Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы обеспечения надежности при производстве смесителей радиосигналов на основе резонансно-туннельных диодов 15
1.1. Перспективность применения резонансно-туннельных диодов в нелинейных преобразователях радиосигналов 15
1.2. Анализ конструкций микро- и наноэлектронных диодных смесителей СВЧ-радиосигналов и технологий их производства 22
1.2.1. Типы конструкций смесителей СВЧ-радиосигналов 22
1.2.2. Применение метода ИК-спектральной эллипсометрии в технологиях приборостроения 38
1.2.3. Технологии изготовления смесителей радиосигналов на основе РТД 47
1.3. Анализ литературных данных по проблеме надежности диодных смесителей радиосигналов на основе РТД 51
1.4. Цель и задачи работы 53
Глава 2. Теоретические исследования влияния деградационных явлений в структуре РТД и погрешностей его изготовления на выходные электрические параметры смесителя радиосигналов 56
2.1. Исследование влияния диффузионных процессов в наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных структурах, приконтактных областях и омических контактах на ВАХ РТД и выходные электрические параметры смесителя радиосигналов 56
2.1.1. Механизмы диффузии в AlAs/GaAs гетероструктурах 56
2.1.2. Определение активационных параметров диффузии 63
2.1.3. Оценка влияния диффузионных процессов в наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных
гетероструктурах и омических контактах на ВАХ РТД и выходные электрические параметры смесителя радиосигналов 70
2.2. Исследование влияния технологических погрешностей на форму ВАХ РТД и выходные электрические параметры смесителя радиосигналов 80
2.2.1. Исследование чувствительности выходных электрических параметров балансного смесителя на основе РТД к толщине барьеров РТГС 82
2.2.2. Исследование чувствительности выходных электрических параметров балансного смесителя на основе РТД к высоте барьеров симметричной РТГС 85
2.2.3. Исследование чувствительности выходных электрических параметров балансного смесителя на основе РТД к толщине ямы симметричной РТГС 87
2.3. Исследование влияния технологических факторов
(температуры выращивания и отжига) на деградацию РТС и
приконтактных областей 90
Глава 3. Экспериментальные исследования влияния технологического процесса изготовления на модификацию свойств резонансно-туннельной гетероструктуры и омических контактов смесительных РТД 94
3.1. Методики и оборудование для проведения исследований
деградации показателей назначения смесителей радиосигналов на
основе AlAs/GaAs РТД 94
3.1.1. ИК-спектральный эллипсометр IR-VASE 95
3.1.2. Стенд Agilent для измерения выходных электрических характеристик смесителя радиосигналов 99
3.1.3. Микрозондовый стенд для измерения ВАХ РТД 102
3.1.4. Оборудование для проведения ускоренного старения гетероструктур 104
3.2. Экспериментальные исследования наноразмерных модельных органических и металлоорганических гетероструктур методом ИК-спектральной эллипсометрии 108
3.2.1. Гетероструктуры на основе политетрафторэтилена 109
3.2.2. Гетероструктуры на основе лавсана 112
3.3. Экспериментальные исследования влияния параметров технологического процесса изготовления наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур на скорость деградационных процессов в этих структурах 117
3.3.1. Исследование гетероструктуры с эпитаксиальным слоем GaAs 119
3.3.2. Исследование гетероструктуры с Si-легированным слоем GaAs 130
3.3.3. Исследование сильно легированной структуры n-GaAs 135
3.3.4. Исследование AlAs/GaAs резонансно-туннельной гетероструктуры 137
3.4. Экспериментальные исследования влияния параметров конструкции и технологии изготовления AuGeNi омических контактов резонансно-туннельных диодов на скорость их диффузионной деградации 141
Глава 4. Разработка методик технической диагностики и прогнозирования надежности резонансно-туннельных диодов и смесителей радиосигналов на их основе 147
4.1. Разработка программно-расчетного комплекса diORTD для проведения математического моделирования диффузионных процессов в AlAs/GaAs наноразмерных гетероструктурах и вольт-амперных характеристик РТД на базе данных гетероструктур 147
4.1.1. Модуль численного моделирования диффузионных процессов в AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктурах 150
4.1.2. Модуль численного моделирования вольт-амперных характеристик резонансно-туннельных диодов 151
4.1.3. Модуль численного моделирования деградации AuGeNi омических контактов 165
4.1.4. Экспериментальная проверка точности моделирования ВАХ РТД программно-расчетным комплексом difZRTD 166
4.2. Исследование применимости Microwave Office для проектирования смесителей радиосигналов на основе резонансно- туннельных диодов 168
4.2.1. Измерение рабочих параметров смесителей 171
4.2.2. Анализ корректности расчета параметров БСМ по различным методикам 174
4.3. Разработка методики диагностики показателей качества наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур на основе ИК-спектральной эллипсометрии 177
4.4. Разработка методики оценки изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре 183
4.5. Разработка методики прогнозирования надежности смесителей радиосигналов на основе РТД в результате диффузионных процессов в резонансно-туннельной структуре, приконтактных областях и омических контактах 185
