Содержание к диссертации
Введение
1. Процессы формирования структур SiC/Si и SiC на изолирующих подложках 11
1.1 Сублимационная эпитаксия 12
1.2 Газофазная эпитаксия 15
1.3 Эндотаксия 20
1.4 Термическое испарение материала,пленки в вакууме 22
1.5 Ионно-плазменное распыление 24
1.6 Катодное распыление 25
1.7 Магнетронное распыление 29
2. Кинетические явления в полупроводниках на сверхвысоких частотах 34
2.1 Высокочастотный эффект Холла 35
2.2 Понятие магниторезистивного явления в полупроводниках 36
2.2.1 Эффект магнетосопротивления (Гаусса) 36
2.2.2 Магниторезистивный эффект на СВЧ 39
2.2.3 Методы исследования магниторезистивных свойств в полупроводниках 43
2.2.4 Методы исследования магниторезистивного эффекта на СВЧ 46
2.3 Инерционные явления в полупроводниках на сверхвысоких частотах 49
2.3.1 Механизм проявления инерции электронного газа 50
2.3.2 Явление инерции в гальваномагнитных эффектах 52
2.4 Термоэдс "горячих" носителей тока в полупроводниках 54
2.5 Радиоэлектрический эффект 59
3. Преобразователи СВЧ мощности на основе гетероструктур п- SiC/p-Si и n-SiC на изолирующих подложках 66
3.1. Контролируемые параметры материала для преобразователей сверхвысоких частот 66
3.2 Преобразователи n-SiC/p-Si и n-SiC на изолирующих подложках, полученные методом магнетронного напыления для исследования на сверхвысоких частотах 68
3.2.1 Получение гетероструктур п-ЗС-SiC на кремниевых и изолирующих подложках 68
3.2.3 Технология получения преобразователей СВЧ мощности на основе гетероструктур n SiC/p-Si и п SiC/изолятор 77
3.2.4 Измерение ВАХ гетероструктур SiC/Si, поликор, ситал 83
3.3 Преобразователи n-SiC/p-Si и n-SiC на изолирующих подложках для исследования магнетосопротивления 84
3.3.1 Исследование свойств гетероструктур n-SiC/p-Si и n-SiC на изолирующих подложках 84
4. Электрофизические свойства и исследование в СВЧ дипазоне преобразователей на основе гетероструктур n-SiC/p-Si и n-SiC на изолирующих подложках 87
4.1 Исследование радиоэлектрического эффекта в гетероструктурах карбида кремния в 3-х см диапазоне длины волны 89
4.2 Исследование радиоэлектрического эффекта в гетероструктурах карбида кремния в 8 мм диапазоне длины волны 95
4.3 Исследование радиоЭДС в области температур от +20 С до +300 С. 96
4.4 Определение коэффициента стоячей волны и оценка влияния термоЭДС 97
4.5 Явление инерционности носителей заряда в электромагнитном поле СВЧ волны 101
4.6 Исследование магниторезистивного эффекта на постоянном токе 103
4.7 Исследование магниторезистивного эффекта на СВЧ 105
Заключение 110
- Газофазная эпитаксия
- Понятие магниторезистивного явления в полупроводниках
- Термоэдс "горячих" носителей тока в полупроводниках
- Технология получения преобразователей СВЧ мощности на основе гетероструктур n SiC/p-Si и п SiC/изолятор
Введение к работе
Широкое использование электромагнитного излучения сверхвысоких частот в различных областях науки и техники требует непрерывного совершенствования существующих и создания новых приборов СВЧ диапазона. Развитие средств космической радиосвязи и радиолокации предъявляет особые требования к мощности и миниатюрности СВЧ устройств. В связи с этим особого внимания заслуживает создание полупроводниковых приборов СВЧ, функционирующих при высоких уровнях СВЧ мощности и повышенных температурах окружающей среды. Создание подобных приборов предполагает использование широкозонных полупроводников с высокой подвижностью носителей заряда, высокой теплопроводностью. Этим требованиям в большой' степени отвечает полупроводниковый карбид кремния. Этот материал обладает также высокой радиационной стойкостью, высокой температурой Дебая и большой напряженностью поля пробоя.
