Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Полупроводниковые измерители свч мощности 8
1.1. Высокочастотный эффект Холла 9
12. Преобразователи уровня СВЧ мощности на основе высокочастотного эффекта Холла . 15
1:3. Эффект магнетосопротивления на сверхвысоких частотах. 21
1 4. Применение магниторезистивного эффекта для измерения; СВЧ мощности 26
1.5. Радиоэлектрический эффект 29
1.6. Материалы для преобразователей СВЧ мощности 37
ГЛАВА 2 Технологии выращивания гетероструктур карбид кремния на кремнии . 41
2.1. Рост монокристаллов из паровой фазы 41
2.2. Сублимационная эпитаксия 47
2.3. Жидкофазная эпитаксия 50
2.4. Газофазная эпитаксия 52
2.5. Эндотаксия 59
2.6. Легирование SiC примесями 62
2.7. Выращивание гетероструктур SiC/Si. 66
ГЛАВА 3 Экспериментальные образцы преобразователей СВЧ мощности на основе гетероструктур SiC/Si . 75
3.1. Влияние электрофизических параметров материала 75
3.2 Влияние геометрических размеров преобразователя 77
3.2. Влияние контакта металл - полупроводник в области сверхвысоких частот 80
3.3. Влияние сопутствующих эффектов 85
3.4. Технология получения преобразователей СВЧ мощности на основе гетероструктур карбид кремния на кремнии 86
3.5. Экспериментальные образцы 90
ГЛАВА 4. Исследование радиоэлектрического эффекта в гетероструктурах SiC/Si 92
4.1. Методика исследования радиоэлектрического эффекта 92
4.2. Исследование радиоэдс в гетероструктурах карбид кремния на кремнии 95
4.3. Исследование термоэдс 98
Заключение 100
Список основных работ автора диссертации 101
Список использованных источников и литературы
- Преобразователи уровня СВЧ мощности на основе высокочастотного эффекта Холла
- Сублимационная эпитаксия
- Влияние геометрических размеров преобразователя
- Исследование радиоэдс в гетероструктурах карбид кремния на кремнии
Введение к работе
Интенсивное развитие СВЧ техники и быстрое продвижение в область коротких волн привело к проблеме создания малоинерционной и высокочувствительной измерительной радиотехнической аппаратуры. Одной из актуальных проблем в СВЧ технике является проблема измерения мощности излучения, т.к. мощность наиболее точно характеризует источник электромагнитной энергии. Это объясняется тем, что в СВЧ диапазоне измерение напряжения и тока затруднено, потому что размеры входных цепей измерительных устройств становятся соизмеримы с длиной распространяющейся по ним электромагнитной волны.
Для исследования распределения поля весьма перспективно использование полупроводниковых гальваномагнитных преобразователей. Устройство с гальваномагнитным преобразователем, в отличие от зондов-антенн, выполняет одновременно функцию приемной антенны и детектора. Гальваномагнитные преобразователи могут быть использованы для исследования амплитудного распределения поля СВЧ в фокальной области линзовой или зеркальной антенны, для измерения напряженности СВЧ электромагнитных полей, КСВ и комплексного коэффициента отражения в волноводных трактах на высоких уровнях мощности. Перспектива широкого применения СВЧ гальваномагнитных явлений и возможность создания различных устройств на их основе определили новые задачи по исследованию и применению гальваномагнитных явлений в полупроводниках на сверхвысоких частотах.
В настоящее время одним из важнейших направлений полупроводниковой электроники и техники является разработка СВЧ приборов, работающих в; экстремальных условиях: повышенные температуры, радиация и т. п. Принципиальная возможность создания таких приборов обсуждалась в литературе давно, однако, реальная база для этого возникла лишь в последнее время, когда была разработана технология получения полупроводниковых
5 материалов с высокой подвижностью носителей заряда и созданы приборы специальных конструкций.
