Нелинейные акустоэлектронные явления в слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник Вьюн, Владимир Алексеевич

Введение к работе

Актуальность темы. Интерес к акустоэлектронным (АЭ) явлениям возрос после известной экспериментальной работы [1], в которой было продемонстрировано усиление объемных акустических волн сверхзвуковым дрейфом носителей заряда в пъезополу-проводниковом кристалле. В работе [2] было теоретически получено аналогичное A3 усиление поверхностных акустических волн (ПАВ) в слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник. Важ-ной особенностью этой работы является то, что она обратила внимание на^;принципиальную возможность оптимального совмещения в одной структуре различных пьезоэлектриков и полупроводников с необходимыми свойствами. Таким образом были предсказаны широкие возможности для экспериментальных исследований АЭ явлений и их приложений. Все это совместно с найденными простыми методами возбуждения и приема ПАВ с помощью встречно-штыревых преобразователей и оощей тенденцией перехода к планарной микроэлектронике переместило основное внимание исследователей на ПАВ в слоистых структурах.

В настоящее время усилиями ученых многих стран сформировалась акустоэлектроника, как направление науки и техники, посвященное исследованию распространения и взаимодействия акустических волн, а также разработке на этой основе твердотельных устройств и методов исследования [3].

Многочисленные акустоэлектронные явления в слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник обусловлены взаимодействием сопровождающих ПАВ электрических полей с носителями заряда полупроводника. Среди этих явлений можно выделить такие, которые* связаны с линейным и нелинейным акустоэлектронным взаимодействием ПАВ, при котором различные механизмы нелинейности, соответственно, сказываются или не влияют на происходящие процессы. Нелинейные акустоэлектронные явления существенно расширяют области научного и практического приложений U-8J.

Из многочисленных акустоэлектронных явлений, возникающих при распространении ПАВ в структурах пьезоэлектрик-полупроводник, остановимся на тех, которые обусловлены несинхронными процессами взаимодействия. То есть, они не связанны

с генерацией волновых гармоник [4] и параметрическими явлениями [51. В этот широкий класс явлений попадают затухание и дисперсия ПАВ, а также различные нелинейные акустоэлектричес-кие эффекты, приводящие к возникновению акустоэлектрических напряжений и токов в полупроводнике. Такие явления имеют большое значение для практики и лежат в основе АЭ методов исследования поверхностей полупроводников и работы многих устройств обработки сигналов [6-81.

Акустоэлектронное взаимодействие ПАВ в структуре пьезо-электрик-полупроводник связано со следующими принципиальными обстоятельствами, которые отсутствуют в случае объемных акустических волн в кристаллах:

1. Наличие в слоистой структуре поверхности полупроводника приводит к тому, что при распространении ПАВ электронные процессы происходят вблизи этой поверхности или границы раздела пьезоэлектрик-полупроводник. Поэтому на них сказываются поперечные поля и градиенты концентраций, создаваемые поверхностным изгибом зон и неоднородным легированием полупроводников. Кроме того, на них сказывается поверхностный захват и рекомбинация свободных носителей заряда.

2. Концентрация энергии ПАВ в приповерхностном слое и наличие связанных с полупроводником доминирующих механизмов нелинейности (например, концентрационного или ловушечного) приводит к проявлению нелинейных явлений при малых интенсив-ностях волн. При этом нарушается билинейность акустоэлектрических эффектов. То есть, их амплитуды не пропорциональны произведению амплитуд взаимодействующих волн, они имеют сложную зависимость (меняют знак, насыщаются и т.д.). Все это требует рассмотрения АЭ явлений при конечных амплитудах ПАВ, когда малосигнального приближения уже не достаточно.

3. Наличие у поверхностной акустической волны поперечной компоненты электрического поля приводит к возникновению поперечных нелинейных акустоэлектрических эффектов [91. Из-за простоты экспериментального исследования и перспектив приложения большое распространение получили поперечный акустоэлек-трический эффект (ПАЭ), эффекты свертки и запоминания ПАВ [7-91. Первый соответствует низкочастотному выпрямляющему электрическому сигналу, второй - сигналу на удвоенной частоте

при взаимодействии встречных 1IAB, а третий - сигналу на частоте считывающей ПАВ при ее взаимодействии с записанной зарядовой решеткой.

Кроме того, наличие у ПАВ поперечной компоненты электрического поля приводит к тому, что происходящие на поверхности полупроводника электронные процессы аналогичны процессам в высокочастотном (ВЧ) эффекте поля при действии ВЧ напряжения смещения в структурах металл-диэлектрик-полупроводник (ВДП). Так, как при распространении ПАВ, так и в нелинейном высокочастотном эффекте поля [Ю-13 J они приводят к изменению поверхностной проводимости полупроводника по постоянному току. Поэтому естественно совместное исследование нелинейного ВЧ эффекта поля и нелинейных акустоэлектрических эффектов в слоистых структурах.

Исследование акустоэлектронных явлений в слоистых структурах пьезоэлектршс-полупроводник при конечных амплитудах поверхностных акустических волн с учетом электронных свойств поверхностей полупроводников является актуальным.

Это связано с тем, что в исследуемых структурах требуется совмещение неооходимых акустических и поверхностных полупроводниковых свойств. До сих пор в экспериментах параметры поверхности полупроводников не контролировались, что, естественно, приводило к различию в интерпретации экспериментальных и теоретических результататов.

В свою очередь, в теоретических исследованиях акусто-электронного взаимодействия ПАВ из-за математических трудностей учет параметров поверхности полупроводников рассматривался только в некоторых частных линейных случах, а в нелинейных случаях только в малосигнальном приближении.

Отметим следующие основополагающие раооты.

Так, для линейного A3 затухания (усиления) ПАВ в [14-16] исследовано влияние поверхностного электростатического изгиоа зон полупроводника, в [17J - постоянного поперечного электрического тока, в [18] - влияние поверхностного захвата носителей заряда в случае плоских зон. При этом учитывалось влияние малого поверхностного изгиоа зон полупроводника лиоо на частоту ПАВ накладывались ограничения.

с j

Что касается учета конечных амплитуд полей, то этому вопросу уделялось внимание только в связи с нелинейным высокочастотным эффектом поля и связанных с ним эффектов акусто-проводимости и ПАЭ {10-13]. При этом накладывались ограничения на поверхностный изгиб зон. Так, случаи инверсии поверхностной проводимости полупроводника не рассматривались.

Эти обстоятельства в акустоэлектронных явлениях в слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник принципиально необходимы не только для понимания происходящих физических процессов. Их непосредственно необходимо учитывать в АЭ методах исследования электрофизических свойств поверхности полупроводников. Они также вакны при разработке и оптимизации параметров A3 устройств, в частности, выполненных на основе монолитных структур с пьезоэлектрическими пленками на полупроводниковых подложках и с полупроводниковыми сверхрешетками. (Такие структуры перспективны, поскольку совмещают в сеое необходимые акустоэлектрошше свойства и свойства мЖ-структур).

Именно систематическое экспериментальное и теоретическое исследование акустоэлектронных явлений при конечных амплитудах поверхностных акустических волн в слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник с учетом поверхностного изгиба зон, поперечной неоднородности и захвата носителей заряда в полупроводниках является целью диссертационной работы.

В диссертации исследование акустоэлектронного взаимодействия ПАВ проведено, в основном, на примере нелинейных акус-тоэдектрических эффектов свертки, поперечного акустоэлектри-ческого эффекта, а также акустоэлектронного затухания, дисперсии ПАВ и связанных с ними акустоэлектронных явлений. Генерацией гармоник ПАВ и потерей их энергии при преобразовании в высокочастотную область пренеорегается. (Это условие оправдано для структур с дисперсией волн 14]. В экспериментах оно контролировалась непосредственно).

Задачами исследования являлось;

4. Развитие теории акустоэлектронного взаимодействия поверхностных акустических волн в слоистых структурах пьезо-электрик-полупроЕодник с учетом конечных амплитуд волн, а также поверхностных свойств полупроводников.

5. Экспериментальное исследование влияния поверхностных свойств и поперечных неоднородностей полупроводников на акус-

тоэлектронные явления в слоистых структурах пьезоэлектрик-по-лупроводник, включая случай конечных амплитуд поверхностных акустических волн.

3. Поиск таких методов экспериментального исследования, в которых проявляются новые свойства нелинейных акустоэлект-ронных явлений и которые представляют интерес для создания перспективных устройств обработки сигналов, способов исследования электрофизических свойств поверхностей голупроводников, моделирования волновых процессов.

Объекты и методы исследования. В экспериментальных исследованиях использовались монолитные структуры с пьезоэлектрическими пленками (Zn0/si0₂/Si). Такие структуры аналогично МДП-структурам дают возможность эффектом поля осуществлять изгиб зон полупроводника в широких пределах от обогащения до обеднения и инверсии и, следовательно, провести намеченные исследования. В качестве многослойных полупроводников использовались сверхрешетки inGaAs/GaAs. Также использовались слоистые структуры с воздушным зазором LiMb0₃/(Si, GaAs, Се).

Возбуждение и прием ПАВ осуществлялось встречно-штыревыми преобразователями, измерение амплитуд нелинейных акустоэлектрических эффектов проводилось радиотехническими методами. Контроль электрофизических и акустических свойств исследуемых структур осуществлялся как известными, так специально разработанными методами.

Теоретические исследования выполнены в рамках единого подхода, исходящего из строгих .статических и динамических уравнений, в классическом приближении без учета квантовых явлений, с обоснованием применимости используемых приближений. Они сопровождаются примерами рассчитанных зависимостей, сравниваются с экспериментальными результатами.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту.

В работе сформулировано и развито новое научное направление: исследование акустоэлектрических эффектов в слоистых структурах пьезоэлектрик-полупроводник при конечных амплитудах поверхностных акустических волн. Это направление соответствует современной тенденции развития физических методов исследования твердых тел и функциональной микроэлектроники.

Представленные в диссертации результаты получены впервые и на защиту выносятся следующие положения:

6. Теория акустоэлектрических эффектов при конечных амплитудах поверхностных акустических волн с учетом поверхностного изгиоа зон и захвата носителей заряда в полупроводниках в структурах пьезоэлектрик-полупроводник (включая структуры с пьезоэлектрическими пленками); теория акустоэлектронной ои-стаоильности.

7. Результаты экспериментального исследования акустоэлектрических эффектов при наличии поверхностного изгиоа зон, захвата носителей заряда в полупроводниках и проявляемых при конечных амплитудах поверхностных акустических волн в структурах пьезоэлектрик-полупроводник. ь том числе оонаружение и объяснение свойств для:

а), ой- или мультистаоильности акустоэлектронных явлений различного типа (в пассивных кольцєеьіх резонаторних, гибрид-ных системах, в системах оез внешних обратных связей), а также нелинейного высокочастотного эффекта поля;

0). автоколебаний поперечного акустоэлектрического эффекта и конденсаторной фото-эдс в слоистых структурах с внешней обратной связью;

в), поперечного акустоэлектрического эффекта в монолитных структурах с пьезоэлектрическими пленками и с полупроводниковыми сверхрешетками.

3. Новые возможности акустоэлектронных методов обработки
сигналов и исследования электрофизических свойств полупровод
никовых поверхностей.

Научная обоснованность и достоверность экспериментальных результатов состоит в проведении дополняющих друг друга измерений; а теоретических - в том, что они получены на основе известных уравнений и методов физической акустики и физики полупроводников, совпадают с частными оолее поздними результатами других авторов, а также с экспериментальными результатами.

Научная и практическая значимость работы заключается в обнаружении новых физических закономерностей акустоэлектронных явлений, связанных с поверхностью полупроводника и проявляемых при конечных амплитудах поверхностных акустических волн в структурах пьезорпектрик-полупроводник. Полученные результаты обобщают известные и предлагают новые. Дают методы расчета и показывают новые возможности для изготовления устройств обработки сигналов, исследования свойств полупроводни-

ков, моделирования нелинейных волноеых процессов.

Личный вклад автора заключается е постановке, проведении и обсуждении части экспериментальных и полностью теоретических публикаций, выполнении измерений и численных расчетов на ЭВМ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на на Всесоюзных совещаниях и семинарах по упругим поверхностным (поверхностным акустическим) волнам (г.Новосибирск, 1978, 1979, 1990 г.г.); ІУ, У Всесоюзных конференциях "Методика и техника ультразвуковой спектроскопии" (г.Вильнюс, 1980, 1984 г.г.); Х-ХУІ Всесоюзных (российских) конференциях по квантовой акустике (физической акустике твердого тела) и акустозлек-тронике,(г.Ташкент, 1978г.; г.Душанбе, 1981 г.; г.Саратов, 1983 г.; г.Черновцы, 1986 г.; г.Кишинев, 1989 г.; г.Ленинград, 1991 г.; г.Сыктывкар, 1994 г.); I—III Международных симпозиумах "Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах" (г.Новосибирск, СССР, 1986 г.; г.Варна, Болгария, 1989 г.; г.Москва-г.Санкт-Петербург, Россия, 1994 г.); Международных конференциях "Акустоэлектроника'87, 89, 91" (г.Варна, Болгария 1987, 1989, 1991 г.г.); XI Международном симпозиуме по нелинейной акустике (г.Новосибирск, СССР, 1987 г.); IX Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников" (г.Новосибирск, 1988 г.); XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников (г.Кишинев, 1988 г.); Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с полупроводниками и полупроводниково-диэлек-трическими структурами" (г.Саратов, 1988 г.); Симпозиуме по микроэлектронике (в рамках двухстороннего сотрудничества АН СССР и АН ГДР) (г.Минск, 1988 г.); ХУ Советско-Японском симпозиуме по электронике "Новые материалы для устройств электроники" (г.Москва, 1988 г.); Конференциях "Акустоэлектранные устройства обработки информации на поверхностных акустических волнах" (г.Черкассы, 1986, 1988, 1990 г.г.;; Международной школе по физике конденсированных материалов (г.Варна, Болгария, 1990 г.); Международной школе по физической акустике (г.Эриче, Италия, 1991 г.); Международном Ультразвуковом Симпозиуме (г.Тусон, США, 1992 г.; г.Канны, Франция, 1994 г.); Международном Симпозиуме по контролю частоты (г.Солт-Лейк-Сити, США, 1993 г.); IX Симпозиуме по сверхбыстрым явлениям в

полупроводниках (г.Вильнюс, Литва, 1995 г.), а также на сессиях Научного Совета по проблеме "Ультразвук" (г.Ленинград,

1987. г.; г.Казань, 1987 г.; г.Одесса, 1987 г.; г.Харьков,

1988. г.); семинарах ИФП СО АН СССР, Института физики твердого тела БАН (г.София, Болгария), Военной технической академии (г.Варшава, Польша), Московского, Киевского, Новосиоирского отделений НТОРЭС им. А.С.Попова и других отраслевых семинарах и конференциях.

Публикации. Результаты опубликованы в 72 работах, в том числе в монографии [AI], обзорных докладах и статьях {А2-А6].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, 65 рисунков, I таблицы, списков работ автора и цитируемой литературы (303 наименований). Объем диссертации - 295 страниц.