Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Конструктивно-технологические особенности формирования элементной базы полупроводниковых защитных устройств 13
1.1 Защитные устройства 14
1.2 Полупроводниковые защитные устройства 21
1.3 Омические контакты к р- и п-типа проводимости эпитаксиальным слоям GaAs 31
1.4 P-i-n- диоды на основе GaAs 37
1.5 Монолитные СВЧ ограничители для миллиметрового диапазона длин волн 38
Глава 2 Конструкция и технология изготовления p-i-n диода балочного типа на основе GaAs 43
2.1 Введение 43
2.2 Расчет электрофизических параметров GaAs p-i-n диода 47
2. 2. 1 Расчет вольт-амперной характеристики (В АХ) диода 51
2. 2. 2 Разработка топологии диода с использованием САПР AutoCAD 51
2. 3 Технологические особенности изготовления p-i-n диода на основе GaAs 54
2. 3.1 Электрофизические параметры омических контактов к p-i-n. эпитаксиальным структурам на основе GaAs 54
2. 3. 2 Конструктивные особенности изготовления p-i-n диода на основе GaAs 62
2. 2. 3 Определение паразитной емкости балочного p-i-n диода на основе GaAs 67
2. 4 Определение основных электрофизических параметров GaAs p-i-n диода на низкой частоте 69
2.4.1 Измерение емкости экспериментальных p-i-n диодов 74
2.5 Электрофизические параметры планарного GaAs р-І-п диода на СВЧ уровне 75
Выводы 81
Глава 3 Конструкция и технология изготовления монолитного p-i-n диодного ограничителя на основе GaAs для миллиметрового диапазона длин волн 83
3.1 Электрофизические параметры монолитного ограничителя на основе GaAs 85
3.2 Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления ограничителя на основе эпитаксиальных структур GaAs 85
3.3 Технология изготовления монолитного ограничителя 93
3.4 Анализ технологического маршрута изготовления ограничителя 97
3.4.1 Жидкостное травление эпитаксиальных структур при создании воздушных мостов диодов в ограничителе 97
3.4.2 Формирование пьедестала ограничителя 100
3.5 Методика проведения измерений последовательного сопротивления и емкости ограничителя 106
3.6 Анализ параметров ограничителя на СВЧ уровне 111
Выводы 115
Заключение 117
Библиографический список 120
- Омические контакты к р- и п-типа проводимости эпитаксиальным слоям GaAs
- Электрофизические параметры омических контактов к p-i-n. эпитаксиальным структурам на основе GaAs
- Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления ограничителя на основе эпитаксиальных структур GaAs
- Жидкостное травление эпитаксиальных структур при создании воздушных мостов диодов в ограничителе
Введение к работе
Малые размеры полупроводниковых элементов и возможность их совмещения с линиями передач СВЧ сигнала создали благоприятные условия для разработки защитных устройств (ЗУ) в составе радиолокационных станций миллиметрового диапазона длин волн в гибридно-интегральном исполнении.
Основными материалами, которые применяются для изготовления полупроводниковой элементной базы (ЭБ) в составе ЗУ, являются кремний и арсе-нид галлия. Электрофизические параметры данных материалов (диэлектрическая проницаемость Є>10 и тангенс диэлектрических потерь tg5<5*10"3), а также современный уровень технологии изготовления СВЧ полупроводниковых приборов обеспечивает реализацию ЗУ для работы в миллиметровом диапазоне длин волн.
Особый интерес представляет применение эгштаксиальных тонкобазных (h<2 мкм) p-i-n структур на основе арсенида галлия, так как благодаря ряду преимуществ по электрофизическим параметрам, в частности, высокая подвижность основных носителей заряда, резкий концентрационный р-n переход, реализация малых значений емкости и дифференциального сопротивления, возможно изготовление p-i-n диода, имеющего ряд лучших СВЧ характеристик, по сравнению с кремниевыми диодами.
Для работы полупроводниковых ЗУ при большом уровне входной импульсной и средней мощностей в качестве входных и выходных каскадов необходимо применять многодиодные конструкции. Однако, в коротковолновой области миллиметрового диапазона (А=3 мм) одной из основных проблем при создании мощных полупроводниковых устройств, является сложность монтажа в СВЧ тракт большого количества дискретных диодов.
Одним из возможных путей решения этой задачи является применение монолитных ограничителей, особенно изготовленных на основе арсенида галлия. В этом случае можно ожидать более эффективного рассеяния средней мощности по сравнению с дискретными приборами, высокое быстродействие и простоту монтажа в СВЧ тракт. Для реализации этих возможностей необходимо разработать конструкцию и технологический маршрут изготовления монолитного ограничителя на основе арсенида галлия с учетом электрофизических и физико-технологических особенностей данного материала.