Существующая технология получения объемных монокристаллов полупроводникового карбида кремния достаточно сложна и экономически неэффективна при серийном производстве полупроводниковых приборов, поэтому внимание исследователей направлено на создание пленок карбида кремния на каких-либо подложках. Свойства пленок отличаются от свойств объемных кристаллов, а также зависят от способа их получения. Поэтому разработка новых способов получения пленок карбида кремния и всестороннее исследование их свойств является весьма актуальной задачей. Одним из новых направлений в этой области является, получение карбида кремния на изолирующих подложках (ситалл, поликор). Особено это важно для приборов сверхвысоких частот, так как изолирующая^ подложка очень слабо возмущает СВЧ волны, то есть такая подложка будет в минимальной степени влиять на работу прибора.
Наиболее востребованным прибором СВЧ является измеритель мощности, так как мощность - это единственный параметр, характеризующий источник СВЧ излучения. Среди полупроводниковых приборов, пригодных для измерения СВЧ мощности можно выделить термисторы и гальваномагнитные преобразователи., Первые используются давно и служат основным элементом для. серийно выпускаемых измерителей СВЧ мощности. Как правило, термисторные преобразователи обладают высокой чувствительностью и большой инерционностью. Динамический диапазон работы таких преобразователей ограничен сотнями милливатт.
В основе действия гальваномагнитных преобразователей лежит высокочастотный эффект Холла или радиоэлектрический эффект, учитывающий наряду с эффектом Холла другие сопутствующие эффекты, например, термоэлектрический эффект, возникающий в результате неоднородного разогрева преобразователя полем СВЧ волны [1]1 Высокочастотный эффект Холла характеризуется очень малой постоянной времени (время максвелловской релаксации, ~ 10" с), поэтому гальваномагнитные преобразователи практически безынерционны. С другой стороны, гальваномагнитные эффекты традиционно используются для исследования свойств и параметров полупроводниковых материалов.
В данной работе разработана технология получения тонких пленок карбида кремния методом магнетронного распыления. Показано, что пленки могут быть получены на полупроводниковых (кремний) и изолирующих (ситалл, поликор) подложках. Исследованы электрофизические свойства полученных пленок карбида кремния на постоянном токе и в области сверхвысоких частот.
Актуальность.
Развитие средств космической радиосвязи и радиолокации предъявляет особые требования к мощности и миниатюрности СВЧ устройств. В связи с этим особого внимания заслуживает создание полупроводниковых приборов СВЧ, функционирующих при высоких уровнях СВЧ мощности и повышенных температурах окружающей среды. Подобными свойствами обладает такой материал, как карбид кремния. Поэтому разработка новых способов получения пленок карбида кремния и всестороннее исследование их свойств является весьма актуальной задачей.
Научная новизна.
Впервые для преобразователей СВЧ мощности, работающих на радиоэлектрическом эффекте, были получены и использованы пленки карбида кремния на изолирующих подложках (n-SiC/Al203, n-SiC/SiC^), полученные методом магнетронного распыления.
. Определено влияние необходимых параметров магнетронного распыления на электрофизические свойства пленок карбида кремния. Установлены оптимальные режимы роста пленок карбида кремния на изолирующих и полупроводниковых подложках.
Разработана и освоена технология получения тонких поликристаллических пленок (0,5-КЗ,0 мкм) карбида кремния, позволяющая получать гетероструктуры n-SiC/Al203, n-SiC/SiC>2, n-SiC/Si, способные функционировать в области высоких температур (до 300С). Для получения гетероструктур n-SiC/Si, п-SiC/Al203, n-SiC/Si02 использовалась технология магнетронного распыления.
Получены образцы преобразователей СВЧ мощности. Установлена зависимость величины радиоэлектрического эффекта в поликристаллических пленках карбида кремния на изолирующих и кремниевых подложках от уровня СВЧ мощности в диапазонах 10 ГГц и 40 ГГц в интервале температур от 20С до 300С.
Проведен сравнительный анализ полученных вольт-ваттных характеристик преобразователей СВЧ-мощности на полупроводниковых (n-SiC/Si) и изолирующих подложках (n-SiC/АІгОз, n-SiC/Si02). Показано, что для преобразователей на основе карбида кремния на изоляторе, максимально допустимая непрерывная мощность СВЧ излучения, как минимум, в 10 раз больше значений мощности преобразователей на основе кремния.
Основные положения, выносимые на защиту.
Методы исследования электрофизических свойств тонких пленок SiC на изолирующих и полупроводниковых подложках, полученных методом магнетронного распыления.
Результаты исследования радиоэдс от уровня проходящей в тракте непрерывной СВЧ мощности в диапазоне от 0 до 10 Вт на частоте ЮГТц и в диапазоне от 0 до 1 Вт непрерывной мощности на частоте 40ГГц в гетероструктурахп-8іС/А1203, n-SiC/Si02, n-SiC/Si.
