НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ЧЕЛЮБЕЄВ ВІКТОР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК.621.382.088

ВПЛИВ КОНТАКТНИХ НЕОДНОРІДНОСТЕЙ НА ЕЛЕКТРИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДІОДІВ ГАННА

Спеціальність 05.27.01-твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі мікроелектроніки Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, та ВАТ “НТЦ “Сузір’я” (м. Київ).

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Родіонов Михайло Кузьмич,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, доцент

кафедри мікроелектроніки.

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: доктор фізико-математичних наук, професор,

Чайка Василь Євгенович, Національний

технічний університет України “Київський

політехнічний інститут”, професор кафедри

електронних приладів та пристроїв;

кандидат технічних наук, Вербицький Володимир

Григорович, директор ДП “Науково-дослідний

інститут Мікроприладів” (м. Київ).

ПРОВІДНА УСТАНОВА: ВАТ “Науково-виробниче підприємство “Сатурн”

(м. Київ).

Захист відбудеться “16” грудня 2002 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.08 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Киів, пр. Перемоги, 37, навчальний корпус №12, аудиторія 114.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, Киів, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано “ 8 “ листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., професор Писаренко Л.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Просування діодів Ганна у більш високочастотні діапазони використання супроводжується зменшенням довжини активної n-області L, яка для L5 мкм стає порівняною з довжиною “холодної зони” - області при катоді, де електрон набирає енергію, необхідну для міждолинного переходу. Вирішити цю проблему дозволяє застосування в арсенід галієвих діодах Ганна n-n+б-n++ типу неоднорідностей вплавлених катодних омічних контактів на основі AuGe, а саме їхньої “острівцевої” структури, характерної наявністю на контактній межі поділу омічних та бар’єрних областей. “Острівцева” структура зменшує площу емітуючої поверхні катоду, що дозволяє створити достатнє для розігріву електронів прикатодне електричне поле та зменшити довжину “холодної зони”. Це й забезпечує можливість досягти N-образної вольтамперної характеристики (ВАХ) у діодах міліметрових довжин хвиль (L4 мкм). Однак, для ефективного використання неоднорідності вплавлених катодних контактів на основі AuGe, не зовсім зрозумілі причини виникнення “острівцевої” структури і недостатньо експериментальних даних про її взаємозв’язок з електричними параметрами діодів Ганна.

Зменшення довжини активної n-області L викликає зростання концентрації носіїв в ній n0 (в силу дії необхідної умови появи ганновських осциляцій - n0L 2х1012 см-2) та зменшення площі меза-структури діода - S (L/n0), низькопольовий опір якої, фіксовано на рівні 1 Ом. При зменшенні геометричних розмірів напівпровідникових структур на їх характеристики починають впливати крайові ефекти, пов’язані з викривленням силових ліній електричного поля на краях контактних меж поділу. Однак прояв цих ефектів в діодах Ганна недостатньо відображено в літературних джерелах, що обумовлює проблему невизначенності їх взаємозв’язку з параметрами діодів міліметрового діапазону.

Тому, дослідження впливу на електричні характеристики діодів Ганна неоднорідностей “острівцевої” структури вплавлених контактів на основі AuGe до n-GaAs та обумовлених площею контактних меж поділу, при різних довжинах L, актуальні і являють як науковий, так і практичний інтерес.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертаційної роботи і отримані автором результати використані у напівпровідниковому виробництві заводу “Генератор” (м. Київ) та у рамках виконання ВАТ “НТЦ “Сузір’я” (м. Київ) Комплексної науково-технічної програми №8 “Зв’язок” Міністерства машинобудування, ВПК та конверсії України, яка діяла на протязі 1993-2000 років.

Мета та задачі дослідження. Мета роботи складається в тому, щоб визначити вплив контактних неоднорідностей на електричні характеристики діодів Ганна n-n+б-n++ типу та використати їх в конструкторсько-технологічних розробках твердотільних приладів міліметрової довжини хвиль.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв’язати слідуючі задачі:

n

n

n

Об’єкт і предмет дослідження. Об’єктом дослідження є арсенід галієві діоди Ганна з меза-структурами n-n+б-n++ типу (де n - активний, n+б - буферний епітаксійні шари, n++ - підкладка) з вплавними омічними контактами на основі евтектичних сплавів AuGe. Предметом дослідження є вплив неоднорідностей межі поділу вплавлених AuGe контактів та неоднорідностей, обумовлених геометричними факторами - площею меза-структури при різній довжині активної n-області, на електричні характеристики діодів Ганна.

