ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАРИКАПОВ ИЗ GaAs НА ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Общие сведения о варикапах 6
1.1 Понятие варикап. Основные параметры варикапа 6
2 Особенности конструкции GaAs варикапов 9
2.1 Материал GaAs используемый в варикапах 9
2.2 Технология и оборудование производства полупроводниковых приборов 11
2.3 Основные сведения о фотолитографии. Фоторезисты. Фотошаблоны 13
2.3.1 Фоторезист. Критерии применимости фоторезистов 14
2.3.2 Подбор фотошаблона 15
2.4 Мезатехнология 17
2.4.1 Использование мезаэпитаксиальных структур с резким р-n переходом 18
2.5 Исследование характеристик варикапов с использованием «меза» структур 20
3 Методы защиты поверхности p-n переходов в варикапах 22
3.1 Физика поверхности p-n перехода 22
3.2 Влияние поверхности на электрические характеристикиp-n переходов 24
3.3 Существующие защитыp-n перехода 25
3.3.1 Защита лаками и эмалями 25
3.3.2 Защита пленками нитрида кремния 26
4 Расчет основных параметров варикапа 27
4.1 Основные сведения о ВФХp-n перехода 27
4.2 Емкость p-n-перехода 28
4.3 Основные уравнения для расчета барьерной емкости варикапа и коэффициента перекрытия
по емкости 31
4.4 Расчет добротности варикапа 34
4.5 Расчет потенциальной энергии электрона и соотношения между напряжением в контакте .. 36
ВЫВОДЫ ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ 37
5 Методика эксперимента 38
6 Результаты экспериментов 42
6.1 Исследование обратных ветвей ВАХ образцов 42
6.2 Исследование обратных ветвей ВФХ образцов 44
5.3 Исследование обратных ветвей ВАХ образцов после термического отжига 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 51
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Общие сведения о варикапах 6
1.1 Понятие варикап. Основные параметры варикапа 6
2 Особенности конструкции GaAs варикапов 9
2.1 Материал GaAs используемый в варикапах 9
2.2 Технология и оборудование производства полупроводниковых приборов 11
2.3 Основные сведения о фотолитографии. Фоторезисты. Фотошаблоны 13
2.3.1 Фоторезист. Критерии применимости фоторезистов 14
2.3.2 Подбор фотошаблона 15
2.4 Мезатехнология 17
2.4.1 Использование мезаэпитаксиальных структур с резким р-n переходом 18
2.5 Исследование характеристик варикапов с использованием «меза» структур 20
3 Методы защиты поверхности p-n переходов в варикапах 22
3.1 Физика поверхности p-n перехода 22
3.2 Влияние поверхности на электрические характеристикиp-n переходов 24
3.3 Существующие защитыp-n перехода 25
3.3.1 Защита лаками и эмалями 25
3.3.2 Защита пленками нитрида кремния 26
4 Расчет основных параметров варикапа 27
4.1 Основные сведения о ВФХp-n перехода 27
4.2 Емкость p-n-перехода 28
4.3 Основные уравнения для расчета барьерной емкости варикапа и коэффициента перекрытия
по емкости 31
4.4 Расчет добротности варикапа 34
4.5 Расчет потенциальной энергии электрона и соотношения между напряжением в контакте .. 36
ВЫВОДЫ ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ 37
5 Методика эксперимента 38
6 Результаты экспериментов 42
6.1 Исследование обратных ветвей ВАХ образцов 42
6.2 Исследование обратных ветвей ВФХ образцов 44
5.3 Исследование обратных ветвей ВАХ образцов после термического отжига 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 51
Актуальность темы исследований. В настоящее время множество предприятий по сборке различных радиостанций и раций нуждаются в высокодобротных и высоковольтных варикапах повышенной надежности. Известно, что кремниевые варикапы являются высоковольтными, но низкодобротными. Варикапы на основе арсенида галлия, изготовленные теми же технологическими приемами, получаются с высокой добротностью, но, в большинстве случаев, эти диоды низковольтные.