Результаты анализа чувствительности карбидокремниевых преобразователей при увеличении температуры от 20С до 300С, оценка влияния побочных эффектов: термоэдс в объеме образца, контактная термоэдс.
Инерционность носителей заряда в гетероструктурах п-8іС/А12Оз, п-SiC/Si02, n-SiC/Si на частотах до 40 ГГц не' проявляется, таким образом, они могут быть использованы для создания различных приборов экстремальной электроники.
Цель работы:
Разработка технологии получения тонких поликристаллических пленок карбида кремния на изолирующих и полупроводниковых подложках методом магнетронного распыления, создание на их основе гальваномагнитных преобразователей для сверхвысоких частот.
Основные задачи диссертационной работы заключаются в следующем:
Определить оптимальные параметры процесса получения пленок карбида кремния методом магнетронного .распыления на изолирующих и полупроводниковых подложках.
Разработать экспериментальные образцы высокотемпературных преобразователей СВЧ мощности на основететероструктур n-SiC/Al203, n-SiC/Si02, n-SiC/Si. Исследовать электрофизические параметры полученных тетероструктур.
Исследовать в полученных преобразователях СВЧ мощности радиоэлектрический эффект в диапазонах сверхвысоких частот (10 ГГц и 40 ГГц), гальваномагнитные явления на постоянном токе и на СВЧ.
Оценить влияние сопутствующих эффектов в пленках карбида кремния< в диапазоне температур от +20 С до +300 С при различных уровнях непрерывной мощности от 0 до 10 Вт.
Изучить инерционные свойства носителей заряда в гетероструктурах карбида кремния на изолирующих и полупроводниковых подложках.
Научно-практическое значение.
Результаты работы могут быть использованы для практического получения преобразователей на основе пленок карбида кремния с заданными параметрами методом магнетронного распыления на полупроводниковых и изолирующих подложках, на основе которых могут быть созданы приборы для измерения СВЧ-мощности больших уровней сигнала.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Международной молодежной научной школе «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (г.Саранск, 2005г.); Демидовских чтениях
«Фундаментальные и прикладные проблемы современной физики» (г. Москва, 2006г.); XXXIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Кемерово, 2007г.); 6 Национальной конференции по применению рентгеновского синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (г. Москва, 2007 г.); VIII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (г. Кисловодск, 2008г.); XX Совещании по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях конденсированного состояния (г. Гатчина, 2008г.).
Предложенные в работе методы исследования карбидокремниевых гетероструктур на сверхвысоких частотах были использованы при выполнении договора по линии Министерства обороны РФ.
Публикации.
Основные материалы диссертации опубликованы в 17 научных работах, в том числе 5 статей (3 из них опубликованы в издании, рекомендованных ВАК) и 12 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации.
Структура работы определена поставленной целью. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка литературы. Общий объем составляет 122 страницы, включая 52 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 104 наименования.
Газофазная эпитаксия
Хорошо известный в кремниевой технологии процесс осаждения пленок из газовой фазы (CVD) является главным в эпитаксиальной технологии SiC [12]. В самых общих чертах CVD-эпитаксия карбида кремния не отличается от кремниевой: кроме силана, в водородный поток добавляют углеродсодержащий газ, например пропан, а процесс разложения такой газовой смеси на подложку проводят при более высоких температурах. Исключительно важное преимущество CVD-эпитаксии над вакуумными методами - это то, что процесс можно проводить при атмосферном давлении газа-носителя [13]. Дело в том, что основная фоновая примесь в карбиде кремния - это азот, а остаточная атмосфера в вакуумных камерах, даже при низких давлениях, является достаточно эффективным источником загрязнения азотом в процессе роста. CVD-эпитаксия при условии применения чистых газов и высокочастотного нагрева уже позволяет выращивать пленки SiC с концентрацией азота на уровне 10 см" . Еще одно достоинство CVD-эпитаксии — это возможность использования жидких источников для легирования акцепторными примесями - алюминием и галлием. В методах сублимации и жидкостной эпитаксии с этой целью используют металлические источники, что создает проблему выращивания слоев с низкой концентрацией акцепторных примесей. Впервые возможность выращивания пленок SiC CVD-методом была показана в середине 80-х годов, это были монокристаллические пленки кубического карбида кремния на кремниевых подложках [14]. Однако большое рассогласование параметров решеток Si и SiC (около 20%) выдвинуло проблему снижения плотности разного рода дефектов: дислокаций несоответствия, дефектов упаковки, антифазных доменов и др. Многих из этих типов дефектов удалось избежать за счет предварительной «карбидизации» кремния и проведения процесса на разориентированных подложках, однако дефекты упаковки, имеющие в SiC небольшую энергию образования (около 2,5мДж/м2), остаются доминирующим типом дефектов в системе Si-SiC. В качестве примера можно рассмотреть работу [15]. Авторы работы использовали пиролиз SiHi и термическое разложение СзН в водороде в горизонтальном реакторе из кварцевого стекла.