Методи дослідження. Використано методи : растрової електронної мікроскопії та рентгеноспектрального електронно-зондового мікроаналізу - для дослідження контактної межі поділу та дефектів, викликаючих відказ, при пробої та деградації параметрів діодів; кутової залежності магнетоопору - для вимірювання питомого контактного опору; термоіндикаторів - для вимірювання теплового опору діодів Ганна; моделювання відказів діодів Ганна.

Наукова новизна роботи полягає в слідуючому:

·

·

·

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

·

·

·

·

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі узагальнено результати досліджень, які проведені особисто здобувачем та спільно з Родіоновим М.К., Івановим В.М., Сумською Т.С., Воробйовим Ю.В., Коваленко Л.Є., Яшником В.М.

Особисто здобувачем зроблено:

·

·

·

·

·

·

·

Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на галузевому семінарі Міністерства електронної промисловості СРСР “Аналитические методы исследований полупроводниковых материалов и приборов” (м. Запоріжжя, 1987), науково-технічному семінарі “Объемные интегральные схемы и приемные устройства СВЧ-диапазона” (м. Севастополь, 1989), ХХI Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми фізичної та біомедицинської електроніки” (12-14 червня 2001 р., м. Київ, Україна).

Публікації. Основний зміст роботи відображено у 7 публікаціях, одному опублікованому докладі на конференції, захищено 5 авторськими свідоцтвами та 2 патентами.

Структура й об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів із висновками, загальних результатів роботи, викладених на 140 сторінках машинописного тексту, списку літератури з 81 найменування вітчизняної та закордонної літератури на 7 сторінках. Робота містить 49 рисунків, 12 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі проведено аналіз існуючих поглядів на виникнення неоднорідностей вплавлених омічних контактів на основі AuGe до n-GaAs та їхнього впливу на електричні характеристики діодів Ганна n-n+б -n++ типу. Встановлено, що як AuGe, так і AuGeNi вплавлені омічні контакти мають “острівцеву” структуру, не дивлячись на різні механізми її формування. Як зазначено в джерелах, термостійкість AuGeNi контактів нижча ніж AuGe, тому об’єктом досліджень вибрані останні. Створення таких омічних контактів здійснюється при температурі (400-550) 0С через евтектичний вплавно-рекристалізаційний механізм взаємодії Au з Ga, що викликає появу вакансій III групи, які займає донорна домішка - елемент IV групи Ge, а це призводить до виникнення у приповерхньому шарі n-GaAs n-n+ омічних переходів. Причиною їх локального розташування на контактній межі поділу, що й обумовлює її “острівцеву” структуру, вважається стягування контактної AuGe-металізації в краплі та нерівномірний розподіл в ній Ge. У рамках цього механізму не пояснюється помічена присутність на поверхні (100) n-GaAs після вплавління “острівців” металізації прямокутної форми. Це вказує на недосконалість використаної методики досліджень, а саме - відсутність методики виявлення та спостереження двохмірної картини межі поділу вплавлений контакт-напівпровідник, розробка якої обумовила одну з головних задач дисертаційної роботи.

Аналіз результатів експериментальних досліджень ВАХ діодів Ганна n-n+б -n++ типу з вплавленими омічними контактами на основі AuGe виявив вплив їх неоднорідності на ефективне значення порогового електричного поля та пробивну напругу на зворотній вітці ВАХ, яка значно менша, ніж на прямій. При цьому, така неоднорідність розглядається в якості високоомної області, або переходів металл-напівпровідник, і не враховує “острівцевий” характер контактної межі поділу. В той же час, теоретичними дослідженнями було показано, що саме “острівцева” структура вплавленої AuGe-металізації, завдяки керуванню емітуючою поверхнею катоду на активній n-області, дозволяє впливати на активні властивості коротких (L 4-5 мкм) діодів Ганна. Тому, слідуючою задачею дисертаційної роботи стала розробка методики експериментальних досліджень впливу “острівцевої” структури омічних контактів на основі AuGe на електричні характеристики діодів Ганна.

Результатів експериментальних досліджень крайових ефектів в діодах Ганна в літературних джерелах не відображено.

Загалом, проведений аналіз літературних джерел дозволив поставити основні задачі і визначити головну мету дисертаційної роботи.

