Нелинейные транспортные эффекты в селективно легированных гетероэпитаксиальных микроструктурах металл-полупроводник тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Шашкин, Владимир Иванович

• Шашкин, Владимир Иванович
• доктор физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Шашкин, Владимир Иванович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ГЕТЕРОЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ 19 АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ С ПЛАНАРНЫМИ ИНТЕРФЕЙСАМИ, РЕЗКИМ ИЗМЕНЕНИЕМ СОСТАВА И ЛЕГИРОВАНИЯ

1.1. Введение

1.2. Метод металлоорганической газофазной эпитаксии и брюстеровская 22 рефлектометрия ростовой поверхности

1.3. Металлоорганическая газофазная эпитаксия тонких гетерослоёв с 36 атомарно гладкими и атомарно резкими интерфейсами

1.4. Методики восстановления тонкой структуры легирования 51 полупроводников на основе вольт-фарадных измерений в процессе электрохимического травления

1.5. Получение предельно резких профилей распределения примеси при 60 дельта-легировании

1.6. Глубокие состояния в дельта-легированном кремнием ОаАэ

1.7. Гетероэпитаксиальные полупроводниковые слои 1пОаАз, ОаАэК и 79 1пОаАзЫ на подложках ОаАэ

1.8. Выводы

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУР МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК В

УСЛОВИЯХ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКОЙ ГАЗОФАЗНОЙ ЭПИТАКСИИ

2Л. Введение

2.2. Основные закономерности процесса осаждения плёнок алюминия на 96 атомарно чистую поверхность ОаАэ

2.3. Микроструктура плёнок алюминия, осаждённых на ОаАз(100)

2.4. Электрические свойства алюминиевых пленок и контактов А1/п-ОаАз

2.5. Формирование металлических нанокластеров на ростовой поверхности 123 ОаАв и их эпитаксиальное заращивание

2.6. Формирование нанокластеров Мо и при лазерном распылении 133 мишеней в процессе МОГФЭ ОаАя

2.7. Оптимизация процесса заращивания нанокластеров алюминия

2.8.Выводы

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ И КИНЕТИКА НОСИТЕЛЕЙ ТОКА В 146 НАНОСТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

3.1. Введение

3.2. Модельные представления об электрических свойствах наноконтактов 148 металл-полупроводник

3.3. Роль туннелирования в наноконтактах металл-полупроводник

3.4. Адмитанс и нелинейная ёмкость многослойной структуры металл- 166 полупроводник

3.5. Фототок и кинетика отражения света в многослойной структуре 176 нанокластеров алюминия в матрице ОаАэ

3.6. Пикосекундная кинетика фотолюминесценции в арсениде галлия с 182 нанокластерами алюминия

3.7. Выводы

ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ В МИКРОСТРУКТУРАХ МЕТАЛЛ- 195 ПОЛУПРОВОДНИК С ДЕЛЬТА-ЛЕГИРОВАНИЕМ ВБЛИЗИ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА

4.1. Введение

4.2. Управление эффективной высотой барьера в контактах Al/GaAs при 198 дельта-легировании вблизи границы

4.3. Теория туннельного токопереноса в контактах металл-полупроводник с 214 приповерхностным изотипным дельта-легированием

4.4. Феноменологический подход к диагностике низкобарьерных диодов 225 металл-полупроводник с приповерхностным изотипным дельта-легированием

4.5. Вольт-амперные и ёмкостные характеристики контакта металл- 230 полупроводник с барьером Мотта: влияние пространственного заряда

4.6. Решение задачи ипжекции носителей тока в слаболегированный 242 полупроводниковый слой при самосогласованных граничных условиях на контактах

4.7. Обобщённая теория токопереноса в низкобарьерных диодах: 259 сопоставление с экспериментом

4.8. Выводы

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКОБАРЬЕРНЫХ ДИОДОВ В

ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИЁМНИКАХ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

5.1. Введение

5.2. Методика изготовления и характеристики планарно-ориентированных 271 диодов Шоттки с субмикронным анодом

5.3. Разработка низкобарьерных планарных диодов Мотта для 285 миллиметрового диапазона длин волн

5.4. Характеристики детектирования в волноводных камерах с 288 низкобарьерными диодами Мотта

5.5. Шумовые характеристики низкобарьерных диодов Мотта

5.6. Детектор миллиметрового диапазона длин волн на основе 304 низкобарьерного диода, включённого в планарную антенну

5.7. Взаимное влияние планарных детекторов при их близком расположении в 325 плоскости

5.8. Матричный детекторный приёмник плотной компоновки для систем 329 видения миллиметрового диапазона длин волн

5.9. Пути повышения чувствительности и увеличения рабочих частот 341 матричных приёмников на основе низкобарьерных диодов

5.10. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейные транспортные эффекты в селективно легированных гетероэпитаксиальных микроструктурах металл-полупроводник»

Актуальность темы исследования

Продуктивность идеи использования искусственного мелкомасштабного потенциала, воздействующего на свободные носители заряда в полупроводниках, для конструирования и наблюдения новых физических эффектов уже долгое время не вызывает сомнений. Сопутствующей,технологической тенденцией была миниатюризация элементов твердотельной электроники, обеспечившая одновременное улучшение быстродействия и других параметров приборов. С течением времени фундаментальные и прикладные аспекты исследований сблизились. Это объединение ряда дисциплин оказалось успешным и привело к возникновению направлений, которые известны сейчас, как «физика полупроводниковых микроструктур», «нанофизика» и «наноэлектроника».