Предварительно система откачивалась, продувалась водородом, производился индукционный нагрев кристаллодержателя по приведенной на рисунке 1.3 программе роста. Релаксация напряжений происходила в буферном слое, поток и время экспонирования для различных ориентации кремния менялся. Качественные значения совершенства структуры приведены на рисунках 1.4—1.6. Успехи выращивания слоев p-SiC на кремнии инициировали большое число работ по гомоэпитаксии CVD-методом пленок a-SiC [16, 17]. Монофаза a-SiC осаждалась в узком диапазоне изменения соотношения Si:C в газовой фазе, при увеличении этого соотношения осаждение твердой монофазы смещалось в сторону более низких давлений и более высоких температур. В выращенных пленках часто обнаруживались двойники, а также чужеродные политипные включения, главным образом кубический SiC. К настоящему времени эта проблема успешно преодолена главным образом за счет роста на подложках, плоскость которых разориентирована относительно сингулярной грани (0001) на 2-5 в направлениях [1120] или [1100] [18]. Такой прием позволяет реализовать контролируемый ступенями механизм роста и выращивать зеркальные пленки при относительно низких температурах (около 1500С). При этом структура выращиваемых пленок оказалась менее чувствительной к соотношению Si:C во внешней фазе. В частности, в работе [19] соотношение Si:C изменялось в очень широких пределах (от 0,1 до 0,8) без изменения структурного качества слоев. Это обстоятельство открыло путь управляемого легирования слоев только за счет изменения соотношения Si:C в газовой фазе [20]. Технология эндотаксии заключается в том, что фронт роста новой фазы движет перед собой сетку дислокаций, обусловленную несоответствием параметров решетки сопрягаемых полупроводников [21]. Сетка выступает в роли буфера и выполняет дополнительно геттерирующие функции. В данном случае электрофизические свойства структуры зависят от перераспределения легирующей примеси в матрице кремния. В работе [22] анализируется область гомогенности P-SiC в отношении собственных дефектов. Параметры материала и характеристики полупроводниковых датчиков сильно зависят от технологии получения тетероструктур (3-SiC-Si [23]. Структуры p-SiC анизотипного, изотипного типа и с гомопереходом в объеме P-SiC получают в проточном реакторе с холодными стенками, включающем зону генерации углеводородов в низкотемпературной зоне и зону эндотаксии p-SiC при температуре 1360 С. Обобщенно, реакции в зоне генерации можно записать Лимитирующей стадией процесса является диффузия углерода через гомогенную фазу пленки карбида кремния к фазовой границе с кремнием. В работе [24] показано, что пленки растут со скоростью 1,5 мкм/час. Методом электронографии определены монокристаллические слои, наследующие ориентацию подложки.
Толстые слои идентифицированы рентгеновским методом, методом ИК-спектроскопии, компонентный состав определен методом ОЖЕ-электронной спектроскопии. Результаты термодинамического анализа показали, что пересыщение в кассете обеспечивается для атомов углерода и недосыщение испытывается по атомам кремния. Этот результат свидетельствует о том, что основной вклад в процесс роста B-SiC вносит поток атомов углерода в,сторону фазовой границы P-SiC-Si. Встречный поток атомов кремния на фазовой границе газ- B-SiC в условиях недосыщения уходит в газовую фазу в молекулярной форме гидридов или свободного кремния. Анализ гомогенной области фазы P-SiC показал, что концентрация дефектов в нелегированных посторонней примесью слоях P-SiC отвечает представленным на графике зависимостям для однократно ионизированных атомов [25]. Представленные на графике (рисунок 1.7) зависимости вакансионных дефектов и концентрации собственных носителей вносят очевидный вклад в механизм массопереноса при эндотаксии кремния. Зарождение кластеров новой фазы p-SiC начинается на сетке дислокацийі благодаря геттерирующим свойствам по отношению к атомам растворенного углерода. Таким образом, геттерирующие свойства сетки дислокаций для легирующей примеси влияют на положение области объемного пространственного заряда в гетеропереходе (З-SiC-Si, на асимметрию областей гетероперехода. Геттерирующие свойства необходимо учитывать при целенаправленном легировании растущего слоя P-SiC-фазы. При формировании анизотипных гетеропереходов важно соотносить коэффициенты диффузии атомов углерода и легирующей примеси в P-SiC-фазе. Уровень легирования изотипных гетеропереходов определяется концентрацией легирующей примеси в подложке и геттерными свойствами сетки дислокаций.
