Диссертация (1144206), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Вторичные электроны совторой и четвертой сеток прилетают на коллектор с энергиями ~ (e|U2 – U4| +εmax) и (e|U4| + εmax), соответственно, однако из-за малого коэффициентавторичной эмиссии не дают существенный вклад в ток коллектора [217] и неприводят к изменению уширения энергетического спектра Δε для ионов.В эксперименте электроны на входе в анализатор имели энергию ≈ 70eV, потенциал второй сетки варьировался от -60 до 120 V.
Для электронов сэнергией в диапазоне 70 ÷ 190 eV коэффициент вторичной электроннойэмиссии с золотых сеток исследуемого планарного энергоанализатора лежитв диапазоне 0,8 ÷ 1,6 в зависимости от угла падения первичного пучка кповерхности [218]. При потенциале второй сетки U2 > 0 вторичныеэлектроны с данной сетки возвращаются обратно и не вносят вклад в токколлектора. Это означает, что форма кривой задержки не зависит от U2 > 0151для значений 0 < U3 < -60 В, что и наблюдалось в эксперименте при U2 = 20 и60 V (рис.88. черные (кривая 1) и красные квадраты (кривая 2).Рисунок 88: Кривая задержки, измеренная с помощью планарного энергоанализатора приразличных значениях потенциала второй сетки: 1 – потенциал U2 = 60 V; 2 – потенциал U2= 20 V; 3 – потенциал U2 = -20 VЕсли потенциал второй сетки U2 отрицательный, то вторичныеэлектроны с сетки долетают до коллектора.
Это приводит к увеличению токаколлектора при U3> U2 (рис. 88, синие квадраты (кривая 3)) и спаду тока приU3 <U2. В дифференциальном энергетическом спектре это выглядит какдополнительный пик вблизи значения e|U2|. Следовательно, вторичныеэлектроны со второй сетки будут влиять на уширение энергетическогоспектра Δε для электронов из источника при U2 ≈ U3. В экспериментах мыограничились U2 ≥ -50 V, чтобы исключить данный фактор.Вторичные электроны с третьей сетки дают вклад в ток коллектора,при |U3| > |U4 – φ|, что в случае планарного энергоанализатора приводит кдвукратному росту тока коллектора (с учетом эмиссии с четвертой сетки) во152всем диапазоне -70 V < U3 < -10 V (рис. 88).
Предположим, что доляпадающих под скользящими углами электронов определяется отношениемплощади шестигранной ячейки (1,96 10-9 m2) к площади внутреннейповерхности (8,25 10-10 m2) k = 2,38, а коэффициент вторичной эмиссии σ =1,6. Тогда ток электронов за счет вторичной эмиссии с третьей и четвертойсеток увеличивается в (k + σ)2/(k + 1)2 ≈ 1,4 раза. На рисунок 89 представленырезультаты численного моделирования планарного энергоанализатора сучетом и без учета вторичной эмиссии с сеток анализатора (рис.
7, кривые 1и 2, соответственно). Для наглядности вычисленные кривые задержкинормированы на единицу. Потенциал второй сетки равен 20 V в обоихслучаях. Из рисунка 89 видно, что учет вторичной эмиссии приводит кувеличению тока коллектора без значительного искажения наклона кривойзадержки в области значений U3 близких к ускоряющему напряжению Uacc = 70 V и, как следствие, уширения Δε дифференциального энергетическогоспектра электронов. Вышеизложенные рассуждения позволяют утверждать,что не учет эмиссии вторичных электронов с сеток энергоанализатора вчисленных расчетах уширения Δε для ионов и электронов является разумнымдопущением.153Рисунок 89: Результаты численного расчета кривой задержки для значенийзадерживающего потенциала U3 близких к Uacc = -70 V: кривые 1 и 2 – расчеты сучетом и без учета эмиссии вторичных электронов с сеток, соответственно.