Карбид кремния (SiC) - полупроводниковый материал по совокупности электрофизических, физико-химических, технических и технологических свойств являющийся одним из наиболее интересных материалов для электронной техники. По основным параметрам: ширине запрещенной зоны, теплопроводности, допустимой температуре, скорости дрейфа электронов SiC значительно превосходит традиционные полупроводниковые материалы, такие как кремний, германий, арсенид галлия. Карбид кремния имеет высокую термо-и радиационную устойчивость, большую механическую прочность, очень малую скорость диффузии и самодиффузии примесей, очень слабую химическую активность, что обусловлено высокой энергией связи в решетке карбида кремния (5эВ). В свою очередь такие свойства затрудняют применение традиционных технологических подходов, как к получению материала, так и к его обработке, включая механическую и химическую обработку. В настоящее время получение объемных монокристаллов карбида кремния связано с определенными трудностями.
В последние годы наблюдается интенсивное изучение пленочных структур карбида кремния, которые обладают целым рядом преимуществ по сравнению с объемными монокристаллами. Полупроводниковые пленки имеют гораздо больше структурных форм, нежели объемные монокристаллы. В ряде случаев в виде пленок удается изготовить материалы и реализовать типы кристаллических структур, которые невозможно получить в виде объемных монокристаллов. Приборы, созданные на основе пленочной технологии очень компактны. Применение пленочных структур в производстве полупроводниковых приборов позволяет существенно увеличить объем выпускаемых устройств на их основе.
В лаборатории кафедры электроники твердого тела Самарского госуниверситета разработана технология выращивания пленок карбида кремния на кремниевой подложке. Особенность данной технологии заключается в том, что фронт роста новой фазы движет перед собой сетку дислокаций, обусловленную несоответствием параметров решетки сопрягаемых полупроводников. Сетка выступает в роли буфера и выполняет дополнительно геттерирующие функции. На основе структур SiC/Si изготавливались различные преобразователи физических величин, такие как термодатчики, тензодатчики, датчики Холла и др. Все они оказались работоспособными в широком интервале температур (от -100С до 300С).
Актуальность. Одним из основных направлений полупроводниковой электроники и техники СВЧ является разработка измерителей мощности, работающих в диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн. Измерители мощности СВЧ колебаний на основе радиоэлектрического эффекта в полупроводниках обладают рядом уникальных параметров: низким уровнем шумов, практической безынерционностью, линейной зависимостью выходного сигнала от величины проходящей мощности.
Цель работы: исследование радиоэлектрического эффекта в гетероструктурах SiC/Si и исследование возможности создания на их основе измерителей больших уровней СВЧ мощности.
Положения, выносимые на защиту:
Кинетические явления, возникающие в гетероструктурах SiC/Si при воздействии СВЧ электромагнитной волны, приводят к возникновению радиоэдс.
Зависимость радиоэдс от уровня СВЧ мощности линейна в широком диапазоне величины мощности.
В исследуемом диапазоне длин волн на частотах до 40 ГГц инерционность носителей заряда не проявляется, таким образом, гетероструктуры ЗС-SiC/Si могут быть использованы в качестве безынерционных измерителей СВЧ мощности.
Влияние разогрева невыпрямляющих контактов на радиоэдс и возникновение термоэдс устраняется путем выноса перехода металл-полупроводник из зоны действия СВЧ волны.
Технология получения экспериментальных образцов на основе гетероструктур ЗС-SiC/Si совместима с широко распространенной кремниевой технологией и может быть использована для создания топологии различных приборов экстремальной электроники
В настоящей работе изучаются свойства гетероструктур SiC/Si в области сверхвысоких частот (ЮГГц) и больших (до ЮВт) мощностей электромагнитной волны.
Научно-праісгическое значение. Результаты работы могут быть использованы для практического получения пленок ЗС-SiC на кремниевых подложках и изготовления на их основе различных полупроводниковых приборов, в том числе и преобразователей радиоэдс, предназначенных для непосредственного измерения больших уровней СВЧ мощности.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были использованы при выполнении договора с СПП РАН тема «Елец».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи и 9 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Объем диссертации составляет 110 страниц, включая 59 рисунков, 2 таблицы и список использованных источников и литературы из 95 наименований.