Глава 5. Выбор конструкторско-технологических методов и средств повышения надежности смесителей радиосигналов на основе AlAs/GaAs резонансно-туннельных диодов 191
5.1. Применение методики диагностики показателей качества наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур на основе ИК-спектральной эллипсометрии для выбора режимов технологической операции молекулярно-лучевой эпитаксии 191
5.2. Применение методики оценки изменения вольт-амперных характеристик РТД под действием деградационных процессов в его структуре для выбора варианта исполнения омических контактов смесительных РТД 195
5.3. Разработка технологической операции контроля качества изготовления наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур на основе метода ИК-спектральной эллипсометрии 202
5.4. Разработка технологической операции селекции смесительных AlAs/GaAs РТД 207
5.5. Разработка рекомендаций по изменению конструктивных параметров наноразмерной AlAs/GaAs резонансно-туннельной гетероструктуры 212
Выводы и заключение 216
Список используемых источников
- Типы конструкций смесителей СВЧ-радиосигналов
- Определение активационных параметров диффузии
- Стенд Agilent для измерения выходных электрических характеристик смесителя радиосигналов
- Модуль численного моделирования диффузионных процессов в AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктурах
Введение к работе
Актуальность работы
Одним из путей улучшения качества радиоэлектронных систем является использование полупроводниковых приборов, функционирующих на основе квантоворазмерных эффектов. К таким приборам относятся резонансно-туннельные диоды (РТД) на базе многослойных наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур (РТГС) с поперечным токопереносом. Малое время туннелирования электронов (~ 10"14с) обеспечивает предельно высокое быстродействие диода (частота ~ 1 ТГц) и подавление дробовых шумов. Изменяя параметры слоев РТГС (толщину, химический состав), можно варьировать форму вольт-амперной характеристики (ВАХ). Такие свойства РТД позволяют создавать на его базе различные нелинейные преобразователи радиосигналов: смесители, выпрямители, умножители и генераторы для диапазонов СВЧ и КВЧ, функциональные характеристики которых могут быть улучшены за счет оптимизации формы ВАХ нелинейного элемента.
Смесители радиосигналов (СмР) конструктивно реализуются в виде монолитной или гибридной интегральной схемы. Их конструкция включает в себя подложку, на которой реализуется интегральная схема, расположенные на ней пассивные элементы и, собственно, диод. Применение смесителя радиосигналов на основе РТД позволяет повысить чувствительность и помехоустойчивость приемника. Вместе с тем задача обеспечения заданных высоких показателей надёжности СмР на основе РТД на настоящий момент полностью не решена, между тем как требования к гамма-процентной наработке до отказа (7^0,9999) СмР для авиационного приборостроения составляют 6...8 лет, для космической отрасли- 13...15 лет.
Задача достижения указанных значений показателей надежности СмР может быть решена при системном подходе к этой проблеме, основанном на исследовании деградационных явлений в структуре СмР, определяющих формирование их отказов, с учетом параметров конструкции и технологии изготовления. В конечном итоге это позволит провести выбор конструкторско-технологических методов и средств повышения надежности СмР на основе РТД.
Предварительные исследования, проведённые в МГТУ им. Н.Э. Баумана, показали, что для СмР основным типом отказов являются постепенные отказы, которые в свою очередь обусловлены процессами старения элементов РТД. В соответствии со структурой РТД старение происходит в результате деградационных явлений, обусловленных диффузионным размытием в AlAs/GaAs резонансно-туннельной структуре (РТС), приконтактных слоях (слои Si-легированного GaAs) и омических контактах (ОК). Интенсивность отказов зависит от параметров РТГС, технологии ее изготовления и от конструкции и технологии изготовления ОК.
В связи с этим представляется актуальной, имеющей важное научное и практическое значение работа, направленная на обеспечение заданного уровня надежности смесителей радиосигналов на резонансно-туннельных диодах. Ее выполнение предполагает проведение теоретических и экспериментальных исследований деградации показателей назначения СмР на основе AlAs/GaAs РТД.
Цель диссертационной работы
Целью работы является повышение надёжности смесителей радиосигналов на основе резонансно-туннельных диодов.
Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
-
Исследование закономерностей формирования постепенных отказов смесителей радиосигналов на основе РТД;
-
Исследование влияния деградационных явлений в РТС, приконтактных областях и омических контактах РТД на выходные электрические параметры СмР;
-
Исследование влияния технологического процесса изготовления на модификацию свойств резонансно-туннельной гетероструктуры и омических контактов смесительных РТД с использованием методов ИК-спектральной эллипсометрии (ИК-СЭ) и ускоренного старения полупроводниковых устройств;
-
Разработка методик технической диагностики РТД с использованием методов ИК-СЭ и ускоренного старения полупроводниковых устройств и методики прогнозирования надежности смесителей радиосигналов на основе РТД;
-
Выбор конструкторско-технологических методов и средств повышения надежности смесителей радиосигналов на основе AlAs/GaAs РТД.