Таким образом, для создания ЭБ на основе арсенида галлия для ЗУ миллиметрового диапазона длин волн необходима тщательная проработка конст-рукторско-технологических вопросов изготовления таких элементов, ставящая целью сформулировать, обосновать и разработать основные требования к используемому материалу, технологическим процессам и конкретным операциям, создать работоспособные элементы для ЗУ и исследовать их электрофизические характеристики.
Целью данной диссертационной работы является разработка конструк-торско-технологических принципов создания ЭБ в составе ЗУ миллиметрового диапазона длин волн на основе эпитаксиальных p-i-n структур арсенида галлия.
Достижение поставленной цели потребовало провести расчет электрофизических параметров полупроводниковых приборов для заданного диапазона частот. Разработать новые структурно-конструктивные варианты р-І-п диода и монолитного ограничителя на основе арсенида галлия с электрофизическими параметрами, отвечающим требованиям работы полупроводниковой ЭБ в миллиметровом диапазоне длин волн. Исследовать различные технологические варианты изготовления р-І-п диода и монолитного ограничителя на основе эпитаксиальных структур арсенида галлия, для обеспечения требуемых электрофизических параметров, и на основе полученных результатов разработать технологию и изготовить планарные p-i-n диоды и монолитные ограничители для ЗУ миллиметрового диапазона длин волн. Провести исследования электрофизических параметров ограничительных элементов на основе арсенида галлия на низкой частоте и в режимах низкого (НУМ) и высокого (ВУМ) уровня мощности СВЧ сигнала в заданном диапазоне частот.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследований: расчет электрофизических параметров р-і-п диода и монолитного ограничителя для заданного диапазона частот; экспериментальное исследование электрофизических параметров омических контактов к эпитаксиальным слоям арсенида галлия р- и n-типа проводимости; экспериментальное исследование отдельных технологических операций изготовления ограничительных элементов; экспериментальное исследование электрофизических характеристик ограничительных элементов на низкой частоте и в режиме НУМ и ВУМ СВЧ сигнала.
Первая глава диссертации носит обзорный характер. Проведен анализ публикаций, касающийся разработки и создания, планарных p-i-n диодов и монолитных ограничителей на основе арсенида галлия. Определены основные требования, предъявляемые к выбору эпитаксиальной структуры и металлизации для формирования омических контактов. Рассмотрены методы роста эпи-таксиальных p-i-n структур с высокой концентрацией основных носителей заряда в приконтактных слоях. Приведен обзор различных металлизационных систем, которые применяются для создания омических контактов к прикон-тактным эпитаксиальным слоям арсенида галлия р- и п- типа проводимости. Приведены основные характеристики созданных за рубежом p-i-n диодов и монолитных ограничителей на основе соединений А3В5. Результаты анализа сведений, относящихся к технологии изготовления p-i-n диодов и монолитных многодиодных ограничителей на основе арсенида галлия, свидетельствуют об ограниченности имеющейся информации, что вероятнее всего, обусловлено сложностью изготовления данных полупроводниковых приборов для работы в миллиметровом диапазоне длин волн,
Таким образом, для реализации элементной базы ЗУ на основе арсенида галлия требуется проведение комплексного исследования технологических ва-
8 риантов изготовления различными экспериментальными методами с целью обеспечения требуемых электрофизических параметров работы приборов в миллиметровом диапазоне длин волн.
Во второй главе представлены результаты расчета электрофизических параметров p-i-n диода в режиме НУМ с целью определения последовательного сопротивления омических контактов и приконтактных слоев, барьерной емкости при нулевом смещении и индуктивности прибора, которые отвечают потерям СВЧ сигнала в волноводе менее 1 дБ. В приложении 1 приведены результаты расчета основных параметров ограничительного p-i-n диода для частотного диапазона f=20-40 ГГц (А.=8 мм).
На основании проведенного расчета, были определены топологические размеры основных элементов конструкции планарного балочного p-i-n диода.
Представлены результаты исследований электрофизических параметров омических контактов AuBe-Au и Cr/Au к эпитаксиальным слоям арсенида галлия р - типа проводимости с различным уровнем легирования. Приложение 2 к этой главе содержит описание метода определения электрофизических параметров омических контактов с помощью метода «длинной линии» (МДЛ) Представлены разработанные технологические операции, связанные с формированием омических контактов, «меза» - структуры, металлических и диэлектрических покрытий. В приложениях 3 и 4 приводятся топология и технологический маршрут изготовления планарного p-i-n диода на основе арсенида галлия.
Приведены результаты исследований электрофизических параметров балочного планарного p-i-n диода на низкой частоте и в режимах НУМ и ВУМ СВЧ сигнала в частотном диапазоне г=20-40 ГГц (Х=Ъ мм).
В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с конструктивными особенностями и технологией изготовления монолитного диодного ограничи теля на основе арсенида галлия. Основное внимание уделено технологии изго товления диодных цепочек и формированию пьедестала в активной области прибора. *- -,, .
Представлены результаты расчета основных электрофизических параметров монолитного диодного ограничителя в режиме НУМ в частотном диапазоне f=75-l 10 ГГц (Л=3 мм) с целью определения последовательного сопротивления, барьерной емкости и индуктивности прибора, которые отвечают минимальным значениям потерь СВЧ сигнала (менее 1 дБ) в волноводе. В приложении 1 приведены результаты расчета основных параметров ограничительного p-i-n диода для заданного частотного диапазона.
Разработаны технологические операции формирования изоляции планар-ных p-i-n диодов с помощью «воздушных» мостов при наличии замкнутого балочного вывода ограничителя, при наличии замкнутого балочного вывода. Исследовано влияние геометрических характеристик полуизолирующей подложки арсенида галлия на СВЧ характеристики ограничительного элемента. Изложен способ измерения дифференциального сопротивления и барьерной емкости диодной цепочки ограничителя при наличии замкнутого балочного вывода. В приложениях 3 и 4 представлены топология и технологический маршрут изготовления монолитного ограничителя на основе арсенида галлия. Представлены результаты исследований электрофизических характеристик данного полупроводникового прибора на низкой частоте и в режимах НУМ и ВУМ СВЧ сигнала в частотном диапазоне f=75-l 10 ГГц (Х=3 мм). Научная новизна диссертационной работы:
1 Предложена и реализована методика проектирования ограничительного планарного p-i-n диода и монолитного ограничителя на основе арсенида галлия. Выполнен расчет основных электрофизических параметров этих приборов для ЗУ в частотных диапазонах f=20 - 40 ГГц (А=8 мм) и =75-110 ГГц (Л=3 мм). Найдены расчетом параметры приборов (последовательное сопротивление, барьерная емкость при нулевом смещении), обеспечивающие малые (менее 1 Дб) потери СВЧ сигнала в волноводе. Методика экспериментально проверена.
2. Показана возможность применения несплавного омического контакта Cr/Au при изготовления p-i-n диода и монолитного ограничителя на основе арсенида галлия. Получены новые сведения о влиянии электрофизических пара-
10 метров эпитаксиальных слоев арсенида галлия р-типа проводимости на удельное сопротивление и адгезионные свойства несплавного омического контакта Cr/Au. Установлено, что несплавной омический контакт Cr/Au к эпитаксиаль-ным слоям арсенида галлия р-типа проводимости с уровнем легирования (Na=2*10 см"), обеспечивает надежную адгезию и имеет малые значения удельного контактного сопротивления (р=2-4 *10 Ом*см ).
3. Установлено влияние геометрических характеристик полуизолирующей подложки арсенида галлия на СВЧ характеристики монолитного ограничителя в частотном диапазоне f=75-110 ГТц (А=3 мм). На основании полученных ре зультатов разработана конструкция монолитного ограничителя, обеспечиваю щая минимальные потери в заданном частотном диапазоне.
4. Разработана методика неразрутающего контроля последовательного сопротивления диодных цепочек в технологическом маршруте изготовления монолитного ограничителя с замкнутым балочным выводом. Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработан технологический маршрут изготовления кристаллов планар-ных ограничительных p-i-n диодов балочного типа на основе арсенида галлия для работы в частотном диапазоне =20-40 ГГц (k=8 мм). Разработанная технология внедрена в серийное производство.
Впервые в РФ разработана конструкция и технологический маршрут изготовления монолитного диодного ограничителя на основе арсенида галлия для работы в частотном диапазоне 1=75-110 ГГц (Х.=3 мм). Выпущена опытная партия монолитных ограничителей. Создана проектно-технологическая база для серийного производства кристаллов монолитных диодных ограничителей.
В ходе диссертационных исследований получены новые результаты, совокупность которых, позволяет сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты расчета электрофизических параметров p-i-n диода и монолитного ограничителя на НУМ СВЧ сигнала, определение параметров работы прибо- ров на низкой частоте, на основании которых, разработаны технология изготовления планарного р-І-п диода и монолитного ограничителя на основе арсенида галлия.
