Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Приборы с акустическим переносом заряда . 9
1.1. Вводные замечания. Пьезоэлектрические свойства GaAs 9
1.2. Конструктивные особенности приборов с акустическим переносом заряда 12
1.3. Особенности акустического переноса заряда в GaAs 18
1.4. Выводы по гл.1 24
Глава 2. Анализ электромеханической задачи о распространения пав в кристаллах арсенида галлия 26
2.1. Вводные замечания 26
2.2. Постановка задачи и решение для волны релеевского типа 27
2.3. Влияние заряда на параметры акустоэлектрической волны, ослабление и усиление ПАВ30
2.4. Акустический перенос заряда, влияние встроенного поперечного поля... 35
2.5. Выводы по гл.2 38
Глава 3. Моделирование параметров гетероструктур на основе арсенида галлия для акустического переноса заряда . 40
3.1. Постановка задачи 40
3.2. Расчет зонной диаграммы гетероструктуры на основе Al-GaAs 41
3.3. Расчет и оптимизация параметров гетероструктуры 45
3.4. Моделирование инжекции носителей заряда в канал переноса 49
3.5. Влияние тока инжекции на амплитуду сигнала акустического переноса.. 53
3.6. Выводы по гл .3 58
Глава 4. Экспериментальное исследование опытного образца прибора с переносом заряда .60
4.1. Конструктивно-технологические особенности изготовления приборов с переносом заряда на гетероструктуре Al-GaAs 60
4.2. Методика проведения измерений 67
4.3. Результаты исследования опытного образца прибора с переносом заряда 73
4.4. Экспериментальное исследование влияния инжектированных зарядов на параметры акустоэлектрическои волны 74
4.5. Выводы по гл.4 78
Основные результаты и выводы 80
Список литературы 82
- Конструктивные особенности приборов с акустическим переносом заряда
- Постановка задачи и решение для волны релеевского типа
- Расчет зонной диаграммы гетероструктуры на основе Al-GaAs
- Результаты исследования опытного образца прибора с переносом заряда
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время в акустоэлектронике продолжает интенсивно развиваться направление, связанное с переносом зарядовых пакетов электрическим полем поверхностной акустической волны (ПАВ). Осуществлены эксперименты по переносу отдельных электронов акустоэлектрическим полем волны и измерены кванты электрического тока J = ev (є - заряд электрона, v частота ПАВ). Недавно предложена одна из практических конструкций квантового компьютера, в которой в качестве процессора предлагается использовать акустоэлектрический канал переноса, сформированный в гетероструктуре на основе GaAs. Акустический канал переноса является основным элементом акустоэлектронной ИС. Внутри канала преобразованные электромагнитные сигналы распространяются со скоростью звука, т.е. замедляются в 105 раз, что дает возможность обрабатывать их в процессе распространения в реальном масштабе времени.
Диоды Шоттки, сформированные на внешней поверхности акустического канала, можно использовать для инжекции информационных носителей в акустический канал, где их концентрация будет автоматически дискретизироваться впадинами электрического поля волны и переноситься со звуковой скоростью вдоль акустического канала. На этом эффекте уже создан новый класс приборов функциональной электроники - приборов с акустическим переносом заряда (ПАПЗ).
ПАПЗ по конструкции проще и надежнее известных приборов с зарядовой связью (ПЗС), у них отсутствует многоэлектродная структура управления переносом, функции, которой выполняет акусто-электрическая волна. По быстродействию ПАПЗ превосходят ПЗС почти на три порядка. Ранее на ПЗС было изготовлено множество функциональных устройств обработки электромагнитных сигналов. Однако, из-за трудностей при реализации системы управляющих электродов с очень малым шагом и большой емкости многоэлектродной системы, практически трудно реализовать устройства с тактовой частотой выше 10 Мгц.
Несмотря на довольно широкое развитие и применение технологии акустического переноса заряда (АПЗ) за рубежом, в России эта технология не используется и не развивается. В отечественной литературе отсутствуют сведения об экспериментальных и теоретических исследованиях эффекта АПЗ в гетероструктурах на основе арсенида галлия, на которых зарубежными исследователями была достигнута максимальная эффективность переноса. Однако по-прежнему вопросы повышения эффективности переноса заряда, расчета оптимальных параметров гетероструктур для создания приборов являются весьма актуальными.
Целью диссертационной работы явилось моделирование, создание и экспериментальное исследование АПЗ в опытных образцах гетероструктур на основе арсенида галлия. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- рассчитаны и оптимизированы геометрические и электрические параметры гетероструктур;
- разработан технологический маршрут изготовления гетероструктур с АПЗ и созданы тестовые образцы;
- учтено влияние свободных носителей в канале на эффективность АПЗ в направлении [ПО], в котором наблюдается максимальное значение коэффициента электромеханической связи;
- теоретически исследована возможность усиления поверхностной акусто-электрической волны продольным и поперечным электрическим полем;
- создана методика измерения и измерены параметры опытных образцов. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих результатах:
1. На основе анализа уравнений электромеханической задачи для GaAs установлена зависимость коэффициента затухания и усиления ПАВ от продольного и поперечного полей.
2. Предложен метод расчета параметров гетероструктур для приборов с переносом заряда акустической волной.
3. Разработана методика исследования параметров для опытных образцов приборов с переносом заряда акустической волной.
4. Проведено измерение параметров опытных образцов. Практическая ценность работы:
1. Разработан технологический маршрут изготовления опытных образцов ПАПЗ на основе GaAs.
2. Впервые в России изготовлены опытные образцы ПАПЗ
3. Разработан и изготовлен стенд для измерения параметров АПЗ. Измерены параметры опытных образцов ПАПЗ.
Результаты диссертационной работы использованы в трех НИР, выполняемым на кафедре Квантовой физики и наноэлектроники по научно-техническим проектам в рамках федеральных целевых научно-технических программ «Физика конденсированного состояния» Г.Р. №01.200.209953, 2002 г. и "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы Г.Р. №01.200.213502, 2002 г., №01.200.209952, 2002г.
Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач исследований, обосновании и выборе методов их решения. Им проведен подробный анализ публикаций по теме диссертации и поставлены задачи исследования. Автором выдвинут ряд конкретных предложений для теоретического обоснования результатов измерений. Им при помощи моделирования обоснован выбор необходимых параметров гетероструктур, спроектирован опытный кристалл для экспериментального исследования АПЗ, разработана методика измерений и измерены параметры опытных образцов. На защиту выносится:
1. Метод использования эффективного параметра распространения для анализа электромеханической задачи о распространении ПАВ в GaAs.
2. Влияние продольного и поперечного полей на коэффициент затухания и усиления ПАВ.
3. Оптимизация толщин слоев гетероструктуры и концентрации примесей в каждом слое с целью создания гетероструктур с требуемым профилем зонного потенциала.
4. Исследование эффекта АПЗ в опытных образцах с заданным распределением зонного потенциала.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международных научно- технических конференциях: «Электроника и информатика-21 век», Москва, 2000 г., «Электроника и информатика 2002», Москва, 2002 г., «Micro- and nanoelectronics-2003» Звенигород 2003г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе три статьи, три доклада на Международных научно-технических конференциях, три научно-технических отчета по НИР.
Конструктивные особенности приборов с акустическим переносом заряда
Генерация ПАВ возможна различными способами. Самый распространенный и эффективный способ возбуждения связан с использованием встречо-штыревых преобразователей (ВШП). Впервые о ВШП заявили одновременно W.S.Mortley и J.H.Rowen в своих патентах в 1963году [5]. Первая экспериментальная реализация проведена в 1965 году R.M.White и F.W.Voltmer [6]. Для возбуждения ПАВ в пьезоэлектрике достаточно подать переменное напряжение на два параллельных металлических электрода, нанесенных на поверхность кристалла. Это напряжение возбудит ПАВ которую можно принять другой парой электродов. Конструкция ВШП позволяет когерентно возбуждать несколько пар электродов, расположенных так, что одна пара входит в другую. Каждая пара электродов возбуждает волну Рэлея, а расположение пар подбирается таким образом, чтобы волна проходила расстояние между парами электродов за время, равное периоду переменного напряжения. Чем больше длина преобразователя, тем меньше допускается изменение частоты, при которой сигнал, излученный на одном конце, не будет совпадать по фазе с сигналом от другого конца. Малый коэффициент электромеханической связи у арсенида галлия предполагает довольно большое количество пар штырей для эффективного возбуждения, что заставляет искать компромисс между вносимыми потерями при возбуждении и рабочим диапазоном частот. Так, относительная ширина полосы пропускания при минимально вносимых потерях у арсенида галлия составляет только 2,8% [7] по сравнению с 4,5% для ST кварца и 23,6% для ниобата лития [8]. Можно увеличить относительную полосу пропускания при акустическом контакте арсенида галлия с более пъезоактивным материалом, или нанесением на его поверхность пленки более активного пьезоэлектрика: ZnO, ВаТіОз, РЬТі03 или PZT [9]. Увеличение полосы до 9 % получено путем осаждения пленки оксида цинка [10]. Оутс и Беккер показали [11], что сдвиговые объемные волны в арсениде галлия эффективно преобразуются в поверхностные. С помощью сложной конструкции крепления преобразователя сдвиговых объемных волн на ниобате лития к торцу пластины арсенида галлия авторам удалось достигнуть рекордной полосы пропускания в 91%. Однако сложность конструкции существенно затрудняет ее техническую реализацию. Осаждение тонких пленок ZnO ведет к дополнительным дисперсионным потерям и трудностям контроля.
Полупроводниковые свойства арсенида галлия также усложняют проблему преобразования. Существующие свободные носители заряда экранируют электрический потенциал волны [12], приводя к уменьшению эффективности преобразования. Контактная разность потенциалов осаждаемого металла и полупроводника также приводит к возникновению потенциальных барьеров Шоттки и, соответственно, дополнительных паразитных емкостей. Современное состояние технологии полупроводников позволяет сформировать рисунок ВШП порядка 0.8 микрона, что ограничивает частотный диапазон работы приборов, но позволяет достичь частоты в несколько ГГц.
Вероятно, наиболее интересное и перспективное применение поверхностные акустические волны в полупроводниковых материалах нашли в приборах с акустическим переносом заряда. Акустический перенос заряда [АПЗ] является результатом взаимодействия свободных носителей зарядов (электронов и дырок), имеющихся в полупроводнике, с потенциалом поверхностной волны.
Приборам с АПЗ предшествовали приборы с переносом заряда [ППЗ], которые нашли довольно широкое применение в электронике. Отличительным признаком таких приборов является то, что в них передача информации между входом и выходом осуществляется при помощи управляемого переноса заряда. Во всех этих устройствах в течение тактового промежутка времени записывается заряд, пропорциональный входному сигналу, который с минимальными потерями переносится к выходному регистру и формирует на нем выходной сигнал. Разработано и широко используется несколько типов приборов с переносом заряда. Это приборы с зарядовой связью (ПЗС) [13], устройства типа «пожарная цепочка» (УПЦ) [14], устройства единичного переноса (УЕП) [15].
Принцип работы ПЗС основан на хранении неосновных носителей в обедненной области на поверхности полупроводника под специально сформированной системой электродов типа МДП. Перенос заряда осуществляется путем подачи на электроды электрических сигналов с определенной тактовой частотой, от которой зависит скорость перемещения потенциальных ям вдоль направления переноса. Введение заряда можно осуществлять, пропуская электрический ток через управляющие электроды или освещая устройство. Это позволяет создать линейку или матрицу фотоприемников, регистрирующих изображение.
Принцип работы УПЦ заключается в следующем. УПЦ представляет собой цепочку полевых транзисторов. Заряд передается по этой цепочке. Транзисторы соединены следующим образом: исток одного соединен со стоком предыдущего, а сток - с истоком последующего. Сигнал синхронизации подается на затвор. Заряд хранится на межэлектродной емкости сток- затвор (емкость перекрытия) и перетекает при подаче управляющего напряжения на затворы. смещения. Время хранения записанной зарядовой решетки определяется только токами утечки диодов, которые в связи с обратным смещением весьма малы, а длительность запоминаемого сигнала определяется временем распространения ПАВ в области взаимодействия с диодами. Явными недостатками гибридных приборов являются следующие: - сложность изготовления равномерного зазора нанометровой ширины; - необходимость оптической полировки материалов; - наличие дисперсии ПАВ в зазоре; - трудность создания интегрированных приборов. Последние достижения технологии получения слоистых структур позволили получить тонкие пленки гетероструктур арсенида галлия непосредственно на сильном пьезоэлектрике - ниобате лития. Вначале на подложке арсенида галлия выращивают гетероструктуру нужного профиля, затем ее снимают, применяя технологию «жертвенного слоя» и накладывают на подложку ниобата лития [22], [23]. Такой конструкция имеет несомненно огромные перспективы в приборном применении, но слишком трудна технология ее изготовления.
Для приборов с переносом заряда идеальным по своим свойствам является GaAs. Вначале перенос заряда наблюдали в структурах на полуизолирующем арсениде галлия [24, 25, 26, 27, 28]. На поверхности чистого арсенида галлия выращивались эпитаксиальные слои рип -типа и создавался широкий
Однако на практике из-за большой емкости многоэлектродной системы управления трудно реализовать устройства с тактовой частотой выше 10 Мгц.
Приборы с переносом заряда акустической волной [17, 18] позволяют увеличить быстродействие на два-три порядка. При достаточной интенсивности ПАВ, можно реализовать ситуацию (ефас kT, (рас - потенциал\ акустоэлектрической волны), когда переносимые носители заряда будут собираться на дне потенциальных ям. «Впрыснутые» в такие ямы информационные носители заряда практически без потерь будут переносится волной со скоростью ПАВ. При этом не требуется системы электродов, так как бегущие потенциальные ямы образуются самой волной. Эта идея была высказана еще в 1976 году [19].
Постановка задачи и решение для волны релеевского типа
Направим ось х, вдоль кристаллографического направления [ПО] на свободной поверхности (100) пластины арсенида галлия. Тогда в лабораторной системе координат уравнения электромеханической задачи, определяемые точечной группой симметрии, имеют вид где соответствующие модули упругости и пьезомодули заданы в кристаллографической системе координат. Уравнениям электромеханической задачи удовлетворяют частные решения для вектора механического смещения - и{и,,0,и3) и электрического потенциала ф вида: где щ(кх3) и Щкх3) - убывающие функции комплексных амплитуд механических смещений и электрического потенциала, описывающие распределение акустоэлектрического поля в приповерхностном слое {х3 0), к волновое число, vs - фазовая скорость волны. Будем считать сначала, что решения (2) системы (1) найдены для идеального пьезоэлектрика. В этом случае они должны удовлетворять уравнению Для акустоэлектрической волны (2) вектор электрического поля Е(Е,,0,Е3) поляризован в сагитальной плоскости. Компоненты вектора индукции D(D,,0,D3)b лабораторной системе координат имеют вид: условиям на свободной поверхности х3 = 0: - равенства нулю акустоэлектрических напряжений - непрерывности электрического потенциала волны; - непрерывности нормальной составляющей вектора электрической индукции. Волна типа (2) создает только два напряжения на площадку, перпендикулярную нормали к поверхности х3 = О Подставляя в уравнения (1) и (5) выражения (2) и удовлетворяя граничным условиям (6), можно найти в явном виде убывающие вглубь подложки однородные функции комплексных амплитуд ut{kx3) и ф(кх3) и определить фазовую скорость vs точно также, как это делается для волн Релея. Эта задача может быть решена только численно [61]. В решении (2) к=к0-2п1Х действительное число, поэтому оно соответствует незатухающей акустоэлектрической волне. Из системы уравнений (1) и (5) можно найти связь между комплексными амплитудами акустоэлектрической волны. Из условия равенства нулю акустоэлектрических напряжений (6) найдем связь между комплексными амплитудами полей деформаций и электрического потенциала где - эффективный параметр распространения. Из выражений (7), в частности, следует, что поле механических смещений эллиптически поляризовано и решение (2) представляет собой акустоэлектрическую волну релеевского типа. Величину параметра Г можно просто оценить, используя результаты численных расчетов [62]. Она изменяется в интервале от 0.08 до 0.16. Как изменятся частные решения вида (2), если учесть взаимодействие акустоэлектрическои волны с подвижными носителями заряда (электронами и дырками) в пьезополупроводнике? Поверхностная акустоэлектрическая волна, вообще говоря, должна затухать, поскольку электрическое поле волны совершает положительную работу над свободными носителями и его энергия убывает. Для учета взаимодействия со свободными носителями к уравнениям (1) и (5) должны быть добавлены: - уравнение для плотности токов уравнение непрерывности В уравнениях (8) - (10) п - величина средней равновесной концентрации электронов в приповерхностном слое пеьезополупроводника, 8n(x,,x3;t) неравновесная концентрация, генерируемая переменным электрическим полем волны, Ео(Е0,0,0) - напряженность постоянного электрического поля, приложенного в направлении распространения волны. Для простоты в выражение (8) не включен диффузионный ток, а в уравнении непрерывности не учитываются процессы рекомбинации. Покажем, что новой системе уравнений будет также удовлетворять частное решение вида (2), где к является комплексным числом, мнимая часть которого определяет затухание или усиление акустоэлектрической волны в направлении распространения. Поскольку 0»jVcp, можно линеаризовать выражение (8) для плотности тока, исключив в правой части слагаемое, содержащее произведение 5п V p, и перейти к комплексным амплитудам в уравнениях (4), (7) -(10) - параметр дрейфа, vd - дрейфовая скорость в поле Е0, и подставим выражение (15) в уравнение (14) Это уравнение отличается от соответствующего ему уравнения (5) для комплексных амплитуд в идеальном пьезоэлектрике лишь заменой действительной величины диэлектрической проницаемости Е на комплексную величину где т =єє0/а - максвелловское время релаксации, со - круговая частота. Все остальные уравнения системы (1) и (5) и граничные условия не изменяются, поэтому решения (2) будут описывать акустический перенос свободных электронов, если в них подставить вместо є выражение ъ((й,у) из (17). Так, изменение фазовой скорости, обусловленное переносом заряда, равно где г) - величина коэффициента пьезоэлектрической связи в идеальном пьезоэлектрике. Из выражения(18) найдем изменение волнового числа к пренебрегая дисперсией фазовой скорости, обусловленной переносом заряда: Волновое число к = к +ik , как и следовало ожидать, оказалось комплексным, его положительная мнимая часть - к"характеризует затухание волны (2) в направлении распространения. Из (18) и (19) находим к" является нечетной функцией параметра дрейфа. При у 0, когда дрейфовая скорость меньше скорости акустоэлектрическои волны, волна затухает; при у =0 эти скорости равны, и затухание отсутствует; при у 0 затухание сменяется усилением, это происходит тогда, когда дрейфовая скорость становится больше скорости акустоэлектрической волны. Если у = 1 (нет тянущего поля), то затухание максимально при условии сот 1. При фиксированной частоте этому условию легко удовлетворить, если приложить поперечное электрическое поле, обедняющее приповерхностный слой, и тем самым увеличивающее время максвелловской релаксации. В работе [62] величина этого поля равнялась -8В, при этом наблюдалась лоренцовская зависимость кривой поглощения в соответствии с выражением для к"(ш%) в (20). Из формулы (20) следует, что при фиксированном значении сот максимальное усиление соответствует значению у = -(ип) , при этом максимальное по модулю значение к" равно Комплексные амплитуды акустоэлектрической волны (1) на единице длины распространения возрастут в cxpj(co/vs)ri раз. Используя выражения (11) и (15), найдем амплитуду плотности дрейфового акустоэлектрического тока в направлении распространения волны И, наконец, найдем связь между амплитудами плотности тока и амплитудными величинами напряженности акустоэлектрического поля волны
Расчет зонной диаграммы гетероструктуры на основе Al-GaAs
Электростатический профиль зонного потенциала в окрестности границ слоев гетероструктуры определяется из решения уравнения Пуассона. е - заряд электрона, є - диэлектрическая проницаемость (для простоты считается независящей от координаты), п(х) - распределение концентрации электронов, Np(x) - концентрация ионизованных доноров, х - координата в направлении нормали к плоскости слоя. Если в окрестности слоев несущественны эффекты размерного квантования, то I - интеграл Ферми, F - энергия Ферми, Ес(х) - энергия дна зоны проводимости, определяемая как невозмущенным значением энергии слоя - Ес0, так и локальным значением электростатического потенциала Концентрация ионизованной примеси определяется выражением D 5 - энергия ионизации примеси. При решении уравнения (35) использовались граничные условия, соответствующие двум типам контактов между различными слоями гетероструктуры - омическому или контакту Шоттки (с заданной величиной барьера). Металлический контакт на поверхности (служащий для управления) формирует барьер Шоттки где U - приложенное к структуре внешнее напряжение, (рь - контактная разность потенциалов, определяемая свойствами металла и полупроводника. Для GaAs ее величина слабо зависит от свойств металла и составляет примерно 0,7В. На свободной поверхности, из-за поверхностных состояний, возникает барьер такой же величины. На достаточном удалении от поверхности в области подложки (формально на бесконечности) состояние определяется из условия равновесия, и граничное условие имеет вид разностях принимает вид
Поскольку уравнение нелинейное, и в классическом случае концентрация электронов и ионизованных примесей определяется локальным значением потенциала, то для его решения удобно использовать итерационные методы Ньютона. Значение производной на j-ой итерации при этом определяется соотношением
Для повышения эффективности численного алгоритма удобно воспользоваться аппроксимацией выражения для концентрации электронов (36) в виде)
Из первого граничного условия следует а2 =0, /32 = ф(0), используя это, можно с помощью(48) последовательно найти все а и Д Из второго краевого условия находим фм+1=(Рот , а затем по формуле (47) находим потенциалы на данной итерации. Процедура повторяется до достижения требуемой точности.
Такая схема решения уравнения Пуассона является устойчивой и обладает высокой скоростью сходимости. Программа численного счета, основанная на описанной методике, использовалась для расчетов потенциального профиля и оптимизации параметров используемых структур.
Для используемой нами распространенной гетеросистемы первого рода-GaAs-AlxGai_xAs изложенная выше программа позволяет для заданной температуры Т и доли алюминия х вычислить скачки запрещенных зон и высот потенциальных барьеров для электронов и дырок на гетерограницах. Значение эффективной массы электрона должно зависеть от х. Тем не менее, использование расчетов по изложенной выше схеме с единой эффективной массой (массой в яме) дает точность не хуже единиц процентов практически при любых параметрах структур.
Прежде всего, мы выбрали материал для выращивания гетероструктр. Таким материалом наряду с возможностями использования In и А1 был выбран А1. Мы исходили из того, что процесс эпитаксиального роста гетероструктур с алюминием отработан нашей лабораторией гораздо лучше, чем с индием. Параметры приборов с акустическим переносом зарядов на гетероструктурах с In, судя по литературным данным, не сильно отличаются от аналогичных параметров на гетероструктурах с А1. В качестве подложки при выращивании гетероструктур были взяты пластины полуизолирующего арсенида галлия, выращенного методом Чохральского и компенсированного хромом. Из-за технологических ограничений при выращивании эпитаксиальных структур в лаборатории ФИАНа были использованы пластины с диаметром 40 мм. На поверхности подложки выращивался буферный слой чистого арсенида галлия с толщиной порядка 2 мкм для того, чтобы отстроиться от поверхностных дефектов подложки и улучшить стехиометрические параметры наращиваемых слоев. Поверх буферного слоя выращивался слой широкозонного алюминия. Этот слой необходим для дальнейшего формирования канала переноса. Разность ширин запрещенных зон А1 и GaAs позволяет создать встроенный потенциальный барьер, который будет удерживать носители, переносимые потенциалом волны, в канале переноса. Варьируя толщиной и концентрацией носителей в этом слое, в результате моделирования мы добились практически полного отсутствия свободных электронов в канале переноса, причем при изменении потенциала на прямосмещенном диоде Шоттки, в канал могли инжектироваться электроны только из верхнего слоя, и не было бы паразитной инжекции из низлежащего слоя. Согласно расчетам, оптимальная толщина слоя равна 700А, концентрация электронов в нем - 4 - 1016см"3. Далее выращивается канал переноса. Это слой чистого арсенида галлия. В главе 2 было показано, что если в канале переноса создать поперечное электрическое поле, при котором дрейфовая скорость носителей заряда достигнет скорости звука, то вдоль канала эти заряды будут переноситься акустоэлектрическои волной со звуковой скоростью. При этом затухание волны минимально, а эффективность переноса стремится к максимальной величине равной единице. При расчете толщины канала и концентрации примеси в нем учитывалось влияние встроенного поперечного электрического поля на эффективность переноса и условия согласования волнового сопротивления канала с сопротивлениями нагрузки и генератора. В результате моделирования для ширины канала была получена оптимальная толщина 700 А при концентрации примеси - 1-1015 см"3. Отметим, что для толщины 700А и рассматриваемых длин ПАВ (X ІОмкм) применимы уравнения макроскопической теории упругости. Для возникновения встроенного поперечного поля, концентрации примеси в слоях, содержащих А1 должны быть различны. Желательно подобрать разность поверхностных концентраций электронов в слоях AlGaAs так, чтобы напряженность электрического поля в канале переноса была 50В/см. В этом поле, подвижности 5-Ю3см2/В-с соответствует дрейфовая скорость электронов, равная фазовой скорости акустоэлектрическои волны. Далее, поверх канала переноса, формировался слой, содержащий алюминий. Толщина и концентрация примеси в нем рассчитывались в соответствии с вышеперечисленными требованиями к каналу переноса. Концентрация в слое AlGaAs оказалась равной 2.5 10 см" , его толщина -400А, содержание алюминия - 25%. Этот слой является источником электронов, инжектируемых в канал переноса. Поверх него наносился так называемый «кап»- слой, содержащий чистый арсенид галлия толщиной 100А. Он еобходим для защиты слоев гетероструктуы от окисления при воздействии внешней среды. В качестве верхнего слоя использовался арсенид галлия n-типа с концентрацией примеси - 2 1018 см"3 и толщиной - 100А. Он необходим для получения надежных омических контактов к слоям гетероструктуры при проведении операции «вжигания».
Результаты исследования опытного образца прибора с переносом заряда
На Рис. 14 показана фотография осциллограммы сигнала, снятого с выходного диода. При исследовании параметров сигнала перенесенного акустической волной от входного диода к выходному очень важно выбрать уровни сигналов инжектирующего диода и сигналов на считывающем диоде. Напряжение обратного смещения на считывающем диоде должно быть таким, чтобы область ОПЗ диода проникала в канал переноса, но не пережимала его , тогда выходной диод будет чувствителен к переносимому заряду. В конструкции нашего прибора с переносом заряда на выходном диоде рабочая точка определялась напряжением обратного смещения 2,3-3 В. При большем напряжении происходило "перекрытие" канала и выходной сигнал уменьшался практически до нуля, а при меньшем - чувствительность являлась недостаточной. При пропускании через входной диод тока инжекции порядка 2 мА на выходном диоде снимается сигнал порядка 0.3 мА (15 мВ на нагрузке 50 Ом при выходном усиление в 25 л). При изменении тока через входной диод от 2 мА до 20 мА увеличение выходного напряжения составляет 0.2 мА (5-7 мВ). При увеличении инжектирующего тока от 25 мА и выше до 80 мА амплитуда выходного сигнала не увеличивается, а идет изменение частоты несущего сигнала за счет изменения скорости волны, как и следовало ожидать [4] при взаимодействии потенциала ПАВ и свободных электронов на величину коэффициента электромеханической связи. При входном токе порядка 70мА сдвиг частоты составляет приблизительно 300 кГц. Расчетная величина составляет 192 кГц. Амплитуда сигнала на входном ВШП UBX =2В. Расчетная I0 при заданном отрицательном смещении - иб на выходном диоде. Результаты измерений представлены на Рис. 15.
На рисунке можно условно выделить 4 участка. Вначале (10 2мА) наблюдается уменьшение потенциала на выходном диоде за счет того, что канал переноса углублен относительно поверхности и при первоначальном смещении носители заряда рассеиваются и не доходят до выходного диода. При этом суммарный потенциал уменьшается, так как уменьшение амплитуды волны, обусловленное взаимодействием со свободными электронами в области входного диода больше, чем увеличение, связанное с перенесенным зарядом. На втором участке (2мА 10 7 мА) мы видим, что уменьшение амплитуды волны компенсируется увеличением за счет перенесенного заряда. На третьем участке (7мА 1о 17мА) увеличение выходного напряжения на диоде за счет тока переносимого заряда превалирует над уменьшением, связанным со взаимодействием электрического поля волны с полем переносимого заряда. На четвертом участке (10 17мА), при больших токах, видим уменьшение суммарного потенциала, связанное с возросшим экранированием электрического поля в области входного диода.
В предложенной методике измерений на выходном диоде фиксируется потенциал, который является суммой потенциала акустической волны - фйС и потенциала pq, создаваемого током переносимого зарядового пакета: В гл. 2 диссертации приведен расчет коэффициента затухания потенциала акустоэлектрической волны, обусловленный ее взаимодействием со свободными носителями заряда в канале. Нами было показано, что коэффициент затухания а на единицу длины канала равен где а- удельная проводимость канала, л - коэффициент электромеханической связи, vs - фазовая скорость волны, еп - абсолютная диэлектрическая постоянная, є - относительная диэлектрическая проницаемость материала канала. Очевидно, тот же самый вид имеет коэффициент затухания для потенциала зарядового пакета, переносимого вдоль канала со скоростью звука. Этот потенциал равен где Q - полный заряд пакета, Q - барьерная емкость обратно смещенного диода Шоттки. Используя стандартный вид вольтамперной характеристики (ВАХ) входного диода Шоттки, оценим величину заряда, инжектируемого в канал. В линейном приближении по параметру ц ас/т(рт, (т 1- параметр качества, фг = кТ/е - тепловой потенциал) представим ВАХ входного диода в виде где I0(UC) - невозмущенный ток через диод при прямом смещении Uc. Временная зависимость переменного акустоэлектрического тока переноса определяется ехрШ, входящей в выражение для tyac(t), поэтому полный осциллирующий заряд волнового пакета равен где Cn = I0/m(u(pT - емкость волнового зарядового пакета, переносимого вдоль канала электрическим полем волны. Как и следовало ожидать, эта емкость обратно пропорциональна температуре и частоте. Объединяя (58), (60) и (62), получим Появление мнимой единицы соответствует тому, что фаза переносимого заряда сдвинута по фазе от потенциала волны к/2, поэтому максимальный отрицательный заряд волнового пакета локализован в положительных полупериодах потенциала волны. При условии сильного обеднения канала в выражение для его удельной проводимости а, входящей в формулу (59) для коэффициента поглощения, следует подставить амплитудное значение концентрации электронов в волновом пакете, которое пропорционально величине силы тока инжекции через входной диод. Тогда для модулей комплексных амплитуд Umx и фис, согласно (63) и (59), получим где коэффициенты р и у не зависят от I0: преобразователя. Для исследуемой Формула (64) правильно описывает наблюдаемую зависимость на каждом из четырех участков. При малых токах /0 величиной (З/ под корнем можно пренебречь по сравнению с единицей, и 0вых экспоненциально убывает с ростом тока инжекции 10. На втором участке функция модуля потенциала достигает минимума - возрастание подкоренного выражения компенсирует убывание экспоненциального множителя. На третьем участке, подкоренное выражение возрастает быстрее, чем убывает экспонента, функция достигает максимума, а затем, на четвертом участке, при больших значениях 10, - вновь убывает как
Аналитический вид вольтамперной характеристики позволяет рассчитать параметры эквивалентных схем приборов с АПЗ и определить их статические и динамические характеристики. Из приведенных характеристик и расчетов для данного конструктивного исполнения ПАПЗ понятно, что рабочую точку прибора нужно выбирать в следующем диапазоне: ток инжекции от 5 до 15 мА, обратное смещение на выходном диоде -2,5 В. Разработаны и изготовлены опытные образцы ПАПЗ и измерены их параметры. Тестовый кристалл содержит входной и выходной диоды Шоттки с «пяткой» 0,5В и устройства генерации поверхностной волны (ВШП) с центральной частотой 286 МГц, числом штырей - 100 шт., апертурой 1000 мкм. Разработан технологический маршрут изготовления опытных образцов ПАПЗ на основе GaAs. Кроме стандартных технологических операций производства схем на арсениде галлия, предложен новый способ изготовления ВШП микронных размеров при соотношении шага к ширине 1: 100. Опробован метод «взрывной» фотолитографии с промежуточными литографиями по SiC 2 и W. Разработана методика исследования параметров опытных образцов приборов с переносом заряда акустической волной. В соответствии с требованиями по чувствительности и уровню допустимых шумов разработан и изготовлен стенд для проведения измерений опытных образцов приборов с АПЗ, позволяющий с точностью до 0.1% задавать несущую частоту и измерять микроамперные токи. Проведено измерение параметров опытных образцов. На частоте 286 МГц измерен переносимый заряд порядка 8-ю 5Кл с эффективностью переноса - 0.9. При задержке сигнала в 1,2 мкс измерен сдвиг несущей с относительной точностью 10 і.
