Исследование ионнолегированных арсенидогаллиевых
реклама
Исследование ионнолегированных арсенидогаллиевых структур и преобразователей Холла на их основе Г.Ф.Карлова, Л.П. Умбрас, М.С. Егунов Исследовались тонкие активные слои n+-n-ni - типа, изготовленные методом ионной имплантации кремния в полуизолирующие подложки арсенида галлия. Представлены результаты исследования электрофизических параметров этих структур. Показана возможность получения преобразователей Холла на их основе. Зависимость холловского напряжения (Uх ) от магнитной индукции В при В‹1,2 Тл была линейной не хуже 1%, а остаточное напряжение составляло не более 0.01 Uх. На основе преобразователя Холла разработан датчик тока на 10 А с чувствительностью 0.6 В/А и линейностью не хуже 1%. Введение Интерес разработчиков аппаратуры к чувствительным и стабильным датчикам магнитного поля обусловлен как широким развитием автоматизации и микроэлектроники, поскольку датчики являются первичным звеном в восприятии информации от объекта измерений, так и необходимостью измерения самой величины индукции магнитного поля. Порог срабатывания датчика определяется отношением остаточного напряжения Uост (сигнала с холловских зондов в отсутствие магнитного поля) к выходному напряжению Uх (сигналу с холловских зондов при наличии магнитного поля). В [1] разработан арсенидогаллиевый датчик магнитного поля на основе эпитаксиальных структур. Дальнейшее развитие этого направления - создание магнитоуправляемых интегральных схем с Г.Ф.Карлова-ведущий научный сотрудник ОАО «НИИПП»(тел. (382-2) 48-82-48, факс (382-2)55-5089, E-mail:[email protected]) Л.П. Умбрас-ведущий инженер технолог ОАО «НИИПП»(тел. (382-2) 48-82-48, факс (382-2)55-5089) М.С. Егунов-начальник отдела ОАО «НИИПП»(тел. (382-2) 48-82-24, факс (382-2)55-50-89, Email:[email protected]) элементной базой на основе ПТШ представляет значительные трудности, так как для их реализации требуется материал с субмикронной толщиной. Во-вторых, сравнительно высока себестоимость структур, полученных эпитаксиальным методом. Технология ионного легирования по созданию субмикронных структур для преобразователей Холла (ПХ) позволит, на наш взгляд, преодолеть эти трудности. В работе представлены результаты исследования электрофизических параметров ионнолегированных структур на основе арсенида галлия и преобразователей Холла из этих структур, а также показана возможность разработки датчика тока на основе полученных преобразователей. Методика эксперимента В работе были получены структуры типа n+-n-ni , где n- концентрация носителей заряда в активном слое, n+ - концентрация носителей заряда в контактном слое и ni - концентрация носителей заряда в подложке. Имплантацию кремния проводили на установке "Везувий-5” в полуизолирующие нелегированые подложки GaAs с ориентацией (100) и удельным сопротивлением более 107 Ом·см с последующим отжигом в атмосфере арсина при температуре 1123 К. Предварительно профили концентрации внедрённых ионов кремния рассчитывали, используя распределение Гаусса [2] N(x) = (D/ (2 )1/2· Rp )· exp[-(x-Rp)2 / 2· Rp 2], (1) где D- доза имплантации, x- текущая координата, Rp - проективный пробег ионов, Rp- среднеквадратичное отклонение пробегов ионов (страгглинг). Пробег и страгглинг определяли по теории Линхарда- ШарфаШийотта [2]. Для установления экспериментальных закономерностей изменения профилей распределения при различных режимах имплантации использовался набор энергий ионов от 20 до 130 кэВ при дозе 3,75 ·1012 см-2 и набор доз имплантации от 2,5·1012 см-2 до 2·1013 см-2 при энергии ионов 130 кэВ, а также двойная имплантация. На изготовленных слоях проводились измерения профиля концентрации носителей и подвижности методом Ван- дер -Пау при послойном стравливании при комнатной температуре, а также на профилометре ЕДК6817 с ртутным зондом малого диаметра и температурные измерения n и в температурном интервале 85-400 К. Основные экспериментальные результаты работы 1. Полученные структуры имели следующие параметры: n+ = (1-2)·1018 cм-3, d+ = 70 - 80 нм, n = (1,3 - 3)·1017 cм-3, dn = 250 - 300 нм, = 2600 -3200 см2/В·с, R= 400 Ом/квадрат. 2. Параметры преобразователей Холла (ПХ): входное Rвх и выходное Rвых сопротивления, удельная чувствительность γ, остаточное напряжение Uост, рабочий ток Iзависят от режимов имплантации (энергия, доза) ионов кремния и от состояния границы раздела n - слой - подложка. 3. Увеличение концентрации в n - слое уменьшает толщину области объёмного заряда, обусловленного поверхностным потенциалом, приводит к уменьшению Rвх, увеличению диапазона рабочих токов, уменьшению Uост и уменьшению чувствительности 4. Наличие в структуре ПХ n+ - cлоя, кроме уменьшения контактного сопротивления, экранирует ещё поверхностный потенциал, что, в целом, приводит к улучшению параметров ПХ. 5. Наличие на границе раздела n - ni центров захвата приводит к уменьшению чувствительности ПХ, что следует из анализа релаксационных кривых, снятых на изготовленных структурах с помощью установки “ГРАН-6”. 6. Основной вклад в величину Uocт вносит несимметрия сопротивления омических контактов. 7. Наблюдаемый на ВАХ участок насыщения может быть обусловлен влиянием эффекта обратного управления по подложке, а также влиянием ловушек на поверхности активного слоя. Обсуждение экспериментальных результатов На рисунке 1 представлены профили внедрённых с дозой D= 3,75 1012 см-2 и энергией 130 кэв ионов Si (сплошная кривая– расчётная в соответствии с (1) и распределение концентрации электрически активных носителей после отжига обозначены точками). Расхождение экспериментальной и расчётной кривых объясняется диффузией внедрённых ионов во время отжига при температуре 1123 К. Рис. 1. Распределение концентрации носителей заряда по глубине (сплошная кривая–расчёт, точки эксперимент Из температурной зависимости слоевой концентрации следует, что она почти не меняется вплоть до 400 К и составляет 1,5·1012 см-2. Изменение подвижности с температурой в диапазоне до160 К объясняется рассеянием на ионах примеси , а в области Т160 К рассеянием на акустических фононах, что согласуется с расчётными температурными зависимостями для GaAs, приведёнными в [3]. Однако абсолютная величина её ниже и при комнатной температуре составила 3,5·103 2 см /В·с, что говорит о наличии значительного числа дефектов в полученных слоях арсенида галлия. Для изучения влияния глубоких центров на границе плёнка-подложка исследуемые структуры помещались в СВЧ-резонатор отражательного типа, работающий на частоте 38 Ггц. Измерение проводимости при освещенности структуры со стороны плёнки (или подложки) светодиодами видимого диапазона излучения и приложении смещения к n + - n или n–ni переходу фиксировалось по пропорциональному изменению отражённой от резонатора СВЧ- мощности. Из анализа релаксационных кривых следует, что длинновременная релаксация фотопроводимости связана с перезарядкой глубокого уровня (ГУ), расположенного в n - i – переходе. Освещение (инжекция в n - ni переход дырок) вызывает его перезарядку. На этих же структурах с помощью установки ЕДK 68-07 измерялся по вольт-фарадной характеристике профиль концентрации носителей заряда по толщине эпитаксиального слоя, и на границе плёнка-подложка обнаружен пик, появление которого можно связать с локализованными на границе раздела глубокими центрами подобно [4]. Этому пику соответствует пик на фотопроводимости при подаче обратного смещения на структуру. Исследование границы раздела плёнка- подложка с помощью релаксационных кривых проводимости показало, что эти дефекты обусловлены качеством полуизолирующих подложек. Важнейшим параметром ПХ является остаточное напряжение. Оно связано с сопротивлением планарных омических контактов. Как показано в [ 5], Uост = Ir конт / ch (d/Lt), (2) где r конт - приведённое контактное сопротивление в [ Ом∙см2], d- толщина плёнки, Lt = (r конт /Rпов ) ½ - так называемая длина затухания, Rпов –поверхностное сопротивление в [Ом/квадрат] полупроводниковой плёнки под контактом. В зависимости от глубины проплавления будет изменяться величина rконт,, а, следовательно, и Uост . Величина контактного сопротивления определяется также состоянием границы раздела между сплавной и несплавной областями, а также состоянием границы металлполупроводник. В работе проведен цикл исследований rконт в зависимости от технологических режимов вплавления напыленных контактов (максимальная температура отжига, время отжига, градиент температуры при отжиге), поверхностной обработки эпитаксиальных пластин и атмосферы отжига контактов. Изменяя технологические режимы вплавления контактов и измеряя rконт на специально изготовленных образцах методом Кокса [3], мы получили зависимость rконт от максимальной температуры с минимумом, который сдвигается в зависимости от атмосферы отжига. nx1016,см-3 11 10 9 1 8 2 7 6 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 d, мкм Рис.3. Распределение концентрации носителей заряда по глубине в зависимости от режима имплантации (кривая 1130 кэВ, 4x10 см -2 и 50 кэВ, 5x10 12 см-2;кривая 2- 130 кэВ, 3x1012 и 50 кэВ, 3x10 12 см-2) В атмосфере водорода минимум приведенного контактного сопротивления ниже, чем в атмосфере азота Показано, что приведенное контактное сопротивление зависит от концентрации носителей заряда в активной области, хотя на всех исследуемых структурах был низкоомный контактный слой. Минимальная величина rконт для концентрации носителей заряда n= 2∙1017 см- 3 и d=0.4мкм составила 4∙10-6 Омсм 2 ; при этом Uост = 0.4 мВ, Ux =40 мВ и Uост / Ux =0.01. Несимметрия rконт в кристаллах для датчиков приведёт к возникновению Uост в датчике магнитной индукции. Нами обнаружено также, что низкое остаточное напряжение в ПХ можно получить только в случае резкого профиля концентрации носителей на границе плёнка- подложка, что иллюстрируется рис.2, где приведены профили концентрации для двух режимов имплантации (кривая 1- 130 кэВ, 4·1012 см-2 и 50 кэВ, 5∙1012 см-2; кривая 2-130 кэВ, 3·1012 см-2 и 50 кэВ, 3·1012 см-2 ). Для первого режима величина остаточного напряжения не превышала 0,1 мВ. На всех исследованных образцах измерялись вольт-амперные характеристики (ВАХ). Они были линейными также лишь в диапазоне напряжений на токовых контактах U до некоторого значения Uп, которому соответствует предельный ток Iп. При U>Uп ВАХ выходит, как правило, на насыщение. Причём, участок насыщения наступает тем раньше, чем меньше величина (n·d). В соответствии с [3] ток насыщения Iнас=Nd· q·Aакт ·Vнас, (3) где Aакт - толщина активной части канала. Из формулы (3) следует, что при уменьшении концентрации примеси в активной области уменьшается ток насыщения. На полученных структурах изготовлены преобразователи Холла. по традиционной арсенидогаллиевой технологии. С целью уменьшения остаточного напряжения в конструкции кристалла для преобразователя Холла в отличие от [1] вытравлены вместе с полуизолирующей подложкой участки структуры за пределами активной области. В этом случае основная причина U ост исключается. Во-вторых, вместо термокомпрессии входных и выходных выводов, что приводит к дополнительному увеличению остаточного напряжения, изготовлены балки к электрическим токовым и холловским выводам из осаждённого золота, которые привариваются к внешним выводам без нарушения кристалла. И для уменьшения общей толщины преобразователей Холла уменьшена толщина кристалла до 80-100 мкм, а также использована подложка из фольгированного полиимида, толщина которого составляет 40-50 мкм. Конструкция преобразователя в этом случае имеет вид, представленный на рис.3 (адля выводов в разные стороны, б-для выводов в одну сторону). Сверху кристалл может заливаться компаундом или помещаться в стандартный корпус типа SOT-8. Общая толщина преобразователя, залитого компаундом, составила 0,2 мкм. субмикронных слоёв (γ=560 В/А ∙Тл), с низким остаточным напряжением и коэффициентом нелинейности при В‹ 1,2 Тл не хуже 1%. 7 На основе полученных преобразователей Холла разработан датчик тока на 10 А, имеющий чувствительность 0,6 В/А и линейность не более 1%. Список литературы Рис.3. Конструкция преобразователя Холла на полиимидной основе с выводами в разные стороны (а) и в одну сторону (б) Изготовленные таким образом датчики магнитной индукции имели удельную чувствительность =200-560 В/АТл. Зависимости выходного напряжения от магнитной индукции были линейными и имели коэффициент нелинейности при В‹ 1,2 Тл не хуже 1 %. Остаточное напряжение для структур с резким профилем было не более 0,01 Uх. Конструкция датчика магнитной индукции на полиимидной основе позволила существенно повысить чувствительность системы преобразователь Холла-ферритовое кольцо при разработке датчика тока. На основе полученного преобразователя Холла разработан датчик тока на 10 А (без намотки витков ) с чувствительностью 0.6 В/А и линейностью не хуже 1%. Заключение На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы: 1 Проведённые расчёты профилей концентрации носителей заряда для ионнолегированных структур соответствуют экспериментально полученным результатам. 2 Показано, что профиль концентрации носителей заряда, обеспечивающий низкое остаточное напряжение, должен быть резким на границе плёнка-подложка. 3 Найдены режимы отжига внедрённых ионов, обеспечивающие низкие значения rконт. 4 ВАХ полученных структур были линейными лишь в определённом интервале напряжений, а далее выходили на насыщение. Насыщение обусловлено влиянием эффекта обратного управления по подложке, а также влиянием ловушек на поверхности активного слоя. 5 Оценки величины тока насыщения согласуются с расчётом. 6 Проведённые исследования показали возможность создания преобразователей Холла методом ионного легирования с достаточно высокой чувствительностью за счёт тонких 1 Патент .N2262777. Датчик магнитного поля./ Г.Ф. Карлова, Л.П. Пороховниченко, Л.П. Умбрас (РФ)-заявка N 2004116142/28 от 27.05.04; Опубл.20.10.2005.-Бюл.N29 2 Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация.-М.: Наука, 1983, 360 с. 4. 3 Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия-М.: Мир, 1991. 4 И.А. Чернов, О.М. Асанов, Л.П. Пороховниченко.// Изв. Вузов.Физика.№11.С.112114 5 Карлова Г.Ф., Кагадей В.А., Умбрас Л.П., Ханин А.В. Материалы конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления".Гурзуф,май, 1999, с.8788. Г. Ф. Карлова окончила радиофизический факультет Томского Государственного университета и аспирантуру при ТГУ; специалист по физике и технологии полупроводниковых приборов, опубликовано около 60 научных трудов. Л.П. Умбрас – окончила физико-технический факультет Томского Государственного университета, ведущий технолог полупроводниковых приборов; опубликовано около 20 научных трудов.. М.С. Егунов окончил радиофизический факультет Томского Государственного университета, разработчик полупроводниковых приборов, специалист по радио- и СВЧ электронике; опубликовано около 30 научных трудов.