НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.315.592 + 621.382.2 + 539.219.3

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

mstislavik@mail.ru

mc.stiv@gmail.com

meschkow@bmstu.ru

shashurin@bmstu.ru

Введение

Одним из путей улучшения качества РЭС является использование полупроводниковых приборов, функционирующих на основе квантоворазмерных эффектов. К таким приборам относятся резонансно-туннельные диоды (РТД) на базе многослойных полупроводниковых AlAs/GaAs гетероструктур с поперечным токопереносом [1‑3].

Изменяя параметры слоев гетероструктуры (толщину, химический состав), можно управлять формой вольт-амперной характеристики (ВАХ). Такое свойство РТД позволяет создавать на его базе различные нелинейные преобразователи радиосигналов: смесители, выпрямители, умножители и генераторы, функциональные характеристики которых могут быть улучшены за счет подбора формы ВАХ нелинейного элемента [4-5]. Если исследованиям свойств самих РТД [6-9] и проблемам их радиотехнических применений [10-13] посвящена обширная библиография, то надежность РТД изучена слабо.

Проблеме надежности РТД и нелинейных преобразователей радиосигналов на их основе посвящены работы [14-16], в которых надежность РТД изучается на основе исследования процессов термической деградации гетероструктуры РТД вследствие взаимной диффузии составляющих ее элементов. В этих работах показано, как диффузионные процессы изменяют форму ВАХ РТД и параметры смесителей радиосигналов на его основе.

В настоящей работе рассматривается методика исследования изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре. Данная методика позволяет проводить выбор конструкторско-технологических параметров омических контактов, обеспечивающих минимальные скорости их термической деградации, а также контроль качества изготовления омических контактов. Кроме того, на основе данной методики определяется аналитическая зависимость контактного сопротивления AuGeNi омических контактов РТД от времени и температуры.

Методика исследований

Объектами экспериментальных исследований служили тридцать два РТД (8 чипов) с одинаковой структурой (рисунок 1). Для экспериментального исследования деградации РТД использовался метод ускоренного старения путем термического воздействия на образец. Температура воздействия была выбрана 300 °C. Предполагается [17], что при данной температуре действуют те же механизмы отказов, что и при нормальных условиях эксплуатации.

Методика исследования изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре включает в себя измерение ВАХ РТД до и после всех этапов термического воздействия на РТД и моделирование ВАХ в программно-расчетном комплексе dif2RTD [18]. В итоге определяется зависимость контактного сопротивления омических контактов РТД от времени и температуры. Структура данной методики показана на рисунке 2.

Рисунок 1 – Структура РТД на базе AlAs/GaAsгетероструктур

Воздействие на тридцать два РТД проводилось в течение 1, 2, 5, 9 и 10 ч (суммарное время термического воздействия 27 ч) в лабораторном воздушном термостате, который позволяет варьировать температуру в диапазоне от 40 до 300 °C с точностью ± 5 °C.

Измерения ВАХ РТД до и после термических воздействий проводились на микрозондовом стенде, состоящем из микрозондового устройства, источника питания AgilentЕ3641А и персонального компьютера. Данный стенд позволяет измерять ВАХ РТД в диапазоне напряжений от 0 до 36 В (точность ΔU= ± 1 мВ) и токов от 0 до 1 А (точность ΔI= ± 10 мкА).

Рисунок 2 – Алгоритм исследования изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре

Результаты исследований

Структура РТД включает собственно резонансно-туннельную структуру (РТС) (набор слоев AlAs/GaAs), приконтактные области (слои Si-легированного GaAs) и омические контакты (рисунок 1).

В работах [15, 16] показано, что диффузионное размытие в резонансно-туннельной структуре влияет на форму ВАХ. Моделирование диффузионных процессов в программно-расчетном комплексе dif2RTD свидетельствует о том, что при температуре 300 °С диффузионное размытие в исследуемой нами резонансно-туннельной структуре мало и не приводит к видимому изменению формы ВАХ РТД. Диффузионное размытие Siв приконтактных областях также не оказывает существенного влияния на R_С и ВАХ РТД.

Исходя из этого, можно предположить, что в результате термического воздействия деградации подвергаются AuGeNi омические контакты, и изменение ВАХ РТД во времени (после 1, 3, 8, 17 и 27 ч) вызвано увеличением R_С.

Зависимость контактного сопротивления R_С AuGeNi омических контактов от времени и температуры может быть описана следующим образом [19]:

,                                  (1)

где R_С0 – контактное сопротивление в начальный момент времени (сразу после изготовления), Ом. Для площади контакта S_С = 25 мкм² и при значении удельного контактного сопротивления 10⁻⁶ Ом·см² [20, 21] R_С0 оказывается равным 4 Ом;

γ –коэффициент пропорциональности между контактным сопротивлением R_С (Ом), температурой T (К), энергией активации E_a (эВ) и временем t (с),

k – постоянная Больцмана (k = 8,617 10⁻⁵ эВ·К⁻¹).

Энергия активации E_a деградационных явлений AuGeNiомических контактов равна 1 эВ [22, 23].

В результате экспериментальных исследований были получены ВАХ тридцати двух РТД до и после 1, 3, 8, 17 и 27 часов термического воздействия и проведена их статистическая обработка. Технологический разброс ВАХ находится в пределах погрешности измерений, поэтому на рисунке 3 (кривая 1) приведены усредненные ВАХ по всей партии РТД.

Рисунок 3 – Экспериментальные (1) и смоделированные (2) ВАХ РТД до (а), после 1 (б), 3 (в), 8 (г), 17 (д) и 27 (е) часов термического воздействия

На том же рисунке (кривая 2) представлены смоделированные в программно-расчетном комплексе dif2RTDвольт-амперные характеристики РТД. Видно, что экспериментальные и смоделированные ВАХ РТД хорошо согласуются между собой. В итоге был определен коэффициент пропорциональности γ, который оказался равен 25 Ом∙с^‑0,5. Таким образом, функциональную зависимость контактного сопротивления AuGeNi омических контактов от времени и температуры можно представить как:

.                                   (2)

Заключение

Проведено исследование термической деградации AlAs/GaAs РТД. Изменение ВАХ РТД вызвано преимущественно деградацией омических контактов. С учетом этого была определена аналитическая зависимость контактного сопротивления AuGeNi омических контактов РТД от времени и температуры. Она может быть использована для прогнозирования надежности РТД и устройств на его основе в заданных условиях эксплуатации.

В условиях проведенного эксперимента деградация резонансно-туннельной структуры мала. Но при более высокой степени дефектности полупроводниковой гетероструктуры, следствием чего будет увеличение скорости диффузии Al и Si, деградация может быть существенной, что приведет к изменению формы ВАХ РТД и эксплуатационных характеристик приборов на их основе.

Кроме того, разработанная методика исследования изменения ВАХ РТД под действием деградационных процессов в его структуре позволяет проводить выбор конструкторско-технологических параметров омических контактов, обеспечивающих минимальные скорости их термической деградации. Также данная методика позволяет проводить контроль качества изготовления омических контактов.

Результаты получены в ходе поисковой научно-исследовательской работы в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Список литературы

1.              Иванов Ю.А., Мешков С.А., Синякин В.Ю., Федоркова Н.В., Фёдоров И.Б., Шашурин В.Д., Федоренко И.А. Повышение показателей качества радиоэлектронных систем нового поколения за счет применения резонансно-туннельных нанодиодов // Наноинженерия. 2011. № 1. С. 34-43.  

2.              Иванов Ю.А., Малышев К.В., Федоркова Н.В. Наноэлектроника на базе многослойных гетероструктур // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2003. № 5. С. 73-78.

3.              Алкеев Н.В., Аверин С.И., Дорофеев А.А., Гладышева Н.Б., Торгашин М.Ю. Резонанcно-туннельный диод на основе гетеросистемы GaAs/ AlAs для субгармонического смесителя // Микроэлектроника. 2010. Т. 39, № 5. С. 356-365.

4.              Иванов Ю.А., Федоренко И.А., Федоркова Н.В. Анализ влияния формы ВАХ резонансно-туннельного нанодиода на параметры смесителя СВЧ-диапазона // Вопросы инженерной нанотехнологии: сб. докл. межд. конф. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. С. 38-40.

5.              Иванов Ю.А., Малышев К.В., Перунов Ю.М. и др. Нанодиод для смесителя // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: тез. докл. 12 межд. Крымской конф. Севастополь, 2002. С. 462-463.

6.              Прохоров Э.Д. Квантово-размерные эффекты в твердотельных сверхвысокочастотных приборах. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2005. 220 с.

7.              Абрамов И.И., Гончаренко И.А., Коломейцева Н.В. Комбинированная модель резонансно-туннельного диода // Физика и техника полупроводников. 2005. Т. 39, вып. 9. С. 1138-1145.

8.              Бежко М.П., Безотосный И.Ю., Шмелев С.С. Особенности поведения дифференциальной проводимости резонансно-туннельных структур // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: тез. докл. 7-й межд. науч. конф. Кисловодск, 2007. С. 13-14.

9.              Абрамов И.И., Королев А.В. Теоретическое исследование приборных структур, содержащих резонансно-туннельные диоды // Журнал технической физики. 2001. Т. 71, вып. 9. С. 128-133.

10.          Георгиевский А.М., Громов Д.В., Дудинов К.В. и др. Исследование направлений применения резонансно-туннельного диода в интегральных схемах СВЧ диапазона // Микроэлектроника. 1996. Т. 25, № 4. С. 249-258.

11.          Белов Л.А. Преобразователи частоты. Современные ВЧ-компоненты // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2004. № 2. С. 44-51.

12.          Иванов Ю.А., Мешков С.А., Попов В.В., Федоренко И.А., Федоркова Н.В. Повышение показателей качества назначения субгармонического смесителя радиосигналов за счет применения резонансно-туннельного диода // Сетевой электронный научный журнал «Системотехника». 2010. № 8. Режим доступа: http://systech.miem.edu.ru/2010/meshkov.htm  (дата обращения 26.09.2012).

13.          Алкеев Н.В. Анализ шумовых и динамических свойств субгармонического смесителя на резонансно-туннельном диоде // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49, № 10. С. 1258-1263.

14.          Макеев М.О., Иванов Ю.А., Мешков С.А. Исследование деградационных явлений в наноразмерных AlAs/GaAs гетероструктурах методом ИК-спектроэллипсометрии // Наноинженерия. 2011. № 4. С. 44-48.

15.          Агасиева С.В., Шашурин В.Д. Влияние процесса деградации нанодиода на качество нелинейного преобразователя сигналов // Наноинженерия. 2011. № 3. С. 36-40.

16.          Шашурин В.Д., Ветрова Н.А., Назаров Н.В. Определение управляемых параметров для конструкторско-технологической оптимизации СВЧ смесителей радиосигналов на резонансно-туннельных диодах по критерию их надежности // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2011. № 10. Режим доступа: http://technomag.edu.ru/doc/228008.html  (дата обращения 25.01.2012).

17.          Горлов М.И., Строгонов А.В. Геронтология интегральных схем: прогнозирование долговечности ИС // Петербургский журнал электроники. 1996. № 4. C. 35-41.

18.          Макеев М.О., Литвак Ю.Н., Иванов Ю.А., Мешков С.А., Мигаль Д.Э. dif2RTD: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012661001. 2012.

19.          Макеев М.О., Иванов Ю.А., Мешков С.А., Назаров В.В. Исследование термической деградации AuGeNi омических контактов резонансно-туннельных диодов на базе наноразмерных AlAs/GaAs гетероструктур // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 9. DOI: DOI: 10.7463/0912.0453636

20.          Murakami M. Development of refractory ohmic contact materials for gallium arsenide compound semiconductors // Science and Technology of Advanced Materials. 2002. Vol. 3, no. 1. P. 1-27. DOI: 10.1016/S1468-6996(01)00150-4

21.          Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник // Физика и техника полупроводников. 2007. Т. 41, вып. 11, С. 1281-1308.

22.          Vashchenko V.A., Sinkevitch V.F. Physical Limitations of Semiconductor Devices. Springer US, 2008. 330 p. DOI: 10.1007/978-0-387-74514-5

23.          Irvin J.C. The Reliability of GaAs FETs // GaAs FET Principle and Technology / J.W. Dilorenzo, D.D. Khandelwal (eds). MA: Artech House Publishers, 1982. Ch. 6. P. 353-400.