Технология формирования несплавного омического контакта Cr/Au для p-i-n диода и монолитного ограничителя на основе арсенида галлия. Применение металлизации Cr/Au к сильнолегированным эпитаксиальньш слоям арсенида галлия р+-типа проводимости позволяет реализовать омический контакт, который отличается высокой воспроизводимостью электрофизических параметров (более 90% по площади пластины), надежной адгезией и обеспечивает малые значения удельного сопротивления металл-полупроводник рс=2-4*10"6 Ом*см2,
Технология изготовления планарного р-І-п диода с балочными выводами на основе арсенида галлия, обеспечивающая потери пропускания СВЧ сигнала в режиме НУМ в пределах 0.6-0.75 дБ и ограничение в режиме ВУМ до 12 дБ, что позволяет использовать данный элемент в качестве ограничителя мощности в частотном диапазоне 20- 40 ГГц.
4. Разработанная и впервые реализованная в РФ конструкция и технология из готовления планарного монолитного ограничителя на основе арсенида галлия, обеспечивающая работу при импульсных мощностях 50-100 Вт, характери зующаяся потерями на пропускание СВЧ сигнала в режиме НУМ 0.7-0.9 дБ и ограничением в режиме ВУМ 16-18 дБ в диапазоне 92-94 ГГц, что отвечает требованиям работы в качестве ограничительного выходного каскада в составе ЗУ в 3 миллиметровом диапазоне длин волн.
Апробация работы.
Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на Всероссийской ярмарке электронных устройств и оборудования (Нижний Новгород 2002); Научно-технической конференции молодых специалистов (г. Саратов 2004); и XII международной научно-технической конференции «Высокие интеллектуальные технологии образования и науки» (г. Санкт-Петербург 2005).
12 По результатам диссертационной работы опубликовано 5 работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введеїшя, 3 частей, 5 приложений, выводов и списка литературы. Материал изложен на 151 странице текста, содержит 16 таблиц и 55 рисунков. Список литературы из 68 наименований.
Омические контакты к р- и п-типа проводимости эпитаксиальным слоям GaAs
Достоинства p-i-n диодных структур почти полностью определяются последовательным сопротивлением при заданном уровне тока [9]. Это последовательное сопротивление можно разделить на две составляющие - одну, обусловленную базовым слоем (і-слой), которая сильно зависит от плотности тока, и вторую, обусловленную р+-, п+- контактными слоями и двумя контактами металл-полупроводник, которая по существу не зависит от уровня тока. Поскольку сопротивление металл-полупроводник не зависит от плотности тока, очень важно сформировать омические контакты к эпитаксиальным p-i-n структурам низкоомными.
Эпитаксиальные слои электронной и дырочной проводимости могут быть получены жидкофазной эпитаксией (LPE) [10], осаждение из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (MOCVD) и молекулярно-пучковой эпитаксией с использованием металлоорганических соединений (МОМВЕ) [11- 15] или ионной имплантацией [16].
В качестве акцепторной примеси для получения высоколегированных слоев GaAs используются такие элементы как углерод, бериллий, цинк, магний и кадмий. Легированные углеродом эпитаксиальные слои GaAs, выращенные методом MOCVD имели концентрацию основных носителей тока р=9.1 1019-1.7 10м см"3 [ 17, 18], выращенные методом МОМВЕ до уровня р=2.1 1020 см"3 [19]. При использовании цинка эти концентрации в структурах, полученные вышеописанными методами роста, составляли р=1.1 1019 [20] и 1 10 [21] соответственно. Легирование магнием и кадмием изучалось и использовалось не так широко по сравнению с цинком, однако имеются сведения, что уровень легирования составлял р=5 10,8ир=1 Ю19см 3[21].
Наиболее распространенной легирующей примесью для выращивания р-GaAs эпитаксиальных слоев, является бериллий. Уровень концентрации основных носителей тока при выращивании методами жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) И MOCVD составляет р=2 1018 - 3 1019 см3 [22].
Наиболее изученной и распространенной примесью для легирования эпитаксиальных слоев n-GaAs является кремний [II, 14, 15]. Хотя кремний - амфотерная примесь, он проявляет донорные свойства при собственных малых и средних концентрациях. При его использовании достигается наиболее высокая подвижность, которая обычно считается основным параметром, характеризующим качество GaAs. Легирование кремнием проводится при использовании процессов ЖФЭ и MOCVD. В этом случае концентрация основных носителей заряда составляет п=5 1018 - 2 1019 см"3.