Преобразователи уровня СВЧ мощности на основе высокочастотного эффекта Холла
Размещение прямоугольной полупроводниковой пластинки в поле электромагнитной волны, как показано на рисунке 1.2 приводит к возникновению ЭДС Холла на ее боковых гранях. Эффект Холла обусловлен в данном случае ортогональностью электрического и магнитного полей в электромагнитной волне. Проникающая в пластинку электрическая составляющая электромагнитного поля вызывает в ней движение свободных носителей заряда с дрейфовой скоростью vd, а магнитное поле отклоняет их к одной из граней пластинки.
Одним из- методов- описания гальваномагнитных явлений в переменных электромагнитных полях является метод, основанный на движении так называемого «среднего электрона» [1]. Этот метод дает качественное объяснение физических явлений, происходящих в полупроводниках, находящихся в переменном электромагнитном поле. Согласно этому методу электроны проводимости, которым приписывается изотропная эффективная масса т , считаются полностью свободными в пространстве, ограниченном поверхностью образца.
Решение этого уравнения в случае неоднородных в пространстве и переменных во времени полей является трудной задачей. Анализ применимости метода "среднего электрона" дан в работе [2]. При определенных допущениях задача существенно упрощается. Будем считать полупроводниковый образец однородным, ограниченным по оси Y и бесконечным в направлении оси X. Внешнее электрическое поле, накладываемое на образец, изменяется по закону = 0costyf, а магнитное поле Н = HQ+HlcosQt которое перпендикулярно Е и направлено вдоль оси Z.
Для достаточно малых электрических полей таких, что можно пренебречь связанными с ними нелинейными эффектами, коэффициент Холла выражается следующим образом: R„ = Расчет тензора o\, выполним на основе модели «среднего электрона». Дифференциальные уравнения, описывающие компоненты плотности тока имеют вид: Здесь f(t) = a Qc+a ccosQt; Ф0С частоты, соответствующие постоянному магнитному полю и амплитуде переменного.
Здесь Р - плотность потока мощности электромагнитного поля, (лн холловская подвижность носителей заряда. Однако метод среднего электрона не учитывает рассеяние носителей на несовершенствах кристаллической решётки, кроме того, он предполагает наличие только одной кинетической, скорости v для всех носителей заряда. Наиболее общим методом для теоретического исследования кинетических эффектов, учитывающим различную роль носителей заряда, находящихся в различных состояниях, является метод кинетического уравнения Больцмана. Приближение времени релаксации в предположении изотропности и упругости столкновений позволяет свести сложное интегро-дифференциальное уравнение Больцмана относительно функций распределения f(k,r,t) к уравнению в частных производных. Анализ условий применимости кинетического уравнения для полупроводников приводится в работе [2]. В этой же работе найдено решение для магнетосопротивления при одном доминирующем механизме рассеяния, хотя, как известно, однозначно определить рассеяние носителей заряда на основе одного механизма нельзя. В связи с этим задача исследования кинетических явлений существенно усложняется. Метод кинетического уравнения, по-видимому, является единственным теоретическим описанием, приводящим к численным результатам, сопоставимым с данными эксперимента.
Сублимационная эпитаксия
Сублимационная эпитаксия SiC основана на кристаллизации материала из собственного пара. Типичная конструкция тигля для сублимационной эпитаксии показана на рисунке 2.7. В равновесии SiC с собственным паром давление одной из компонент пара определяет давление всех остальных (при заданной температуре система, состоящая из двух компонент (кремний и углерод) и из двух фаз (пар-твердое), имеет одну степень свободы). Собственный пар SiC состоит из атомов Si и молекул SiC2 и вігС. Наибольшую упругость имеет пар кремния, давление которого может в принципе изменяться от некоторого давления рь соответствующего графитизации SiC (равновесие SiC-C), до давления p!sab соответствующего конденсации кремния (равновесие SiC-Si). В интервале этих давлений возможно гомогенное осаждение карбида кремния. Как показали расчеты, этот интервал довольно широкий: отношение давлений pisa/pi может изменяться от 50 при 1600С до 11 при 1900С.