У другому розділі наведені результати досліджень “острівцевої” структури вплавлених омічних контактів до (100) n-GaAs, для чого були використані вплавлені при 500 0С як AuGe контакти, так і контакти типу AuGe-Мо-Au підвищеної термостійкості. Для цього було розроблено методику виявлення двохмірної картини контактної межі поділу. Це здійснювалось за допомогою репліки контактів, яку отримували після термообробки, гальванічного осадження Au та травлення GaAs у розчині, який не взаємодіє зі з’єднаннями, утворюємими після вплавління металлізації у напівпровідник. Топографія поверхні репліки відтворює двохмірну картину контактної межі поділу. Крім цього, у растровому електронному мікроскопі (РЕМ), суміщеному з рентгеноспектральним аналізатором, спостерігалася поверхня контактів, переріз межі поділу Au-Мо-AuGe з (100) n-GaAs та встановлювався поелементний склад вплавлених областей. Шляхом аналізу зображень межі поділу контакт-напівпровідник (рис. 1) виявлено, що плівка Мо зашкоджає стягуванню AuGе-металізації у краплі (рис. 1 а). Однак, було встановлено: 1) межа поділу при товщині AuGе 150 нм і в її перерізі (рис. 1 б), і на репліці (рис. 1 в) являє локально вплавлені у напівпровідник “острівці” з прямокутними основами на поверхні (100) GaAs, витягнутими у кристалографічному напрямку [0-11], та огранені площинами еквівалентної симетрії {111} Ga та As (рис.1 г); 2) при збільшенні товщини AuGе (до 300 нм) починається змикання прямокутних основ “острівців”, а при подальшому збільшенні товщини (300 нм) спостерігається переважне вплавління AuGе по структурних дефектах.

(а) |

(б)

(в) |

(г)

Рис. 1. Типові мікрофотографіі в РЕМ вплавлених омічних контактів Au-Мо-AuGe - (100) n-GaAs: поверхні контактів - (а); перерізу площиною (011) GaAs - (б); репліки межі поділу - (в), та схематично представлена картина площин {111} Ga та As на поверхні (100) GaAs - (г)

При дослідженні вплавлених AuGе контактів (товщиною 150 нм) без шару Мо виявлено, якщо при термообробці на протязі 1 хвилини, хаотично утворені краплі металізації розорієнтовані, то при збільшенні часу вплавління до 10 хвилини, самі краплі вибудовуються у кристалографічному напрямку [0-11]; репліка контактної межі поділу у обох випадках відтворює картину, наведену на рис. 1 (в).

Таким чином, стягування AuGе-металізації у краплі не є визначаючим фактором у формуванні “острівцевої” структури контактів. Рентгеноспектральний аналіз поелементного складу вплавлених “острівців” встановив наявність, переважаючої кількості Au (77,5 %), потім Ga (9,4 %), Ge (8,74 %), As (4,46 %), тобто підтвердив дію вплавно-рекристалізаційного Au-Ga механізму при формуванні таких омічних контактів. Тому, причиною вибудови прямокутних основ “острівців” у напрямку [0-11] може бути більш висока щільність упаковки атомів Ga у цьому напрямку, а порівняно незначну кількість As можна пояснити втратою цієї летючої компоненти напівпровідникового з’єднання при термообробці.

Отримані результати дозволяють зробити висновок: форма вплавлених “острівців” при формуванні омічних контактів на основі AuGе до (100) GaAs визначається переважною взаємодією контактної металізації з напівпровідником у кристалографічному напрямку [0-11] і по дефектам структури, та огранінням їх площинами еквівалентної симетрії {111} Ga та As (рис. 1 г).

У третьому розділі проведені дослідження впливу “острівцевої” структури вплавлених AuGe-Мо-Au катодних омічних контактів на ВАХ арсенід галієвих діодів Ганна. Методика досліджень базується на встановленому факті, що репліка контактів на гальванічному тепловідводі зворотно-оберненої меза-структури не відрізняється від репліки під меза-структурою діоду. Враховуючи, що анодний AuGe контакт здійснюється через однорідний n++ шар GaAs, метод реплік може бути використано для дослідження впливу контактних неоднорідностей катода на електричні параметри діодів безпосередньо у технологічному циклі їх виготовлення, після травління меза-структур. Оцінка ступеня неоднорідності вплавлених катодних омічних контактів здійснювалась за допомогою коефіцієнта , який дорівнює відношенню площі основ вплавлених “острівців” до всієї спостерігаємої площі контактної межі поділу. Було показано, що керування величиною може здійсюватись шляхом варіювання товщиною AuGe-металізації та температурою термообробки при формуванні омічних контактів. Встановлено, що ступень неоднорідності “острівцевої” структури визначає асиметрію ВАХ при зміні полярності джерела живлення та особливості пробою діодів на зворотній вітці ВАХ відносно значень порогової напруги на прямій вітці. При 15 % ВАХ контактів та діодів асиметрична (питомий контактний опір к при цьому становить 10-4 Ом см2), для 25 %, ВАХ - симетрична (к 10-5 Ом см2). В діапазоні значень від 15 % до 25 % спостерігались обидві типи ВАХ. Пробивна напруга на зворотній вітці при симетричній ВАХ відповідає рівню порогової напруги Uпор на прямій вітці, тоді як для асиметричної ВАХ - нижче цього рівня. Встановлено – “острівцева” структура катодного контакту впливає на перерозподіл електричного поля в діоді, чим забезпечує збільшення ефективного значення напруженості поля при пробої на прямій вітці ВАХ при зменшенні L і перевагу меза-структур n-n+б -n++ типу перед структурами n+-n -n+ з однорідними котодними контактами стосовно перенапруг при включенні джерела живлення.