Обекривые нормированы на единицуТаким образом, полученные кривые задержки (рис. 88) демонстрируютработоспособностьпланарногоэнергоанализаторасшестиграннымиячейками. Ниже также представлены примеры энергетических спектров,полученныхспомощьюпланарногоэнергоанализаторапутемдифференцирования кривых задержек.154Рисунок 90: Энергетический спектр электронов, полученный при ускоряющемнапряжении источника электронов минус 86 V и напряжении на второй сетке 60 V.Полученный спектр сглажен функцией ГауссаРисунок 5: Энергетический спектр электронов, полученный при ускоряющем напряженииисточника электронов минус 50 V и напряжении на второй сетке 50 V.
Полученный спектрсглажен функцией Гаусса155Полученныеэнергетическиеспектрынагляднодемонстрируютсоответствие полученного энергетического спектра с энергией электронногоисточника. Различие в 2 V энергии источника электронов и полученнойсредней энергией в спектре связано с накальным падением напряжения наэмиттере равным 2 V.7.3Результаты эксперимента: зависимость уширения энергетическогоспектра электронов от потенциала второй сеткиСогласнорезультатаммоделированиядвиженияэлектронов,ванализаторе [А10], уширение энергетического спектра электронов сначальной энергией 70 eV внутри прибора может быть описано следующимсоотношением [214]:U = d3 E23E34 = d3U3 U 2L23U 4 U3,L34(5.3)где ΔU – разность между значениями потенциала на анализирующей сетке ив центре ячейки сетки, U3 – потенциал третьей (анализирующей) сетки, U2 иU4 – потенциал второй и четвертой сетки, соответственно; L23 и L34 –расстояния между соответствующими сетками; E23 = (U3 – U2)/L23 и E34 = (U4– U3)/L34 – электрические поля перед и после третьей сетки, соответственно,d3 – размер ячейки третьей сетки, κ – численный коэффициент, равный 1/4πдля двумерной сетки [169].
Формула (5.3) применима при d3 << L23, L34.Используя выражение (5.3), можно провести сравнение ширины наполувысоте расчетной функции распределения электронов по энергии сэкспериментально измеренной с помощью разработанного планарногоэнергоанализатора «полушириной» распределения энергий электронов приразличных значениях потенциала U2.156Рисунок 92: Зависимость ширины энергетического спектра электронов от величиныпотенциала на второй сетке U2 в разработанном планарном энергоанализаторе. Черныекруги – экспериментальные точки, пунктирная линия – расчет с коэффициентомκ = (π)-1 для шестигранных ячеекДля оценки уширения Δε в энергоанализаторах с шестиугольнымиячейками, согласно [214], может быть использовано следующее выражение:U=r3E23E34 =r3 U 3 U 2L23U4 U3,L34(5.4)где r3 – радиус вписанной окружности третьей сетки.
В данном случаечисленный коэффициент κ равен (π)-1. Формула (5.4) соответствуетаналитическому решению уравнения Пуассона для тонкой металлическойпластины с одиночным круглым отверстием [218]. На рис. 92 (черные круги)представлена зависимость уширения Δεtotal от потенциала U2, измеренная спомощью разработанного и созданного нами планарного энергоанализатора сшестиугольными ячейками. Расчетное значение Δεtotal (рис.
92, чернаяпунктирная линия) определялось как Δεtotal = (Δε2 + Δεs2)1/2, где Δεs = 2,55 eV –157оценка уширения в источнике электронов, Δε – уширение в модельномпланарном энергоанализаторе, вычисленное по формуле (5.4). Расчетныезначения Δεtotal согласуются с результатами эксперимента в пределахпогрешности измерения ≈ 0,4 eV. Таким образом формула (5.4) с κ = (π)-1вполне может быть использована для количественной оценки уширенияэнергетического спектра заряженных частиц в энергоанализаторе, в которомиспользуются сетки с шестиугольными ячейками.Таким образом, можно сформулировать следующие выводы изрезультатов представленной главы.С помощью методов микроэлектроники и плазменного травления былразработан и изготовлен планарный энергоанализатор с шестиграннымиячейкамисеток.Планарныйэнергоанализаторпозволяетпроводитьизмерения спектров энергий заряженных частиц непосредственно втехнологических плазменных реакторах без необходимости использованиядополнительнойкамерыпродемонстрированасдифференциальнойработоспособностьоткачкой.разработанногоиБыласозданногопланарного энергоанализатора.ЗаключениеВ данной диссертационной работе автором были получены следующиеосновные результаты:1.