В сублимационной эпитаксии одной из основных проблем является поддержание квазиравновесного состава пара над растущей пленкой. Поскольку собственный пар карбида кремния сильно обогащен кремнием, нагрев карбида кремния в незамкнутой системе приводит к графитизации его поверхности. Если в ходе выращивания это происходит с подложкой, то дальнейший рост на ней становится невозможным. Поэтому должны предприниматься специальные меры к тому, чтобы предотвратить потери паров кремния из ростовой ячейки. Сэндвич-вариант сублимационной эпитаксии [37] разрешил эту проблему главным образом тем, что источник и подложка отделены друг от друга лишь небольшим (около 1 мм) зазором. В такой квазизамкнутой системе состав пара достаточно близок к равновесному. Кроме того, разработаны дополнительные способы поддержания давления паров кремния в ростовой ячейке. Один из способов - это размещение в горячей зоне дополнительного поликристаллического источника паров. В некоторых случаях, когда рост производится при относительно низких температурах и потери кремния из ростовой ячейки особенно критичны, поликристаллического SiC бывает недостаточно. В этом случае было предложено вводить в систему источник, специально обогащенный кремнием (спек кремния и углерода, получаемый отжигом в вакууме их смеси в определенном соотношении [46]), или же просто элементарный кремний. Противоположный рассмотренным способ поддержания равновесия - это геттерирование углеродсодержащих компонент в паровой фазе, которая обеднена кремнием. Известно, что некоторые тугоплавкие металлы при высоких температурах образуют при взаимодействии с углеродом очень устойчивые карбиды. Применяя арматуру из таких металлов, удается частично геттерировать углеродсодержащие компоненты пара и увеличить, таким образом, относительное содержание кремния. Весьма хорошие результаты в этом направлении были получены с применением арматуры из тантала [47]. Тантал достаточно интенсивно захватывает углерод, поддерживая равновесие, и, кроме того, обеспечивает более чистые, чем графит, условия роста. Последнее обстоятельство позволило вырастить слои SiC с пониженным по сравнению с графитовой арматурой содержанием азота и бора, которые в карбиде кремния являются одними из основных донорных и акцепторных примесей. И, наконец, состав паровой фазы может быть достаточно эффективно изменен путем введения примесей. В присутствии примесей появляется дополнительная степень свободы - ее давление в паре. Поэтому, изменяя давление примесей в паре, возможно управлять и общим соотношением Si:C во внешней фазе.
Современные варианты сублимационного сэндвич-метода предусматривают минимум графитовой оснастки и ее частичную или полную замену на танталовую, безмасляный высокий вакуум, высокочастотный или электронный нагрев; с возможностью изменения знака температурного градиента в зоне роста. Последнее дало возможность проводить глубокое сублимационное травление подложки перед эпитаксией, что значительно повысило качество выращиваемых слоев.
Карбид кремния при атмосферном давлении не имеет собственного расплава, однако он растворяется в расплаве кремния при температурах свыше 1500С. Это было использовано для разработки жидкофазной эпитаксии слоев SiC, которая не отличается в принципе от жидкофазной эпитаксии соединений
Однако небольшая растворимость SiC в Si, значительное давление и высокая химическая активность паров кремния затрудняли использование традиционных методов жидкофазной эпитаксии. Это касалось выбора тигля для расплавленного кремния, способов загрузки кристаллов SiC в расплав и их удаления из расплава, а также того, что графитовые тигли могли использоваться лишь однократно. Все эти проблемы были решены путем полного исключения графитовой арматуры, за счет удержания расплава кремния в «подвешенном» состоянии в высокочастотном электромагнитном поле [49, 50].