Но в начале была технология. На мой взгляд, старт этих событий был связан с появлением в 70"ые годы и быстрым прогрессом в 80"ь,е прошлого века технологии молекулярно-пучковой' эпитаксии (МПЭ) [1, 2]. Именно МПЭ сделала реальностью получение многих гетероструктур и сверхрешёток. Однако, справедливости ради нужно заметить, что в цитированных книгах уже были статьи про альтернативную технологию гетероэпитаксиального роста полупроводниковых гетероструктур — метод металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ). Более подробно метод описан в [3]. Долгое время технология МПЭ лидировала в получении гетероструктур с рекордными параметрами, а в условиях МОГФЭ только воспроизводили уже полученные результаты. В последнее время технология МОГФЭ выходит вперёд, например, в задачах получения новых широкозонных нитридов. Одной из причин ускоренного прогресса МОГФЭ являются большие средства, которые вкладываются в МОГФЭ, как более производительную технологию, для реализации без задержек массового производства новых структур опто- и микроэлектроники.

Очевидно, что характерный масштаб потенциала, который необходимо сформировать для проявления выраженных квантовых эффектов туннелирования и размерного квантования, должен быть сопоставим с длиной волны де Бройля в полупроводнике. Можно сделать оценку пространственного масштаба из других соображений, исходя из задачи о туннелировании электронов через потенциальный барьер, и использовать условие, чтобы туннельная компонента тока превосходила термоэмиссионную (надбарьерную) компоненту тока. Эта задача имеет аналитическое решение для различных потенциальных барьеров и, в частности, для барьера треугольной формы [4]. Полагая для оценок температуру комнатной и выбирая в качестве полупроводника арсенид галлия, получаем, что характерный масштаб потенциалов должен быть менее 10 нм. Очевидно, что резкость изменения потенциала и точность' его воспроизведения должна быть ещё более высокой, так как без этого невозможно добиться воспроизводимости транспортных характеристик при туннелировании. На момент начала работ по теме диссертации (в середине 90"ыч годов прошлого века) были определённые сомнения в возможности решить эту задачу, как в условиях МПЭ, так и МОГФЭ [5, 6].

В данной работе МОГФЭ является базовой технологией для изготовления необходимых микро- и наноструктур на основе арсенида галлия. Арсенид галлия выбран в качестве материала из-за высоких значений подвижности, дрейфовой скорости электронов, больших полей пробоя и других характеристик, способствующих реализации изучаемых физических эффектов в области высоких частот [7]. Для формирования потенциальных барьеров в ОаАэ удобно использовать АЮаАэ, выбор материала для потенциальных ям менее очевиден [3]. Тройное соединение ТпваАз подходит при малых концентрациях индия и небольшой толщине слоев, до тех пор, пока не проявляются эффекты релаксации* упругих напряжений путём генерации дефектов1 или трансформации слоя-в массив квантовых точек. Эти эффекты нежелательны, они нарушают планарность поверхности, что приводит к неоднородности поперечного тока и большому разбросу транспортных характеристик. Добавление азота в ¡аваЛя снижает упругие напряжения в слое (и может даже изменить их знак), но одновременно приводит к метастабильности четверного соединения ¡пОаЫАэ и склонности его к локальным нарушениям фазового состава [8].

Другим способом формирования резкого потенциального рельефа является 5-легирование [1, 9]. Речь идёт о расположении атомов примеси в полупроводнике в идеальном случае в одной плоскости, точнее - в пределах одного монослоя кристаллической решётки. В этж условиях возникает самосогласованный потенциал доноров, удерживающих подвижные электроны. Распределение потенциала можно сделать несимметричным, если поместить 5-слой в полупроводнике вблизи границы с металлом: При этом концентрацией электронов в 5-слое можно управлять за счёт изменения напряжения между металлом и омическим контактом, расположенным в I глубине полупроводника. При сближении 5-слоя и* металлического контакта, на расстояниях <10 нм становятся заметными туннельные переходы через приповерхностный

1 ? о потенциальный барьер. При высоком уровне легирования (>10 см ) 5-слой эффективно экранирует приповерхностное электрическое поле, скачок напряжённости при переходе через плоскость легирования может быть больше 0,1 В/нм. Таким образом, введение в структуру металлического контакта и 5-легирование полупроводника дают дополнительные возможности формирования очень резкого потенциального рельефа.

Осаждение металла на атомарно чистую ростовую поверхность следует проводить сразу после процесса эпитаксии, без выноса полупроводниковой структуры на воздух. Только это может гарантировать формирование барьера Шоттки без промежуточных слоев окислов и загрязнений границы металл-полупроводник (МП) [10]. Эта задача естественным образом решается в условиях МПЭ [1]. Осаждение металла в условиях МОГФЭ является более сложным процессом, который должен сопровождаться химической гетерогенной реакцией разложения металлоорганического соединения (МОС) на поверхности полупроводника для освобождения.металла из этого летучего соединения [3]. Очевидным следствием этого процесса является возможность загрязнения металлической плёнки органическими составляющими МОС, в первую очередь -углеродом. При повышенных температурах могут проявляться эпитаксиальные процессы, и возрастает вероятность хемоэпитаксиальных эффектов, приводящих к образованию на границе МП промежуточных слоев, отличающихся от материала полупроводниковой подложки и покрывающей плёнки металла. Поэтому в условиях МОГФЭ могут быть отличия на стадиях зарождения островков металлической плёнки и их коалесценции, что в конечном итоге может проявляться в структуре осаждённой плёнки и свойствах контакта МП.

