WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Прямая статическая ВАХ диодов на основе --n-структур, легированных Fe или Cr в процессе диффузии, состоит из двух участков. Первый описывается генерационно-рекомбинационной теорией Саа-Нойса-Шокли. Для диодов, полученных диффузией Fe, на прямой ветви может наблюдаться также туннельная составляющая тока с участием глубокого уровня. На втором участке прямая ВАХ описывается теорией Стафеева для высокого уровня инжекции. Для части диодов после второго участка может следовать участок отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС). Обратная статическая ВАХ диффузионных диодов состоит из трех участков. Первый описывается генерационно-рекомбинационной теорией Саа-Нойса-Шокли. Второй (наиболее характереный для структур, легированных хромом) обусловлен эффектом ПулаФренкеля. Третий участок обусловлен лавинным микроплазменным пробоем диода. Экспериментально установлено, что участок ОДС субнаносекундного быстродействия, следующий за участком микроплазменного пробоя, имеет место только при наличии инжектирующего контакта к -области.

Для диодов на основе диффузионных --n-структур основными параметрами, влияющими на характеристики приборов, являются толщина базы (высокоомного слоя) и концентрация доноров в n-слое. Зависимость напряжения переключения от толщины базы объясняется падением напряжения на сопротивлении растекания микроплазмы. Однако, до сих пор для диффузионных структур точно не было установлено, как влияет изменение толщины базы на вид ВАХ. Влияние концентрации доноров в n-слое на напряжение переключения объясняют зависимостью напряжения пробоя --перехода от разностной концентрации доноров и акцепторов в области объемного заряда. Такая трактовка изначально предполагает, что в процессе диффузии формируется резкий переход, однако, методологически, диффузионные переходы следует исследовать как плавные.

В заключение первой главы сформулированы цели и задачи исследования, вытекающие из анализа литературных данных.

Вторая глава. Вторая глава является методической. В ней подробно излагаются методики исследования и способы изготовления экспериментальных образцов.

Способы диффузии можно разделить на диффузию в потоке инертного (или восстановительного) газа и диффузию в запаянных ампулах. В данной работе с использованием первого способа исследовалась только диффузия хрома в GaAs, что продиктовано практической важностью этого метода для получения приборных детекторных структур. С другой стороны, второй способ предпочтителен для получения S-диодных структур и, поэтому, при его помощи исследовалась как диффузия хрома, так и диффузия железа.

Полученные в процессе диффузии структуры использовались для изготовления лавинных S-диодов с целью дальнейшего исследования их статических и импульсных ВАХ. В работе исследовались ВАХ трех видов приборных структур: 1 – дискретные диоды со сплавными контактами на основе структур --n-типа (либо Fe-Cr-Cr-n-типа); 2 – матрицы диодов, изготовленные по меза-планарной технологии, на основе структур n+---n-типа; 3 – линейки диодов со сплавными контактами на основе структур --n-типа. Изготовление каждого из перечисленных видов приборных структур позволило решить конкретные научно-практические задачи и привело к созданию новых исследовательских методик, представленных в работе.

Третья глава. В третьей главе излагаются результаты исследования диффузии Cr и Fe в GaAs. Диффузия Cr в GaAs в открытой системе (в потоке инертного газа) изучена впервые. Получены температурные зависимости коэффициента диффузии и растворимости электрически активных атомов Cr в GaAs, которые описываются зависимостями Аррениуса (Т = 900 - 1000о С):

Q QCr o DСr Dо exp( ), NСr NCr exp( ), (1) k T k T о NCr где Do = 1.710-2 см2/с, Q = 1.4±0.1 эВ; = 8.91021 см-3, QСr = 1.2±0.1 эВ.

Анализ полученных результатов показал, что диффузия хрома в GaAs в потоке инертного газа протекает аналогично диффузии при условии низкого (равновесного) давления паров мышьяка в вакуумированных ампулах, что объяснимо с позиций диссоциативного механизма диффузии. При диссоциативном механизме коэффициент диффузии и растворимость примеси определяются, прежде всего, концентрацией вакансий, которая может регулироваться давлением паров мышьяка. Коэффициент диффузии при этом обратно пропорционален концентрации вакансий галлия, в которые встраиваются диффундирующие атомы хрома. Так как произведение равновесных концентраций вакансий обеих подрешеток остается величиной постоянной, то понижение давления паров мышьяка приводит к увеличению коэффициента диффузии атомов хрома. При диффузии в открытой системе происходит обеднение арсенида галлия мышьяком из-за его частичного испарения в атмосферу аргона, а также из-за его растворения в защитной пленке SiО2. Это и приводит к увеличению эффективного коэффициента диффузии хрома по сравнению со случаем диффузии в ампулах с избыточным давлением паров мышьяка.