Влияние геометрических размеров преобразователя
Выбор параметров полупроводникового материала для преобразователей радиоэдс- определяется двумя" факторами:- максимальной чувствительностью образцов и наилучшим согласованием их сопротивления с волновым сопротивлением волноводного тракта. Нахождение оптимальных параметров требует рассмотрения взаимодействия электромагнитной волны с изотропной средой, характеризующейся эффективной массой т носителей заряда, их концентрацией и и временем релаксации г. В качестве исходных выбираются уравнения Максвелла и кинетическое уравнение для функции распределения носителей заряда в полупроводнике. Совместное решение уравнений Максвелла и Больцмана приводит к следующему выражению для радиоэдс: 4 (1 )г зл
Коэффициент поглощения волны а имеет вид: с є\со) где є {о) и є"(со) — вещественная и мнимая части диэлектрической проницаемости полупроводника: о - частота волны; G L- Amiq2!sQm -плазменная частота (и - концентрация носителей заряда, еа - статическая диэлектрическая проницаемость среды). Из V. формул (3.1—3.3) следует, что чувствительность преобразователя у —— зависит от параметров материала преобразователя. Такими параметрами являются: подвижность носителей заряда ju и их концентрация и. На рисунке 3.1 представлены зависимости чувствительности преобразователя от концентрации свободных носителей заряда, рассчитанные по формулам (3.1 -3.3) при различных значениях подвижности носителей заряда. Как видно из рисунка, максимальной чувствительностью будут обладать образцы с максимальной подвижностью и минимальной концентрацией. Аналогичный результат получен и в феноменологической теории сверхвысокочастотного эффекта Холла [87]. W Вт
В СВЧ диапазоне размеры преобразователя радиоэдс могут иметь большое влияние на величину эффекта [88]. Если полупроводниковый преобразователь поместить в поле электромагнитной волны, распространяющейся в передающем тракте, то часть её поглощается образцом, часть отражается и остальная часть проходит. Величина отраженной мощности будет зависеть от свойств заполняющего вещества, а также от степени заполнения передающего тракта. Для преобразователя радиоэдс, расположение которого в волноводном тракте показано на рисунке 3.2, отражающей поверхностью будет узкая грань. Из простых соображений следует, что чем тоньше образец, тем меньше будет и величина отраженной энергии.
В области сверхвысоких частот на характеристики преобразователя существенное влияние оказывает скин-эффект [89]. Вследствие возникновения индукционных токов на поверхности проводящей пластины существует более высокая плотность тока, чем в ее середине. Проникновение высокочастотного электромагнитного поля, которое вызывает движение носителей заряда в пластине, падает по экспоненциальному закону. Глубину проникновения электрического поля в полупроводниковую пластину можно определить, из классической теории распространения электромагнитных волн. Для полупроводника с проводимостью а и относительной магнитной проницаемостью р. глубина проникновения электрического поля частоты т v = — определяется выражением: 2л dl= 3.4 ao)pafi
Выращенные слои карбида кремния имеют удельное сопротивление р - 35 -10"6Ом см, следовательно, глубина проникновения СВЧ поля в образец на частоте 10 ГГц составит приблизительно 0,2 мм, на частоте 40 ГГц - 0,1 мм. Средняя толщина слоев карбида кремния, полученных в данной работе составляет 6 мкм, что на порядок меньше глубины проникновения поля. Это означает, что поле внутри слоя карбида кремния будет практически однородно, и скин-эффектом можно пренебречь.
Влияние размера преобразователя вдоль направления распространения волны выражается множителем 1 - е "1 в формуле (3.1), где L - длина преобразователя. Вид этой зависимости для различных концентраций носителей заряда в пленке карбида кремния показан на рисунке 3.2. Как видно из рисунка 3.2, при больших концентрациях свободных носителей заряда в материале преобразователя максимальное значение функции 1-е достигается при меньших размерах преобразователя вдоль направления распространения волны. 12 3 4 5 Ь, мм
Рисунок 3.2-Зависимость множителя 1-е от L для различных концентраций свободных носителей заряда є слое карбида кремния. 3.2. Влияние контакта металл — полупроводник в области сверхвысоких частот
Неотъемлемым элементом преобразователя радиоэдс является невыпрямляющии контакт типа металл - полупроводник. Изготовить контакт, не обладающий вентильными свойствами к полупроводнику, представляет значительные трудности. При работе преобразователей в СВЧ диапазоне вентильные свойства контактов приводят к нелинейным искажениям, к ослаблению величины радиоэдс, к нелинейной зависимости между воздействующим на образец полем и возникающей радиоэдс. Движущимся зарядам приходится преодолевать два различных потенциальных барьера. Первый образуется на границе металла с полупроводником, а второй -на границе полупроводника с металлом (рис. 3.3). При протекании тока в образце один из контактов будет находиться в пропускном состоянии, а второй - в запорном.