Таким чином, змінюючи, шляхом варіювання технологічними параметрами формування омічних контактів, ступень неоднорідності “острівцевої” структури катодного контакту, в певних межах можна впливати на його електричні характеристики, включаючи пробивну напругу.

У четвертому розділі наведено результати досліджень крайових ефектів в меза-структурах діодів Ганна. По-перше, прояв крайових ефектів спостерігався при вивченні особливостей електричного пробою діодів. Незалежно від того, пробій має місце на прямій чи зворотній вітці ВАХ, зазначено: при пробої відбувається S-образне перемикання струму та скачок напруги у область низьких значень, що свідчить про явище шнурування струму; електричний тип відказу - коротке замикання. Дефекти, якими викликано відказ (рис. 2), являли слід шнуру струму між анодом та катодом, локалізований поблизу бокової поверхні меза-структури, що було встановлено вперше.

(а) |

(б)

Рис. 2. Типові мікрофотографії у РЕМ меза-структур діодів Ганна, після пробою на прямій (а) та зворотній (б) вітках ВАХ, зі слідами шнуру струму на краях контактів.

Така локалізація сліду шнуру струму дозволяє припустити більш високу його густину на краях контактів, що може бути викликане відомим з літературних джерел зниженням температури біля бокової поверхні меза-структури відносно її центральної вісі. При дослідженнях теплового пробою діодів Ганна (з тепловим опором 30 К/Вт) сліди шнурів струму також локалізовувались на краях контактів, однак дефект при відказі характеризувався ще й розплавом анодної контактної площадки, а електричний тип відказу - розривом ланцюга. Подібний дефект при відказі з розривом ланцюга на аноді було виявлено при дослідженні деградаційного процесу в діодах під час їх випробувань під електричним та тепловим навантаженням. Деградація супроводжувалась зниженням порогового та робочого струмів, зростанням теплового опору при незмінності порогової напруги впритул до повної втрати роботоспроможності. Причиною цього є прояв такого типу контактних неоднорідностей, як об’єктивно існуюча асиметрія розсіюємої потужності на аноді та катоді діода Ганна, викликана зростанням середнього за часом значення питомого опору у напрямку анода. Враховуючи позитивний обратний зв’язок за температурою з ростом питомого опору та ріст теплового опору, цей процес може привести до такого рівня розсіюємої потужності на аноді, що на межі поділу анодний контакт (Au-Ge) - GaAs почнеться розплав контактуючих елементів (евтектична температура Au-Ga 341 0C, Au-Ge 356 0C) , що і може викликати розрив ланцюга. Таким чином, локалізація сліду шнуру струму на краях контактів під час пробою та прояв дефектів при відказі на межі поділу анод-напівпровідник викликані різними типами об’єктивно існуючих контактних неоднорідностей. Взаємозв’язок дефектів, викликаючих відказ, з контактними неоднорідностями було використано для розробки “Методики аналізу відказів активних елементів”.

По-друге, для дослідження крайових ефектів було розроблено методику аналізу впливу площі меза-структури на електричні характеристики діодів Ганна. Для цього, на арсенід галієвих пластинах n++ типу з епітаксійними структурами n-n+б - типу, з різною довжиною активної n-області L (1,85 мкм, 3 мкм, 4-5 мкм, 8-10 мкм), були сформовані катодні та анодні омічні контакти на основі AuGe та витравлені меза-структури з діаметрами 90 мкм, 130 мкм, 160 мкм, 185 мкм. Діаметри меза-структур D вибрано з розрахунку того, щоб їхній низькопольовий опір у допороговому режимі у всіх випадках складав не менше 1 Ом. Вплавління омічних контактів здійснювалось при 500 0С на протязі 1 або 10 хв, для чого кожна пластина, після осадження металізації, поділялась на дві частини. Технологічно забезпечувалось, що радіус катодного омічного контакту R, створюємого до активної n-області, співпадав з радіусом меза-структури (R=D/2). Тобто площа меза-структури S дорівнювала R2. Шляхом аналізу ВАХ меза-структур встановлено: 1) напруженість порогового електричного поля Епор з ростом R має тенденцію зростати, при цьому густина порогового струму jпор при фіксованому значенні L є сталою; 2) зміна часу термообробки на характер залежностей Епор(R) та jпор(R) не впливає, що виключає вплив на ці явища неоднорідності вплавлених катодних контактів. На рис. 3 приведено графіки Епор(R) - (а), та jпор(R) - (б).