Научная новизна
Новыми научными результатами, полученными автором, являются:
-
Определена физическая сущность процессов, определяющих формирование постепенных отказов смесителей радиосигналов на основе РТД, в основе которых лежат особенности протекания деградационных процессов как в наноразмерных полупроводниковых AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктурах, так и омических контактах резонансно-туннельных диодов;
-
Разработана математическая модель деградационных процессов в РТД, позволяющая проводить оценку дрейфа ВАХ РТД в процессе эксплуатации и связанного с этим изменения выходных электрических параметров СмР, и, соответственно, прогнозировать надежность СмР на основе РТД при различных конструкторско-технологических решениях изделия. Модель формализована в виде двух частных моделей: математической модели деградации РТГС, определяемой диффузией А1 и Si в РТГС, и математической модели деградации контактного сопротивления ОК, связанной с диффузионным размытием структуры омических контактов.
-
Разработан комплекс методик технической диагностики РТД, позволяющий оценить качество их изготовления. Он включает в себя методику диагностики качества наноразмерных AlAs/GaAs РТГС с использованием метода ИК-СЭ, позволяющую определять коэффициенты диффузии А1 и Si в GaAs, и методику оценки изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре, позволяющую определять зависимость контактного сопротивления ОК от времени и температуры;
-
Разработана методика прогнозирования надежности СмР на основе РТД, включающая в себя моделирование деградационных процессов в РТД, его ВАХ и выходных электрических характеристик смесителя радиосигналов на основе РТД. Методика позволяет выбирать рациональные конструкторско-технологические решения, обеспечивающие заданный уровень надежности СмР на основе РТД.
Практическая ценность работы
-
Разработанный программно-расчетный комплекс dif2RTD позволяет моделировать ВАХ РТД с учетом диффузионных процессов в AlAs/GaAs РТГС и омических контактах. На основе dif2RTD на этапе конструкторско-технологического проектирования проводится выбор рациональных параметров, а именно толщин и химического состава как РТС, так и приконтактных областей с целью улучшения показателей надежности РТД и смесителей радиосигналов на их основе;
-
Разработан алгоритм выбора вариантов исполнения омических контактов смесительных РТД с целью поиска ОК с минимальной скоростью термической
деградации при эксплуатации смесительных AlAs/GaAs РТД; выбор проводится на этапе отработки технологии изготовления СмР и реализуется на базе методики оценки изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре;
-
Разработан алгоритм выбора режимов технологической операции молекулярно-лучевой эпитаксии с учетом технологических особенностей оборудования на этапе отработки технологии изготовления смесительных РТД с целью минимизации деградации AlAs/GaAs РТС в процессе изготовления и эксплуатации СмР; выбор реализуется с применением методики диагностики качества наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур на основе ИК-СЭ;
-
Разработана технологическая операция контроля качества изготовления наноразмерных AlAs/GaAs РТГС на основе ИК-СЭ (на базе разработанной автором методики), которая позволяет повысить надежность СмР на основе РТД;
-
Разработана технологическая операция селекции смесительных AlAs/GaAs РТД (на базе разработанной автором методики), которая позволяет в рамках технологического цикла производства смесителей радиосигналов определять численные значения как индивидуальной, так и групповой надёжности РТД и СмР на их основе, а также выполнять селекцию образцов по степени их надежности.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель деградационных процессов в РТД, состоящая из суперпозиции моделей диффузии А1 и Si в РТС и приконтактных областях и деградации контактного сопротивления ОК;
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований формирования показателей надежности смесителей радиосигналов на основе РТД с использованием методов ИК-СЭ и ускоренного старения полупроводниковых устройств, в том числе, экспериментально определенные численные характеристики основных деградационных процессов, происходящих в структуре СмР на основе РТД (активационные параметры диффузии А1 и Si в РТС и приконтактных областях, а также зависимость контактного сопротивления AuGeNi OK от времени и температуры);
-
Комплекс методик технической диагностики РТД, позволяющий оценить качество их изготовления, включает в себя методику диагностики качества наноразмерных AlAs/GaAs РТГС на основе ИК-СЭ и методику оценки изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре;
-
Методика прогнозирования надежности смесителей радиосигналов на основе РТД, которая включает в себя моделирование деградационных процессов в РТД, его ВАХ и выходных электрических характеристик смесителя радиосигналов на основе РТД;
-
Конструкторско-технологические методы и средства повышения надежности смесителей радиосигналов на основе AlAs/GaAs резонансно-туннельных диодов:
Алгоритм выбора режимов технологической операции МЛЭ на базе методики диагностики качества наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур на основе ИК-спектральной эллипсометрии;
Алгоритм выбора вариантов исполнения омических контактов смесительных РТД на базе методики оценки изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре;
Технологическая операция контроля качества изготовления наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур на основе ИК-СЭ;
Технологическая операция селекции смесительных AlAs/GaAs РТД;
Рекомендации по изменению параметров конструкции наноразмерной AlAs/GaAs
РТГС для повышения надёжности смесителей радиосигналов на основе РТД.