Понятие магниторезистивного явления в полупроводниках
Изменение удельного сопротивления полупроводника в магнитном поле получило название эффекта магнетосопротивления (эффекта Гаусса) или магниторезистивного эффекта [50]. Сопротивление прямоугольного полупроводникового образца длиной /, шириной со и толщиной і, находящегося в магнитном поле В (рисунок 2.1), приближенно выражается следующим соотношением: R(B) - сопротивление при магнитной индукции В, Ro - сопротивление без магнитного поля, р(В), р (0) - удельное сопротивление в магнитном поле и без него. Первый член —— увеличивается пропорционально В и достигает насыщения при больших значениях В. При сильных магнитных полях R(B) возрастает линейно с В, и изменение падения напряжения на полупроводнике пропорционально произведению проходящего через него тока J на изменение магнитного поля В, если проводник будет находиться в сравнительно сильном магнитном поле В0. Магниторезисторами называют элементы, электрическое сопротивление которых существенно зависит от воздействующего на них магнитного поля. Действие магниторезисторов основано на использовании магниторезистивного эффекта [50]. Основной характеристикой магниторезистора является зависимость его сопротивления от индукции воздействующего магнитного поля. Зависимость сопротивления магниторезистивного элемента от магнитных полей квадратична, а в области сильных полей - линейна. Область перехода от слабых полей к сильным для реальных конструкций магниторезистивных элементов - 0,3 Тл рассматривается в работе [55]. Поскольку для магниторезистивных элементов известны обычно RQ, сопротивление при нормированном значении магнитной индукции RBi ,а также приближенное значение индукции Вг в точке перехода от квадратичного к линейному закону изменения сопротивления, зависимость R=f(B) можно аппроксимировать следующими соотношениями: В области слабых полей: В области сильных полей: Магниторезистор представляет собой полуроводниковый магниторезистивный элемент с присоединенными к его концам выводами, закрепленный на диэлектрической или изолированной металлической подложке из магнитно-мягкого материала. Наиболее высоким коэффициентом магнетосопротивления обладает пластина в форме двухсвязной области [56]. Известно, что на постоянном токе магниторезистивный эффект существенно зависит от формы исследуемого образца.
Изменение сопротивления образца в магнитном поле - результат действия двух эффектов [56]: - физического эффекта магнетосопротивления, т.е. увеличения удельного сопротивления полупроводника в виде бесконечно длинного стержня в магнитном поле, — геометрического эффекта, обусловленного перераспределением токов в образце. Физическое сопротивление пренебрежительно мало, а основные изменения удельного сопротивления обусловлены изменением распределения тока под действием магнитного поля. Коэффициент магнетосопротивления в неограниченном полупроводнике в слабом поле принимает наибольшее значение, и поле Холла в нем не возникает, что способствует более сильному проявлению магнетосопротивления. Диск с концентрическими внутренними и наружными электродами (диск Корбино) является аналогом неограниченного полупроводника [57]. Относительное изменение сопротивления диска под влиянием магнитного поля выражается формулой: где — - относительное изменение удельного сопротивления нитевидного образца. Таким образом, в образцах, выполненных в форме диска Корбино, магниторезистивный эффект максимален. Во внешнем постоянном магнитном поле ток течет не по радиусам, а отклоняется магнитной силой Лоренца, образуя линии тока в виде логарифмической спирали (рисунок 2.3). Для исследования магниторезистивного эффекта в СВЧ диапазоне разработано несколько методов [59]. Наибольшее распространение получил метод, в котором полупроводниковый образец, выполненный в виде прямоугольной пластины, устанавливается в центре волновода параллельно узкой стенке так, что магнитное поле максимально пронизывает его боковую грань (рисунок 2.5). Рисунок 2.5 - Расположение полупроводникового образца в волноводе (вид со стороны широкой стенки): В0 - внешнее постоянное магнитное поле, Н - магнитное поле волны.