В третьей главе также приводятся результаты исследования диффузии электрически активных атомов железа в GaAs при высоком давлении паров мышьяка (P = 1 атм). Температурные зависимости коэффициента диффузии и растворимости электрически активных атомов Fe в GaAs описываются следующими выражениями (Т = 900 - 1150о С):

Qо, QFe, o DFe Dо exp N N exp (2) Fe Fe k T k T o NFe где Do = 1.6 см2/с, Qo = 2.2±0.5 эВ; = 4.71023 см-3, QFe = 1.6±0.2 эВ.

Полученные зависимости (1) и (2) использовались при изготовлении структур с заданными параметрами с целью дальнейшего исследования их электрических характеристик.

Четвертая глава. В четвертой главе приводятся результаты исследования электрических характеристик структур, полученных диффузией глубоких акцепторных примесей в n-GaAs. Рассматривается влияние толщины высокоомного слоя (d) и градиента концентрации (ак) примеси в области -перехода на напряжение переключения (Uп), ток переключения (Iп) и ВАХ (в целом) S-диодов. Проводится сравнительное исследование ВАХ структур, полученных диффузией Fe, Cr, и одновременно Fe и Cr в n-GaAs.

Полученные экспериментальные данные интерпретируются с учетом неоднородного профиля распределения глубокого акцептора в n-GaAs. С использованием результатов, представленных в третьей главе, была установлена связь параметров профилей примесей в структурах с электрическими характеристиками приборов, изготовленных на их основе.

Было установлено, что напряжение переключения диффузионных структур на основе GaAs:Fe зависит от градиента концентрации примеси в области объемного заряда (ООЗ). Анализ всей совокупности литературных данных и данных, полученных в настоящей работе, показал, что для сопоставления напряжений переключения с градиентом концентрации примеси в ООЗ необходимо проводить сравнение величин Uп для разных партий диодов при одинаковых токах переключения. Это связано с тем, что напряжение пробоя всегда больше Uп, так как переключение структуры происходит в области микроплазменного пробоя. Таким образом, экспериментальная зависимости Uп от градиента концентрации для диодов с одинаковыми Iп, лежит ниже кривой, отражающей зависимость напряжения пробоя от ак, и проходит параллельно ей, как показано на рисунке 1.

Исключением является точка для ак = 2.61019 см-4, полученная для диодов с наименьшей толщиной базы d = 8 мкм, при которой механизм переключения меняется.

Для исследования влияния.

2 толщины базы S-диода на обратную а, см-к ВАХ была разработана методика Рис. 1. Зависимость напряжения послойного снятия высокоомного слоя переключения при Iп = 1 мкА от отдельно взятых S-диодов.

градиента концентрации; пунктирной линией показана теоретическая Интерпретировать экспериментальные зависимость для напряжения пробоя данные при использовании такой П ПР U (U ), В методики проще, так как в ходе опыта изменялся всего лишь один параметр – толщина базы. Структура и геометрические параметры единичного S-диода при этом оставались постоянными. Ранее при таких исследованиях изменения толщины добивались изменением температуры и времени диффузии, что влияло на градиент концентрации в области --перехода. Экспериментальные образцы --n-структур получали диффузией Fe в n-GaAs.

На рисунке 2 представлены наиболее типичные обратные ВАХ S-диодов с разными толщинами базы в области сильных полей. Как видно из рисунка 2, наблюдается некоторое уменьшение напряжения переключения и существенное снижение тока переключения по мере уменьшения толщины высокоомного слоя.

При уменьшении толщины до минимального значения в некоторых случаях наблюдается искажение вольт-амперной характеристики (рис. 2 б при толщине базы 12 мкм), что свидетельствует об изменении механизма переключения диода.

В работе предложен механизм влияния d на Uп и Iп, связанный с инжекцией электронов с прямосмещенного контакта к -слою. Мы предположили, что эквивалентную схему S-диода при обратном смещении можно представить как последовательное включение ООЗ --перехода, сопротивления толщи базы (-слоя) и М--перехода (или n--перехода – в зависимости от типа используемого контакта). При подаче на диод обратного смещения для --перехода вначале все напряжение падает на нем, но когда начинается микроплазменный пробой, сопротивление --перехода резко уменьшается и часть подаваемого напряжения будет падать на последовательно включенных сопротивлениях толщи -слоя и прямосмещенном М--переходе. Электроны, инжектированные с прямосмещенного М--перехода, будут перемещаться в -области. Некоторая их часть (не прорекомбинировавшая с дырками) дойдет до области сильного поля -перехода, что приведет к ударной ионизации с последующей перезарядкой глубоких центров.