Контроль островковой стадии формирования металлической плёнки представляет отдельный интерес. На этой стадии, на поверхности полупроводника возникает массив малых металлических частиц с размерами в диапазоне 1-й00 нм [11]. Прерывая осаждение металла, можно получить двумерный массив металлических нанокластеров (наноостровков), которые одновременно являются наноконтактами МП. Можно надеяться, что при определённых условиях возможно возобновление эпитаксиального роста полупроводника и полное заращивание металлических нанокластеров. При многократном повторении этих процессов осаждения металлических островков и их заращивания полупроводником формируется трехмерный массив металлических нанокластеров, которые могут быть ответственными за разнообразные физические явления [11, 12]. Примером подобного материала является ОаАэ с нанокластерами мышьяка или полуметаллическими наночастицами ЕгАэ, которые используются как сверхбыстрые фотопроводники в системах генерации терагерцового излучения при межзонном оптическом возбуждении образцов [13].

При осаждении толстых металлических слоев возникает планарный контакт МП [1, 10]. Его свойства можно модифицировать путём 5-легирования и' введения дополнительных полупроводниковых гетерослоёв вблизи границы раздела МП. Почему это может представлять интерес? Очевидный ответ состоит в том, что такой контакт обладает сильно нелинейной' вольт-амперной характеристикой (ВАХ), которой можно управлять за счёт параметров гетероструктуры (в общем случае - варизонной) и 5-легирования. Если не проводить легирование базового слоя* между металлом и областью омического контакта, то возникает барьер, описанный<Моттом [14, 15].

При наличии 5-легирования характер токопереноса усложняется. Наряду с барьерной нелинейностью, могут проявляться эффекты, связанные с инжекционными токами и пространственным зарядом-в базовом слое [16]. При увеличении поверхностной концентрации примеси в 5-слое снижается роль барьерной нелинейности, уменьшается

11 эффективная высота барьера и в предельном случае очень сильного 5-легирования (~10 л см ) барьерная нелинейность пропадает и возникает омический контакт между металлом и электронным газом в 5-слое [9]. В этом случае ВАХ контакта МП полностью определяется инжекционными токами в объёме полупроводника. Можно ожидать, что предлагаемый путь «вычитания» из барьера Мотта (или Шоттки) электростатического потенциала обеднённого 5-слоя позволит получить малые эффективные высоты барьеров (порядка тепловой энергии кТ) с высокой однородностью по площади. Попытки реализовать такие малые барьеры для электронов только с помощью 5-легирования (акцепторной примесью) приводят к неоднородным контактам из-за дискретного характера легирования удалёнными друг от друга атомами примеси.

Другим важным свойством контактов МП с 5-легированием является малая инерционность установления тока при изменении напряжения, что позволяет разрабатывать на основе этих структур высокочастотные диоды. Наиболее продолжительным временным масштабом транспорта электронов оказывается время их дрейфово-диффузионного прохождения через базовую область, где присутствует небольшое электрическое поле. Однако, при толщине этой области £)«100 нм это время достаточно мало ~1 пс [7, 15]. Другое ограничение быстродействия связано с конечной добротностью диода, как двухполюсника с дополнительными паразитными элементами. Это сопротивление* в цепи вне контакта МП п базовой области и параллельная шунтирующая ёмкость [7, 15]. И в этом отношении предлагаемая структура диода представляется целесообразной. Металлический анодный контакт может иметь малую площадь, а площадь омического контакта может быть увеличена за счёт пространственной геометрии с растеканием тока. За счёт этого, последовательное сопротивление может быть меньше, чем в конструкциях низкобарьерных диодов с варизонными, планарно-легированными или туннельными барьерами, которые имеют хотя бы один полупроводниковый омический контакт с малой площадью [1, 17]. Одновременно, добавление базовой области за туннельным барьером на границе МП приводит к уменьшению шунтирующей ёмкости, по сравнению с низкобарьерными туннельными диодами [17], где туннелирование происходит между сильнолегированными полупроводниковыми слоями.

Диоды с пониженной эффективной высотой барьера и малой инерционностью отклика представляют очевидный интерес для приёма и преобразования высокочастотных сигналов суб- и терагерцового диапазонов частот [18]. Низкобарьерные диоды могут использоваться для детектирования без постоянного смещения, что снижает уровень шумов и увеличивает чувствительность приёмника [19]. Другие области применения - это эффективное смешение и умножение частот сигналов при относительно малых уровнях мощности накачки: Указанные свойства низкобарьерных диодов приобретают принципиальное значение при построении многоэлементных приёмников, которые могут обеспечить решение задач радиовидения в реальном масштабе времени в диапазонах частот 100 ГГц и более высокочастотных [19-21]. Ожидается, что с помощью подобных систем радиовидения будут решены многие фундаментальные и. прикладные задачи, построены практически важные системы гражданского и военного назначения [19, 21].

Таким образом, адекватная постановка и решение задач во всех этих областях оказывается возможной только при координировании усилий в технологии полупроводниковых гетероструктур, в теории эмиссионных, туннельных и инжекционных явлений в микроструктурах, в постановке оригинальных физических экспериментов и в разработке перспективных приборов микроэлектроники.

Объектом исследования в данной работе являются селективно легированные гетероэпитаксиальные микро- и наноструктуры металл-полупроводник на основе соединений А1-1п-Оа-АБ-К .

Предметом исследования являются нелинейные транспортные явления при эмиссии, туннелировании и инжекции электронов в гетероэпитаксиальных микро- и наноструктурах металл-полупроводник.

