SHF SEMICONDUCTOR DEVICES .pdf Полупроводниковая электроника СВЧ как самостоятельное направление радиоэлектроники сформировалось в 70-х гг. прошлого века [1]. Среди различных факторов, определивших её становление, особо важную роль сыграли успехи в технологии эпитаксиальных арсенидогаллиевых структур n - n+- и n+ - n - n+-типа с достаточно тонкими и совершенными n-слоями, достижения фотолитографии, а также достижения в обработке поверхности полупроводника и его металлизации, позволившие создать совершенные выпрямляющие и невыпрямляющие (омические) контакты металл - полупроводник (КМП), ставшие основой ДБШ, генераторных ДГ, а несколько позже и полевых транзисторов. Создание НИИПП в 1964 г. практически было ответом на поднимающуюся в мире волну работ по созданию на основе арсенида галлия и фосфида индия активных генераторных и преобразовательных элементов, способных эффективно работать на высоких, в том числе ранее недоступных частотах миллиметрового (мм) диапазона длин волн (ММДВ). Естественно, что создание таких элементов, и прежде всего ДБШ и ДГ, определяющих эффективность работы приёмных (смесительные ДБШ) и передающих устройств, стало основным направлением работ НИИПП в области СВЧ-электроники. Эти работы охватывали и создание высокодобротных настроечных диодов (варикапов), необходимых для перестройки частоты генераторов на основе ДГ (ГДГ), умножительных диодов с высокими предельными частотами - для достижения максимально высоких рабочих частот, детекторных диодов - для создания специальных и измерительных устройств ММДВ. К перечисленным можно добавить и переключательные диоды для управления СВЧ-сиг-налами. Выделение здесь только смесительных ДБШ и генераторных ДГ не только подчёркивает их особую важность, но позволяет в целом отразить и те проблемы, которые возникают и при разработке других диодов ММДВ, поскольку их основой также является, как правило, арсенид галлия, БШ и омический контакт (ОК).1. ДИОДЫ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИПервые экспериментальные работы, в которых были получены вольт-амперные характеристики (ВАХ) КМП с БШ, близкие к идеальным, относятся к началу 60-х гг. [2, 3]. Чуть позже это было сделано в СССР, в Томском университете [4]. К этому же времени относится и появление первых теоретических работ по анализу ВАХ и вольт-фарадных характеристик (ВФХ) [5 - 9]. В основе этих работ лежали представления о структуре КМП, впервые выдвинутые Бардиным [10] при объяснении независимости высоты барьера в контакте от работы выхода металла, обнаруженной экспериментально: наличие на контакте тонкого прозрачного изолирующего слоя, высокой плотности электронных состояний на поверхности полупроводника и наличие уровня нейтральности, разделяющего донорные и акцепторные состояния,вблизи которого закреплён уровень Ферми. Основные итоги исследования контактов с БШ за период, предшествовавший началу широких работ в НИИПП, отражены в монографиях [11 - 13]. Важно отметить, что к этому времени:1))БШ с малыми диаметрами контактов (∅ ≤ 5 мкм), соответствующими ММДВ, практически не исследовались;2))контакты с относительно большой площадью и совершенными ВАХ обнаружили аномальное поведение при низких температурах (обычно ниже 200 К) при большом разбросе результатов: ухудшение крутизны характеристики (рост n - показателя идеальности ВАХ [3, 14]); это могло означать, что близость прямой ВАХ БШ к теоретической при комнатной температуре не является достаточным критерием совершенства диода, а значит, и эффективной работы на СВЧ;3)какие-либо систематизированные результаты исследования надёжности диодов на основе КМП с БШ, созданных к этому времени (устойчивость к термическим, электрическим, специальным и другим воздействиям), отсутствовали.Поставленная в этих условиях задача разработки эффективных преобразовательных диодов ММДВ и субмиллиметрового диапазона волн (субММДВ) не могла быть решена без широкого исследования физических и физико-химических свойств КМП с БШ. Поскольку речь шла о достаточно новом объекте исследования (на основе нового материала), то «прикладные» исследования такого рода приобретали важную роль для физики полупроводниковых приборов в целом.В период, непосредственно предшествующий началу работ, в качестве смесительных и детекторных наиболее широко использовались точечные кремниевые и в незначительной степени обращённые диоды [15 - 18]. Область промышленно освоенных частот ограничивалась 8-миллиметровым диапазоном [16 - 18], хотя исследования арсенидогаллиевых точечных диодов были проведены вплоть до субММДВ [17]. Внедрение смесительных диодов с БШ взамен конструкций с точечным прижимным контактом позволяло не только улучшить параметры (прежде всего, за счёт улучшения шумовых характеристик, непосредственно связанных с совершенством контакта), но и повысить стабильность, механическую прочность, надёжность, значительно расширить возможности конструирования применительно к созданию гибридно-интегральных, а в дальнейшем и монолитных СВЧ-схем, т.е. сделать принципиальный шаг в направлении микро-129миниатюризации СВЧ-аппаратуры и повышения её надёжности.Достижение поставленных целей предполагало решение целого комплекса задач, не решённых к началу работы. Их можно сгруппировать по трём основным направлениям:1..