WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 6 Контакты с диффузионными барьерами на основе фаз внедрения TiN, Ti(Zr)Bx в СВЧ диодах диапазона 75-350 ГГц © Н.С. Болтовец¶, В.Н. Иванов, А.Е. Беляев, Р.В. Конаковබ, Я.Я. Кудрик, В.В. Миленин, И.Н. Арсентьев+, А.В. Бобыль+¶¶¶, П.Н. Брунков+, И.С. Тарасов+, А.А. Тонких+, В.П. Улин+, В.М. Устинов+, Г.Э. Цырлин+ Государственное предприятие НИИ „Орион“, 03057 Киев, Украина Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарёва Национальной академии наук, 03028 Киев, Украина + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 25 октября 2005 г. Принята к печати 9 ноября 2005 г.) Новая технология термически стабильных омических контактов с диффузионными барьерами на основе аморфных фаз внедрения TiN, Ti(Zr)Bx использована при разработке СВЧ диодов миллиметрового диапазона (более 100 ГГц) на основе GaAs, InP и Si. Повышение надежности GaAs, InP диодов Ганна, работающих на частоте 200 ГГц, стало возможным также и за счет использования в качестве исходных приборных структур эпитаксиальных слоев, полученных методами газофазной, молекулярно-пучковой и жидкофазной эпитаксии на пористые подложки AIIIBV. Диапазон работы лавинно-пролетных диодов на основе Si увеличен до 350 ГГц.

Для этого впервые была использована технология формирования активного элемента на кремниевой металлизированной мембране.

PACS: 85.30.Mn, 85.30.Fg 1. Введение полупроводника и даже небольшой дисперсии структурных свойств (например, приповерхностных микроИнтерес к элементной базе СВЧ электроники милнапряжений) оказывается достаточно, чтобы параметры лиметрового диапазона обусловлен малыми потерями прибора существенно отклонялись от расчетных, либо СВЧ мощности при прохождении сигналов в неблаСВЧ генерация вообще не возникала [16–18]. Не менее гоприятных условиях окружающей среды, увеличением важными являются требования по качеству омических объема и скорости передачи информации, повышением и барьерных контактов к активной области. В этом помехозащищенности каналов связи. Поэтому разработслучае недопустимыми являются массоперенос и фака активных элементов и приемопередающих модулей и зовое расслоение в контактах. Именно эти процессы устройств на частотный диапазон выше 100 ГГц является обусловливают быструю деградацию в рабочей облаактуальной и практически важной проблемой. В связи сти, которая может либо непосредственно примыкать к с этим перед современным полупроводниковым матеконтакту металл–полупроводник, либо располагаться от риаловедением возникает ряд задач физико-химической него на расстояние нескольких десятков нанометров при природы [1–16]. Это прежде всего стабильность контакиспользовании специальных защитных слоев.

тов и высокое структурное качество рабочей области, Таким образом, для повышения надежности и расшинепосредственно в которой генерируются СВЧ колерения диапазона частот СВЧ диодов необходимо улучбания. Решение этих фундаментальных задач должно шить структурное качество активной области, повысить также сопровождаться соответствующей модификацией термическую и электрическую стойкость к паразитным последующих технологических операций (разделения процессам фазового расслоения и межслойной взаипластины на чипы, сборка и тестирование и др.).

модиффузии. При этом особое внимание необходимо Главная особенность работы активных микроволновых уделять планарной однородности рабочих и контактных элементов состоит в том, что режимы СВЧ генераслоев. Далее описаны новые подходы к технологическим ции весьма чувствительны к наличию неоднородностей, решениям этих проблем, а также приведены примеры их дислокаций, скоплений структурных дефектов как в реализации в технологии полупроводниковых микроволрабочем слое и на границах раздела фаз, так и в новых диодов короткого миллиметрового диапазона.

контакте металл–полупроводник. Особенно это относится к приборным структурам, работающим в коротком 2. Микроволновые диоды Ганна миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн (100-400 ГГц). Активная часть приборной струк- на основе GaAs и InP туры фактически находится в приповерхностном слое Диоды Ганна коротковолновой части миллиметрового ¶ E-mail: bms@isp.kiev.ua ¶¶ диапазона обычно изготавливаются на основе полупроE-mail: konakova@isp.kiev.ua ¶¶¶ E-mail: bobyl@theory.ioffe.ru водников GaAs и InP. Эти материалы широко использу8 754 Н.С. Болтовец, В.Н. Иванов, А.Е. Беляев, Р.В. Конакова, Я.Я. Кудрик, В.В. Миленин, И.Н. Арсентьев...

ются также при разработке принципиально новых приборов и технологических схем, поскольку их физические свойства хорошо исследованы, а технология может быть реализована на стандартном (промышленном) оборудовании. Тем не менее в ряде случаев возникает необходимость дальнейшей оптимизации технологических процессов [3]. Особенно это касается InP и микроволновых приборов на его основе, в том числе диодов Ганна.