Рис. 3. Залежності Епор(R) - (а), та jпор(R) - (б) при різних значеннях L та часі термобробки: ?, - L (8-10) мкм; ,- L (4-5) мкм; ?, ¦- L 3 мкм; , ? - L 1,85 мкм. Світлі фігури - для режиму вплавлення 1 хв, темні - для 10 хв. Температура вплавлення - 500 0С

Враховуючи зроблене, при дослідженні пробою, припущення про більш високу густину струму на краях контактів, було запропоновано модель меза-структури у допороговому режимі роботи діода Ганна, яку наведено ни рис. 4. Катодний контакт замінено його зовнішнім кільцем, струмом через усю центральну частину меза-структури нехтуємо, а анод вважаємо однорідним (рис. 4 а). Так як при обчисленні електричного поля у вісевому перерізі найбільш важливі безпосередньо прилеглі до перерізу ділянки катодного контактного кільця, то контактне кільце можна замінити контактними провідниками (рис. 4 б). Анодний контакт, з урахуванням його еквіпотенційності, замінено двома провідниками, розташованими симетрично першим відносно площини анодного контакту, після чого отримуємо структуру, переріз якої показано на рис 4 (в).

Рис. 4. Модель меза-структури у допороговій області ВАХ

Для такої структури розрахунок розподілу електричного поля у її перерізі було виконано за допомогою відомого з літературних джерел метода, використуємого при аналізі систем з електричними зондами. В результаті, було отримано вираз для потенціалу А у точці А структури:

А = 4С + [(I) / ( 2 R )] ln [(rА(3) rА(4) ) / (rА(1) rА(2) )] (1)

де: I - струм, R - радіус катодного контакту, - електрична провідність, rА(i) - відстань від відповідного провідника до точки А. С - стала інтегрування, яка не впливає на розподіл електричного поля: виберемо С=0, що відповідає нульовому потенціалу анода а. Значення А були розраховані з кроком 0,1R уздовж вісі, паралельній поверхні катодного контакту, та з кроком 0,1L у перпендикулярному їй напрямку. Результати розрахунку представлено на рис.5: для R=45 мкм - (а), та для R=185 мкм - (б), при довжині активної n-області L = 3 мкм. Лінії рівного потенціалу вказано пунктиром. Проведені перпендикулярно до них лінії напруженості електричного поля викривлюються у бік бокової поверхні меза-структури та краям катодного контакту, при чому зі зменшенням R це викривлення збільшується.

(а) (б)

Рис. 5. Розподіл електричного поля у перерізі меза-структури у допороговому режимі роботи: для R=45 мкм - (а), для R=185 мкм - (б), при довжині активної n-області L = 3 мкм

При розрахунку різниці потенціалів між катодом та анодом меза-структури U введено радіус контактного провідника r0 : U дорівнює різниці потенціалів (А - а), наприклад, у точці rА(1) = r0. Вважаючи r0 2R та r0 L, отримаємо:

U = [(I) / ( 2 R )] ln {[L ( L2 + 4 R2) 1/2 / [(r0 2R )]} (2)

Вважаючи ВАХ лінійною впритул до рівня порогового струму - Iпор та враховуючи незалежність jпор від R і те, що jпор =I/ R2, а 4R2 L2 , з виразу (2) одержимо:

Епор = (jпор R/ L) ln (L/ r0) (3)

Вираз (3) математично описує лінійний характер експериментально спостерігаємої залежності Епор (R) (рис. 3). Оцінка значень r0 за експериментальними даними показала, що вони знаходяться в межах між товщиною шару Шоткі та половиною довжини L.

При дослідженні пробою діодів Ганна з довжиною L (6-7) мкм та 3 мкм на прямій вітці ВАХ, площа (S) меза-структур котрих не виходила за технологічні обмеження, помічено - пробивна напруга вища у діодів з більшою площею (S), що яскравіше проявляюється при L 3 мкм. Пояснити це, також, можливо крайовими ефектами, а саме - зменшенням концентрації силових ліній електричного поля на краях контактів. Тобто, шляхом збільшення площі (S), не виходячи за рамки значень низькопольового опору діоду 1 Ом, можна досягти підвищення пробивної напруги діодів.

Таким чином, вперше експериментально виявлено та описано крайові ефекти в меза-структурах діодів Ганна n-n+б -n++ типу.

У п’ятому розділі наведені результати практичного використання контактних неоднорідностей для покращення електричних характеристик діодів Ганна n-n+б-n++ типу.

