Автореферат (Разработка конструкторско-технологических методов и средств повышения надёжности смесителей радиосигналов на основе резонансно-туннельных диодов), страница 3

Это связано с тем, что атомы Al и Si имеют сходные массы и размеры ирасполагаются в подрешетке галлия (при степенях легирования менее 5·1018 см-3).Основной количественной характеристикой скорости диффузионных процессовявляется коэффициент диффузии D. С учетом эффекта уровня Ферми полученосоотношение:,(n) =,(n ) ∙,(1)где DAl,Si(n), DAl,Si(ni) – коэффициенты диффузии Al и Si в n-легированном исобственном GaAs; n и ni – концентрации электронов в зоне проводимости исобственных носителей заряда, см-3.В качестве объекта моделирования был выбран субгармонический смеситель(СГСМ). Основным достоинством СГСМ является работа на комбинационнойсоставляющей вида: f ПЧ  2  f Г  f C .

Это позволяет уменьшить частоту гетеродина в двараза и понизить влияние шумов гетеродина, за счет того, что для них требуется меньшаямощность гетеродина (до 10 раз по сравнению с обычными смесителями). Кроме того,общее число элементов в СГСМ может быть уменьшено, обеспечивая большуюнадежность и стабильность характеристик. Расчет диффузионных процессов в РТС иприконтактных областях и моделирование ВАХ РТД реализованы в программнорасчетном комплексе dif2RTD, расчёт выходных электрических параметров смесителяпроводился в Microwave Office.Зависимость контактного сопротивления RС AuGeNi омических контактов отвремени и температуры может быть описана следующим образом:,(2)где RС0 – контактное сопротивление сразу после изготовления, Ом; γ –коэффициент, зависящий от конструкции и технологии изготовления омическихконтактов, Ом·с-0,5; k – постоянная Больцмана; T – температура, К; t – время, с.Сопротивление приконтактных областей Rn-n+ , представляющих собой слоиарсенида галлия со степенью легирования кремнием от 7·1016 до 5·1018 см-3, слабоменяется в результате диффузии, поскольку перераспределение кремния в данных слояхне оказывает существенного влияния на суммарное сопротивление приконтактнойобласти.

Коэффициенты диффузии Al и Si показывают качество изготовления AlAs/GaAsРТГС. Коэффициент γ отражает скорость диффузионной деградации и соответствующеекачество омических контактов, зависящее от их конструкции и технологии изготовления.6На первом этапе данных исследований была проведена оценка влияниядиффузионных процессов в наноразмерных AlAs/GaAs РТС на ВАХ РТД и выходныеэлектрические параметры СмР (Рисунок 1а и 1в).

На втором этапе была проведенаоценка влияния контактного сопротивления AuGeNi омических контактов (точнеекоэффициента γ, определяющего их скорость деградации) на ВАХ РТД и выходныеэлектрические параметры смесителей радиосигналов (Рисунок 1б и 1г).Во второй части главы проведено исследование влияния технологическихпогрешностей на форму ВАХ РТД и выходные электрические параметры смесителейрадиосигналов. По литературным данным при изготовлении AlAs/GaAs РТГС методомМЛЭ погрешности изготовления по толщине слоев и химическому составу составляютот 1 до 2 %. Фактически это соответствует следующим значениям: погрешностьизготовления по толщине ± 2 монослоя и погрешность химического состава, приводящаяк изменению высоты барьера на ± 0,1 эВ.Установлено, что уменьшение толщины и высоты слоя AlAs (барьер) при прочихнеизменных характеристиках рассмотренной AlAs/GaAs РТГС влечет за собойзначительное увеличение потерь преобразования L, тогда как уменьшение толщины слояGaAs (яма) сопровождается снижением номинальных значений L и расширениемдинамического диапазона (увеличением коэффициента 1дБ-компрессии K1dB).Рисунок 1.