Исследование радиоэдс в гетероструктурах карбид кремния на кремнии
Исследования радиоэдс в гетероструктурах SiC/Si проводились при помощи установки, показанной на рисунке 4.4. На рисунке 4.5 представлены зависимости радиоэдс в гетероструктурах SiC/Si от уровня мощности в СВЧ тракте при различных длинах преобразующей части образцов. Эти зависимости оказались линейными до 10 Вт непрерывной мощности СВЧ сигнала.
Чувствительность образцов в зависимости от длины преобразующей части образца представлены на рисунке 4.6.
Изменение чувствительности образцов в зависимости от толщины пленки карбида кремния в пределах от 3 мкм до 6 мкм не наблюдалось.
Зависимость радиоэдс от уровня СВЧ мощности в диапазоне температур от 20йС до 600 С оказалась линейной. Причем чувствительность образцов практически не изменялась. КСВН полученных образцов составил 1,2-1,4.
Эксперименты авторов [31] показали, что для кремниевого преобразователя линейность выходного сигнала зависит от положения чувствительного элемента по сечению волновода. При нахождении образца вблизи узкой стенки волновода радиоэдс линейно зависит от уровня падающей мощности (кривая 1 на рисунке 4.8). Смещение образца к центру волновода приводит к искажению этой зависимости, что наблюдается для кремниевых образцов на уровне мощности 2-3 Вт (кривые 2 и 3 на рисунке 4.7). Это связано с увеличением плотности потока мощности электромагнитного поля и с увеличением рассогласования, вносимого в тракт самим элементом. Для преобразователей на основе гетероструктур карбид кремния на кремнии линейность сохраняется до 10 Вт непрерывной мощности СВЧ излучения для любого положения чувствительного элемента по сечению волновода (см. рисунок 4.8).
Величина эдс увлечения зависит от фазового соотношения между током, текущим через полупроводник, и магнитным полем. Термоэдс зависит только от электрической составляющей электромагнитного поля. Эти различия позволяют найти способ разделения эдс увлечения и термоэдс.
Выходной сигнал преобразователя радиоэдс представляет собой сумму эдс увлечения и термоэдс. вых чТ т
Так как термоэдс зависит только от электрической составляющей поля СВЧ волны, то в режиме стоячих волн величина термоэдс будет зависеть от положения образца относительно стоячей волны. Величина термоэдс будет повторять распределение электрического поля стоячей волны.
Устанавливая режим стоячих волн в СВЧ тракте, и изменяя положение образца относительно эпюры стоячей волны в волноводе, можно измерить величину термоэдс. На рисунке 4.9 представлены экспериментальные зависимости величины выходного сигнала датчика радиоэдс от его положения относительно эпюры стоячей волны при различных значениях КСВН.
Кривая 1 соответствует КСВН = 2, термоэдс в этом случае превышает 50% величины выходного сигнала. Кривая 2 соответствует КСВН = 1,5, термоэдс составляет приблизительно 30% величины выходного сигнала. Для хорошо; согласованного СВЧ тракта (КСВН 1,2), термоэдс не превышает 10% величины выходного сигнала преобразователя радиоэдс.
С ростом КСВН 1,2 возрастает существенный вклад в радиоэдс величины термоэдс, которая обусловлена возникновением в образце продольного градиента температуры, вызываемого как неравномерным нагревом образца вследствие протяженности вдоль волновода, так и неравномерным его нагревом вследствие рассогласования передающей линии. Если рассогласование, вносимое в линию образцом, несущественно (КСВН линии с элементом 1,2, без элемента 1,17), то можно считать, что термоэдс зависит главным образом от степени согласования нагрузки, а, следовательно, для идеально согласованной линии (КСВН = 1) ее вклад в величину выходного сигнала пренебрежимо мал.