Методы исследования. В работе использовались фундаментальные положения технологии приборостроения, технологии радиотехнических средств, физических основ микроэлектроники, физики твёрдого тела. Экспериментальные исследования проводились по специально разработанным методикам с использованием ИК-спектрального эллипсометра, микрозондового стенда, измерительного СВЧ-стенда и др. спец. оборудования.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, представленных в диссертационной работе автором, подтверждена результатами экспериментальных исследований деградационных процессов в наноразмерных AlAs/GaAs РТГС методом ИК-СЭ, измерений СВЧ-параметров СмР и ВАХ РТД, применением методов Цу-Есаки и матриц переноса для расчета ВАХ РТД, методов гармонического баланса и рядов Вольтера для моделирования параметров СмР, а также практическим использованием полученных результатов в производственных условиях.
Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены лично автором или при его непосредственном участии в результате проведения экспериментальных и расчетных работ. Во всех необходимых случаях заимствования чужих результатов в диссертации приведены ссылки на литературные источники.
Реализация и внедрение результатов работы. Внедрение и промышленная апробация результатов работы осуществлялась на ФГУП ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга г. Москва, а также в НИИ РЛ и УИЦ НТ НМСТ МГТУ им. Н.Э. Баумана, что подтверждено актами о внедрении.
Апробация результатов работы. Вошедшие в диссертацию результаты докладывались и обсуждались на 11 международных и всероссийских конференциях, симпозиумах и форумах.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 публикациях, из них в журналах из перечня ВАК РФ - 8.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка используемой литературы и приложений. Содержит 241 страницу, в том числе 155 иллюстраций и 8 таблиц.
Типы конструкций смесителей СВЧ-радиосигналов
В радиотехнических системах передача информации осуществляется путем частотного преобразования сигналов: в радиопередающем тракте -модуляцией несущей и повышающим преобразованием частоты, в радиоприемном - переносом спектра частот сигнала вниз и его демодуляцией. При этом часто применяется нерезонансное умножение или деление частоты. Такие операции выполняются нелинейными устройствами - модулятором, детектором, смесителем, делителем и умножителем частоты. Нелинейные преобразования сигналов сложны для анализа, поскольку на выходе устройств кроме полезного сигнала возникает множество комбинационных составляющих, уровень которых зависит от вида вольт-амперной характеристики (ВАХ) нелинейного элемента, схемотехнического решения, количества входных сигналов и соотношения их частот и амплитуд.
Развитие радиоэлектронных систем (РЭС) телекоммуникаций, связи, радиолокации, специального назначения предполагает улучшение их технических характеристик при повышении рабочего диапазона частот: уменьшение искажений сигналов, расширение полосы частот и динамического диапазона обрабатываемых сигналов, повышения помехоустойчивости. Вместе с этим ужесточаются требования к эксплуатационным и конструктивным параметрам.
Современные приемники сантиметровых и миллиметровых волн строятся по схеме с преобразованием частоты. В таких приемниках характеристики нелинейного входного устройства - преобразователя частоты (смесителя) -вносят основной вклад в чувствительность, помехоустойчивость и неискаженную передачу информации всей системой.
Основным элементом смесителя, определяющим его технические характеристики, является нелинейный элемент — диод или транзистор. В диапазонах СВЧ и КВЧ в смесителях применяют, как правило, диоды с барьером Шоттки (ДБШ). Принципиальным свойством ДБШ является экспоненциальная форма вольт-амперной характеристики, что обусловливает появление в спектре выходного сигнала смесителей паразитных составляющих и побочных каналов приема. Помимо снижения помехоустойчивости побочные каналы приема снижают чувствительность приемника за счет преобразованных шумов. Экспоненциальная форма В АХ ДБШ обуславливает также высокий уровень нелинейных и интермодуляционных искажений, что ограничивает динамический диапазон обрабатываемых сигналов. Для частичного устранения этих недостатков применяют балансные смесители с двумя, четырьмя и более диодами, работающие при повышенной мощности гетеродина. Для распределения без потерь мощностей сигнала и гетеродина на каждый диод применяют направленные ответвители и согласующие трансформаторы, что накладывает ограничения на диапазон рабочих частот смесителя, увеличивает массу и габариты конструкции. В диапазоне миллиметровых волн смесители являются первым каскадом приемника; технически реализуемы смесители с одним либо двумя диодами.