Внешнее постоянное магнитное поле также пронизывает боковую грань. Электрическое поле волны наводит в образце ток, величина которого пропорциональна электрической компоненте электромагнитной волны. Падение напряжения определяется с помощью микровольтметра и его величина пропорциональна мощности электромагнитной волны[60-61]: а,Ь - размеры волновода, Zk - волновое сопротивление, Ro - начальное сопротивление образца, Р - микроволновая мощность, ju - магнитная проницаемость полупроводника в вакууме, т - коэффициент, который определяется по формуле 771 = Падение напряжения на образце линейно зависит от уровня мощности. К основному недостатку описанного метода можно отнести то, что он не может быть использован для сильных СВЧ полей, так как полупроводниковый образец, расположенный в центре волновода, где электрическая составляющая поля максимальна, разогревается и для больших величин Р может выйти из строя [62]. С целью исследования магниторезистивного эффекта при больших уровнях мощности в работе [63] использовался метод много секционных магниторезисторов, расположенных на стенке волновода в максимуме магнитного поля. Схема измерения магниторезистивного эффекта в сильных СВЧ полях показана на рисунке 2.6. Поскольку образец находится в области, где электрическое поле оказывается малым, то для определения изменения сопротивления необходим внешний источник тока. Следующий метод исследования магниторезистивного эффекта в СВЧ основан на использовании образца в форме диска Корбино, где поле Холла не возникает [64]. Схема этого метода изображена на рисунке 2.7.
Термоэдс "горячих" носителей тока в полупроводниках
С ростом электрического поля в полупроводнике энергетическое распределение электрона (дырок) относительно равновесного распределения при зонной температуре наблюдается в сторону больших значений энергий [74]. На рисунке 2.8 представлено распределение электронов по энергиям. Оно зависит от напряженности постоянного электрического поля Е, подвижности носителей заряда и скорости передачи энергии фононам [75]. Скорость передачи энергии фононам характеризуется временем те релаксации энергии (это то время, в течение которого после выключения электрического поля горячие электроны «остывают»). Время те определяет также инерционность процесса разогрева электронов в переменном электрическом поле. Когда к образцу прикладывается электрическое поле, носители заряда начинают приобретать энергию со скоростью еиЕ , , где Е — напряженность поля, и — подвижность носителей заряда. Их средняя энергия, а также и средняя скорость эмиссии фононов возрастают, что проявляется в виде джоулева нагрева. 1 — равновесная функция распределения (больцмановская), ее значение принято равным 1 при —, 2 - распределение при рассеянии электронов на длинноволновых акустических фононах в электрическом поле Е = Ер_ Здесь Ер — характерная напряженность поля, при которой эффекты разогрева становятся значительными, и равна Ер = \(—)ите\2, 3 - в электрическом поле Е = 2Ер, 4 — в электрическом поле Е = ЗЕр Стационарное состояние достигается тогда, когда средняя мощность потерь (—) сравнивается с мощностью, приобретаемой от тока: В слабых электрических полях это приводит лишь к малому изменению равновесной функции распределения. Для таких полей можно записать Здесь /0 (Я, Г) — функция распределения Максвелла-Больцмана с температурой, равной решеточной. Точный вид /г зависит от структуры зоны и механизмов рассеяния.
Диапазон полей, называемый диапазоном «теплых» электронов, в котором /о только начинает отклоняться от распределения Максвелла-Больцмана с температурой решетки, представляет значительный экспериментальный и теоретический интерес [76]. Если разложить /0 в этом диапазоне по степеням Е, то можно ограничиться членами порядка Е . Таким образом, для диапазона «теплых» электронов /0 можно записать в виде: А0 - постоянная нормировка, зависящая от Е, f (") - функция, которая зависит от механизма рассеяния и от решеточной температуры, точное выражение для f (Я) получить не удается. Приближенное значение можно получить, если разложить f в ряд по Е Основной эффект, в котором проявляется разогрев носителей заряда в полупроводниках с ростом электрического поля, это изменение электропроводности и отклонение вольтамперной характеристики от линейной [77]. Электропроводность может изменяться с полем из-за зависимости подвижности горячих электронов и их концентрации от поля. При рассеянии горячих носителей на заряженной примеси подвижность увеличивается с полем, а при рассеянии на фононах — падает. Кроме того, горячие электроны, приобретая достаточно большую энергию, переходят в более высокие долины зоны проводимости, в которых их подвижность меньше. Концентрация носителей заряда в электрическом поле изменяется из-за ударной генерации электронно-дырочных пар или ударной ионизации примесных атомов, а также из-за изменения скорости рекомбинации носителей заряда или скорости их захвата примесными центрами [78]. Обычно захват электронов происходит положительными ионами. При этом скорость захвата падает с ростом электрического поля (разогрева), и концентрация электропроводимости растет. Если же примесные центры заряжены отрицательно, то электрон, чтобы оказаться захваченным, должен преодолеть энергетический барьер. Поэтому с ростом электрического поля и увеличением энергии горячих электронов скорость захвата электронов растет, и концентрация их падает. При достаточно быстром падении электропроводности с ростом электрического поля на ВАХ появляется падающий участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. ВАХ имеет iV-образный вид (наблюдается эффект Ганна) [79]. В тех же случаях, когда электропроводность растет с увеличением поля, ВАХ может стать -образной. При этом возникает шнурование тока в полупроводниках. И с ростом напряжения возможен пробой - межзонный или примесный. В полупроводниковых элементах, помещенных в сильное электрическое поле (порядка нескольких кВ/см), возникает разогрев носителей тока в объеме полупроводника, в результате чего изменяется проводимость элемента, и этот эффект может быть использован для измерения больших импульсов падающей мощности [78]. Если использовать полупроводниковый элемент с точечным невыпрямляющим контактом, то при помещении его в сильное электрическое поле произойдет неоднородный разогрев электронного газа в области точечного контакта.