Наряду с явными преимуществами InP по сравнению с GaAs, обусловленными более высокой дрейфовой скоростью и более высокой теплопроводностью, InP является более дефектным материалом по сравнению с GaAs, который также не доведен до предела своих возможностей [19–21]. Поэтому актуальной является разработка новых методов формирования высококачественных эпитаксиальных пленок GaAs и InP. Первые наши опыты в этом направлении были осуществлены при эпитаксии полупроводниковых пленок на пористых подложках [22–26].

При использовании нанопористых подложек значительно уменьшаются внутренние механические напряжения, присутствующие даже в случае автоэпитаксии, на Рис. 1. Распределения концентраций электронов по глубине несколько порядков уменьшаются плотность дислокаций от поверхности в эпитаксиальных структурах для диодов и величина токов утечек, более резкими становятся Ганна, выращенных методом молекулярно-пучковой эпитаксии интерфейсы за счет уменьшения толщин нарушенных на жесткой (a) и пористой (b) подложках.

слоев.

Для изготовления СВЧ диодов методами молекулярно-лучевой, газофазной и жидкофазной эпитаксии из — На стандартной жесткой подложке InP с буферным металлорганических соединений были получены эпислоем, легированным Dy, структурные параметры были таксиальные пленки арсенида галлия на пористых и хуже по сравнению с аналогичным слоем, выращенным стандартных подложках n+-GaAs и методом жидкофазна пористой подложке, а именно полуширина максимума ной эпитаксии — на пористых и стандартных жестких при сканировании -2 равна 32, а по —29 угловых подложках фосфида индия — эпитаксиальные слои n-InP.

секунд.

Эпитаксиальные слои n-InP были легированы диспрози— На пористом GaAs с нелегированным буфером ем, а эпитаксиальные слои n-GaAs — кремнием.

выращенный слой GaAs, легированный кремнием, также Структурное совершенство выращенных эпитаксиальбыл более совершенным, чем выращенный на „жесткой“ ных приборных структур контролировалось рентгеноподложке GaAs с нелегированным буфером. Полушидифракционными измерениями по угловой зависимости рины максимумов при сканировании -2 и по ширины рентгенорефлексов. Эпитаксиальные слои GaAs одинаковы и равны 14 угловым секундам.

и InP, выращенные на буферных слоях, сформированных — На стандартной жесткой подложке GaAs с нелена подложках GaAs (InP), были более структурногированным буфером образуется эпитаксиальный слой совершенными и менее напряженными, чем аналогичGaAs, менее совершенный, чем выращенный на пориные слои на жестких подложках, что было подробно стой подложке с буфером. Полуширина максимума при описано в работах [11,13–15,26]. Ранее подобный резульсканировании -2 равна 21, а по — 22 угловых тат наблюдался также при росте гетероэпитаксиальных секунды.

слоев на пористых подложках GaAs [23–25].

Заметим, что независимо от способа эпитаксии слои Текущий контроль качества эпитаксиальных приборGaAs, выращенные на пористых подложках с буфеных структур осуществлялся путем анализа дифракциром, были более структурно совершенные, чем анаонных кривых вблизи рефлекса (400), который позволил логичные слои на „жестких“ стандартных подложках сделать следующие выводы.

GaAs. С помощью метода электрохимического вольт— На пористом InP с буферным слоем, легирован- емкостного (ECV) профилирования были проведены ным Dy, растет достаточно совершенный слой InP.

исследования распределения концентрации свободных Полуширины максимумов при сканировании по -2 носителей заряда в эпитаксиальных слоях n-GaAs, выи по одинаковы и равны 12 угловым секундам, что ращенных на подложке n+-GaAs (рис. 1). На рис. 1,a свидетельствует об отсутствии анизотропии размеров видно, что на глубине 2.8 мкм от поверхности наблюобластей когерентного рассеяния (ОКР) вдоль и перпен- дается небольшой провал в концентрации электронов, дикулярно направлению 100 InP. связанный с наличием дефектов на металлургической Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Контакты с дифузионными барьерами на основе фаз внедрения TiN, Ti(Zr)Bx в СВЧ диодах... границе (эпитаксиальный слой)–подложка. Верхний и нижний контактные слои n+-GaAs имеют толщину около 0.4 мкм и легированы Si на уровне 2 · 1018 см-3.

Толщина области слабого легирования составляет около 2 мкм, а уровень концентрации электронов находится в диапазоне от 1017 см-3 до 8 · 1016 см-3. Это изменение концентрации может быть также обусловлено формированием неоднородностей кромки, возникающих при электрохимическом травлении вследствие планарной неоднородности эпитаксиальной структуры.

Профиль структуры на пористой подложке (рис. 1,b) идентичен профилю структуры на рис. 1, a для верхнего контактного слоя и слабо легированной области n-GaAs.

Однако граница перехода (слабо легированная область)– (нижний контактный слой) сильно размыта. Величина концентрации электронов доходит до 7 · 1019 см-3 на глубине 3.6 мкм, что значительно превышает уровень легирования подложки. Такое поведение может быть связано с тем, что на подложке n+-GaAs был сформирован пористый слой методом электрохимического травления. Поэтому нижний контактный слой n+-GaAs мог также иметь пористую структуру. Когда в процессе измерения электролит достиг нижнего контактного слоя n+-GaAs, то из-за наличия пор произошло увеличение площади контакта электролит–полупроводник, что привело к увеличению измеряемой емкости структуры и соответственно к росту концентрации носителей. Пористая граница сохранилась при травлении подложки n+-GaAs, где ECV-профиль также показал завышенную концентрацию (рис. 1,b).

