К вопросу о физических механизмах генерации фликкерного шума в Ti-Au/GaAs диодах Шоттки

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2014, № 1 (2), с. 158-162

УДК 621.391.822

К ВОПРОСУ О ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМАХ ГЕНЕРАЦИИ ФЛИККЕРНОГО ШУМА В Ti-Au/GaAs ДИОДАХ ШОТТКИ

© 2014 г. М.Р. Киселёв,1 Ал.В. Клюев,1 Ан.В. Клюев2

1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2 НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова, Н. Новгород

klyuev@rf.unn.ru

Поступила в редакцию 25.09.2013

Обнаружена неоднородность протекания тока в диодах с контактом металл-полупроводник, вследствие чего в ВАХ проявляются дополнительные компоненты тока диода. Одна из компонент имеет квазиомический характер и проявляется при относительно малых токах. Второй дополнительной компонентой является ток термополевой эмиссии. Показано, что именно эти механизмы являются причиной возникновения низкочастотного шума в таких диодах.

Ключевые слова: диод Шоттки, низкочастотный шум, вольтамперная характеристика.

Введение

Диоды Шоттки находят широкое применение в современной радиоэлектронике. В настоящей работе на основе анализа вольтамперных характеристик (ВАХ) и токовых зависимостей спектров 1// шумового напряжения в диодах Шоттки обнаружена неоднородность протекания тока, вследствие чего в ВАХ проявляются дополнительные компоненты тока линейной утечки и термополевой эмиссии. Показано, что именно эти механизмы являются причиной возникновения низкочастотного шума в таких диодах.

Целью настоящей работы является исследование физических механизмов генерации низкочастотных шумов в диодах Шоттки.

Методы исследования

Исследованные диоды Шоттки выполнены по планарной технологии. Контакт ^-Аи образует барьер Шоттки с GaAs и имеет прямоугольную форму. Его площадь 0.5*2 мкм. Он размещен на слое GaAs с концентрацией доноров ^Г) около 5 1016 см-3. Глубже в толще структуры на расстоянии около 0.2 мкм от границы Ti-GaAs расположен толстый (более 1 мкм) сильнолегированный слой GaAs (более 1018 см-3). К указанному слою сделан качественный омический контакт (Au-AuGe), имеющий П-образную форму и охватывающий барьерный контакт с трех сторон (встречно-штыревая система контактов). Для снижения

паразитной межэлектродной емкости используется полуизолирующая GaAs подложка, на которую методом газофазной эпитаксии наносятся указанные слои GaAs. На рис. 1а показана микрофотография исследованных диодов.

Измерения показали, что ВАХ исследованных диодов имеют отклонения от идеальных. В ВАХ проявляются дополнительные компоненты тока диода. Одна из компонент имеет квазиомический характер (утечка) и проявляется при относительно малых токах. Вторая компонента обусловлена термополевой эмиссией и проявляется при промежуточных значениях тока. Это свидетельствует о неоднородности протекания тока в диодах с контактом металл-полупроводник. Причиной неоднородности протекания тока наряду с точечными дефектами и дислокациями может быть и искажение формы потенциального барьера вследствие концентрации электрического поля.

На рис. 1б схематически представлены различные механизмы токопрохождения через контакт металл-полупроводник при прямом смещении, а на рис. 1в показана типичная вольтамперная характеристика диода Шоттки. При обратном смещении происходят те же явления, но в противоположном направлении. Токопрохождение через контакт металл-полупроводник определяется следующими механизмами [1]:

а) термоэлектронная эмиссия электронов над барьером (рис. 1б);

б) термополевая эмиссия электронов сквозь вершину барьера (рис. 1б).

Диоды с барьерами Шоттки, у которых преобладает механизм а), обычно называют почти идеальными. Участие в токопрохождении механизма б) приводит к отклонению от идеального поведения барьера Шоттки.

Для определения условий, при которых проявляется тот или иной механизм протекания тока, Падовани и Страттон [2, 1] ввели параметр Е00, зависящий от природы полупроводника и степени его легирования. Для случая полупроводника и-типа

Е00 * 2 V В,вот

где еж - диэлектрическая проницаемость полупроводника, е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, N0 - концентрация ионизованных доноров в полупроводнике, т* = т,т0 -эффективная масса электронов в полупроводнике (тг - относительная эффективная масса электрона, т0 - масса свободного электрона).

Для случая полупроводника р-типа N0 заменяется на N - концентрацию ионизованных акцепторов в полупроводнике.

Расчёты, выполненные в работе [3], показывают, что при высоких температурах (кТ/д >> >> Е00) основным механизмом протекания тока является термоэлектронная эмиссия; при сред-

Рис. 1. Структура и основные характеристики диодов. а) микрофотография диода Шоттки; б) механизмы токо-прохождения; в) ВАХ; г) реализация шумового напряжения

них температурах (kT/q ~ E00) основным механизмом протекания тока является термополевая эмиссия; при низких температурах (kT/q << E00) основным механизмом протекания тока является полевая (туннельная) эмиссия.

Оценки показывают, что для рассматриваемых диодов при E00 = 0.04 В, kT/q= 0.026 В (при T = 300 K) выполняется условие kT/q ~ E00 и основным механизмом протекания тока является термополевая эмиссия. Это даёт хорошее согласие теории и эксперимента в области промежуточных токов. Для получения такого значения E00 приходится допустить, что концентрация ионизованных доноров в полупроводнике Nd =1019 см-3. Это отличается от данных, заявленных производителем.