ВАХ РТД (а, б) и потери преобразования СГСМ (в, г) в зависимости откоэффициента диффузии Al в GaAs (а, в) и коэффициента γ ОК (б, г)В третьей части главы проведена оценка влияния на деградацию РТС иприконтактных областей следующих технологических факторов: температурвыращивания и отжига. AlAs/GaAs РТГС могут быть изготовлены методом стандартнойМЛЭ при температуре подложки 600 °С с последующим отжигом при температуре800 °С в течение 30 с, а также методом НТ-МЛЭ при температуре подложки от 150 до7400 °С. Выявлено, что концентрация дефектов в GaAs ГС, выращенных методомстандартной МЛЭ, уменьшается примерно в 100 раз в результате проведения отжига притемпературе 800 °C.

Похожая ситуация также характерна для GaAs ГС, выращенныхметодом НТ-МЛЭ, в этом случае концентрация дефектов уменьшается с 1·1020 см-3 до1·1018 см-3. При этом концентрация дефектов в AlAs/GaAs РТГС, выращенных методомстандартной МЛЭ, примерно в 1·105 раз меньше, чем в выращенных методом НТ-МЛЭ.Таким образом, в данной главе раскрыты особенности закономерностейформирования постепенных отказов СмР на основе РТД, в основе которых лежатдеградационные процессы в структуре РТД: диффузия Al и Si в РТГС (происходитпреимущественно по отрицательно заряженным вакансиям галлия третьей степени) идиффузионное размытие структуры ОК. Определено, что диффузионные процессы внаноразмерных AlAs/GaAs РТС и AuGeNi ОК оказывают существенное влияние наизменение формы ВАХ РТД, выходные электрические параметры и, соответственно,надежность СмР.

Показано, что в зависимости от технологических особенностейизготовления коэффициенты диффузии Al и Si в GaAs существенно отличаются друг отдруга. Так температура МЛЭ, а также температура и время проведения отжига являютсяключевыми факторами, определяющими концентрацию дефектов в РТС иприконтактных областях и, соответственно, коэффициенты диффузии Al и Si в GaAs.Аналогично от технологии изготовления зависит коэффициент γ ОК. Эти коэффициенты(D и γ) определяют скорость деградации ВАХ РТД и потерь преобразования СмР.Поэтому для оценки влияния технологического процесса изготовления на модификациюсвойств РТГС и ОК смесительных РТД требуется определение коэффициентов диффузииAl и Si в GaAs, а также коэффициентов γ, показывающих скорость деградации ОК.Глава 3.

Экспериментальные исследования влияния технологическогопроцесса изготовления на модификацию свойств резонансно-туннельнойгетероструктуры и омических контактов смесительных РТДВ первой части главы приведены методики и оборудование для проведенияисследований влияния технологического процесса изготовления на модификациюсвойств, связанных с интенсивностью диффузионных процессов, AlAs/GaAs РТГС(характеризуется коэффициентами диффузии Al и Si в GaAs) и омических контактов РТД(характеризуется коэффициентом γ ОК).Методика оценки коэффициентов диффузии структурно состоит из следующихосновных этапов: измерение наноразмерных AlAs/GaAs РТГС методом ИК-СЭ до ипосле термического воздействия, построение эллипсометрической модели, определениепрофиля распределения Si в резонансно-туннельных гетероструктурах, расчеткоэффициентов диффузии исходя из найденного профиля.Исследование РТГС проводилось на ИК-спектральном эллипсометре IR-VASEкомпании J.A.

Woollam Co., Inc. в диапазоне длин волн от 300 до 3000 см–1 приспектральном разрешении 4 см–1 и углах падения излучения на образец от 55º до 80º.Эллипсометрические исследования состоят из следующих основных этапов: получениеэкспериментальных данных (спектры Ψ и Δ), создание эллипсометрической модели(оптические константы и толщины слоев), корректировка параметров модели дляполучения наилучшего совпадения экспериментальных и сгенерированных на базе этоймодели данных, получение требуемых результатов исследования.Методика определения коэффициента γ ОК включает в себя следующие основныеэтапы: измерение ВАХ РТД до и после термического воздействия, расчет γ посредствомобработки экспериментальных данных по динамике ВАХ РТД.