Цель диссертационной работы состояла:

- в развитии технологии МОГФЭ, обеспечивающей получение атомарно резких профилей состава и легирования в гетероструктурах А3В5 на основе соединений А1-1п-Оа-Аз-№ и осаждение на ростовую поверхность металла;

- в разработке методик формирования в условиях МОГФЭ многослойных массивов металлических нанокластеров, встроенных в монокристаллическую полупроводниковую матрицу;

- в экспериментальных исследованиях и построении физических моделей для полупроводниковых наноструктур с металлическими нанокластерами;

- в экспериментальных и теоретических исследованиях туннельных, эмиссионных и инжекционных транспортных явлений в селективно легированных микроструктурах МП;

- в разработке и изготовлении на основе селективно легированных микроструктур МП низкобарьерных диодов, обеспечивающих высокую чувствительность при приёме излучения миллиметрового диапазона длин волн.

Научная новизна

1. На основе вольт-фарадных (СУ) измерений в процессе электрохимического травления разработан метод восстановления профиля легирования полупроводников непосредственно от поверхности и с высоким пространственным разрешением на масштабах, меньших радиуса дебаевского экранирования.

2. Показано, что при пиролизе металлорганических соединений А1 и лазерном распылении Мо и¥в реакторе МОГФЭ, на атомарно чистой поверхности ОаАз на начальных стадиях происходит формирование металлических нанокластеров с размерами ~10 нм, после чего возможно возобновление эпитаксиального роста ОаАБ. При многократном повторении процессов получены многослойные нанокластерные структуры.

3. Получено аналитическое решение задачи о поперечном инжекционном токе в нелегированном полупроводниковом слое с любой комбинацией контактов: с металлом, с легированным полупроводником или с гетерослоем, ограничивающим инжекцию.

4. С использованием техники ¿»-легирования и осаждения А1 в реакторе МОГФЭ ( показана возможность снижения эффективной высоты барьера контакта А1/п-ОаАз в пределах от 0,7 до 0 эВ.

5. На основе микроструктур МП с пониженной эффективной высотой барьера изготовлены планарные диоды, которые обеспечивают высокочувствительное детектирование и эффективное преобразование сигналов миллиметрового диапазона длин волн.

Практическая значимость

1. На основе комплексного подхода, объединяющего эпитаксиальную (вертикальную) и микроэлектронную (планарную) технологии формирования микроструктур, разработаны и изготовлены мембранные планарные диоды Шоттки с субмикронными размерами анода, обеспечивающие эффективное преобразование частот в субтерагерцовом диапазоне (0,1-И ТГц).

2. Разработаны и изготовлены уникальные низкобарьерные диоды для < детектирования без постоянного тока смещения и эффективного смешения сигналов при пониженной мощности гетеродина. Измеренные характеристики превосходят или соответствуют лучшим из известных аналогов. В частности, для планарного детектора на 94 ГГц величина вольт-ваттной чувствительности у> 10000 В/Вт при пороговой мощности ЫЕР~10"12 Вт Гц"1/2.

3. Планарные детекторы диапазона длин волн Я«3 мм допускают плотную компоновку в плоскости при слабом взаимовлиянии. Приёмная линейка из восьми планарных детекторов, расположенных в ряд с периодом ЗЯ/2, позволила регистрировать поляризационно-чувствительные изображения объектов при просвечивании. Это доказывает работоспособность матричного приемника плотной компоновки и перспективность его применения в системах радиовидения.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Для гетероструктур на основе соединений АЫп-Оа-Аз-К метод МОГФЭ обеспечивает изменение состава и легирование с атомарной резкостью, получение атомарно гладких интерфейсов и осаждение металла без формирования промежуточных слоев, что позволяет управлять туннельной прозрачностью контактов МП.

2. Полученный методом МОГФЭ искусственный материал, монокристаллический полупроводниковый ОаАй с внедренными нанокластерными слоями А1, обладает пикосекундной временной динамикой отклика на межзонное оптическое возбуждение.

3. Модельное описание электрических свойств наноконтактов с барьером Шоттки, свидетельствует о возрастании туннельной компоненты тока при уменьшении их размеров и малой инерционности нелинейных емкостных эффектов, сопровождающих их перезарядку, вплоть до терагерцовых частот.

4. Дельта-легирование кремнием слоя СаАэ вблизи границы с алюминием позволяет управлять эффективной высотой барьера контакта МП в диапазоне 0,7^-0,2 эВ при сохранении небольших значений^ фактора идеальности <1,5 и сопоставимых характеристиках нелинейности ВАХ при нулевых напряжениях смещения.

5. Обобщённая эмиссионно-днффузионная теория, учитывающая одновременно туннельные процессы вблизи границы МП и ток инжекции в базовом [-слое, с, достаточной точностью описывает ВАХ низкобарьерных диодов Мотта.

6. Низкобарьерные диоды Мотта с 8-легированием вблизи границы МП обеспечивают рост чувствительности при детектировании в режиме без тока смещения и * '• эффективное смешение сигналов при пониженной мощности гетеродина.

7. Планарные детекторы на основе микрополосковых щелевых антенн, с включёнными в них низкобарьерными диодами, сохраняют направленность и * чувствительность при плотной компоновке в матричном приёмнике.

Личный вклад автора'

При выполнении работы автором сделан определяющий вклад в постановку задач исследования электронных транспортных эффектов в микроструктурах металл-полупроводник, развитие методик гетероэпитаксиального роста и селективного легирования структур, анализ и интерпретацию экспериментальных данных, решение модельных теоретических* задач.