Вследствие этого, в переходе металл-полупроводник образуется термоэдс "горячих" носителей. Как показали исследования, термоэдс "горячих" носителей, возникающая в определенном интервале уровней СВЧ-мощности, прямо пропорциональна мощности, поглощенной в самом элементе [80]. Коэффициент преобразования полупроводникового элемента зависит от удельного сопротивления материала полупроводника, размеров точечного контакта, его формы, высоты потенциального барьера в контакте X — эффективная высота потенциального барьера на контакте металл — полупроводник, а — удельная электропроводность полупроводника, г — радиус полусферического контакта, т - время релаксации энергии носителей тока, и — подвижность носителей тока. Зависимость между напряженностью поля и мощностью, поглощаемой полупроводниковым элементом, можно представить в виде Если Рпогл = 3 10б Вт, с = 5 Ом м"1, г - 2- 10"6м, то напряженность = 105 В/мили 10 Поскольку время релаксации носителей тока очень мало т 10" с, эффект образования термоэдс "горячих" носителей можно использовать для измерения импульсной (пиковой) мощности. Длительность импульсов для измеряемого сигнала ограничивается сопротивлением растекания и паразитными емкостями полупроводникового элемента. Метод применим для измерения импульсной (пиковой) мощности при длительности импульсов свыше 0,05-0,1 МКС. Достоинствами метода являются применимость для измерений как импульсной мощности, так и мощности сигналов непрерывной генерации. К недостаткам метода можно отнести малый динамический диапазон порядка 10— 20 дБ, большую температурную зависимость (коэффициент преобразования значительно изменяется при рабочих температур ах свыше 50С), необходимость калибровки по образцовому прибору [81]. Одним из перспективных методов для измерения непрерывного и импульсного СВЧ излучения в волноводном тракте является метод, основанный на радиоэлектрическом эффекте в полупроводниках [82]. Исходя из общности рассмотрения кинетики процесса взаимодействия электромагнитной волны со- свободными носителями заряда в твердом теле, ЭДС, возникающая в проводящей среден связана с анизотропией функции распределения электронов.
Технология получения преобразователей СВЧ мощности на основе гетероструктур n SiC/p-Si и п SiC/изолятор
В данной работе были изготовлены образцы преобразователей радиоэдс. Все образцы имели одинаковую топологию и отличались лишь размерами преобразующей части. Вид образца показан на рисунке 3.9. Были изготовлены образцы со следующими размерами: - преобразующая часть: а = 1,0 мм, 2,0 мм, 3,0 мм, 4,0 мм; с = 2,0 мм (для диапазона Зсм), а = 0,5 мм, 1,0 мм с = 1,0 мм (для диапазона 8мм); - ширина контактной полоски: Ъ = 0,5 мм (для диапазона Зсм), Ь =0,2 мм (для диапазона 8мм); - длина контактной полоски: /=10 мм для всех образцов; - размеры омических контактов: d х d = 0,3x0,3 мм для всех образцов; - толщина пленки карбида кремния составляла: h= 1,0±0,2 мкм, 1,5±0,2 мкм, 2,5±0,2мкм. Образцы для исследования электрофизических свойств пленок карбида кремния должны обладать следующими свойствами: - малыми размерами, чтобы вносить как можно меньше искажений в волноводный тракт, - контакты должны быть выведены из поля действия СВЧ волны, чтобы исключить влияние выпрямления на контактах металл-полупроводник. Следующим этапом технологического процесса является получение омических контактов к SiC. Требования к идеальному омическому контакту: - контакт не должен быть инжектирующим, - контакт не должен выпрямлять, то есть его сопротивление не должно зависеть от направления протекающего тока, что может существенно исказить снимаемый постоянный сигнал, - должны отсутствовать нелинейные эффекты, то есть сопротивление контакта не должно зависеть от величины протекающего тока, - сопротивление контакта должно быть малым по сравнению с сопротивлением исследуемого полупроводника, - шумы контакта, даже при больших токах, протекающих через контакт, должны быть малы, - контакт должен быть механически прочным, надежным и стабильным во времени.