В качестве донорной примеси, вводимой в процессе роста, также используют S, Se, Sn и Те [20]. Для метода ЖФЭ в качестве легирующей примеси необходимо использовать только химические элементы IV группы периодической системы (Si, Sn). Они обладают низким коэффициентом распределения и низким давлением паров, что приводит к уменьшению нежелательного взаимного влияния различных компонентов расплавов во время процесса роста эпитаксиальных слоев, и что, конечно, отличает их от элементов И и VI групп, у которых значения перечисленных параметров значительно выше.
Использование в качестве легирующей примеси элементов VI группы (S, Se, Те) распространено при выращивании эпитаксиальных слоев n-GaAs методами МВЕ [22], МОМВЕ [12, 13, 19] и MOCVD [14, 15]. Выращенные зтштак сиальные слои однородны, с достаточно высоким уровнем подвижности и электроактивности.
Омические контакты, характеризующиеся низкими значениями сопротивлений, могут быть получены при использовании многослойных металлических систем. Омические контакты на основе многослойных систем формируются различными технологическими процессами: вакуумно-термическим испарением, химическим и электрохимическим осаждением металлов и сплавов. В настоящее время основными технологическими процессами формирования омических контактов являются вакуумно-термическое напыление (ВТН), напыление электронным лучом и магнетронное распыление (MP).
В работах [23,24] в качестве омического контакта к p-GaAs с концентрацией основных носителей тока р=5.28 1017-2.08 1019см_3 использовали систему Zn - Au (0.01 нм/0.1 нм). После отжига при температуре Т=400С омические контакты обладали хорошей адгезией к полупроводнику, однако сопротивления таких омических контактов были достаточно высоким (см. табл. 1.1,).
Использование в качестве омического контакта композиции Mn-Au и Mg - Au [25, 26] позволяет получать низкие значения удельного контактного сопротивления и контактного сопротивления металл - полупроводник с однородной морфологией (см. Табл. 1.2 стр.34). Наиболее воспроизводимыми, обладающие хорошей адгезией и минимальными электрофизическими параметрами являются контакты Ti/Pt/Au [27] к p-GaAs.
На эпитаксиальных слоях, выращенных методом МВЕ с концентрацией основных носителей тока р=6 10 -9 10 см" с помощью метода длинной линии (МДЯ), производилась оценка электрофизических параметров. Удельное контактное сопротивление составляло рс=2.5 10" - 2.2 10 Ом см .
Сплавной контакт, основой которого служит сплав AuGe, широко используется в технологии полупроводниковых приборов в качестве омических контактов к n-типу GaAs [28-31]. Наиболее часто используют сплавы с содержанием Аи 88% и 12% Ge. Такие контакты получают вакуумным напылением многослойной композиции AuGe-Ni(Pt)-Au. В процессе отжига происходит перемешивание золота и германия с формированием легкоплавкого сплава. Германий является амфотерной примесью в арсениде галлия. Он занимает вакантные места атомов галлия в кристаллической структуре арсенида галлия и ведет себя как электрически активная донорная примесь.
Электрофизические параметры омических контактов к p-i-n. эпитаксиальным структурам на основе GaAs
Известно [42, 55], что контактные сопротивления «металлизация - р+- и п+- эпитаксиальные слои» вносят существенный вклад в полное дифференциальное сопротивление прибора. Основными требованиями к уменьшению контактного сопротивления является наличие либо минимального потенциального барьера на границе металл-полупроводник, либо технологическими методами реализовать условия прохождения тока в системе металл-полупроводник по туннельному механизму. Одним из возможных путей решения проблемы минимизации данного параметра является использование эпитаксиальпых p-i-n структур с высоким уровнем легирования контактных слоев. При взаимодействии металла с полупроводником возникает обогащенный слой в полупроводнике с электрофизическими свойствами полуметалла с малым удельным сопротивлением.
Целью исследований в этом разделе являлась оценка электрофизических параметров омических контактов к p-i-n структуре на основе GaAs.
Определение электрофизических параметров омических контактов к активным слоям р+- и n+ -p-i-n структуры проводилось с помощью «метода длинной линии» (МДЛ). Основные положения метода изложены в приложении 2 (стр. 132).