10-4 - 1 a) - б) - 10-5 - - - - - 10-10-10-10-60 90 120 50 U, В100 125 U, В Рис. 2. Вольт-амперные характеристики диодов при различных толщинах базы: а - для структуры №1, толщина удаленного слоя: 1 – 0 мкм; 2 – 15 мкм; 3 – 24 мкм;

4 – 36 мкм (начальная толщина 46 мкм); б – для структуры №2, толщина убранного слоя: 1 – 0 мкм; 2 – 33 мкм; 3 – 52 мкм; 4 – 65 мкм (начальная толщина 77 мкм); стрелками указано начало участка ОДС I, А I, А В предположении, что инжектированные электроны переносятся в базе за счет дрейфа, а концентрация носителей заряда, дошедших до ООЗ, остается постоянной величиной для всех толщин d, были получены следующие выражения для напряжения и тока переключения:

1 d d U ln, I, (3) П n G IO R П n G R n n где n, µn – время жизни и подвижность электронов в -слое;, Io – величины, характеризующие микроплазменный пробой, которые определяются из вида обратной ВАХ; R – сопротивление -слоя, которое в общем случае зависит от d; G – подгоночный параметр, характеризующий относительную часть электронов, дошедших от инжектирующего контакта до ООЗ.

На рисунке 3 представлены расчетная и экспериментальные зависимости напряжения переключения от толщины базы. Имеет место совпадение экспериментальных и расчетных значений. Для расчета использовались следующие величины: = 710-2 В-1; n = 10-9 c; µn = 1500 см2/(Вс); Iо = 10-9 А; R = 107 Ом; G = 0.23.

Исследование ВАХ структур на основе GaAs:Cr показало, что прямая ветвь о ВАХ (рис. 4 а) в интервале температур от -10 до +75 С хорошо описывается в рамках теории Стафеева. Обобщить результаты измерений для обратных ВАХ структур из GaAs:Cr удается только для напряжений U < 1-10 В. Это обусловлено тем, что при U > 1-10 В для данных диодов характерен гистерезис ВАХ, а также имеют место колебания тока при фиксированных напряжениях. При напряжениях U > 80-120 В помимо колебаний тока появляются колебания напряжения. При максимальных подаваемых напряжениях U = 100-200 В амплитуды колебаний тока и напряжения резко усиливаются и диоды переключаются в состояние с большим остаточным напряжением (не менее 50% от напряжения переключения) и малым током в открытом состоянии (не более 1-2 мА). Однако, в большинстве случаев переключение происходит необратимо.

Общими для всех диодов на основе GaAs:Cr являются два начальных участка обратной ВАХ: 1 – участок линейной зависимости тока от напряжения до U 0.1-1 В; 2 – субли0 10 20 30 40 50 нейный участок до U 1-10 В (рис. x, мкм б). Зависимость тока от 1/Т на Рис. 3. Расчетная и экспериментальная втором участке носит экспонензависимости напряжения переключения циальный характер с энергией от толщины базы для трех различных диодов (структура №1) активации E 0,75 эВ.

П U, В 10-б) a) 10-10-10-10-10- 1 10- 4 10- 10-1 2 3 4 5 6 7 8 10-3 10-2 10-1 100 101 U, B U, B Рис. 4. Прямые (а) и обратные (б) ветви ВАХ для --n-структур, полученных о диффузией хрома в GaAs. Тдиф=970 С, PAs=1 атм., n = 21016 см-3, dвос = 20-мкм; а: 1 – Т = 264 К, 2 – Т = 278 К, 3 – Т = 295 К, 4 – Т = 316 К, 5 – Т = 349 К; б:

1 – напряжение увеличивается, 2 – напряжение снижается Анализ показал, что отсутствие участка ОДС при обратном смещении для большей части --n-структур, полученных диффузией Cr в GaAs, объясняется падением большей части приложенного напряжения на высокоомной -области.

Это является причиной отсутствия в ООЗ той напряженности поля, при которой достигается критическая плотность тока, инициирующая лавинный микроплазменный пробой с захватом носителей заряда на глубокие уровни. При этом резкий рост тока в большей степени обусловлен инжекцией электронов с прямосмещенного контакта к -слою.

Для снижения влияния инжекции из контакта в базу при обратном смещении --перехода было предложено понизить сопротивление части -слоя. Это, с одной стороны, привело к ограничению распространения поля в базу, а с другой, повысило барьер для инжекции неосновных носителей. В этом случае, пока сопротивление --перехода много больше сопротивления низкоомной части базы, протекающий ток обусловлен процессами в ООЗ и прилегающей к ней высокоомной части -области. При достижении критического значения напряженности поля в ООЗ электроны, инжектированные с контакта, инициируют переключение структуры, по механизму, рассмотренному для диодов на основе GaAs:Fe.

В процессе изготовления структур понизить сопротивление базы удалось путем дополнительного введения в GaAs:Cr более мелкого акцептора. В данной работе было предложено использовать в качестве такого акцептора Fe.

Полученную двойным легированием структуру условно можно обозначать как структуру Fe-Cr-Cr-n-типа.

При изготовлении структур Fe-Cr-Cr-n-типа создавался такой профиль легирования, в котором приповерхностная область -типа была образована I, A I, A примесью железа и хрома, а --переход был создан в основном примесью хрома.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»