Таким образом, использование диодов Шоттки ограничивает расширение динамического диапазона и полосы частот сигналов, чувствительность и помехоустойчивость системы. Одним из путей улучшения качества смесителей является применение в качестве нелинейного элемента полупроводниковых приборов, функционирующих на основе квантоворазмерных эффектов. Среди них привлекает внимание резонансно-туннельный диод (РТД) на базе многослойных наноразмерных полупроводниковых гетероструктур А3В5 с поперечным токопереносом [1-3]. Изменяя параметры слоев гетероструктуры (толщину, химический состав), можно управлять формой вольтамперной характеристики и создавать диод с оптимальной для конкретного вида нелинейного преобразования формой ВАХ [4-5]. Малое время туннелирования электронов (порядка 10" с) обеспечивает предельно высокое быстродействие диода и подавление дробовых шумов. Одним из первых теоретические и экспериментальные вопросы радиотехнических приложений РТД исследовал T.C.L.G. Solner [6-9]. Набор возможных нелинейных преобразований с применением РТД очень широк: генерация радиосигналов, частотная модуляция, смешивание радиосигналов, амплитудное детектирование, выпрямление, генерация сетки частотных меток и др. [10]. С практической точки зрения важны два обстоятельства: - РТД функционирует в нужном для технических приложений диапазоне температур и других внешних воздействий, - технология и оборудование для производства РТД давно существуют в рамках технологий микроэлектроники.
Исследованиям РТД и функциональных устройств на его основе посвящена обширная библиография. В работах [1-5, 10-19], рассматриваются применения AlGa/GaAs РТД в нелинейных преобразователях радиосигналов. Темой исследования работ [20-28] являются физические процессы в гетероструктуре AlGa/GaAs РТД и построение их моделей. Вопросам стойкости к внешним воздействиям и надежности AlGa/GaAs РТД посвящены работы [29,30].
Определение активационных параметров диффузии
Смесители радиосигналов конструктивно реализуются в виде монолитной или гибридной интегральной схемы. Монолитная технология особенно перспективна для СВЧ и КВЧ диапазонов, она позволяет уменьшить количество соединений по сравнению с гибридной и, соответственно, повысить надежность смесителей. Таким образом, смесители радиосигналов на основе РТД с одной стороны обладают улучшенными функциональными характеристиками (расширенным динамическим диапазоном, высокой чувствительностью и помехоустойчивостью приемника), с другой - на текущий момент характеризуются невысокими показателями надежности. По имеющимся данным - гамма-процентная наработка до отказа Гу=о,9999 таких приборов составляет от 3 до 4 лет. В то время как для авиационного приборостроения необходимы СмР с Гу=о,9999, равной от 6 до 8 лет, а для космической отрасли - от 13 до 15 лет. Задача повышения показателей надежности смесителей может быть решена при системном подходе к проблеме, основанном на выявлении причинно-следственных связей факторов, определяющих формирование отказов смесителей и учитывающих конструкторско-технологические особенности их производства. В конечном итоге это позволит провести выбор конструкторско-технологических методов и средств повышения надежности смесителей на основе РТД.
Для радиотехнических устройств на основе НЭ прибора РТД актуальна проблема обеспечения надежности. Предварительные исследования, проведённые в МГТУ им. Н.Э. Баумана, показали, что для смесителей основным типом отказов являются постепенные отказы. Этот тип отказов смесителей обусловлен постепенными отказами РТД.
Проблема повышения показателей надежности решается на базе теоретических и экспериментальных исследований деградации показателей назначения смесителей на основе AlAs/GaAs РТД. При этом исследуется деградация ВАХ РТД, которая обусловлена диффузионными процессами в
В данной главе приведены теоретические исследования влияния деградационных явлений в структуре РТД и погрешностей его изготовления на выходные электрические параметры смесителя радиосигналов. Они включают в себя анализ механизмов диффузии А1 и Si в AlAs/GaAs резонансно-туннельных структурах и приконтактных областях, исследование влияния диффузионных процессов в наноразмерных AlAs/GaAs РТС, приконтактных областях и омических контактах на ВАХ РТД и выходные электрические параметры смесителя, исследование влияния технологических погрешностей на форму ВАХ РТД и выходные электрические параметры смесителей и исследование влияния таких технологических факторов, как температуры выращивания и отжига на деградацию РТС и приконтактных областей.