Серии экспериментов проводились на эпитаксиальных р-і-п структурах, выращенные методом газофазной эпитаксии (MOCVD) на полуизолирующей подложке GaAs (АГЧП-8), со следующими паспортными данными: толщина р+- слоя h=0.3 мкм, ( V = (3-5) 10 18 - (1 -2) Ю19 см 3), толщина базового n(i) слоя h=l мкм, (N ) = 1 1014 см 3), толщина скрытого п+-слоя составляла h=2-5 мкм (Nn+ = 5 1018 см 3)
Технологический процесс изготовления тестовых структур, адаптированный к процессу изготовления рабочих диодов, проводился для р+- и п+-слоев раздельно и включал в себя формирование омических контактов на активных эпитаксиальных слоях с использованием вакуумно-термического напыления (ВТН) металлизации и «взрывной» фотолитографии. В качестве омических контактов к р+-слою использовалась металлизация AuBe, Сг/Аи и AuGe-Ni-Au для П+-СЛОЯ. Формирование «меза»-структуры производилось травлением в пе-рекисно-аммиачном травителе (H202:NH4OH:H20 1:1:20) до полуизолирующей подложки. Контроль травления осуществлялся методом пробивного напряжения. Далее следовала технологическая операция вжигания омических контактов AuBe и AuGe-Ni-Au при температуре Т=420С в атмосфере водорода в течение 30 минут.
После процесса изготовления тестовых МДЛ структур производились измерения сопротивлений с последующим расчетом основных электрофизических параметров омических контактов: Rs-слоевое сопротивление, Re - контактное сопротивление металлизация-эпитаксиальный слой, и удельное контактное сопротивление -рс. Расчет производился с помощью ППП Delphi 5.0 с использованием метода наименьших квадратов (МНК). Текст программы представлен в приложении 2.
Результаты расчетных значений электрофизических параметров омических контактов к р+-слою GaAs представлены в таблицах 2.1 (стр. 57). Как видно из приведенных данных для эпитаксиальных слоев p-GaAs (Na = 3-5 10 18 см"3) омические контакты AuBe (эвтектический сплав с 0.5 % содержанием Be) обладают лучшими значениями электрофизических параметров по сравнению с несплавным Cr/Au контактом. Однако, AuBe контакты имеют ослабленную адгезию к эпитаксиальному контактному слою, что в дальнейшем делает невозможным завершение технологического цикла изготовления диода. Как известно [29], материалы омического контакта на основе An плохо смачивают поверхность GaAs. При вплавлений материал омического контакта имеет тенденцию собираться в капли, в результате чего эффективная площадь контакта уменьшается, кроме того, Аи не взаимодействует с GaAs и не образует интерметаллических соединений, обеспечивающих адгезию между напыленной металлизацией и полупроводником.
Принимая во внимание основные требования к омическим контактам (омич-ность, адгезия к полупроводнику, минимальный вклад контактных сопротивлений в последовательное сопротивление диода) была проведена серия экспериментов по формированию несплавного омического контакта Cr/Au к эпи-таксиальным слоям p-GaAs с высоким уровнем легирования (N а=1-2 10 19 см"3). Из литературных данных [30, 33] известно, что при возрастании концентрации основных носителей заряда в приконтактном слое высота потенциального барьера металл-полупроводник имеет тенденцию к снижению. Что в свою очередь приводит к уменьшению контактного сопротивления.
Таким образом, основанием для проведения экспериментов послужила возможность создания омических контактов к эпитаксиальным слоям с высоким уровнем легирования. С этой целью для проведения экспериментальной работы были выбраны тестовые эпитаксиальные структуры GaAs, которые имели следующие харак теристики: эпитаксиальный слой p-GaAs толщиной 0.3 мкм (N а=1-2 10 19 см"3); буферный эпитаксиальный слой n-GaAs толщиной 0.5 мкм (Nd l 1014CM-3); Полуизолирующая подложка GaAs (АГЧП-8)
Несгшавной омический контакт Cr/Au формировался к контактному слою с помощью магнетронного и термического напыления Сг - магнетронним напылением толщиной h=0.1 мкм, Au-термическим напылением толщиной h=0.2 мкм. В таблице 2.2 приведены параметры контактов Cr/Au к контактному слою p-GaAs.
Разработка конструкции и технологического маршрута изготовления ограничителя на основе эпитаксиальных структур GaAs
Полупроводниковый многодиодный ограничитель в волноводе является монолитным элементом, шунтирующим волновод. Для работы в частотном диапазоне 75-110 ГГц (h=3 мм) геометрические размеры волноводного окна составляют 1.2 х 0.8 мм. Как было отмечено в главе И, применение прикладных пакетов программ и, в частности, MWO и AutoCAD позволяет провести комплексный расчет основных электрофизических параметров монолитного p-i-n диодного ограничителя, а также на основании полученных расчетных значений определить топологические размеры основных элементов конструкции прибора.
Однако, расчет работы ограничителя в системе, содержащей большое количество активных элементов (p-i-n диоды) с распределенными параметрами (емкость, сопротивление структуры, индуктивность и т. д.) требует решения задачи распределения электромагнитного поля в активной области прибора (диодные цепочки). Сложность структуры полей в системе волновод-ограничитель не позволяет провести корректный расчет потерь в заданном частотном диапазоне (f=75-l 10 ГГц) с применением 111 111 MWO.
Для оценки основных электрофизических параметров ограничителя была рассмотрена модель, которая имела ряд допущений: - основные электрофизические параметры p-i-n диодов обладают идентичными значениями; - p-i-n диод в ограничителе имеет следующие параметры: емкость диода при нулевом смещении напряжения Cw = 0.015 - 0.02 пФ; сопротивление омических контактов и контактных слоев Rs=4 Ом; индуктивность балочного типа L=0.5 нГн; сопротивление диода при отсутствии заполнения базы носителями заряда Rj = 1000 Ом; - емкость и сопротивление подложки имеют малые и воспроизводимые значения, которые не оказывают влияния на потери СВЧ сигнала в заданном частотном диапазоне; - тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость подложки: tg5 = 3 10"\ є = 12.1 - возможность представления ограничителя в виде эквивалентной схемы; Анализ работы много диодного ограничителя на основе GaAs проводился в частотном диапазоне 75-110 ГГц (Х 3 мм) по схеме представленной на рис. 26 (стр. 89). Минимальным значениям потерь пропускания СВЧ сигнала (Lnpon.) (рис. 27, стр. 89) в частотном диапазоне 75-110 ГГц отвечает ограничитель, который имеет следующие электрофизические параметры: - Последовательное сопротивление Rs 150м; - Емкость при нулевом смещении С=0.0015-0.002 пФ - Индуктивность металлизации L 0.2 нГн; При этом параметры p-i-n диода в цепочке должны иметь следующие значения: Моделирование (ППП MWO) прямой ветви ВАХ 8 диодной цепочки проводился при последовательном сопротивлении одного диода Rd=4.5 Ом (1„р. =10 мА). На рис. 28 и 29 (стр.90) представлены схема измерения и прямая ветвь ВАХ диодной цепочки ограничителя. Последовательное сопротивление определялось при рабочем токе 1 . =10 мА и составило 36 Ом. Как было отмечено в главе И, применение САПР AutoCAD позволяет провести проектирование топологии ограничителя и разработать комплект фотошаблонов прибора для разработки технологического маршрута изготовления на эпитаксиальных структурах GaAs. Конструкция ограничителя представляет собой матрицу тонкобазных (h=l мкм) p-i-n диодов, выполненных в едином технологическом процессе на эпитаксиальной структуре GaAs ориентации 110 с жестким металлическим балочным выводом по периметру активной области прибора (рис.30, стр. 91), Много диодная матрица состоит из двух параллельных диодных цепочек (рис, 31 стр.92). Каждая цепочка содержит восемь последовательно включенных диодов, первый и последний из которых замкнуты на внешний металлический балочный
Жидкостное травление эпитаксиальных структур при создании воздушных мостов диодов в ограничителе
При изготовлении диодной матрицы в активной области ограничителя для травления эпитаксиальных слоев GaAs применяется перекисно-аммиачный тра-витель состава 1:10. В отличие от изготовления дискретных балочных p-i-n диодов, при формировании воздушных мостов диодов в ограничителе, необходимо учитывать наличие замкнутого металлического балочного вывода. Проведенные серии экспериментов по формированию воздушных мостов в диодной матрице показали, что скорость травления эпитаксиальных слоев различна в активной области прибора (контроль травления проводился по пробивным напряжениям эпитаксиальных слоев). В таблице 3.1 (стр. 98) приведены результаты анизотропного травления воздушных мостов ограничителя.
Из представленных данных отчетливо видно, что при травлении воздушных мостов периферийных диодов, скорость травления была значительно ниже, чем у центральных диодов. По конструкционному исполнению периферийные диоды непосредственно замыкаются на балочный вывод, а это в свою очередь приводит к тому, что не удается обеспечить максимальный доступ травителя к области травления. С другой стороны увеличение времени травления с целью создания воздушных мостов периферийных диодов приводит к растравливанию «меза»-структуры центральных диодов и ведет к деградации их электрофизических параметров.
Для обеспечения необходимых условий равномерного анизотропного травления воздушных мостов в активной области ограничителя была проведена корректировка комплекта фотошаблонов. Цель корректировки заключалась в создании балочных выводов у периферийных диодов, которые замыкались на балочный вывод ограничителя (рис.35, стр. 99). Проведенная серия экспериментов (см. табл.3.2, стр. 98) показала, что при данной корректировке конструкции ограничителя достигается равномерное травление воздушных мостов в активной области прибора.
При проведении данного технологического процесса необходимо учитывать ряд требований: Пьедестал кристалла должен иметь определенные размеры, соответствующие размерам волноводного окна ЗУ (2.4 х 2.1 мм); Скорость травления должна быть достаточно высокой. Толщина кристалла должна обеспечивать механическую прочность прибора;
Пьедестал кристаллов ограничителя в технологическом цикле изготовления формируется жидкостным травлением. Как правило, толщина эпитаксиаль-ных p-i-n структур на полуизолирующей подложке GaAs, выращенных методом MOCVD, составляет 350-400 мкм. Для планарных полупроводниковых приборов на основе GaAs наиболее пригодны толщины 100-150 мкм, при которых полупроводниковые пластины имеют достаточную механическую прочность, подвергаются разделению на кристаллы с помощью скрайбирования и жидкостного травления. На первом этапе формирования пьедестала ограничителя осуществлялось уменьшение толщины полуизолирующей подложки до 200 250 мкм. Эта операция может быть осуществлена двумя способами. В обоих случаях структуру с кристаллами ограничителя на лицевой стороне с помощью воска, пицеина или глифталевой смолы приклеивают на кремниевую пластину вверх подложкой. Затем механически шлифуют и полируют с помощью абразивных порошков и алмазных паст до толщины 200-250 мкм с последующим химическим травлением в сернокислом травителе (H2SO4 :Іі20=6:1) до нужной толщины. Второй способ заключается в утоньшении структуры с помощью химико-динамического полирования (ХДП). Для этого кремниевую подложку с p-i-n структурой помещают на расчетное время в установку ХДП «Колоколь-чик-3» с травителем состава ЫНОз:Н202=2:1, который обеспечивает скорость травления 0.3 мкм/с при температуре Т=25С и скорости вращения v=1.5 оборотов/с. Такой способ уменьшения толщины подложки обеспечивает плоскопа-раллельность структуры при толщине удаляемого полупроводника вплоть до 150-200 мкм.
После утоньшения подложки до 110-120 мкм, формировался пьедестал ограничителя. Для совмещения топологического рисунка лицевой стороны р-І-п структуры с рисунком пьедестала, проводилось травление краев эпитаксиаль-ной структуры в сернокислом травителе (см. выше) до вскрытия рисунка ограничителя (рис.36 стр. 102), После чего проводился фотолитографический процесс формирования пьедестала ограничителя.
Топологические размеры пьедестала ограничителя задаются фоторезистом со стороны подложки. В технологии изготовления ограничителя в качестве фо-торезистивной маски применялся отечественный фоторезист марки ФП-91-20 с толщиной пленки h=2 мкм. Достаточная стойкость данного фоторезиста к длительному воздействию в кислотных и щелочных травителях достигается многоступенчатым задубливанием. После нанесения и экспонирования фоторезист подвергался термообработке по следующему режиму: при Т=90С выдержка в термостате 10 минут, при Т=120С — 15 минут и 10 минут при температуре Т=135С. После чего осуществлялось травление открытых участков полуизолирующей подложки. Травление завершалось при появлении металлизации балочного вывода кристаллов ограничителя. Завершающим этапом в технологическом маршруте изготовления кристаллов монолитного ограничителя было удаление фоторезистивной маски в проявителе (раствор КОН 1%) и обработке в изопропиловом спирте и ацетоне.
При исследовании экспериментальных образцов ограничителей в заданном рабочем диапазоне частот f=92-94 ГГц (табл. 3.3 стр. 104) наблюдался высокий уровень потерь пропускания СВЧ сигнала (Lnpon 9-12 дБ). При этом кристаллы монолитного ограничителя имели требуемые значения основных электрофизических параметров (сопротивление, емкость). Из литературных данных [58-63] известно, что существенное влияние на работу полупроводниковых СВЧ приборов на основе GaAs оказывает полу изолирующая подложка. Формирование зарядов в области перехода полуизолирующая подложка - эпитак-сиальный слой приводит к тому, что при определенных условиях (например, высокие мощности излучения, ионизация глубоких центров, инжекция из статического домена и т. д.) в подложке могут возникнуть токи, шунтирующие активные эпитаксиальные слои полупроводниковой структуры, что приводит к изменению параметров прибора. Внешним проявлением влияния подложки может служить частотная зависимость импеданса прибора от падающей СВЧ мощности, что может привести к существенному возрастанию потерь в заданном частотном диапазоне.