Проведено исследование механизма влияния обработки поверхности вBCl3 плазме на формирование омических контактов к структурамHEMT транзисторов на основе III-нитридов.2. Экспериментально продемонстрировано, что плазменная обработка всреде BCl3 в ICP-режиме приводит к образованию полимерной пленкитипа BxCly на GaN поверхности верхнего cap-слоя HEMT структуры.Эта полимерная пленка приводит к росту удельного контактного158сопротивления по сравнению с необработанной в ICP-режиме частьюполупроводниковой структуры.3. Установлен режим обработки в BCl3 плазме, позволяющий заметноснизить сопротивление омических контактов на AlGaN/GaN HEMTструктуре.
Экспериментально продемонстрирована ключевая рольнапряжения смещения на подложке или, другими словами, среднейэнергии ионов, бомбардирующих поверхность верхнего GaN cap – слояструктуры. Установлено, что обработка поверхности структуры в BCl3плазме в ICP-RIE режиме с напряжением смещения на подложкеравным 40 V позволяет уменьшить поверхностный потенциальнойбарьер за счет образования донорных вакансий азота и эффективноудалять поверхностный окисел, что в итоге приводит к уменьшениюсопротивления омических контактов.4. Экспериментально установлен режим пост-ростовой обработки HEMTструктур в оптимизированном ICP-RIE режиме в газовом разряде BCl3позволяющий эффективно удалять с поверхности GaN сорбированныесоединения и оксидную пленку.5.
Экспериментально установлен режим плазмохимической обработки вемкостном газовом разряде в среде SF6 поверхности верхнего cap-слояGaN HEMT-структур на основе AlGaN/GaN, который приводит ксущественному увеличению напряженияповерхностного пробояAlGaN/GaN HEMT структур.6. Экспериментальноустановлено,чтоплазменнаяобработкаповерхности GaN в емкостном газовом разряде в среде SF6 приводит кобразованиюсмешаннойповерхностнойполярностиилидажеинверсии поверхностной полярности GaN.7. Экспериментальное исследование воздействия N2 плазмы на DCхарактеристики HEMT транзистора на основе III-нитридов показало,что плазменная обработка на частоте возбуждения разряда 100 kHz159приводит к значительному падению тока насыщения транзисторов (вусловиях проведенных опытов до 5 раз), что связано со значительнымуменьшениемподвижностидвумерныхэлектроноввканалетранзистора в результате ионной бомбардировки при плазменнойобработке.8.
Разработан и создан с использованием методов микроэлектроникипланарный энергоанализатор способный работать непосредственно вплазменныхреакторахдифференциальнойбезоткачки.использованияАтакжедополнительнойпроведенапроверкаработоспособности такого планарного энергоанализатора.9. Разработанные технологические плазменные процессы обработкиповерхностиуспешноапробированыивнедренывреальныетехнологические маршруты создания HEMT транзисторов на основеIII-нитридов.160БлагодарностьВ заключение выражаю глубокую благодарность своему научномуруководителю А.С. Смирнову за определение направлений исследованийи постоянное внимание к процессу выполнения данной работы. Своимосновным соавторам статей А.А.
Кобелеву, Ю.В. Барсукову. Всемуколлективу АО «Светлана-Рост» и лично В.П. Чалому за созданныеблагоприятные условия для проведения данной работы. Кроме того, яхочу выразить благодарность моему коллеге Д.С. Никандрову заплодотворное обсуждение результатов работы и полезные критическиезамечания.А также, я хочу выразить благодарность своей супруге Эле за поддержкуи терпение.161Список литературы1. Khan, M.A. Metal Semiconductor Field Effect Transistor on a single crystalGaN / M.A. Khan, J.N.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