По-перше, на основі досліджень “острівцевої” структури контактної межі поділу, було розроблено спосіб формування вплавлених омічних контактів до напівпровідників АIIIBV з підвищеною густиною емісії носіїв. Необхідність в таких контактах обумовлена обмеженістю ступеня легування напівпровідникових з’єднань цього типу і, відповідно, досягаємого рівня густини струму. При цьому були використані результати аналізу перерізів межі поділу вплавлених омічних контактів на основі AuGe до (100) GaAs площиною (011) (рис. 1 б). Позитивний ефект досягається шляхом формування виключно гострокутних у напрямку прикладання електричного поля “острівців” вплавленої металізації. Це можливо, коли ширина “острівців” не менш ніж у два рази менша максимальної глибини вплавління, що й можливо досягти за допомогою розробленого способу. На пластинах (100) GaAs для діодів Ганна n-n+б-n++ типу з L 1,85 мкм, 3 мкм, 4,5 мкм та 7 мкм були виготовлені контакти на основі AuGe, як за звичайною технологією, так і за вказаним способом. Визначені на основі вимірювання ВАХ на рівні 0,1 Uпор значення густини струму у всіх випадках були вище у контактів, отриманих за запропонованим способом. При чому, найбільший ефект досягнуто для структур з меншою концентрацією носіїв струму ( 4х10 15 см-3).

По-друге, на основі результатів досліджень крайових ефектів розроблено конструкцію та технологію виготовлення діодів Ганна з кільцевими катодними контактами. Це:

1). Діод Ганна n-n+б-n++ типу з n+-охоронним кільцем, яке створюється, наприклад, іонним легуванням, на краях катодного омічного контакту меза-структури, зформованим вплавленням AuGe, що дозволяє підвищити пробивну напругу на зворотній вітці ВАХ до рівня 1,5-2 значень Uпор на прямій вітці. Розміри n+-охоронного кільця вибрані на основі аналізу впливу “острівцевої” структури на ВАХ діодів Ганна та особливостей їх пробою.

2). Діод Ганна n-n+б-n++ типу з кільцевим катодним омічним контактом, розташованим навколо області, яка перешкоджає потоку носіїв у напівпровідник. При цьому досягається низка позитивних ефектів: а) за рахунок зменшення емітуючої поверхні катоду та можливості управління прикатодним електричним полем шляхом варіювання шириною кільця можна зменшувати довжину “холодної” зони; б) збільшуючи площу меза-структури при умові зберігання її низькопольового опору на рівні 1 Ом можна підвищити пробивну напругу на прямій вітці ВАХ, спростивши, при цьому, технологію приварювання анодного виводу до контактної площадки. Вимірювання електродинамічних параметрів на виготовлених зразках діодів з кільцевим катодним омічним контактом підтвердило їхню конкурентноспроможність у міліметровому діапазоні довжин хвиль.

В третіх, на основі встановлених взаємозв’язків контактних неоднорідностей з дефектами, викликаючими відказ, розроблено методику аналізу відказів діодів Ганна, яка втілена в серійне виробництво і використовується у розробках, спрямованих на підвищення надійності виробів на основі діодів Ганна.

ВИСНОВКИ

Внаслідок проведених у роботі досліджень досягнено слідуючих результатів:

1. Розроблено методику виявлення двохмірної картини межі поділу вплавлених контактів на основі AuGe до (100) n-GaAs та аналізу ступеня її неоднорідності за допомогою реплік, яку можна використовувати безпосередньо у технологічному циклі виготовлення діодів Ганна.

2. Встановлено, що форма вплавлених “острівців” золото-германієвої металізації визначається кристалічною структурою напівпровідника.

3. Показано - ступінь неоднорідності “острівцевої” структури визначає асиметрію ВАХ та пробивну напругу діодів Ганна n-n+б-n++ типу на її зворотній вітці.

4. Розроблено спосіб формування вплавлених у напівпровідник “острівців” металізації з гострокутною формою у напрямку прикладання електричного поля, що дозволяє створити омічні контакти з більш високою густиною емісії носіїв.

5. Проведені дослідження крайових ефектів в діодах Ганна та встановлено, що вони проявлюються в локалізації сліду шнуру струму при пробої діода на краях контактів поблизу бокової поверхні меза-структури та у впливі площі меза-структури на значення напруженості порогового електричного поля.

6. Показано, що крайові ефекти пов’язані з більш високою густиною струму на краях контактів, що викликає викривлення силових ліній електричного поля у бік бокової поверхні меза-структури у допороговому режимі роботи діода Ганна.

7. Розроблено діоди Ганна n-n+б-n++ типу з кільцевими катодними омічними контактами навколо області, яка перешкоджає потоку носіїв у напівпровідник, та показані можливості керування їх електричними параметрами.