Варикапы, функционирующие на высоких и сверхвысоких частотах, отличаются своей надежностью, стабильностью и энергоэффективностью, при этом их емкость слабо зависит от температурных изменений. Работа этих устройств, как правило, соответствует потребностям радиотехники, включая радиопередатчики и приемники, а также измерительное и лабораторное оборудование. Основные направления по улучшению варикапов сосредоточены на повышении крутизны вольт-фарадной характеристики и коэффициента перекрытия по емкости, что приводит к снижению нелинейных искажений в радиопередающих аппаратурах, упрощению конструкций модуляторов, расширению диапазона изменения частот в радиоприемных системах, уменьшению требуемого напряжения, как для основных устройств, так и для вторичных источников питания. При использовании варикапов в амплитудно-частотных измерителях и генераторах сигналов обеспечивается линейность преобразования напряжения в частоту. В работе радиопередатчиков и измерительного оборудования значима также электромагнитная совместимость, обеспечиваемая синтезаторами частот с управляющими генераторами напряжения, которая способствует снижению коэффициента гармоник выходного сигнала и минимизации внеполосных излучений. На данный момент имеется все необходимое оборудование для комплексного моделирования полупроводниковых приборов, от этапа разработки технологий изготовления до анализа прочих параметров готовых полупроводниковых структур. Таким образом, исследования и разработки, направленные на получение стабильных полупроводниковых структур - варикапов, представляют значимый научно-практический интерес, который влияет на успех применения этих структур для совершенствования электронных схем и различной радиоаппаратуры специального назначения.
Степень разработанности исследований. Активное развитие микроэлектронной технологии ионной имплантации, газовой и молекулярно-лучевой эпитаксии с методами контроля и диагностики получаемых структур началось с середины 80-х годов, что позволяет создавать абсолютно новые полупроводниковые приборы, один из которых - варикап.
Целью диссертационной работы является исследование влияния различных типов защиты периферийной области арсенидогаллиевой меза-структуры с p-n переходом на вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики варикапов.
Для достижения поставленной задачи необходимо решить следующие задачи:
1. Изучение и исследование технологии получения варикапов.
2. Изучение технологии различных типов защиты периферийной области арсенидогаллиевой меза-структуры с p-n переходом. Получение образцов для дальнейших исследований.
3. Изучение характеристик вольт-амперных и вольт-фарадных происходит на образцах, обладающих разнообразными видами защиты периферийной зоны в меза- структуре арсенидогаллия с p-n переходом.
Объектом исследования является мезаэпитаксиальный арсенидогаллиевый варикап с различными видами защиты.
Предметом исследования являются вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, полученные на образцах с различными видами защиты меза-структуры.
Научная новизна:
1. Показано влияние типа защиты периферийной области арсенидогаллиевой меза- структуры с p-n переходом на токи утечки арсеенидогаллиевых меза эпитаксиальных варикапах.
2. Предложен альтернативный технологический прием для получение более стабильных арсенидогаллиевых варикапов.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в исследовании новых технологических решениях и предложениях, способствующих улучшению качества производства полупроводниковых изделий. Для изготовления высоковольтных изделий специального назначения, предложены альтернативные технологические решения, которые значительно влияют на пробивные характеристики. Установлено, что на качественную, долговечную и стабильную работоспособность изделий влияет защита периферийной области арсенидогаллиевой меза-структуры с p-n переходом.
Положения, выносимые на защиту:
1. Защитное покрытие меза-структуры арсенидогаллиевых варикапов двуокисью кремния (SiO2) позволяет достичь минимальных токов утечки, по периферийной области p-n перехода, при обратных напряжениях более 100 В.
2. Защита периферийной области арсенидогаллиевой меза-структуры двуокисью кремния (SiO?) позволяет получать более термоустойчивые образцы по отношению к альтернативным методам защиты.
Степень достоверности результатов исследований.
На основе полученных результатов в АО «НИИНН» г.Томск планируется проводить изменения в технологической документации в части применения защиты периферийной области p-n перехода двуокисью кремния в действующем производстве изделий.
Варикапы, функционирующие на высоких и сверхвысоких частотах, отличаются своей надежностью, стабильностью и энергоэффективностью, при этом их емкость слабо зависит от температурных изменений. Работа этих устройств, как правило, соответствует потребностям радиотехники, включая радиопередатчики и приемники, а также измерительное и лабораторное оборудование. Основные направления по улучшению варикапов сосредоточены на повышении крутизны вольт-фарадной характеристики и коэффициента перекрытия по емкости, что приводит к снижению нелинейных искажений в радиопередающих аппаратурах, упрощению конструкций модуляторов, расширению диапазона изменения частот в радиоприемных системах, уменьшению требуемого напряжения, как для основных устройств, так и для вторичных источников питания. При использовании варикапов в амплитудно-частотных измерителях и генераторах сигналов обеспечивается линейность преобразования напряжения в частоту. В работе радиопередатчиков и измерительного оборудования значима также электромагнитная совместимость, обеспечиваемая синтезаторами частот с управляющими генераторами напряжения, которая способствует снижению коэффициента гармоник выходного сигнала и минимизации внеполосных излучений. На данный момент имеется все необходимое оборудование для комплексного моделирования полупроводниковых приборов, от этапа разработки технологий изготовления до анализа прочих параметров готовых полупроводниковых структур. Таким образом, исследования и разработки, направленные на получение стабильных полупроводниковых структур - варикапов, представляют значимый научно-практический интерес, который влияет на успех применения этих структур для совершенствования электронных схем и различной радиоаппаратуры специального назначения.
Степень разработанности исследований. Активное развитие микроэлектронной технологии ионной имплантации, газовой и молекулярно-лучевой эпитаксии с методами контроля и диагностики получаемых структур началось с середины 80-х годов, что позволяет создавать абсолютно новые полупроводниковые приборы, один из которых - варикап.
Целью диссертационной работы является исследование влияния различных типов защиты периферийной области арсенидогаллиевой меза-структуры с p-n переходом на вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики варикапов.
Для достижения поставленной задачи необходимо решить следующие задачи:
1. Изучение и исследование технологии получения варикапов.
2. Изучение технологии различных типов защиты периферийной области арсенидогаллиевой меза-структуры с p-n переходом. Получение образцов для дальнейших исследований.
3. Изучение характеристик вольт-амперных и вольт-фарадных происходит на образцах, обладающих разнообразными видами защиты периферийной зоны в меза- структуре арсенидогаллия с p-n переходом.
Объектом исследования является мезаэпитаксиальный арсенидогаллиевый варикап с различными видами защиты.
Предметом исследования являются вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, полученные на образцах с различными видами защиты меза-структуры.
Научная новизна:
1. Показано влияние типа защиты периферийной области арсенидогаллиевой меза- структуры с p-n переходом на токи утечки арсеенидогаллиевых меза эпитаксиальных варикапах.
2. Предложен альтернативный технологический прием для получение более стабильных арсенидогаллиевых варикапов.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в исследовании новых технологических решениях и предложениях, способствующих улучшению качества производства полупроводниковых изделий. Для изготовления высоковольтных изделий специального назначения, предложены альтернативные технологические решения, которые значительно влияют на пробивные характеристики. Установлено, что на качественную, долговечную и стабильную работоспособность изделий влияет защита периферийной области арсенидогаллиевой меза-структуры с p-n переходом.
Положения, выносимые на защиту:
1. Защитное покрытие меза-структуры арсенидогаллиевых варикапов двуокисью кремния (SiO2) позволяет достичь минимальных токов утечки, по периферийной области p-n перехода, при обратных напряжениях более 100 В.
2. Защита периферийной области арсенидогаллиевой меза-структуры двуокисью кремния (SiO?) позволяет получать более термоустойчивые образцы по отношению к альтернативным методам защиты.
Степень достоверности результатов исследований.
На основе полученных результатов в АО «НИИНН» г.Томск планируется проводить изменения в технологической документации в части применения защиты периферийной области p-n перехода двуокисью кремния в действующем производстве изделий.
1. Проведен анализ литературы о методиках защиты p-n перехода. Выявлено, что защитные пленки должны быть тонкими и не должны разрушать приборы и снижать механическую прочность. Массивный слой защитного материала вызывает в полупроводниковом материале механические напряжения из-за усадок при полимеризации. Некачественная защита провоцирует создание инверсных слоев, которые увеличивают эффективную площадь перехода, что способствует возрастанию обратного тока.
2. Были получены образцы GaAs диодов с различными защитами меза-структуры такими как: защита собственным окислом поверхности (ХОП), защита двуокисью кремния (SiO?), защита нитридом кремния (SisNA На данных структурах были измерены и исследованы обратные ветви вольт-амперных характеристик, из которых выявлено, что наиболее стабильная и высоковольтная являются структуры с защитой меза-структуры p-n перехода двуокисью кремния.
3. Напряжениями, при которых у образцов, защищенных двуокисью кремния, начинался резкий рост токов утечки являются значения свыше 200 В. Образцы, периферийная область p-n перехода защищена ХОП и Si.sNi, оказались недостаточно электро-стойкими, а напряжение, при котором начинает резкий рост токов утечки составило 120 В и 170 В соответственно.
4. Все образцы были переданы на термическую обработку в азотной среде при 400 Со. По вольт-амперным характеристикам видно, что структуры защищенные ХОП и Si.sNi переходят в пробой при более низких напряжениях составляющие 60 - 70 В. Образцы с защитойp-n перехода SiO? переходят в пробой при напряжениях свыше 130 В.
5. На полученных образцах проводился замер ВФХ, по которой можно сделать вывод, что материал, используемый для защиты периферии меза-структуры не влияет на емкостные характеристики кристаллов. Емкость, необходимая для потребителя при смещении в -4В составляет 66+1 пФ, а коэффициент перекрытия по емкости при смещении -100 В и -4 В составляет 4,15+0,2, что удовлетворяет требованиям техническим условиям.
6. На основе полученной характеристики, с помощью программного продукта АО «НИИПП», была определена ширина ОПЗ полученных образцов, которая составляет 1+0,1 мкм. Также, по расчетам концентрация в активной области составляет 2*1015 см-3.
2. Были получены образцы GaAs диодов с различными защитами меза-структуры такими как: защита собственным окислом поверхности (ХОП), защита двуокисью кремния (SiO?), защита нитридом кремния (SisNA На данных структурах были измерены и исследованы обратные ветви вольт-амперных характеристик, из которых выявлено, что наиболее стабильная и высоковольтная являются структуры с защитой меза-структуры p-n перехода двуокисью кремния.
3. Напряжениями, при которых у образцов, защищенных двуокисью кремния, начинался резкий рост токов утечки являются значения свыше 200 В. Образцы, периферийная область p-n перехода защищена ХОП и Si.sNi, оказались недостаточно электро-стойкими, а напряжение, при котором начинает резкий рост токов утечки составило 120 В и 170 В соответственно.
4. Все образцы были переданы на термическую обработку в азотной среде при 400 Со. По вольт-амперным характеристикам видно, что структуры защищенные ХОП и Si.sNi переходят в пробой при более низких напряжениях составляющие 60 - 70 В. Образцы с защитойp-n перехода SiO? переходят в пробой при напряжениях свыше 130 В.
5. На полученных образцах проводился замер ВФХ, по которой можно сделать вывод, что материал, используемый для защиты периферии меза-структуры не влияет на емкостные характеристики кристаллов. Емкость, необходимая для потребителя при смещении в -4В составляет 66+1 пФ, а коэффициент перекрытия по емкости при смещении -100 В и -4 В составляет 4,15+0,2, что удовлетворяет требованиям техническим условиям.
6. На основе полученной характеристики, с помощью программного продукта АО «НИИПП», была определена ширина ОПЗ полученных образцов, которая составляет 1+0,1 мкм. Также, по расчетам концентрация в активной области составляет 2*1015 см-3.