Исследование влияния диффузионных процессов в наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных структурах, приконтактных областях и омических контактах на ВАХ РТД и выходные электрические параметры смесителя радиосигналов
Механизмы диффузии в AlAs/GaAs гетероструктурах Основным механизмом диффузии А1 и Si в GaAs является диффузия по вакансиям галлия VQ0 [Ш]- ЭТО связано с тем, что атомы А1 и Si имеют сходные массы и размеры и располагаются в подрешетке галлия (при степенях легирования менее 5-10 см"). Вклад других дефектов (вакансии мышьяка VAs, междоузельные дефекты IGa и lAsy антиструктурные дефекты GaAs и AsGa) по сравнению с VGa мал [111, 112]. Вакансии в GaAs могут быть нейтральными и находиться в различных зарядовых состояниях. Это является следствием того, что точечные дефекты вносят энергетические уровни в запрещенную зону полупроводника. Является ли вакансия нейтральной или ионизованной, зависит от положения уровня Ферми, как схематически показано на Рисунке 2.1. Вакансии галлия в GaAs могут быть нейтральными VQU И отрицательно ионизованными с минус 1, минус 2 и минус 3 зарядовыми состояниями - VQU,
Общая концентрация вакансий галлия определяется по формуле: где Cy-q - термодинамически равновесная концентрация вакансий галлия
Существует большое количество механизмов образования дефектов, в том числе и вакансий в твердых телах. Точечные дефекты могут возникать из 58 за облучения кристалла, введения примесей и деформаций; но также существуют тепловые дефекты, которые возникают спонтанно и в термодинамически равновесных концентрациях присущи самой природе кристаллического состояния твердого тела [113]. Свободную энергию Гиббса образования изолированной вакансии G(v можно разложить в соответствии с формулой на энтальпию образования H v и энтропию образования S(v вакансии; Т -температура. G(v соответствует работе, необходимой для образования вакансии путем удаления атома из определенного, но произвольного, узла решетки и встраивания его в узел на поверхности («полубесконечный кристалл»). Не только поверхность, но также границы зерен и дислокации могут служить источниками и стоками для вакансий. Если образуется вакансия, кристаллическая решетка вокруг нее релаксирует и колебания кристалла также изменяются.
В то время как равновесная концентрация незаряженных вакансий зависит только от температуры (и давления), на концентрацию заряженных вакансий дополнительно влияет положение уровня Ферми и, следовательно, уровень легирования. Общая концентрация вакансий галлия определяется по формуле: где Cy-q - термодинамически равновесная концентрация вакансий галлия VGq,
В [114] Вагер определил, что положение уровня Ферми определяет зарядовое состояние собственных точечных дефектов при заданной температуре.
Зависимость концентрации вакансий галлия VGa от концентрации п-легирующей примеси, определяющей положения уровня Ферми, получила название эффекта уровня Ферми [115-122]. Таким образом, эффект уровня Ферми заключается в зависимости концентрации отрицательно заряженных вакансий галлия VGa от положения уровня Ферми в полупроводнике и соответственно от степени легирования GaAs. Поэтому любая обработка, влияющая на уровень Ферми, например, отжиг, легирование и т.д. будет изменять концентрацию точечных дефектов. как зависит концентрация вакансий галлия от температуры и степени легирования (п). Исходя из анализа выражения (2.5) можно предположить, что вакансии галлия VQU будут преобладать в количественном отношении. И это подтверждают работы Тана и др. [115, 116], в которых были получены зависимости относительных концентраций вакансий галлия различной степени заряда, исходя из рассчитанных Бараффом и Шлютером [123] акцепторных уровней энергии вакансий галлия VGay Vga , Vga . Уровни энергий вакансий галлия:
Стенд Agilent для измерения выходных электрических характеристик смесителя радиосигналов
Таким образом, в данной главе раскрыты особенности закономерностей формирования постепенных отказов смесителей радиосигналов на основе РТД, в основе которых лежат деградационные процессы в структуре РТД: диффузия А1 и Si в резонансно-туннельной гетероструктуре и диффузионное размытие структуры омических контактов. Диффузия А1 и Si в GaAs при степенях Si-легирования порядка 1-10 см" и выше происходит преимущественно по отрицательно ионизованным вакансиям галлия с зарядовым состоянием минус 3 (VQ ) В диапазоне температур от 0 до примерно 700 С. При этом коэффициент диффузии зависит от концентрации n-легирующей примеси в соответствии с эффектом уровня Ферми.
Кроме того, на основе теоретических исследований было показано, что форма ВАХ РТД и выходные электрические параметры смесителя радиосигналов ухудшаются в результате диффузионных процессов в наноразмерных AlAs/GaAs РТС и AuGeNi омических контактах на этапах изготовления и эксплуатации. Величины коэффициентов А1 и Si в GaAs (показывают качество изготовления полупроводниковой гетероструктуры) и коэффициента у омических контактов (характеризует качество изготовления омических контактов) оказывают существенное влияние на скорость деградации В АХ РТД и потерь преобразования смесителей радиосигналов.