8. Розроблено методику аналізу відказів діодів Ганна n-n+б-n++ типу, яка базується на встановленому взаємозв’язку між контактними неоднорідностями та дефектами, які викликають відказ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Челюбеев В.Н. Особенности пробоя диодов Ганна, использующих меза-структуры типа n-n+б-n++ . // Электронная техника, сер. 2 “Полупроводниковые приборы”, вып. 3 (194), 1988, с. 10-14.

2. Иванов В.Н., Коваленко Л.Е., Сумская Т.С., Челюбеев В.Н., Яшник В.М. Морфология и структура вплавных омических контактов к электронному арсениду галлия.// Электронная техника, сер. 2, “Полупроводниковые приборы”, вып. 4 (195), 1988, с. 49-53.

3. Челюбеев В.Н. Деградация диодов Ганна с локализацией дефекта, вызвавшего отказ, на анодном контакте.// Электронная техника, сер. 1 “Электроника СВЧ”, вып. 2 (426), 1990, с. 51-53.

4. Воробйов Ю.В., Родіонов М.К., Челюбеєв В.М. Про нерівномірний розподіл густини струму в циліндричних меза-структурах діодів Ганна.// Электроника и связь, №8, том 1, 2000, с. 93-95.

5. М.К.Родионов, В.Н.Челюбеев. Диод Ганна n-n+б-n++ типа с кольцевым катодным омическим контактом.// Электроника и связь, №9, 2000, с. 130-131.

6. Челюбеєв В.М. Мікроструктура вплавних омічних контактів на основі AuGe.// Металознавство та обробка металів, №3, 2001, с. 10-13.

7. М.К.Родионов, Д.В.Струмиленко, В.Н.Челюбеев. Некоторые факторы, влияющие на пробой меза-структур диодов Ганна n-n+б-n++ типа.// Электроника и связь, №13, 2001, с. 58-59.

8. Иванов В.Н., Рытикова Л.И., Сумская Т.С., Челюбеев В.Н., Яшник В.М. Способ отбраковки полупроводниковых приборов с интегральным теплоотводом. Н01/L 47/02, а.с. СССР №1230308 от 08.01.86.

9. Челюбеев В.Н., Родионов М.К. Диод Ганна. Н01/L 47/02, а.с. СССР №1405652 от 22.02.88.

10. Коваленко Л.Е., Родионов М.К., Челюбеев В.Н. Способ формирования омического контакта к полупроводникам АIIIBV. Н01/L 47/02, а.с. СССР №1493011 от 08.03.89.

11. Іванов В.М.,Сумська Т.С., Челюбеєв В.М., Яшник В.М. Патент України на винахід №24110 “Спосіб формування матрично-крапельного контакту до напівпровідників АIIIBV // Опубліковано 31.08.98. Бюл. №4.

12. Челюбеєв В.М., Родіонов М.М. Патент України на винахід №32488 “Діод Ганна” // Опубліковано 15.12.2000. Бюл. №7. (Пріорітет 1989 р.)

13. Иванов В.Н., Сумская Т.С., Челюбеев В.Н. Исследование границы раздела контактной системы на основе AuGe к n-GaAs в растровом электронном микроскопе методом реплик.// Сборник “Микроэлектроника”, вып. 3, 1987.// Тезисы докладов конференции “Аналитические методы исследования полупроводниковых материалов и приборов” (Запорожье, сентябрь 1987), с. 79-80.

АНОТАЦІЇ

Челюбеєв В.М. Вплив контактних неоднорідностей на електричні характеристики діодів Ганна. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2002.

Досліджено вплив неоднорідностей “острівцевої” структури омічних контактів на основі AuGe до (100) n-GaAs та обумовлених крайовими ефектами в меза-структурах на електричні характеристики діодів Ганна n-n+б-n++ типу. Виявлено двохмірну картину межі поділу катодних контактів з напівпровідником та показано, що ступінь її неоднорідності визначає форму вольтамперної характеристики (ВАХ) та пробивну напругу діодів. Описано крайові ефекти в меза-структурах діодів Ганна, які проявлюються при пробої діодів та у впливі площі меза-структури (S) на ефективне значення напруженості порогового поля Епор. Отримано математичний вираз залежності Епор(S). Розроблено діоди Ганна з кільцевими катодними контактами та методику аналізу відказів.

Ключові слова:

Діод Ганна, меза-структура, неоднорідність, структура “острівцева”, ефекти крайові, напруга пробивна, контакт катодний кільцевий.

Chelyubeyev V.N. Influence of the contact heterogeneities on the electric characteristics of Gunn diode. - Manuscript.