Отличие концентрации ионизованных доноров в полупроводнике от заявленной производителем объясняется тем, что в полупроводник диффундируют атомы, проявляющиеся как доноры, или в полупроводнике появляются электрически активные дефекты, вследствие чего меняется эффективная концентрация легирующей примеси. Например, диффузия Ga в Au сопровождается образованием галлиевых вакансий в GaAs. Эти вакансии проявляются как доноры. При увеличении степени легирования барьер становится тоньше, и начинает проявляться термополевая эмиссия. Таким образом, изменение ВАХ связано с увеличением концентрации доноров, обусловливающим появление термополевой эмиссии.

Результаты расчётов показывают, что неоднородность контакта достаточно хорошо моделирует такие экспериментально наблюдаемые особенности диодов Шоттки с малой площадью контакта, как искажение ВАХ в области достаточно малых и средних токов (увеличение коэффициента неидеальности по сравнению с единицей).

Основная (для идеальных диодов) компонента тока Id и соответствующее ей дифференциальное сопротивление Rd определяются следующими соотношениями:

Id = IJexpV/ftVT)) - 1], Rd =

Здесь Is и n - характерный ток и коэффициент неидеальности основной компоненты тока, VT -тепловой потенциал, V - приложенное напряжение.

За исключением области очень малых смещений в прямом направлении ВАХ, обусловленная термополевой эмиссией электронов сквозь вершину барьера, имеет вид

It = Iioexp

где E0= E00cth(qE00/kT). Предэкспоненциальный множитель It0 слабо зависит от приложенного напряжения смещения. Он является сложной функцией температуры, высоты барьера и параметров полупроводника.

Линейная (омическая) компонента ВАХ описывается сопротивлением Rl.

Ii = V/R.

Таким образом, полная ВАХ диодов может быть записана в виде

I = I+ It + Id,

где Ii - омическая компонента тока, It - ток термополевой эмиссии, Id - диодная компонента тока. В результате полное сопротивление диода, за исключением области очень малых смещений в прямом направлении, определяется как

R =

Типичная вольтамперная характеристика диода, а также результаты ее обработки представлены на рис. 1в. Использован полулогарифмический масштаб. На рис. 1в представлено разложение ВАХ диода № 1 на три компоненты: омический ток, ток термополевой эмиссии и диодная компонента тока. Точками показаны экспериментальные данные. Сплошной линией показана модельная зависимость, полученная из объединения всех компонент тока. Как видно, суммарный ток удовлетворительно описывает экспериментальные данные.

Экспериментальные результаты и обсуждение

На рис. 1г представлена реализация шумового напряжения. На рис. 2 приведено семейство спектров шумового напряжения в диапазоне токов 0.3-10 мкА.

Основная идея используемого здесь подхода заключается в том, что эквивалентные сопротивления подвержены 1/f флуктуациям [4]. Полный спектр Sv шумового 1/f напряжения определяется видом спектров флуктуаций эквивалентных сопротивлений и эффектами, обусловленными взаимодействием различных компонент полного тока.

Эффект максимизации шума возникает при проявлении флуктуаций сопротивления утечки

Рис. 2. Семейство спектров шумового напряжения при разных токах через диод

8Я1 (?) и флуктуаций сопротивления термополевой эмиссии 5Я?(?). Шумовой ток в этом случае

7

Этот ток приводит к шумовому напряжению, выделяющемуся на дифференциальном сопротивлении Я диода у(?) = Я/(?). Спектр 1//шумового напряжения обусловленный флуктуаци-ями тока утечки и тока термополевой эмиссии, определяется как

2 2

5 = ЪБт +¥<8т.

Здесь V = 1Я и = 1Д - коэффициенты пересчета, - спектр относительных

флуктуаций линейного сопротивления утечки, - спектр относительных флуктуаций сопротивления термополевой эмиссии.

Токовая зависимость спектра шума в этом случае имеет максимум.

Экспериментальные данные для спектра НЧ шума на частоте / = 10 Гц в зависимости от полного тока I показаны точками на рис. 3. Штриховыми линиями на рисунке показаны спектры в зависимости от тока I, полученные из моделей линейной компоненты тока и тока термополевой эмиссии. Модель линейной компоненты тока позволяет описывать экспериментальные данные в области относительно малых токов, в области больших токов для объяснения экспериментальных данных необходимо использовать модель тока термополевой эмиссии. Сплошная линия - токовая зависимость спектра шума, полученная из объединенной модели шума линейного сопротивления и нелинейного сопротивления термополевой эмиссии.

Модель удовлетворительно описывает экспериментальные данные.

Рис. 3. Токовая зависимость спектра шумового напряжения на частоте 10 Гц

Подобному анализу был подвергнут ряд образцов. Аналогичные результаты получены для всех исследованных образцов.

Выводы

Обнаружена неоднородность протекания тока в диодах с контактом металл-полупроводник, вследствие чего в ВАХ проявляются дополнительные компоненты тока диода. Одна из компонент имеет квазиомический характер и проявляется при относительно малых токах. Диффузия примесей в контактах металл-полупроводник приводит к формированию областей с избыточной концентрацией доноров. Наличие таких областей вызывает возникновение второй дополнительной компоненты тока термополевой эмиссии. Показано, что именно эти механизмы являются причиной возникновения низкочастотного шума в таких диодах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, государственное задание Минобрнауки России в 2012 году и в плановом периоде 2013 и 2014 годов, регистрационный номер 2.1615.2011, НИР «Исследование сложных объектов различной физической природы современными радиофизическими методами».

Список литературы

1. Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Механизмы протекания тока в омических контактах металл-полупроводник // ФТП. 2007. № 41(11). С. 12811308.

2. Padovani F.A., Stratton R. