Содержание к диссертации
Введение 4
1. Шум \lf GaAs эпитаксиальных пленок в модели бистабильных
дефектов 17
1.1. Подвижность носителей тока 18
Рассеяние электронов на ионизованных примесях 18
Рассеяние на диполях 19
Рассеяние на нейтральных мелких донорах 19
Сравнительный анализ компонент подвижности носителей тока 20
1.2. Модель 1//шума на основе ансамбля ДУС 22
Спектр СТП, образованного бистабильным дефектом 22
Синтез спектра 1//шума в модели ансамбля СТП 24
Оценивание высот потенциальных барьеров ДУС 26
Исследуемые образцы и экспериментальная установка 29
Анализ температурных зависимостей 31
Концентрация электронов 31
Полная подвижность электронов 33
Оценка флуктуации подвижности, обусловленных переключением бистабильных дефектов 35
Исследование биспектра 1//шума 37
Введение 37
Измерение биспектра НЧ шума 38
Оценка биспектра 1/^шума 39
Оценка статистической ошибки измерения биспектра 40
1.7. Заключение к первой главе 41
2. Фликкерный шум субмикронных полевых транзисторов с затвором
Шотки 43
2.1. Измерительная аппаратура 44
Установка для измерения вольтамперной характеристики 44
Установка для шумовых измерений 45
2.2. Вольтамперные характеристики 46
Моделирование ВАХ 47
Экспериментальные данные 48
Обсуждение параметров модели 51
2.3. Исследование спектра І//"шума 54
Интенсивность 1 //шума разных областей канала транзистора 55
Диполи в качестве бистабильных дефектов 65
Проявление естественного старения ПТШ в 1//шуме 65
Исследование параметра формы спектра шума 67
Токовые зависимости 70
Выявление и тренировка потенциально нестабильных образцов 72
Заключение ко второй главе 75
Заключение 77
Приложение 1. Основные характеристики приборов установки для
измерения 1//шума 78
Приложение 2. Программный комплекс для исследования НЧ шума
ПТШ 79
Список литературы 81
Список условных обозначений 90
Введение к работе
Общая характеристика диссертации
Диссертация посвящена исследованию \lf (фликкерного) шума планарных субмикронных полевых транзисторов с затвором Шотки (ПТШ) на основе арсенида галлия. Лучшие характеристики и повышенная надежность GaAs транзисторов, по сравнению с приборами на основе кремния, сделали их основными для разработки СВЧ аппаратуры. Исследование природы шума имеет принципиальное значение для решения важной народнохозяйственной задачи создания малошумящих приборов высокого качества.
Актуальность темы диссертационной работы
Одним из направлений современной радиофизики является исследование статистических характеристик шумов с целью изучения свойств источников шумов. К наиболее распространенным шумам относятся: тепловой; дробовой; генера-ционно-рекомбинационный; шум, обусловленный температурными флуктуациями; а также фликкерный шум. Рассмотрим эти шумы несколько подробнее.
Тепловой шум вызывается случайным движением заряда в любом проводнике. Вследствие этого движения на концах проводника возникает флуктуирующая электродвижущая сила V(t). Этот источник шума присутствует в любом устройстве, имеющем электрическую природу и находящемся в тепловом равновесии с окружающей средой.
Дробовой шум связан с дискретностью тока, представленного потоком заряженных частиц. Здесь шум рассматривается как последовательность независимых случайных событий. Например, в случае испускания электронов термокатодом или фотокатодом эмиссия электронов представляет собой последовательность независимых случайных событий. Следовательно, в эмиссионных токах наблюдается дробовой шум. Для обследованных в работе полупроводниковых приборов мощность дробового шума на несколько порядков меньше мощности фликкерного.
Генерационно-рекомбинационный шум возникает, когда свободные носители генерируются или рекомбинируют в полупроводниковом материале. Акты генерации и рекомбинации могут рассматриваться как последовательности независимых случайно возникающих событий. Возникающие флуктуации концентрации носителей заряда дп приводят к возникновению флуктуации сопротивления 5R образца.
