них 5 научных статей, 2 депонированных рукописи, 5 авторских свидетепьств СССР на изобретения, 2 положительных решения по заявкам на изобретения и 12 тезисов научных и научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и трех приложений. Основная часть работы содержит 128 листов машинописного текста, 47 рисунков и 18 таблиц. Приложения содержат 43 листа
текста, 8 рисунков и 2 таблицы. Список питературы к основному тексту содержит 110 наименований, к приложению 1-59 наименований.
