МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 4, с. 290-295
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СТРУКТУР
УДК 534:621.382.133
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОКА ИНЖЕКЦИИ НА АМПЛИТУДУ СИГНАЛА АКУСТИЧЕСКОГО ПЕРЕНОСА В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ
НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
© 2004 г. В. И. Егоркин*, А. К. Мороча*, С. С. Шмелев**, В. В. Капаев**, И. П. Казаков**
*Московский государственный институт электронной техники (технический университет) **Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва) E-mail: egor@qdn.mill.ru Поступила в редакцию 24.09.2003 г.
Для исследования эффекта акустического переноса заряда (АПЗ) спроектирована и изготовлена гетероструктура на основе арсенида галлия с заданными геометрическими и электрическими параметрами слоев. Измерены проходные характеристики (ПХ) - зависимости выходного напряжения от амплитуды инжектируемых импульсов. Дано аналитическое объяснение наблюдаемых ПХ, подтвержденное результатами численного моделирования.
В приборах с акустическим переносом заряда концентрация носителей в волновых пакетах нелинейно зависит от амплитуды тока инжекции. Взаимодействие волновых пакетов переносимых носителей с электрическим полем волны приводит к дополнительному затуханию акустоэлектрической волны. Эффективность переноса уменьшается вследствие экранирования электрического поля волны переносимыми электронами.
В ряде работ [1, 2] по исследованию модуляции спектров фотолюминесценции акустоэлектриче-ским полем волны этот эффект проявлялся в уменьшении амплитуды волны с ростом интенсивности лазерного облучения.
Вопросы нелинейного влияния концентрации инжектированных носителей, переносимых вол-
ной, на амплитуду электрического потенциала самой волны нельзя считать до конца выясненными.
В настоящей работе приведены результаты измерений нелинейных ПХ акустического переноса в канале гетероструктуры ОаА1А8-ваА8 и дано их теоретическое описание.
На рис. 1 изображена схема исследуемой структуры. Параметры слоев 1 - п+ ваАв, 100 А; 2 - ваАэ, 200 А; 3 - АЮаА«, 400 А; 4 - ваА^¿-типа - канал переноса, 700 А; 5 - АЮаАв, 700 А; 6 -буфер: ваАв , 2000 А; 7 - подложка и их легирование выбирались по результатам моделирования на основе численного решения уравнения Пуассона такими, чтобы обеспечить изоляцию канала переноса от внешних воздействий, минимальную концентрацию свободных носителей в канале пе-
Рис. 1. Схема акустического переноса заряда в гетероструктуре GaAs.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОКА ИНЖЕКЦИИ 10 мВ < 200 не
Рис. 2. Входной и выходной (задержанный) еигналы, енятые е выходного диода.
реноеа, еоздание в канале переноеа необходимой ветроенной напряженноети поперечного поля для минимизации потерь [3].
На оенове данной гетероетруктуры был изготовлен теетовый криеталл, включающий канал переноеа, два ветречно-штыревых преобразователя (ВШП) для генерации и детектирования по-верхноетной акуетичеекой волны (ПАВ), еодер-жащих 100 пар штырей е апертурой 1000 мкм, два диода Шоттки для инжекции и ечитывания зарядовых пакетов. Ширина канала, изолированного от оетальной етруктуры протонной бомбардировкой, еоетавляла 1000 мкм, его длина 3.4 мм, время задержки между входом и выходом = 1.2 мке. ВШП были раеечитаны на центральную чаетоту 286 МГц (длина волны X = 10 мкм). Омичеекие и затворные контакты входного и выходного диодов Шоттки формировалиеь планарно над каналом переноеа.
На входной ветречно-штыревой преобразователь подавалея радиоеигнал е нееущей чаетотой 286 Мгц, на входной инжектирующий диод - еиг-нал прямого емещения в интервале
ис = +0.2 - 16 В.
Инжектированные диодом электроны захва-тывалиеь потенциалом волны и переноеилиеь ео екороетью звука по каналу к выходному диоду, емещенному в обратном направлении. На рие. 2
показана оециллограмма еигнала, енятого е выходного диода. Изображен еигнал прямого прохождения и задержанный еигнал акуетичеекого переноеа.
Измерялаеь ПХ - завиеимоеть изменения амплитуды выходного еигнала Аф от тока инжекции 10 при заданном отрицательном емещении - иб на выходном диоде.
На рие. 3 можно уеловно выделить 4 учаетка. Вначале (10 < 2мА) наблюдаетея уменьшение потенциала на выходном диоде за ечет того, что канал переноеа углублен отноеительно поверхноети и при первоначальном емещении ноеители заряда раесеи-ваютея и не доходят до выходного диода. При этом еуммарный потенциал уменьшаетея, так как уменьшение амплитуды волны, обуеловленное взаимо-дейетвием ео евободными электронами в облаети входного диода больше, чем увеличение, евязан-ное е перенееенным зарядом. На втором учаетке (2 мА < 10 < 7 мА) мы видим, что уменьшение амплитуды волны компенеируетея увеличением за ечет перенееенного заряда. На третьем учаетке (7мА < 10 < 17 мА) увеличение выходного напряжения на диоде за ечет тока переноеимого заряда превалирует над уменьшением, евязанным ео вза-имодейетвием электричеекого поля волны е полем переноеимого заряда. На четвертом учаетке (10 > 17 мА), при больших токах, видим уменьшение еуммарного потенциала, евязанное е возрое-
8 6 4
2
п
£ 0 э1 < -2
-4
-6
-8
-10
1 иь = 2.5 В
- 2 иь = 1.5 В
- 3 иь = 1.0 В
\ 3
2
1 1 1 1 1 |
10
20
30
40
50
I, мА
Рис. 3. Зависимость изменения амплитуды выходного сигнала Дф от тока инжекции I.
0
шим экранированием электрического поля в области входного диода. В предложенной методике измерений на выходном диоде фиксируется потенциал, который является суммой потенциала акустической волны - фас и потенциала ф?, создаваемого током переносимого зарядового пакета:
и вых = фас + фГ (1)
В работе [4] мы вычислили коэффициент затухания потенциала акустоэлектрической волны, обусловленный ее взаимодействием со свободными носителями заряда в канале. Нами было показано, что коэффициент затухания а на единицу длины канала равен
а = 1 (ап/еео^), (2)
где а - удельная проводимость канала, п - коэффициент электромеханической связи, - фазовая скорость волны, е0 - абсолютная диэлектрическая постоянная, £ - относительная диэлектрическая проницаемость материала канала.
Очевидно, тот же самый вид имеет коэффициент затухания для потенциала зарядового пакета, переносимого вдоль канала со скоростью звука. Этот потенциал равен
Ф9 = е/сб, (3)
где е - полный заряд пакета, Сб - барьерная емкость обратно смещенного диода Шоттки.
Используя стандартный вид вольтамперной характеристики (ВАХ) входного диода Шоттки, оценим величину заряда, инжектируемого в канал. В линейном приближении по параметру фас/тфт, (т > 1 - параметр качества, фТ = кТ/в - тепловой потенциал) представим ВАХ входного диода в виде
I (г) = I о( и с)(1 + фас (г)/т фТ + ...), (4)
где 10(ис) - невозмущенный ток через диод при прямом смещении ис. Временная зависимость переменного акустоэлектрического тока переноса определяется ехр гюг, входящей в выражение для фас(г), поэтому комплексная амплитуда полного осциллирующего заряда е волнового пакета равна
е = -г (рас (I о/т Юфт) = -гСп (ю)фас, (5)
где фас - комплексная амплитуда потенциала волны; СП = I0/mюфT - емкость волнового зарядового пакета, переносимого вдоль канала электрическим полем волны. Как и следовало ожидать, эта емкость обратно пропорциональна температуре и частоте.
Объединяя (1), (3) и (5), для комплексной амплитуды и вых - выходного потенциала получим
и вых = ( 1- ¿Сп/ Сб ) фас • (6)
Появление мнимой единицы соответствует тому, что фаза переносимого заряда сдвинута по фазе от потенциала волны на п/2, поэтому максимальный отрицательный заряд волнового пакета лока-
лизован в положительных полупериодах потенциала волны (рие. 1). При уеловии еильного обеднения канала в выражение для его удельной проводимое-ти а, входящей в формулу (2) для коэффициента поглощения, еледует подставить амплитудное значение концентрации электронов в волновом пакете, которое пропорционально величине еилы тока инжекции через входной диод. Тогда для модулей
комплекеных амплитуд и Вых и фас, еоглаено (6) и (2), получим
I I 1 1/2
|ивых| = | фас| [ 1+ в /¡( ис)] ехр [-у I о( ис)], (7) где коэффициенты в и у не завиеят от /0:
в = (шюфгСб )-1, у = (цn/eоev5),
Н - ширина канала, — - апертура преобразователя. Для иееледуемой етруктуры при 300 К в ~ 3 х х 105 А-1, у - 5 х 102 А-1.
Формула (7) правильно опиеывает наблюдаемую завиеимоеть на каждом из четырех участков.
При малых токах /0 величиной в /0 под корнем можно пренебречь по еравнению е единицей, и | и Вых | экпоненциально убывает е роетом тока инжекции /0. На втором учаетке функция модуля потенциала доетигает минимума - возраетание подкоренного выражения компенеирует убывание экепо-ненциального множителя. На третьем учаетке подкоренное выражение возраетает быетрее, чем убывает экепонента, функция доетигает макеи-мума, а затем, на четвертом учаетке, при больших значениях /0, - вновь убывает как ехр[-у/0(ис)].
Для иееледования епада проходных характери-етик выходного еигнала на первом и четвертом участках рие. 3 был применен метод квазиетатичее-кого моделирования. При этом были раеемотрены два елучая "инжекции" неравновееных ноеителей в канал и их влияния на амплитуду волновых пакетов. В первом ечиталоеь, что избыточные электроны опиеываютея квазифермиевекой функцией раепре-деления, значение квазиуровня ц (отечитываемого от минимума Ес) определяетея величиной концентрации от которой завиеит емкоеть зарядового пакета. Второй елучай отличаетея от предыдущего введением в этой облаети компенеирующе-го равномерно раепределенного положительного заряда е той же елоевой концентрацией.
В отеутетвии неравновееных ноеителей рае-проетраняющаяея акуетичеекая волна за ечет пьезоэлектричеекого поля модулирует границы зоны проводимоети и валентной зоны по закону
АЕ
с0
(х, г) = ф 0со81 х - юг1,
(8)
При наличии ноеителей в канале из-за куло-новекого взаимодейетвия возникает дополнительный электричеекий потенциал ф, приводящий к уменьшению амплитуды модуляции Ес. При уеловии еильного обеднения канала переноеа период волны намного меньше времени макевел-ловекой релакеации, электроны уепевают подетра-иватьея под поле волны, и для нахождения добавочного потенциала можно ограничитьея решением етационарной зад
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.