Шум, обусловленный температурными флуктуациями небольшого тела (источника шума), возникает из-за теплообмена между этим телом и окружающей его средой из-за флуктуации испускаемого и поглощаемого излучения. Этот процесс можно описать флуктуациями скорости испускания и поглощения квантов малым телом. Существуют и флуктуации теплообмена, поскольку тело должно иметь теп-лопроводящие элементы (провода, соединения и т.д.), связанные с окружающим пространством. При обтекании источника шума газом (воздухом) или жидкостью возникают также флуктуации конвективного теплообмена; однако они не существенны, поскольку могут быть исключены с использованием соответствующих методов.
Фликкерный шум, иначе называемый шумом эффекта мерцания, был впервые обнаружен при исследовании дробового шума электронных ламп на низких частотах [1], см. также [2].
Фликкерные шумы обусловлены флуктуациями параметров радиоэлементов (например, резисторов, конденсаторов и др.) и могут наблюдаться при наложении на элемент напряжения или при пропускании через него тока. Шум характеризуется своей спектральной плотностью мощности, которая пропорциональна XIf, где у - параметр формы спектра. Для многих приборов параметр формы спектра принимает значения около единицы: 0,8<у<1,2. Поэтому такой шум часто называют "\lf шумом". Влияние фликкерного шума наиболее существенно на низких частотах.
Токовая зависимость спектра фликкерного шумового тока и напряжения иногда имеет степенной вид: S,~Ik\ v~/*2. Случай k\=ki=2 объясняется флуктуациями линейной проводимости (сопротивления) исследуемого объекта.
Основная трудность в получении достоверной информации о спектральной плотности на низких частотах состоит в необходимости весьма длительного накопления данных. Это предъявляет высокие требования к стабильности и отсутствию чувствительности экспериментального оборудования к изменению свойств окружающей среды (температуры, напряжения в сети, наличию механической вибрации и т.д.).
Исследования фликкерного шума, в том числе измерения его спектра, проводятся около 80 лет, однако его природа до конца не выявлена [3-5]. Измерения спектра используются для получения информации об его происхождении.
На данный момент имеется значительный теоретический и экспериментальный материал по физическим и статистическим свойствам фликкерного шума различных объектов, в накопление которого внесли большой вклад следующие исследователи: Ван дер Зил (A. Van der Ziel) [6 - 8], Дю Пре (F.K. Du Pre) [9], A.H. Малахов [2, 3, 10], Xoyxe (F.N. Hooge), Клайнпеннин (T.G.M. Kleinpenning) и Фан-дамме (L.KJ. Vandamme) [5], Ш.М. Коган [4], Датта (P. Dutta) и Хорн (Р.М. Horn) [11, 12], Кларк (J. Clarke) и Восс (R.F. Voss) [13], Вейсман (М.В. Weissman) [14], Г.Н. Бочков и Ю.Е. Кузовлев [15], В.П. Паленскис [16], Н.Б. Лукьянчикова [17, 18], Р.З. Бахтизин и С.С. Гоц [19], А.К. Нарышкин и А.С. Врачев [20], Г.П. Жигальский [21], В.В. Потемкин [22], С.А. Корнилов [23], В.Н. Кулешов [24], М.Е. Левинштейн и С.Л. Румянцев [25], С.Ф. Тимашев [26], Г.А. Леонтьев [27], и др. Многие из известных на сегодняшний день данных получены из измерений спектра шума.
Развитие вычислительной техники и цифровой обработки сигналов позволяет применять другие более сложные методы исследования случайных процессов к 1//*шуму. Большинство новых, разработанных на базе цифровой техники статистических методов касается проверки гауссовости и стационарности 1/Ушума - "нулевой" гипотезы.
В настоящее время существует ряд методов, направленных на выявление не-гауссовости и нестационарности 1//шума:
измерение гистограммы, моментов и кумулянтов;
анализ погрешности измерения интенсивности фильтрованного шума;
3) корреляционный тест (измерение коэффициента корреляции между интенсивно-стями шума на выходах двух неперекрывающихся полосовых фильтров).
Еще один путь исследования "нулевой" гипотезы - анализ биспектра случайного процесса, ранее не применяемый к І^шуму. Биспектр характеризует связь второго порядка между тремя отсчетами процесса и является Фурье-преобразованием кумулянтной функции третьего порядка. Известно, что для гауссова случайного процесса биспектр равен нулю.
Для объяснения возникновения І/^шума создано большое количество моделей. Во многих из них шум трактуется либо как суперпозиция случайных релаксационных процессов (например, генерационно-рекомбинационных), имеющих ло-ренцев спектр, либо как случайная последовательность импульсов, то есть сумма большого числа единичных процессов. В первом случае шум может быть представлен суперпозицией случайных телеграфных процессов, во втором случае - суперпозицией пуассоновских процессов.
На данный момент одной из наиболее распространенных моделей для объяснения І/^шума в полупроводниках является модель бистабильных дефектов, формируемых, предположительно, дефектами в кристаллической решетке образца. Однако достоверной информации как о природе дефектов, так и об их свойствах, до сих пор нет.
Если модель бистабильных дефектов справедлива, то метод спектроскопии низкочастотных электрических шумов может помочь выявить эти дефекты и особенности их поведения в полупроводниках.
Перейдем к исследуемым приборам.
Полевые транзисторы (ПТ) на арсениде галлия с момента своего появления в 1970 году [28] заняли важное место в полупроводниковой СВЧ-электронике. Широко используются усилители, генераторы, смесители, переключатели, аттенюаторы, модуляторы и ограничители на основе арсенид галлиевых (GaAs) полевых транзисторов. Основным преимуществом приборов на GaAs являются более высокая скорость электронов, обеспечивающая большое быстродействие, и хорошие изолирующие свойства подложек, позволяющие уменьшить паразитные емкости и упростить процесс изготовления.
Низкое качество собственного оксида GaAs и высокая плотность поверхностных состояний на границе раздела GaAs-изолятор затрудняет изготовление МОП (металл-окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) полевых транзисторов на GaAs. Поэтому практическое использование получили ПТ на основе барьера Шотки (ПТШ).
Обзор литературы показал, что исследование І^шума в полевых транзисторах в основном ведется для МОП и МДП структур, где шум удается описать при помощи моделей, опирающихся на модель Мак Уортера и модель флуктуации подвижности. В то же время шумам в полевых транзисторах с затвором Шотки посвящено относительно небольшое количество работ. В связи с этим исследование \lf шума в ПТШ представляет отдельную важную задачу.
Для шумового анализа во всех работах обычно выбираются транзисторы с наиболее простой структурой, в которой высоколегированные области под контак-
тами стока и истока прилегают вплотную к каналу, расположенному под затвором. Применение планарных контактов усложняет геометрию проводящей области прибора и приводит к необходимости определения интенсивности шума от различных областей, расположенных между затвором и стоком, затвором и истоком и под затвором, что ранее не делалось.
Одним из направлений, активно развиваемым в последние годы, является использование \lf шумового анализа в качестве неразрушающего инструмента диагностики качества структуры приборы. Во флуктуациях, по-видимому, находят свое отражение электронные и атомные процессы в веществе, характеризующие особенности микроструктуры твердых тел. Это дает возможность использовать \lf шум для получения информации о качестве и надежности структуры. В частности, измерение величины параметра формы спектра позволяет отбраковывать потенциально ненадежные образцы.
Состояние исследования по проблеме
Разнообразие свойств фликкерного шума, которое наблюдается в идентичных образцах и в различных системах, не согласуется с положением о фундаментальности 1#"шума. Если бы это явление было фундаментальным, то шум во всех исследуемых объектах имел бы одинаковый механизм возникновения и обладал бы одинаковыми свойствами. В действительности в некоторых приборах обнаружена зависимость шума от условий на поверхности образца [4], в то время как в основном он обусловлен объемным эффектом [5,29].
Для описания 1/^шума полевых транзисторов применяют обе группы моделей, основанные на флуктуациях концентрации носителей тока и флуктуациях подвижности. Первые объясняют изменение концентрации результатом захвата и испускания электронов поверхностными ловушками [30], ловушками, расположенными в объеме [31], флуктуациями концентрации глубоко-уровневых ловушек в области пространственного заряда (ОПЗ) [32]; вторые - флуктуациями подвижности [33] (на настоящее время нет достоверной информации о природе источников, вызывающих эти флуктуации).
Наиболее распространенными являются модели Мак Уортера [30] и Хоухе [33], которые дополняют друг друга при исследовании зависимости 1//шума от высоты канала. В некоторых транзисторах при открытом канале преобладает шум, описываемый поверхностными ловушками, а по мере заглубления в канал начинает проявляться компонента, определяемая объемным механизмом (флуктуации удельного сопротивления).
В статье [34] приведены результаты измерения І/f шума в ПТШ. При исследовании зависимости спектра шума от высоты канала (расстояния от буферного слоя до ОПЗ создаваемого напряжением на затворе) выявлено проявление двух механизмов, связанных с наличием поверхностных ловушек на границе затвора с каналом и глубоко-уровневых ловушек в области пространственного заряда, создаваемой напряжением на затворе.
Что же касается объемного механизма формирования шума (флуктуации удельного сопротивления), то наиболее приемлемой моделью для объяснения \lf
шума является модель бистабильных дефектов, которая основана на существовании подвижных дефектов в кристаллической решетке образца. В настоящей работе она используется для описания І^шума полевых транзисторов с плоским затвором Шотки и GaAs эпитаксиальных пленок.
Несмотря на то, что данная модель предложена достаточно давно, она содержит некоторые вопросы, требующие дополнительного исследования.
В модели вводятся высоты внутренних (локальных) энергетических барьеров. Они являются случайными величинами [12]. Спектр процесса имеет вид \lf, если высоты этих барьеров АЕ распределены равномерно в некотором диапазоне от АЕ\ до ЬЕі. Нижняя и верхняя частоты перегиба спектра определяются соотношением fiow,high=fo'exp(-AE2>\/kT). Таким образом, предполагается, что фликкерный шум создается ансамблем двухуровневых систем, имеющих широкое распределение средних времен пребывания в своих состояниях [35]. Разновидностями такой модели являются модель Когана и Нагаева [36, 37] для случая туннельного перехода частиц, а также модель, связывающая возникновение фликкерного шума с наличием дефектов в твердом теле [38-41].
Дефекты представляют собой некоторые образования в кристаллической решетке образца [42, 43], природа которых окончательно не выявлена. Они могут формироваться атомами примеси [39, 42]. Согласно модели бистабильных дефектов, каждый дефект должен локализоваться около какой-либо точки образца, совершая диффузионные скачки в ее окрестности. В простейшем случае он имеет два метастабильных состояния, разделенных относительно низким потенциальным барьером [40]. Дефект случайным образом переключается из одного состояния в другое и обратно, в результате чего меняются его электрофизические параметры.
В пользу подхода, связывающего возникновение І^шума с наличием дефектов, которые представляют собой некоторые образования кристаллической решетки образца, свидетельствует анализ многих экспериментальных данных, см., например [40, 44]. Обнаружено, что интенсивность фликкерных флуктуации растет с увеличением числа дефектов в образце.
Наблюдаемое в экспериментах изменение интенсивности \lf шума после влияния жестких излучений, при отжиге и старении образца, а также влияние структурных факторов на интенсивность 1//"шума могут также быть объяснены изменением числа дефектов, формирующих шум в образце.
В работе проведено исследование процессов диффузии примеси и анализ энергий активации диффузии с целью проверки выдвинутой гипотезы о диффузионной природе бистабильного дефекта. Выполнен поиск возможных бистабильных дефектов и уточнены их свойства.
В электронных приборах часто наблюдается смесь фликкерного шума со случайным телеграфным процессом (СТП). Наличие СТП приводит к появлению в спектре компоненты, имеющей лоренцев вид, которая может преобладать над фликкерной составляющей. Наличие нескольких СТП разной интенсивности может привести к промежуточным значениям параметра формы спектра от 1 до 2. Причины возникновения СТП, как правило, связаны с несовершенством структуры при-
бора. СТП могут возникать из-за микропробоев образца или наличия нестабильных комплексов, которые, в свою очередь, приводят к нестабильности работы прибора.