На приборных эпитаксиальных структурах, выращенных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, в НИИ „Орион“ были Рис. 3. Зависимости максимальной выходной мощности от частоты: a — для диодов Ганна, b — для Si-IMPATT-диодов. Диизготовлены диоды Ганна по технологии, описанной оды Ганна изготовлены на подложках: 1,2 —GaAs; 3,4 —InP.

в работе [27]. Концентрация свободных электронов в 1,3,6 —данные из работы [10], 2,4,5 — наши данные.

n-слое составляла 1016 см-3 при его толщине 2мкм.

Омические контакты к диодам Ганна были изготовлены на основе металлизации Au–TiBx–AuGe. Слои металлизации получены магнетронным распылением, причем слой AuGe формировался таким образом, чтобы в нем было 97% Au и 3% Ge.

При этом оказалось, что диоды Ганна, изготовленные на основе эпитаксиальных слоев GaAs и InP, выращенных на пористой подложке с буфером, начинают генерировать, как видно на рис. 2, при рабочих напряжениях, близких к пороговым напряжениям Uth (так называемый „мягкий запуск“ режима генерации). Тогда как в диодах Ганна, изготовленных на стандартных подложках с буфером, генерация микроволновых колебаний возникает при напряжении выше порогового на 20% (типичный „жесткий“ запуск режима генерации). На рис. 2 видно также, что еще одним достоинством использования пористой подложки является увеличение мощности генерации GaAs-диодов Ганна почти на 50%.

Рис. 2. Зависимости выходной мощности GaAs-диодов На рис. 3,a приведены сравнительные данные по Ганна от относительного напряжения смещения (прямые максимальной величине выходной мощности диодов меза-структуры). Исходные структуры получены молекуГанна на основе GaAs и InP в частотном диапазоне лярно-пучковой эпитаксией на подложки: 1 — пористые 80-200 ГГц, полученные в данной работе и в [10], и 2 —жесткие.

8 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 756 Н.С. Болтовец, В.Н. Иванов, А.Е. Беляев, Р.В. Конакова, Я.Я. Кудрик, В.В. Миленин, И.Н. Арсентьев...

подтверждающие высокий уровень технологической раз- 4. Заключение работки по изготовлению диодов Ганна на пористых подложках и его соответствие современному состоянию Таким образом, разработаны новые технологии митехнологии в данной области микроволновой техники.

кроволновых диодов на основе GaAs, InP и Si, которые включают:

— разработку омических контактов с диффузионны3. Кремниевые IMPATT-диоды ми барьерами к GaAs, InP и к кремниевым микроволновым диодам на основе наноструктурных аморфных фаз В работах [27,28] описана технология изготовления и внедрения;

приведены параметры кремниевых одно- и двухпролет— разработку диодов Ганна на основе эпитаксиальных IMPATT-диодов на частотный диапазон 33-140 ГГц.

ных структур GaAs и InP, выращенных на пористых Особенностью этой технологии является возможность подложках.

формирования чипа активного элемента на кремниевой металлизированной мембране, толщина кремния состав- Разработанные с учетом вышеуказанных факторов ляет 8-12 мкм [27]. и изготовленные на медных теплоотводах кремниевые Для IMPATT-диодов, работающих в частотном диа- IMPATT-диоды имеют выходную мощность в частотном пазоне 150-350 ГГц, толщина кремниевой мембраны диапазоне 26.5-350 ГГц и диоды Ганна на основе GaAs уменьшается до 6 мкм. Дополнительными требованиями и InP в частотном диапазоне 80-200 ГГц на уровне анаявляются высокая планарная однородность структурного логичных микроволновых диодов, изготавливаемых векачества и плоскостность подложечного кремния. В ка- дущими мировыми фирмами на алмазных теплоотводах.

честве омического контакта к p+- и n+-слоям кремния Работа выполнена в рамках Российско-Украинской был использован Pd2Si с последующим формированием программы по нанофизике и наноэлектронике.

на нем диффузионных барьеров из TiN и Ti. Использование в качестве диффузионных барьеров аморфных сплаВыражаем благодарность М.В. Шишкову и Н.А. Мавов на основе фаз внедрения TiN, TiBx и ZrBx повысилееву за обсуждение технологических результатов.

ло качество омических контактов, позволив исключить один из основных механизмов деградации контактов — межзеренную диффузию, типичную для металлизации Список литературы сформированной поликристаллическими пленками металлов или сплавов [28]. Испытания в форсирован- [1] В.Г. Божков, В.В. Вилисова, К.И. Куркан, О.Ю. Малаховных режимах при температуре p-n-переходов 335, 346 ский, Т.М. Табакеева. Электронная промышленность, № 3, и 375C на IMPATT-диодах, изготовленных по техно- 82 (1993).

Pages:     || 2 |



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.