Также установлено, что уменьшение номинальных значений Щ и Vb (XAI) при прочих неизменных характеристиках рассмотренной резонансно-туннельной гетероструктуры влечет за собой значительное увеличение L, тогда как номинальной толщины Л сопровождается уменьшением номинальных значений L и расширением динамического диапазона (увеличением Кив) Показано, что в зависимости от технологических особенностей изготовления коэффициенты диффузии А1 и Si в GaAs существенно отличаются друг от друга. Так температура МЛЭ, а также температура и время проведения отжига являются ключевыми факторами, определяющими концентрацию дефектов в РТС и приконтактных областях и, соответственно, коэффициенты диффузии А1 и Si в GaAs. Аналогично от технологии изготовления зависит коэффициент у омических контактов. Эти коэффициенты (D и у) определяют скорость деградации ВАХ РТД и потерь преобразования смесителя радиосигналов. Поэтому для оценки влияния технологического процесса изготовления на модификацию свойств резонансно-туннельных гетероструктур и омических контактов смесительных РТД требуется определение коэффициентов диффузии А1 и Si в GaAs, а также коэффициентов, показывающих термическую стойкость омических контактов. Глава 3. Экспериментальные исследования влияния технологического процесса изготовления на модификацию свойств резонансно-туннельной гетероструктуры и омических контактов смесительных РТД
В данной главе приводится описание экспериментальных исследований влияния технологического процесса изготовления на модификацию свойств резонансно-туннельной гетероструктуры и омических контактов смесительных РТД, а также методик и применяемого оборудования для проведения данных исследований, которые включают в себя: - экспериментальные исследования наноразмерных модельных органических и металлоорганических гетероструктур методом ИК-спектральной эллипсометрии; - экспериментальные исследования влияния параметров технологического процесса изготовления наноразмерных AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур на скорость деградационных процессов в этих структурах; - экспериментальные исследования влияния параметров конструкции и технологии изготовления AuGeNi омических контактов резонансно-туннельных диодов на скорость их диффузионной деградации.
Методики и оборудование для проведения исследований деградации показателей назначения смесителей радиосигналов на основе AlAs/GaAs РТД
В данном разделе представлены методики и оборудование для проведения исследований влияния технологического процесса изготовления на модификацию свойств, связанных с интенсивностью диффузионных процессов, AlAs/GaAs РТГС (характеризуется коэффициентами диффузии А1 и Si в GaAs) и омических контактов РТД (характеризуется коэффициентом у ОК).: - ИК-спектральный эллипсометр IR-VASE; - стенд Agilent для измерения выходных электрических характеристик смесителя радиосигналов; - микрозондовый стенд для измерения ВАХ РТД; - оборудование для проведения ускоренного старения смесительных РТД и AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктур.
Метод ИК-спектральной эллипсометрии применяется для определения толщин диэлектрических и полупроводниковых покрытий в диапазоне 1-10" до 3-10 нм и металлических - в диапазоне 0,1 до 100,0 нм. Данный метод является неразрушающим. Суть метода эллипсометрии заключается в измерении изменения поляризации света после отражения от исследуемого образца (или после прохождения сквозь него). Процесс описывается основным уравнением эллипсометрии.
Это уравнение устанавливает связь между микроскопическими (структура поверхности) и макроскопическими (толщина и коэффициент преломления) характеристиками образца и эллипсометрическими параметрами поверхности. Основное уравнение эллипсометрии позволяет по измеренным углам Т и А в рамках выбранной модели поверхности вычислить искомые параметры исследуемой системы (например, показатель преломления образца и коэффициент поглощения с известными характеристиками - классическая задача эллипсометрии).
Модуль численного моделирования диффузионных процессов в AlAs/GaAs резонансно-туннельных гетероструктурах
Для экспериментального исследования деградации РТД использовался метод ускоренного старения. В ходе этого были проведены исследования двух партий РТД, которые были произведены на двух разных предприятиях. Партия № 1 включала в себя двадцать РТД, партия № 2 - тридцать два.
Методика определения коэффициента у ОК включает в себя следующие основные этапы: измерение ВАХ РТД до и после термического воздействия, расчет у посредством обработки экспериментальных данных по динамике ВАХ РТД. Измерения ВАХ РТД до и после термических воздействий проводились на микрозондовом стенде в диапазоне напряжений от 0 до 1 В (погрешность AU = ± 1 мВ) и токов от 0 до 10 мА (погрешность AI = ± 10 мкА).
Термическое воздействие на РТД проводилось при температуре 300 ± 5 С в течение 150 ч для партии №1 и в течение 1, 2, 5, 9 и 10 ч (суммарное время термического воздействия 27 ч) для партии № 2 в лабораторном воздушном термостате.
В работах [199, 200] показано, что диффузионное размытие в резонансно-туннельной структуре влияет на форму ВАХ. Моделирование диффузионных процессов в программно-расчетном комплексе diGRTD [137, 201] свидетельствует о том, что при температуре 300 С диффузионное размытие в исследуемой нами резонансно-туннельной структуре мало и не приводит к видимому изменению формы ВАХ РТД. Диффузионное размытие Si в приконтактных областях также не оказывает существенного влияния на Re и ВАХ РТД.