Ph.D. thesises on the speciality 05.27.01 - solid state electronics. - National technical university of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2002.

The thesises deals with the determination of the influence of the edge effects and heterogeneities of the ohmic contacts on the base of AuGe to GaAs on the electric characteristics of Gunn diode. As it was defined, the “island“ structure of AuGe ohmic contacts is determined by the crystall structure of the semiconductor. This was used to develop contacts with hightened current compactness to semiconductors of АIIIBV . The edge effects are displayed in the dependence of the tensity of the threshold electric field Еth to the area S of the mesa-structure of diod and when the diod is breached. The model of mesa-structure in the before threshold condition of work of the diod has been offered. During its calculation was revealed the distortion of the power lines of the field to the edge of the contacts and the mathematic expression of the dependence Еth (S) was received.

Keywords:

Gunn diod, mesa-structure, heterogeneity, “island“ structure, ohmic contact, edge effect, tensity.

Челюбеев В.Н. Влияние контактных неоднородностей на электрические характеристики диодов Ганна. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. - Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2002.

В диссертации анализируется влияние неоднородностей, которые связаны с “островковой” структурой вплавных омических контактов на основе AuGe к (100) n-GaAs и обусловленных краевыми эффектами в меза-структурах, на электрические характеристики диодов Ганна n-n+б-n++ типа. Разработана методика выявления двумерной картины “островковой” структуры границы раздела вплавных катодных омических контактов с полупроводником на их репликах, которая может быть использована непосредственно в технологическом цикле изготовления диодов Ганна, и показано, что степень ее неоднородности определяет форму вольтамперной характеристики (ВАХ) и пробивное напряжение диодов. Установлено, что форма вплавленных “островков” металлизации образуется действием вплавно-рекристаллизационного золото-галлиевого механизма, предпочтительно, в кристаллографическом направлении с большей плотностью упаковки атомов Ga - [0-11] и представляет выстроенные в этом направлении “призмоиды” с прямоугольными основаниями. Рентгеноспектральным электронно-зондовым анализом в них обнаружен легирующий элемент – Ge, что и обеспечивает локальное формирование омических переодов. Поэтому, “островковый” характер вплавных омических контактов на основе AuGe определяется, в первую очередь, кристаллической структурой полупроводника. Результаты исследований попереченых сечений вплавленных областей применены для разработки способа формирования омических контактов к полупроводникам АIIIBV с повышенной плотностью эмиссии носителей заряда.

Впервые описаны краевые эффекты в меза-структурах диодов Ганна, которые проявляются в локализации следа шнура тока между анодом и катодом при пробое диода на краях контактов вблизи боковой поверхности меза-структуры и во влиянии площади меза-структуры (S) на эффективное значение напряженности порогового электрического поля Епор. Показано, что краевые эффекты связаны с более высокой плотностью тока на краях контактов, на основе чего разработана модель меза-структуры в допороговом режиме работы диода Ганна. При расчете модели выявлено искривление силовых линий электрического поля в сторону боковой поверхности меза-структуры и получено математическое выражение зависимости Епор от ее радиуса, определяющего площадь S.

Результаты исследований краевых эффектов использованы для разработки конструкции и технологии изготовления диодов Ганна n-n+б-n++ типа с кольцевыми катодными контактами. В диоде Ганна с n+-охранным кольцом на краях катода достигнуто повышение пробивного напряжения в 1,5 раза на обратной ветви ВАХ. В диоде Ганна с кольцевым катодным омическим контактом вокруг области, препятствующей потоку носителей в полупроводник показаны возможности управления параметрами статической ВАХ диодов. Их конкурентноспособность в миллиметровом диапазоне длин волн определяется возможностями увеличения площади меза-структуры при условии сохранения ее низкополевого сопротивления на уровне 1 Ом, что повышает технологичность сборочных операций и обеспечивает возможности улучшения электрических характеристик.

На основе установленной взаимосвязи между контактными неоднородностями и дефектами, вызывающими отказ, разработано методику анализа отказов диодов Ганна, внедренную в серийное производство.

Ключевые слова:

Диод Ганна, меза-структура, неоднородность, структура “островковая”, контакт омический, эффекты краевые, напряжение пробивное, контакт катодный кольцевой.

Темплан 2002 р., поз.102

Підп. до друку 31.10.2002. Формат 60841/16. Папір офс. Спосіб друку – ризографія.

Ум. друк. арк. ____. Обл.-вид. арк. _____. Зам. № ___. Наклад 100 пр.

Інформаційно-видавничий центр “Видавництво “Політехніка”” НТУУ “КПІ”

Свідоцтво про держреєстрацію ДК № 211 від 09.10.2000

03056, Київ-56, вул. Політехнічна, 14, корп. 15