Апробация работы

Основные результаты были представлены и обсуждены на — Российской конференции с участием зарубежных учёных «Микроэлектроника-94» (Звенигород, 1994 г.); совещаниях «Нанофотоника» (Нижний Новгород - 1999, 2000, 2001, 2003 и 2004 г.);

8th, 10th and 11th European Workshops on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (Prague -1999, Lecce - 2003, Lausanne - 2005);

International Workshops "Scanning probe microscopy" (Nizhny Novgorod - 2001, 2002, 2003);

I, II, III, V, VI и VIII Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород - 1993 г., Зеленогорск - 1996 г., Москва - 1997 г., Нижний Новгород - 2001 г., Санкт-Петербург - 2003 г., Екатеринбург - 2007 г.); International Symposia "Nanostructures: Physics and Technology" (St.-Petersburg -1996,1997);

International Symposia on Compound Semiconductor (St.-Petersburg - 1996, 1997); 10th International Conference on Superlattices, Microstructures, and Microdevices (Lincoln, 1997);

2nd VDE World Micro Technologies Congress - MICRO.tec (Munich, 2003); международных конференциях "Оптика, оптоэлектроника и технологии" (Ульяновск - 2001,2002, 2003 г.);

4th International Conference On Photo-Excited Processes and Applications (Lecce, 2004); Всероссийской научно техническая конференция "Электроника и Информатика" (Зеленоград, 1995 г.); совещании "Зондовая микроскопия" (Нижний Новгород, 2000 г.); симпозиумах "Нанофизика и наноэлектроника" (Нижний Новгород - 2007, 2008,

2009 г.);

International Semiconductor Device Research Symposia (Charlottesville - 1993, 1997); 8"ой, 11"°й, 15"°й, 16~°й и 17"ои международных микроволновых конференциях "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь - 1998, 2001, 2005, 2006, 2007 г.);

7"°й Российской конференции "Арсенид галлия", "GaAs-99" (Томск, 1999 г.); 23rd International Conference on Microelectronics (Nis, 2002);

Joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th

International Conference on Terahertz Electronics (Shanghai, 2006);

6th International Conference on Antenna Theory and Techniques (Sevastopol, 2007);

Международной научно-технической конференции по' фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2008 г.); радиоастрономической конференции «Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов» (п. Нижний Архыз, 2008 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 113 работ, из них - 49 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 64 работы - в сборниках материалов и трудов конференций.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, трёх приложений, списка цитированной литературы (164 наименования) и списка публикаций автора по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 402 страницы. В диссертации содержится 160 рисунков и 11 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Шашкин, Владимир Иванович

5.10. Выводы

В пятой главе представлены результаты исследований высокочувствительных приёмников на основе планарных диодов с контактами металл-полупроводник. Возможность управления эффективной высотой барьера контакта за счёт приповерхностного ¿»-легирования позволила создать диоды с уникальными характеристиками, способными реализовать высокочувствительный режим детектирования без постоянного напряжения смещения и эффективное смешение сигналов при пониженной мощности гетеродина. Эти результаты имеют принципиальное значение для практической реализации матричных систем видения в субтерагерцовом диапазоне частот.

Сформулируем основные результаты работ, представленных в данной главе.

На основе комплексного подхода, объединяющего эпитаксиальную (вертикальную) и микроэлектронную (планарную) технологии формирования микроструктур, изготовлены, мембранные планарные диоды Шоттки с субмикронными размерами анода. Планарные диоды обеспечивали преобразование сигналов в субтерагерцовом диапазоне частот (0,1*1 ТГц) с эффективностью, сопоставимой с лучшими "известными результатами для' неохлаждаемых планарных диодовШотгки.

На основе микроструктур металл-полупроводник с пониженной эффективной о высотой барьера изготовлены планарные диоды с площадью анода (около 10 мкм ), малой

•у удельной ёмкостью (менее 1 фФ/мкм ) и значениями, дифференциального сопротивления при нулевом напряжении смещения 0,4*1000 кОм. Применение диодов для детектирования в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн обеспечивает высокочувствительный приём излучения' без использования постоянного смещения. При детектировании сигналов в волноводной камере в широкой полосе 80*140 ГГц измерены значения вольт-ваттной чувствительности 1000 В/Вт и пороговой мощности ЖР<10"П ВтТц"1/2. Лучшие характеристики! на выделенных частотах диапазона ^5000 В/Вт и ЖР«3*6-10"12 Вт-Гц 1/2.

При использовании оптимизированной платы согласования* низкобарьерных диодов в широкополосном радиометре трехмиллиметрового диапазона измерены рекордные значения у> 10000 В/Вт во всей полосе 76*105 ГГц. Это соответствует лучшим мировым результатам для неохлаждаемых детекторов, работающих без смещения.

Проведены исследования спектральной плотности шумов низкобарьерных диодов. Определена зависимость фактора Фано Б от протекающего через диод тока. Фактор Фано уменьшается с ростом тока и при-токах смещения более 1 мА приближается к значению 1, свидетельствующему о дробовом характере шума. При стремлении тока смещения к нулю шумы низкобарьерных диодов приобретают тепловой характер и их спектральная плотность согласуется с формулой Найквиста.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования планарных детекторов на основе модифицированных микрополосковых щелевых антенн, с непосредственно включёнными в неё низкобарьерными диодами. Антенны изготовлены на основе фольгированных диэлектриков «Иос^еге» с низкой диэлектрической проницаемостью 8=2,2 и имеют внешние размеры, сравнимые с длиной волны X. Антенны обеспечивают высокую направленность и эффективность в миллиметровом диапазоне длин волн за счет малых потерь мощности на возбуждение поверхностных волн.

Проведены экспериментальные исследования характеристик детектирования для1 диодов с дифференциальными сопротивлениями в диапазоне /?</=0,4-^1000> кОм при нулевом смещении. Планарные детекторы, имели резонансные частоты вблизи 94 ГГц при-ширине полосе приёма около 8 ГГц. Проведено сопоставление данных экспериментов с результатами расчётов в простой модели детектора. Установлено, что обеспечивается согласование диодов»с антенной и вольт-ваттная чувствительность у принимает значения более 10000 В/Вт для диодов с ^20-100 кОм-при ЖР«2-10'12 Вт Гц"172. Лучшие значения ИЕР^Ш12 Вт Гц"1/2 отвечают у~7000 В/Вт при меньших /¿¿=2-^-6 кОм.

Показано,, что модифицированная^ щелевая антенна с внешними размерами, сравнимыми- с "к/(ет)т (ет=(б+1)/2 — эффективная диэлектрическая проницаемость), допускает использование полуизолирующей подложки ОаАэ с высокой диэлектрической проницаемостью (£=13) при сохраненении достаточно высокого коэффициента направленного действия антенны на резонансной- частоте- (~10). Измеренные значения вольт-ваттной чувствительности у таких планарных детекторов'с резонансными частотами

94^-97 ГГц примерно в два раза ниже, чем у детекторов на фольгированных диэлектриках

Яос^егБ», 8=2,2). Это позволяет сделать вывод о перспективности разработки интегральной технологии создания планарных детекторов с модифицированной »щелевой антенной.

Исследования по взаимному влиянию планарных детекторов показали возможность их плотной компоновки,с периодом ЗУ2. Установлено, что в диаграммах направленности линеек антенн с последовательным расположением щелей происходят минимальные изменения. Для линеек с параллельной ориентацией щелей между антеннами существует заметное взаимное влияние. Для минимизации взаимного влияния предложено использовать дополнительные штыри, смонтированные на металлическом экране. Штыри не влияют на приём при нормальном падении излучения, а для волн вдоль плоскости они являются эффективными рассеивателями или рефлекторами.

Изготовлена приёмная линейка из восьми планарных детекторов, расположенных в< ряд с периодом 31/2. При просвечивании различных объектов излучением с частотой 94 ГГц (вблизи резонансной частоты детекторов) регистрировалась интенсивность электромагнитного излучения в плоскости за объектом путём механического перемещения приёмной линейки с шагом 31/2 или 31/4. Получены поляризационно-чувствительные изображения объектов, картины дифракции и интерференции. Анализ картины дифракции в области тени позволяет оценить пространственное разрешение в плоскости. Лучшие значения разрешения составляют ~2Х. при минимальных расстояниях от объекта до плоскости сканирования и шагах перемещения ЗХ./4.

Проведены эксперименты по преобразованию сигнала с частотой 94 ГГц в сигнал промежуточной частоты (700 МГц) в планарном приёмнике на основе модифицированной щелевой антенны с включённым в неё низкобарьерными диодами с дифференциальными сопротивлениями Я^2+9 кОм при нулевом смещении. Использовались две схемы согласования с входом усилителя промежуточной частоты (50 ом), рассчитанные на эквивалентные сопротивления диода при накачке 1 и 2,2 кОм. Лучшие результаты показывают диоды с Я^З+Э кОм: потери преобразования г]«-16-=-12,5 дБ при существенно меньших значениях мощности гетеродина (10^40 мкВт) в сравнении с обычными смесительными диодами.

В диссертации получены следующие основные результаты.

Развит метод брюстеровской рефлектометрии, предназначенный для оптического мониторинга в реальном масштабе времени газовой фазы и ростовой поверхности полупроводников А3В5 с монослоевым разрешением в условиях МОГФЭ. Оптические измерения позволяют оценить: характерные времена процессов пиролиза арсина и десорбции мышьяка; темп сегрегации индия и нарушения морфологии поверхности.

Проведены исследования планарности интерфейсов, дефектообразования и резкости гетеропереходов в структурах 1п6аАз/ОаА5. Установлено, что при увеличении толщины слоев ¡пОаАБ. критерием образования дислокаций служит резкий рост шероховатости поверхности структуры. Снижение температуры роста с 600 до 500°С и использование подложек ОаАз(ЮО) с малым углом разориентации (<0,2°) приводит к увеличению критической толщины слоя ¡по^Оао^Ав от. 5 до 10 нм. Данные послойного оже-анализа свидетельствуют о формировании атомарно резких гетеропереходов с протяжённостью меньше предельных значений разрешения данного метода: 0,5^0,8 нм.

Методом МОГФЭ получены атомарно резкие профили распределения примеси при 5-легировании кремнием слоев ОаАв, о чём свидетельствуют данные СУ профилирования: характерный масштаб области локализации электронов составляет 2,5 нм (при 300 К) и 1,6 нм (при 77 К). При поверхностной

1 о 2 концентрации атомов более 6-10 см" происходит насыщение концентрации электронов, обусловленное автокомпенсацией, и в запрещенной зоне появляются хвосты плотности состояний протяжённостью 20-н100 мэВ и сечением захвата 17 —2 электронов около 10 см .

Исследованы закономерности осаждения алюминия на атомарно чистую поверхность ваАз при пиролизе МОС (ТМАА и ДМЭАА) в реакторе МОГФЭ. При температурах 150н-200°С формируются чистые и гладкие плёнки А1 с электрическими свойствами, соответствующими характеристикам объёмного материала. На границе отсутствуют промежуточные слои и параметры контактов Шотгки А1/п-ОаАз близки к идеальным: высота барьера ~0,7 эВ, фактор идеальности 1,02ч-1,06.

Показано, что при пиролизе МОС А1 и лазерном распылении Мо и ^^ на поверхности ваАв на начальных стадиях происходит формирование металлических нанокластеров с латеральными размерами 104-100 нм. Послойный механизм их заращивания реализуется, если сразу после формирования нанокластеров закрыть их тонким слоем низкотемпературного ОаАэ толщиной 10-^20 нм, и только потом прервать рост для повышения ростовой температуры до оптимальных значений для ОаАэ. В этом случае планаризация поверхности слоя ОаАэ происходит при толщине, сравнимой с высотой нанокластеров, что позволяет формировать плотные многослойные массивы нанокластеров.

Проведены модельные расчёты электрических свойств наноконтактов Шоттки. Для наноконтактов малого радиуса (<10 нм) возрастает туннельная компонента тока, уменьшается эффективная высота барьера и сравниваются токи прямой и обратной ветвей В АХ. Ширина-области обеднения полупроводника вокруг нанокластера или массива нанокластеров может быть много больше их размеров. Это приводит к малой ёмкости и малой инерционности процессов перезарядки нанокластеров и выраженным нелинейным емкостным эффектам вплоть до терагерцовых частот. Экспериментальные исследования кинетики * отражения и фотолюминесценции в ОаАэ с нанокластерами А1 позволяют оценить время жизни неравновесных носителей ~15 пс и время релаксации проводимости ~1 пс. Гашение фотолюминесценции связано с временем жизни неравновесных носителей. Эволюция во времени коэффициента отражения определяется релаксацией проводимости из-за захвата неравновесных носителей на центры безызлучательной рекомбинации, обусловленные встроенными в ОаАэ нанокластерами. Предложена простая модель, которая количественно описывает кинетику фотолюминесценции и качественно - эволюцию во времени коэффициента отражения. Разработан способ уменьшения эффективной высоты потенциального барьера контакта МП за счёт увеличения туннельной компоненты тока. При 8-легировании кремнием ОаАэ вблизи границы с А1 эффективная высота барьера снижается от 0,7 до 0,2 эВ при значениях фактора идеальности <1,5. При высокой поверхностной концентрации кремния ~1013 см"2 получены омические контакты к п-ОаАэ с с л сопротивлением <10" Ом-см .

В дрейфово-диффузионном приближении получено аналитическое решение задачи об инжекции носителей тока в изолирующий ¡-слой, учитывающее одновременно контактные явления* на границах и инжекционные токи в объёме. Решение позволяет рассчитать потенциал, электрическое поле и ВАХ во всём диапазоне напряжений для целого ряда структур с металлическими и полупроводниковыми, контактами, в том числе при наличии на границах гетеробарьеров, препятствующих инжекции.

10. Построена обобщённая» теория туннельного и дрейфово-диффузионного токопереноса в низкобарьерных контактах Мотта с 5-легированием вблизи границы МП. Подход позволяет с достаточной точностью описать ВАХ низкобарьерных диодов:

11. На основе микроструктур Al/(In)GaAs-5(Si)-GaAs изготовлены планарные низкобарьерные диоды с площадью анода ~10 мкм2, малой удельной ёмкостью <1 л , фф/мкм и значениями дифференциального сопротивления в диапазоне 0,4+1000 кОм. Применение низкобарьерных диодов в волноводных и планарных конструкциях детекторов »миллиметрового диапазона дайн волн, без использования постоянного смещения минимизирует собственные шумы диода и обеспечивает рост чувствительности. Лучшие характеристики, в . диапазоне 94 ГГц:

19 1/9 детектирование: NEP~10" Вт Гц" , у>10000 В/Вт; смешение: потери преобразования 16+12,5 дБ при пониженной мощности гетеродина 10+40 мкВт.

12. Разработаны планарные детекторы диапазона мм на основе микрополосковых щелевых антенн, с включёнными в них низкобарьерными диодами. Антенны изготовлены на основе фольгированных диэлектриков (s=2,2), имеют внешние и размеры ~Х и обеспечивают низкий уровень боковых лепестков в диаграмме направленности. Показана возможность их плотной компоновки при слабом, взаимовлиянии. Изготовлена линейка" из 8 планарных детекторов на 94 ГГц, расположенных в ряд с периодом ЗХ/2. При просвечивании различных объектов излучением с частотой 94 ГГц регистрировалась интенсивность прошедшего поля путём механического перемещения линейки детекторов в плоскости с шагом ЗХ/2 или ЗХ/А. Получены поляризационно-чувсгвительные изображения объектов, картины дифракции и интерференции. Лучшие значения разрешения составили ~2Х.

В заключение хочу поблагодарить всех моих коллег и, особенно, - сотрудников отдела технологии наноструктур и приборов ИФМ РАН, взаимодействие с которыми позволило мне выполнить эту работу.

Также, я хотел бы выразить надежду, что собранные в диссертации материалы послужат отправной точкой для продолжения работ нашего научного коллектива и специалистов из других организаций, вовлечённых в эти исследования. Именно это обстоятельство является для меня оправданием подробного и внимательного рассмотрения ряда вопросов, которые пока находятся не в основном русле работ и лишь указывают на перспективность некоторых дальнейших исследований. Эти места, конечно же, заметит искушённый взгляд специалиста. Потому и эпиграф был выбран соответствующий: «It has been a long time coming and there is still much work to be done».

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Шашкин, Владимир Иванович, 2009 год

1. The Technology and Physics of Molecular Beam Epitaxy / Edited by E.H.C. Parker // New York and London: Plenum Press. 1985. - 686 P.

2. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / Под редакцией JL Ченга и К. Плога // М.: Мир. 1989. - 632 С.

3. Stringfellow G.B. Organometallic Vapour-Phase Epitaxy: Theory and Practice / G.B. Stringfellow//Boston: Academic Press. -1989. -398 P.

4. Christov S.G. Recent test and new application of the unified theory of electron emission / S.G. Christov // Surface Science. 1978. - V. 70. - P. 32-51.

5. Wilkinson V.A. Tunnel devices are not yet manufacturable / V.A. Wilkinson, M.J. Kelly, and M. Carr // Semicond. Sci. Technol. 1997. - V. 12. P. 91-99.

6. Kelly M.J. New statistical analysis of tunnel diode barriers / M.J. Kelly // Semicond. Sci. Technol.-2000.-V. 15. P. 79-83.

7. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение / Под редакцией Г. .Уотсона // . М.: Мир.-1972.-662 С.

8. Klar P.J. Recent developments in metastable dilute III-V semiconductors / P.J. Klar // Progress in Solid State Chemistry. -2003. V. 31. - P. 301-349.

9. Delta Doping of Semiconductors / Ed. by E.F. Schubert/ Cambridge: Cambridge University Press. - 1996. - 616 P.

10. Tung R.T. Recent advances in Schottky barrier concepts / R.T. Tung // Materials Sciences and Engineering/ 2001. - V. R35. - P. 1-135.

11. Fedorovich R.D. Electron and light emission from island metal films and generation of hot electrons in nanoparticles / R.D. Fedorovich, A.G. Naumovets, P.M. Tomchuk // Physics Reports.-2000.-V. 328.-P. 73-179.

12. Нагаев Э.Л. Малые металлические частицы / Э.Л. Нагаев // Успехи физических наук. 1992. - Т. 162. - № 9. - С. 49-124.

13. Brown E.R. THz Generation by Photomixing in Ultrafast Photoconductors / E.R. Brown II International Journal of High Speed Electronics and Systems. — 2003. V. 13. — NO. 2. — P. 497-545.

14. Mott N.F. The theory of crystal rectifiers / N.F. Mott // Proc. Roy. Soc. 1939/ - A 171. -P. 27-38.

15. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах / С. Зи // М.: Мир. 1984. — Кн. 1.-456 С. Кн. 2.-456 С.

16. Ламперт М. Инжекционные токи в твердых телах / М. Ламперт, П. Марк // М.: Мир. -1973.-416 С.

17. Su N. Sb-Heterostructure Millimeter-Wave Detectors With Reduced Capacitance and Noise Equivalent Power / N. Su, R. Rajavel, P. Deelman, J.N. Schulman, and P. Fay // IEEE Electron Devices Letters. 2008. - V. 29. - NO 6. - P. 536-539.

18. Божков В.Г. Полупроводниковые детекторы, смесители и умножители частоты терагерцового диапазона / В.Г. Божков // Известия вузов. Радиофизика. — 2003. — Т. 46.-№8-9.-С. 702-731.

19. Brown E.R. Fundamentals of Terresttrial Millimeter-Wave and THz Remote Sensing / E.R. Brown // International Journal of High Speed Electronics and Systems. — 2003. V. 13.-NO. 4.-P. 995-1097.

20. Woolard D.L. Terahertz Frequency Sensing and Imaging: A Timeof Reckoning Future Applications? / D.L. Woolard, E.R. Brown, M. Pepper, and M. Kemp // Proceedings of the IEEE.-2005.-V. 93.-NO. 10.-P. 1722-1743.

21. Ludowise M.J. Metalorganic chemical vapor deposition of III-V semiconductors/ M.J. Ludowise // Journal of Applied Physics. 1985. - V. 58. - P. 31-55.

22. Behet M. MOVPE growth of III-V compounds for optoelectronic and electronic application / M. Behet, R. Hovel, A Kohl, A. Mesquida Kusters, B. Opitz and K. Heime // Microelectronics Journal. 1996. - V. 27. - P. 297-334.

23. Richter W. Optical in situ surface control during MOVPE and MBE growth / W. Richter // Phil: Trans. R: Soc. Lond. A. 1993. - V. 344. - P. 453-467.

24. Makimoto T. Investigation of the Decomposition Process of Ga Organometals in MOCVD by the Suface Photo-Absorption Method / T. Makimoto; Y. Yamauchi,.N. Kobayashi et.ah // Jap. Journal of Appl. Phys. 1990. - V. 29. - P. 645-648.

25. Kobayashi N. Spectral Dependence of Optical Reflection-during Flow-Rate Modulation Epitaxy of GaAs- by the Surface Photo-Absorption Method, / N. Kobayashi and. Y. Horikoshi // Jap. Journal of Appl. Phys. 1990, - V. 29. - P: 702-705.

26. Yamauchi Y. Decomposition of Arsine and Trimethylarsenic on» GaAs Investigated' by Surface Photo-Absorption / Y. Yamauchi, T. Makimoto, N. Kobayashi et.al. // Jap. Journal of Appl. Phys. 1990.-V. 29. - P. 1353-1356.

27. Kobayashb N. As and P Desorption from III-V Semiconductor Surface in Metalorganic Chemical Vapor Deposition Studied by Surface Photo-Absorption,/ N. Kobayashi and Y. Horikoshi // Jap. Journal of Appl. Phys. 1991. - V. 30. - P. 1699-1701.

28. Durstan D.J. Strain and strain relaxation in semiconductors / D.J. Durstan // Journal of Material Science: Materials in Electronics. 1997. - V. 8. - No. 6. - P. 337-375.

29. Nabetani* Y. Critical thickness of InAs grown on misoriented GaAs substrates / Y. Nabetani, A. Wakahara, A. Sasaki // Journal of Applied Physics. — 1995. V. 78. - No. 11. - P. 6461-6468.