Исследование электрофизических характеристик КМП с БШ и ДБШ в широком диапазоне воздействия различных факторов, включая температуру, параметры режима, конструктивное оформление и технологическое исполнение. В исследовательском плане это означало создание физико-математической модели реального КМП с БШ. В практическом плане -разработку физических основ промышленной технологии преобразовательных и других ДБШ.2..Исследование термической устойчивости ДБШ и межфазного взаимодействия на контакте металл -полупроводник (м-п) с целью выявления наиболее важных причин их деградации и на этой основе -принципов подбора металлизации и защиты БШ. Обеспечение технологичности и надежности приборов.3..Выбор, обоснование и реализация конкретных конструктивно-технологических решений с учётом специфики разрабатываемых ДБШ (назначения, тре-бованиий к конструкции и параметрам, условий и режимов работы), проведение их исследований и испытаний.Ниже кратко оцениваются наиболее важные результаты, полученные на каждом из направлений.1.1. Физико-математические модели реальных КМП с БШКак уже было замечено, модель идеального КМП с барьером Шоттки - Мотта, предполагающая равенство высоты барьера разности работы выхода металла и электронного сродства полупроводника, не выполняется для реальных КМП. Для них высота барьера практически не зависит от типа металла [11]. Общеизвестное объяснение этому явлению, одним из главных элементов которого было наличие высокой плотности поверхностных электронных состояний (ПЭС), получило название модели Бардина (см. выше). Происхождение ПЭС на реальной и атомарно-чистой поверхности полупроводника и возможная роль при этом металла стали предметом многочисленных экспериментальных и теоретических исследований, которые продолжаются до сих пор. Однако, несмотря на их важность, эти исследования практически ничего не давали для объяснения существенных особенностей характеристик (вольт-амперных, вольт-фарадных, шумовых и других) реальных КМП с БШ. Так, предметом постоянных дискуссий были и остаются соотношения высот барьера, полученных из измерений I(V) и C(V), и роль высоты барьера при плоских зонах (ВБПЗ) [19]. Широко известной аномалией ВАХ КМП с БШ является рост показателя идеальности ВАХ п с понижением температуры при параллельном уменьшении измеряемой по току насыщения высоты барьера фьт [3, 14] и слабой зависимости от температуры их произведения ифът. К важным особенностям характеристик ДБШ следует отнести и впервые обнаружен-ные нами искажение ВАХ в форме излома («колена») в области низких температур [20 - 22], необычное поведение НЧ (1//) шума [23, 24] (резкий рост с понижением температуры с последующим выходом на пологий участок), значительные избыточные ВЧ-шумы и искажения ВАХ в области относительно больших токов, связанные с разогревом электронного газа в ДБШ [25, 26]. Построение адекватной модели КМП с БШ, необходимое для разработки эффективных ДБШ, требовало решения этих проблем..В наших работах [27, 28] было показано, что для реальных КМП с БШ, в которых отступление от «идеальности» связано с локальной термополевой эмиссией или с влиянием промежуточного слоя и ПЭС, находящихся в равновесии с полупроводником, объяснение «аномалий» ВАХ в области низких температур возможно. Формально подобное поведение ВАХ является следствием зависимости показателя идеальности от смещения, характерной для обоих случаев, в условиях, когда п и фь„ измеряются при одном и том же токе (а значит, при разных смещениях) в широком диапазоне температур. В последующие годы были предложены по крайней мере три модели КМП, объясняющие его низкотемпературные аномалии процессами рекомбинации в области барьера [29, 30]; неоднородным (гауссовским) распределением высоты барьера по площади контакта в предположении, что высота барьера линейно растёт, а дисперсия высоты барьера линейно падает с ростом смещения [31] и наличием так называемых «седловых точек» на контакте с пониженной высотой барьера и закруглённой его формой [32, 33]. Однако все они опираются на необоснованные предположения [34] и потому не могут быть приняты в качестве рабочих моделей.Подход к анализу аномалий в реальных КМП частного типа, использованный в работах [27, 28], позднее был обстоятельно проанализирован и обобщён в [35]. В результате этой и последующих работ [36-38] нам удалось получить ряд принципиальных результатов, позволивших дать ответы на целый ряд поставленных ранее проблем. Было показано, что:1..Известная из экспериментов «вездесущность» низкотемпературной аномалии ВАХ объясняется тем, что для всех, не только реальных, но и идеальных (при учёте эффекта сил изображения) КМП с БШ характерна нелинейная зависимость истинной (или эффективной) высоты барьера от смещения.2..В широком диапазоне температур ВАХ практически любых КМП с БШ (идеальных и реальных) с хорошим приближением описывается характеристикойотличной от общепринятой ВАХ вида [11, 19]которая не учитывает нелинейной зависимости высоты барьера от смещения и потому приводит к нереальным значениям высоты барьера в области низких температур. Здесь А - площадь контакта; R - эффек-130тивная константа Ричардсона; к - постоянная Больц-мана; q - заряд электрона; Г- температура; срь = п

Скачать электронную версию публикации