Исходя из этого, можно предположить, что в результате термического воздействия деградации подвергаются AuGeNi омические контакты, и изменение ВАХ РТД во времени вызвано увеличением Re.
В результате для обеих партий были получены ВАХ РТД до и после термических воздействий и затем проведена их статистическая обработка. На Рисунке 3.51 приведены усредненные экспериментальные ВАХ для партии №1.
На ВАХ РТД после проведения термоиспытаний наблюдается незначительное уменьшение значения максимального тока (от 21,8 до 21,0 мА для прямой ветви, аналогично - для обратной ветви) и сдвиг его в область больших напряжений (от 1,0 до 1,4 В для прямой ветви, аналогично - для обратной ветви).
Наблюдаемый сдвиг ВАХ эквивалентен увеличению последовательного сопротивления РТД на 24 Ом. Это соответствует увеличению сопротивления омических контактов Re на 12 Ом, поскольку, увеличение контактного сопротивления связано, в первую очередь, с взаимной диффузией Аи и Ga в омических контактах. Для прогнозирования значения Re и моделирования выходных электрических характеристик прибора в процессе эксплуатации устройства разложим величину Re на два слагаемых: Re-Reo+ARe. (3.10) где Re - контактное сопротивление в текущий момент времени, Ом.
Rco - контактное сопротивление в начальный момент времени (сразу после изготовления), Ом. Для площади контакта Sc = 25 мкм и при значении удельного контактного сопротивления 110 Ом см [202, 203] Rco оказывается равным 4 Ом;
A Re - увеличение контактного сопротивления в процессе эксплуатации, Ом. Зависимость контактного сопротивления Re AuGeNi омических контактов от времени t и температуры Т может быть описана следующим образом [142]:
Энергия активации Еа деградационных явлений AuGeNi омических контактов равна 1 эВ [204, 205]. На основе этих данных можно определить коэффициент пропорциональности у, он оказывается равным у = 408,2 Ом-с" .
Кроме того был проведен анализ внешних изменений в контактных площадках РТД после проведения термоиспытаний (Рисунок 3.52).
Видно, что произошла деградация поверхностного слоя контактов, которая может быть вызвана как термической обработкой AuGeNi омических контактов, так и механической деформацией омических контактов под действием микрозондов. - до термоиспытаний; 2 - после термоиспытаний Рисунок 3.51. Экспериментальные В АХ РТД для партии № 1
В результате экспериментальных исследований партии РТД № 2 были получены В АХ тридцати двух РТД до и после 1, 3, 8, 17 и 27 часов термического воздействия и проведена их статистическая обработка. На Рисунке 3.53 показаны усредненные по всей партии РТД №2 экспериментальные ВАХ. Проведение моделирования в программно-расчетном комплексе diGRTD (подробное описание приведено в разделе 4.1) позволило определить функциональную зависимость контактного сопротивления AuGeNi омических контактов от времени и температуры для данной партии РТД, коэффициент у оказался равным у = 25 Ом-с
Внешний вид РТД до (а) и после (б) термоиспытаний - до термоиспытаний; 2 - после 1 ч термоиспытаний; 3 - после 3 ч термоиспытаний; 4 - после 8 ч термоиспытаний; 5 - после 18ч термоиспытаний; 6 - после 27 ч термоиспытаний Рисунок 3.53. Экспериментальные В АХ РТД для партии № 146 Видно, что коэффициенты у, показывающие скорость деградации омических контактов, отличаются более чем в 16 раз для двух партий РТД, изготовленных на разных производствах. Таким образом, можно сделать вывод о том, что коэффициент у сильно зависит от параметров конструкции и технологии изготовления омических контактов. Следовательно, для обеспечения заданной надежности требуется определять у на этапе отработки технологии изготовления смесителей радиосигналов и осуществлять контроль качества изготовленных РТД.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований отработаны методики построения эллипсометрических моделей путем исследования наноразмерных модельных органических и металлоорганических гетероструктур. Это позволило оценить влияние технологического процесса изготовления на модификацию свойств резонансно-туннельных гетероструктур и омических контактов смесительных РТД - экспериментально определены численные характеристики основных деградационных процессов, происходящих в структуре смесителя радиосигналов на основе РТД: - активационные параметры диффузии А1 и Si в резонансно-туннельной структуре и приконтактных областях оказались равными - энергия активации диффузии Еа равна 3,5 эВ и предэкспоненциальный множитель Do равен от 0,17 до 0,22 см /с в зависимости от исследуемой гетероструктуры; - зависимость контактного сопротивления AuGeNi омических контактов от времени и температуры, которая выглядит следующим образом:
