Учебное пособие 800568

УДК 534.242

В.И. Митрохин, А.Д. Анисимов, А.В. Чаплыгин, В.А. Логинов

ВЛИЯНИЕ АКУСТОЭЛЕКТРОННОЙ РЕЛАКСАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКУЮ ДОБРОТНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

Работа посвящена анализу влияния акустоэлектронной релаксации на механическую добротность полупроводниковых пьезоэлектрических резонаторов на основе арсенида галлия и фосфида галлия. Сформулированы рекомендации по выбору легирующей примеси с учетом рабочей частоты и температуры.

Полупроводниковые фотопьезоэлектрические резонаторы могут быть использованы в качестве приемников оптических сигналов с функцией частотной селекции. Это способность отделять спектр принимаемого сигнала от наводок и помех, а также от других оптических сигналов основана на физическом принципе фотопьезоэффекта в монокристаллических пластинах полупроводниковых соединений типа А3В5 [1]. Сущность данного эффекта состоит в преобразовании оптического сигнала в пульсирующую фото-ЭДС вблизи облучаемой поверхности, которая посредством обратного пьезоэлектрического эффекта возбуждает резонансные механические колебания пластины пьезоактивного среза. На обкладках колеблющейся пластины возникают импульсы пьезоэлектрического напряжения, являющиеся выходным сигналом описываемого фотопьезоэлектрического преобразователя. Таким образом, оптическая энергия сигнала преобразуется в электрическую энергию, затем в механическую и вновь в электрическую энергию. С учетом того, что промежуточным этапом указанного преобразования является механический резонанс с образованием стоячих волн в полупроводниковой пластине (обеспечивающий селективные свойства фотоприемника) описанный процесс, строго говоря, можно называть фото-акусто-пьезолектрическим. Несмотря на то, что акустическая добротность Q современных монокристаллов полупроводников

91

очень высока (внутреннее трение Q-1 = (10-5 ÷ 10-6), реальная добротность описываемых полупроводниковых резонаторов может быть на 2 - 3 порядка ниже, вследствие возникновения акустоэлектронной релаксации свободных носителей заряда в пьезоэлектрическом поле акустической волны [2]. Данный вид акустических потерь соизмерим с потерями вследствие демпфирования воздушной средой и потерями в точках крепления резонатора. По этой причине он требует дополнительного анализа с целью его минимизации.

В полупроводниковом пьезоэлектрическом резонаторе, в отличие от диэлектрического резонатора, несмотря на использование высокоомного (полуизолирующего) материала, всегда присутствует некоторое количество свободных носителей заряда, которые перемещаются по кристаллу вследствие дрейфа в переменном пьезоэлектрическом поле акустической волны. Процессы релаксации носителей заряда в компенсированных полупроводниках А3В5 связаны с релаксацией пространственного заряда, возникающего вследствие пьезоэлектрического эффекта из-за деформации образца при его колебаниях. Время релаксации пространственного заряда в этом случае будет определяться концентрацией свободных носителей и диэлектрическими свойствами материала. При соблюдении условия = 1, где – частота колебаний пьезоэлектрического по-

подвижность и концентрация свободных носителей, а q – элементарный заряд) будет наблюдаться релаксационный максимум. Температурная зависимость n0 в высокоомном полупроводнике обычно определяется глубиной залегания уровня, поставляющего носители в зону. Поэтому повышение температуры приводит к увеличению вероятности термического выброса носителей заряда с глубокого уровня и уменьшения времени релаксации. На температурной зависимости внутреннего трения Q-1 будет наблюдаться дебаевский максимум:

При увеличении частоты максимум сдвигается в сторону более высоких температур, а величина сдвига зависит от энергии активации глубокого уровня, определяющего проводимость кристалла. Из сказанного следует, что акустическое поглощение по

92

описанному механизму будет зависеть от частоты колебаний, температуры кристалла и энергии активации глубокого компенсирующего уровня. Это является отправной точкой при выборе материала и диапазона частот полупроводникового резонатора.

Для двух наиболее используемых на практике компенсированных полупроводников группы А3В5: арсенида галлия и фосфида галлия, легированных металлами переходной группы, на рис. 1 и рис. 2 показаны дебаевские максимумы акустоэлектронной природы на температурной зависимости внутреннего трения в килогерцовом диапазоне частот.

T, K

Рис. 1. Внутреннее трение в арсениде галлия, легированном переходными металлами:

1 – Fe; 2 – не легированный; 3 – Co; 4 – Cr. Частота колебаний около 10 кГц

Из представленных рисунков видно, что акустоэлектронная релаксация может снизить акустическую добротность полупроводникового резонатора на величину до двух порядков. При этом верхний предел добротности может составить Q = 103 для арсенида галлия (высота максимума внутреннего трения Q-1 = 10-3–кривая 4, рис. 1) и Q = 3×103 для фосфида галлия (кривые 3 и 4 на рис. 2).

93

T, K

Рис. 2. Внутреннее трение в фосфиде галлия, легированном переходными металлами:

1 – Cu; 2 – Co; 3 – Mn; 4 – Fe; 5 – Ni;6 – Cr (1); 7 – Cr (2)), <110>

частота колебаний около 10 кГц

В связи с этим при выборе материала для полупроводникового резонатора необходимо учитывать тип легирующей примеси, резонансную частоту и температурный диапазон функционирования устройства. То есть требуется предварительный расчет положения максимума внутреннего трения для конкретной примеси с учетом рабочей частоты и температуры. При расчете нужно использовать значение энергии активации примеси и формулу Дебая (*).

Литература

1. Митрохин В.И. Фотопьезоэффект в высокоомных монокристаллах арсенида галлия / В. И. Митрохин., С. И. Рембеза., А.А. Руденко // Перспективные Материалы. – 2006. – № 6. – С. 23 - 26.

2 Алексеев С. Г. Некоторые тенденции развития акустоэлектроники сверхвысоких частот / Ю. В. Гуляев, И. М. Котелянский, Г. Д. Мансфельд. – УФН, 2005. Том 175, номер 8. С. 895 – 900.

Воронежский государственный технический университет

94

УДК 538.975

Н.Н. Кошелева

ОЦЕНКА МОДЕЛИ ПРОВОДИМОСТИ ДЛЯ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ОЛОВА

Работа посвящена оценке модели проводимости для пленок на основе диоксида олова с добавкой оксида кремния. Пленки получены методом ионно-лучевого распыления.

При протекании тока в поликристаллических пленках носители заряда преодолевают потенциальные барьеры между зернами, из которых состоят. Расстояние, на которое носители заряда могут свободно переместиться, изменяется с помощью области пространственного заряда или дебаевской длины экранирования (Ld). Чем больше величина Ld по сравнению с диаметром зерна, тем больше влияние Ld на перемещение носителей заряда. Тем самым, электросопротивление пленки при взаимодействии с газами будет заметнее изменяться.

Проведем сравнение величины области пространственного заряда или Ld с размерами зерна, и оценим механизм проводимости в пленках на основе диоксида олова.

Дебаевской длины экранирования определяется выражени-

ем:

где k - постоянная Больцмана;

- диэлектрическая проницаемость;о - электрическая постоянная;

e - заряд электрона; Т – температура;

n - концентрация носителей заряда.

95

Существуют следующие модели проводимости [1, 2]:

1.Зернограничная модель, для которой диаметр зерна намного больше удвоенной дебаевской длины экранирования – электросопротивление поликристаллической пленки определяется зернограничными контактами.

2.Модель «узкого горла», для которой диаметр зерна больше удвоенной дебаевской длины экранирования – электросопротивление определяется в основном каналами между зернами и частично границами зерен. При протекании тока возможно изменение высоты межзеренных барьеров.

3.Модель «сверхмалых частиц», для которой диаметр зерна меньше удвоенной дебаевской длины экранирования – электронная проводимость осуществляется зерном в целом, сопротивление определяется объемом зерна.

Для проведения эксперимента были выбраны образцы пле-

нок на основе SnO2 с добавкой оксида кремния с концентрацией (0,8; 3; 3,6) ат. % кремния. Элементный состав определен с помощью рентгеновского микроанализатора JXA-840. Образцы получены методом ионно-лучевого распыления.

Подвижность и концентрация носителей заряда определены

спомощью эффекта Холла по методу Ван дер Пау. Для Sn-(0,8 ат. % )Si-O концентрация носителей заряда равна 5∙1019 см-3, для Sn-(3 ат. % )Si-O равна 3∙1017 см-3, для Sn-(3,6 ат. % )Si-O равна

1∙1015 см-3.

Морфология поверхности пленок получена с помощью атомно-силовой микроскопии, оценена средняя величина шероховатости поверхности. Получена с помощью просвечивающего электронного микроскопа H800 фирмы Philips Tecnai F-30 микроструктура пленки Sn-(3.6 ат. %)Si-О, из которой оценен размер зерна. Данные просвечивающей электронной микроскопии о размере зерен совпадали с данными, полученными с помощью атомносиловой микроскопии.

Оценим механизм проводимости для исследуемых пленок. Рассчитаем по формуле дебаевскую длину экранирования LD для различного содержания добавки. Сравним удвоенную величину LD с диаметром зерна.

Зная величину концентрации носителей зарядов, возможно рассчитать дебаевскую длину экранирования (LD) в зернах поликристалла. Для пленки Sn-(0,8 ат. %)Si-O рассчитанная 2LD = 1 нм, а

96

т.к. размер зерна около 6 нм, то можно говорить о применимости модели проводимости ―узкое горло―. Для пленок Sn-(3 ат. %)Si-O и Sn-(3,9 ат. %)Si-O рассчитанная LD равна 16 нм и 278 нм соответственно, а размер зерна около 5 нм, то есть в этом случае возможно применение модели проводимости сверхмалых частиц.

Зависимость размера зерна D и удвоенной дебаевской длины 2Ld экранирования от процентного содержания примеси Si

Таким образом, для пленок на основе диоксида олова с добавкой кремния, полученных методом ионно-лучевого распыления, основными моделями проводимости являются модели узкого горла и сверхмалых частиц, которым свойственна высокая газовая чувствительность.

Литература

1.Xu C., Tamaki J., Miura N., Yamazoe N. Grain size effects on

gas sensitivity of porous SnO2 - based elements // Sensor and Actuators.

–1991. Vol. B. - № 3. -P. 147 - 155.

2.Watson J., Ihokura K., Colest G.S.V. The tin dioxide gas sensor // Meas. Sci. Technol. 1993. № 4. P. 717 719.

Воронежский государственный технический университет

97

УДК 621.382.2

А.И. Землянский, А.Е. Бормонтов, Т.И. Бражникова, С.В. Пешков

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН

И МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОРПУСОВ НА КАЧЕСТВО МОНТАЖА Si КРИСТАЛЛОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ

СВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

В статье рассмотрены особенности контактно-реактивной пайки кристаллов на кристаллодержатель СВЧ транзисторов с учетом специфики технологических операций изготовления полупроводниковых пластин и корпусов. Представлены результаты измерений теплового сопротивления кристалл-корпус всех исследуемых образцов транзисторов, корпуса и кристаллы которых изготовлены при разных технологических режимах. Показана возможность совершенствовать и обеспечивать качественный монтаж кристаллов посредством подбора оптимальных параметров технологических процессов.

Введение

Объектом исследований были кремниевые полевые трехсотваттные транзисторы балансного исполнения, выпускаемые в металлокерамическом корпусе. Исследовалось влияние технологических факторов (технология золочения корпусов, способы подготовки тыльной стороны кристалла) на тепловое сопротивление транзисторов.

Основная задача работы состояла в выборе технологических режимов операций изготовления корпусов и полупроводниковых пластин, обеспечивающих минимальное значение теплового сопротивления.

Тепловое сопротивление кристалл-корпус

Одним из методов контроля качества монтажа кристаллов в производстве СВЧ и силовых полупроводниковых приборов является измерение теплового сопротивления. Данный метод позволяет определить наличие пустот (непропаев) в паяном шве, равномерность распределения температуры по

98

площади кристалла, наличие горячих пятен. Картины распределения тепловых полей характеризует надежность исследуемых изделий [1]. Метод контроля теплового сопротивления оптическим методом применим при отработке конструкции и технологии изготовления полупроводникового прибора.

Тепловое сопротивление Rt характеризует способность полупроводникового прибора отводить тепло от активной области кристалла и определяется выражением:

– температура кристалла;

– температура корпуса;

P – электрическая мощность, потребляемая прибором от источника питания.

Для контроля качества напайки кристаллов в технологическом цикле изготовления серийных изделий применяется экспрессметод, заключающийся в подаче последовательности электрических импульсов для разогрева кристалла и измерения чувствительного к температуре параметра исследуемого прибора.

Корпус исследуемых транзисторов состоит из фланца, двух керамических кристаллодержателей, полосковых выводов и двух керамических крышек (рис.). Герметизация корпуса осуществляется методом приклейки крышки к кристаллодержателю термостойким полимерным клеем. Корпус покрывается золотом (4 - 5 мкм) методом гальванического осаждения.

В технологии производства кремниевых СВЧ транзисторов используется способ монтажа кристаллов с предварительно нанесенным слоем аморфного кремния на обратную сторону пластины с транзисторными структурами методом магнетронного напыления в вакууме. Аморфный кремний способствует интенсивному образованию эвтектического сплава Au-Si за счет высокой реактивной способности по отношению к золоту [2]. Монтаж транзисторных кристаллов в корпус осуществляется контактно-реактивной пайкой с образованием эвтектики Au-Si при температуре 420 - 430 °С. На кристалл оказывается нагружающее усилие, он подвергается воздействию низкочастотных колебаний. В результате между кристаллом и корпусом образуется эвтектический слой Si-Au. Метод кон- тактно-реактивной пайки позволяет обеспечить высокую теплопро-

99