При изготовлении омических контактов требуется выполнить следующие условия: - контактный материал для полупроводника n-типа должен иметь работу выхода меньше, чем у полупроводника; для полупроводника р-типа -металл должен иметь работу выхода больше, чем у полупроводника, - контактный материал должен создавать донорную примесь для полупроводника n-типа и акцепторную примесь для полупроводника р-типа. Выбор основного металла, используемого для изготовления омического контакта, определяется не только значением величины работы выхода, но и механическими и температурными свойствами. На сегодняшний день известно несколько типов контактных систем к карбиду кремния. Разработаны контакты к n-SiC на основе молибдена и вольфрама [97] и к p-SiC на основе системы Al-Au-Mo [98]. Такие контакты имеют ряд недостатков, связанных, прежде всего, с высокими температурами отжига, требуемыми для их формирования. Для изготовления омических контактов к n-SiC на основе молибдена требуются температуры отжига образца около 1600 С, а для контактов к p-SiC на основе системы Al-Au-Mo - от 1800 до 2000 С. Такие высокие температуры отжига структур, сравнимые с температурами роста SiC, могут приводить к образованию дополнительных дефектов в пленке, перераспределению легирующей примеси и т.д., а также затрудняют технологию изготовления контакта. Сравнительно низкие температуры (порядка 900С) требуются для получения омических контактов к n-SiC на основе никеля и к p-SiC на основе Sii, TiC-Al, Ti-Al, Mo-Al. В данной работе методом магнетронного напыления изготавливались никелевые контакты к n-SiC. Процесс магнетронного напыления осуществлялся на установке вакуумного напыления типа ВУП-5М. Контакты изготавливались по следующей технологии. Сначала образцы очищались кипячением в ацетоне, затем они крепились на подложкодержателе под маской. Полученные структуры с контактами изображены на рисунке 3.10. В области сверхвысоких частот на характеристики преобразователя существенное влияние оказывает скин-эффект. Вследствие возникновения индукционных токов на поверхности проводящей пластины существует более высокая плотность тока, чем в её 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 /л глубина проникновения со электрического поля частоты V = -— определяется выражением: Напыленные слои карбида кремния имеют удельное сопротивление р = 3,2 кОмсм, следовательно, глубина проникновения СВЧ поля в образец на частоте 10 ГГц составит приблизительно 1,6 мм, на частоте 40 ГГц - 0,8 мм, а средняя толщина слоев карбида кремния, полученных в данной работе не более 2,5 мкм. Это означает, что поле внутри карбида кремния будет практически однородно, и скин-эффект учитывать не нужно. Влияние размера преобразователя вдоль направления распространения электромагнитной волны выражается множителем 1 — e aL, где L - длина преобразователя. Вид этой зависимости для различных концентраций носителей заряда в плёнке карбида кремния показан на рисунке 3.12. В данной работе были проведены экспериментальные исследования радиоэлектрического эффекта в преобразователях на основе карбида при воздействии на них электромагнитной СВЧ волны, распространяющейся в прямоугольном волноводе, в диапазонах 10 ГГц и 40 ГГц. Распределение электромагнитного поля основной волны Ню в прямоугольном волноводе хорошо изучено [ЮЗ]. Поле этой волны содержит только три составляющие: В данной работе использовалась специальная измерительная головка, состоящая из отрезка стандартного прямоугольного волновода, в широкой стенке которого сделано прямоугольное отверстие. В отверстие вставлена подвижная каретка. Нижняя плоскость каретки совпадает с плоскостью верхней широкой стенки волновода. Каретка может перемещаться по направляющим, что необходимо для смещения образца в плоскости сечения волновода. На подвижной каретке установлен держатель образца с укрепленным на нем образцом и разъемом с контактами (рисунок 4.3).