Для измерения ВАХ РТД8использовался микрозондовый стенд, состоящий из микрозондового устройства,источника питания Agilent Е3641А и персонального компьютера. Комплекс позволяетизмерять ВАХ РТД с точностью по напряжению ΔU = ± 1 мВ и току ΔI = ± 10 мкА.Термическое воздействие на смесительные РТД и AlAs/GaAs РТГС былореализовано с помощью электропечи сопротивления СНОЛ 6/11 (диапазон температур от50 до 1150 °C с точностью ± 5 °C). При этом температура и длительность отжигарассчитывались с учетом степени легирования и данных о физически допустимыхтемпературах для конструкции радиоэлектронной аппаратуры.Во второй части главы приведены результаты отработки методики исследованийметодом ИК-СЭ на IR-VASE.

Отработка проводилась с использованием наноразмерныхмодельных органических и металлоорганических гетероструктур.Третья часть главы посвящена экспериментальным исследованиям влиянияпараметров технологического процесса изготовления наноразмерных AlAs/GaAs РТГСметодом МЛЭ на скорость деградационных процессов в этих структурах, определяемуюкоэффициентами диффузии Al и Si в GaAs. В основе данных экспериментальныхисследований лежат исследования методом ИК-СЭ двух наноразмерных гетероструктур,отличающихся температурой подложки при эпитаксиальном росте: GaAs (20 нм) / n-GaAs (nSi = 2·1017 см-3, 100 нм) / GaAs (300 нм) / GaAs (подложка450 мкм) – ГС № 1 (температура МЛЭ 650 °С); n-GaAs (nSi = 5·1018 см-3, 100 нм) / n-GaAs (nSi = 2·1017 см-3, 30 нм) / GaAs (1,5 нм) /AlAs (1,7 нм) / GaAs (4,5 нм) / AlAs (3,0 нм) / GaAs (10,0 нм) / n-GaAs(nSi= 2·1017 см-3, 30 нм) / n-GaAs (nSi = 5·1018 см-3, 100 нм) / GaAs (подложка450 мкм) – ГС № 2 (температура МЛЭ 600 °С).Термическое воздействие на ГС № 1 проводилось при температуре 530 °C,давлении p = 10-4 Па в течение 2 ч.

Для ГС № 2 оно проводилось при температуре 300 °Cв течение 4, 6, 8 и 10 ч (суммарное время отжига 28 ч) в воздушной среде.Построение эллипсометрических моделей исследуемых гетероструктур всовокупности с анализом выявленных изменений эллипсометрических параметров Ψ и Δдо и после термических испытаний (Рисунок 2) позволило выявить диффузионноеразмытие слоев, входящих в состав рассматриваемых ГС. Исходя из литературныхданных энергия активации диффузии Al и Si в GaAs была выбрана равной 3,5 эВ (2).

Наоснове этого были определены предэкспоненциальные множители (D0) для исследуемыхгетероструктур. Для ГС № 1 D0 оказался равен 0,17 см2/c, для ГС № 2 - 0,22 см2/c.Предэкспоненциальные множители отличаются друг от друга на 30 %. Этосвидетельствует о том, что технологические параметры (в данном случае температураМЛЭ) влияют на качество изготовления (коэффициент диффузии) РТГС.В четвертой части главы приведены результаты экспериментальных исследованийвлияния параметров конструкции и технологии изготовления AuGeNi омическихконтактов РТД на скорость их диффузионной деградации.

В ходе этого были проведеныисследования двух партий РТД, отличающихся как параметрами конструкции, так итехнологией изготовления. Партия № 1 включала в себя двадцать РТД, партия № 2 –тридцать два. Термическое воздействие на РТД проводилось при температуре 300 °C втечение 150 ч для партии № 1 и в течение 1, 2, 5, 9 и 10 ч (суммарное время термическоговоздействия 27 ч) для партии № 2. В результате для обеих партий были получены ВАХРТД до и после термических воздействий и затем проведена их статистическаяобработка. На рисунке 3 приведены усредненные по партиям экспериментальные ВАХ.Данные результаты позволили определить коэффициент γ, который отражает скорость9диффузионной деградации омических контактов и входит в выражение (2) зависимостиконтактного сопротивления AuGeNi ОК от времени и температуры. Для партии № 1коэффициент γ оказался равен 408,2 Ом/с0,5, а для партии № 2 – γ = 25 Ом/с0,5.Коэффициенты γ, показывающие скорость деградации ОК, отличаются более чем в16 раз.