Цели диссертации
Основные цели настоящей работы:
- на примере детально изученных GaAs эпитаксиальных пленок развитие модели
(бистабильных дефектов) объемного происхождения \lf шума (флуктуации
удельного сопротивления образца). Получение дополнительной информации о
природе и свойствах бистабильных дефектов;
-определение возможностей биспектрального анализа в качестве нового метода исследования природы І/f шума;
- исследование прототипов планарных субмикронных GaAs полевых тран
зисторов с затвором Шотки;
-разработка модели для описания семейства вольтамперных характеристик планарных полевых транзисторов Шотки, которая позволила бы уточнить электрофизические параметры образцов и размеры активной области канала (расположенной под затвором) в зависимости от прикладываемых напряжений, необходимые для шумового анализа;
-определение интенсивности шума, обусловленного бистабильными дефектами, расположенными в разных участках проводящей области (между истоком и затвором, стоком и затвором и под затвором);
исследование параметра формы спектра шума для выявления потенциально ненадежных образцов;
совместный анализ изменения электрофизических параметров и \/f шума в результате естественного старения транзисторов.
Краткое содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, двух приложений, списка цитируемой литературы, а также списка условных обозначений.
Первая глава диссертации имеет базисный характер. Она содержит сравнительный анализ компонент подвижности, обусловленных рассеянием на решетке, ионизованных атомах, а также на диполях. Представлены результаты исследования, направленного на выявление природы l/fmyua GaAs эпитаксиальных пленок. В основу положена модель бистабильных дефектов, в рамках которой выполнялся поиск возможных бистабильных дефектов. Исследован биспектр 1//"шума, обнаружена низкая точность измерений, недостаточная для получения достоверной информации из биспектрального анализа.
В разделе 1.1 рассмотрены компоненты полной подвижности электронов, обусловленные рассеянием на решетке, ионизованных атомах и диполях. Проведен сравнительный анализ интенсивностей рассеяния трех представленных механизмов.
В разделе 1.2 рассмотрена модель l/fmyua, в которой предполагается, что шум генерируется бистабильными дефектами в кристаллической структуре полупроводника. Стохастические переключения состояний дефекта описываются энер-
гетической диаграммой, которая в упрощенном виде может быть представлена двухуровневой системой (ДУС). Они приводят к изменениям электрофизических параметров прибора, имеющим характер случайного телеграфного процесса. Ансамбль дефектов в полупроводнике при определенных условиях образует НЧ шум со спектром вида \lf.
В разделе 1.3 приведено описание геометрических и электрических параметров исследуемых GaAs эпитаксиальных пленок, а также метода их изготовления и дальнейшей обработки (облучения и отжига).
В разделе 1.4 представлены результаты исследования температурных зависимостей концентрации и полной подвижности электронов в рассматриваемых пленках. Из первой зависимости определены концентрации доноров и акцепторов до облучения - 1,7-101б/10,4см~3 и после облучения и отжига -1,46-10,6/2,6-1014см~3. Из анализа полной подвижности в дополнение к рассеянию на решетке и донорах/акцепторах выявлено наличие дополнительного механизма рассеяния. Выполнены оценки концентрации избыточных рассеивателей в предположении, что ими могут быть диполи, образованные донорно-акцепторными парами.
В разделе 1.5 представлены результаты измерения спектра 1#*шума пленок. Для него в рамках модели бистабильных дефектов выполнены оценки компоненты полной подвижности электронов, обусловленной рассеянием на одном дефекте. Предполагается, что дефекты сформированы избыточными дефектами, выявленными при исследовании температурной зависимости полной подвижности. В качестве избыточной примеси рассмотрены диполи, образованные донорно-акцепторными парами.
В разделе 1.6 исследуются биспектральные характеристики 1//шуш эпитаксиальных пленок. На примере дефектов, концентрация которых определена из исследования температурной зависимости полной подвижности, выполнена оценка модуля биспектра в модели пуассоновского І^шума. В точке (1 Гц, 1 Гц) она оказалась примерно в 100 раз меньше измеренного биспектра.
В этом разделе также выполнена оценка статистической ошибки измерения биспектра НЧ шума в GaAs пленках. Выявлена неудовлетворительно низкая точность биспектрального анализа в данных измерениях.
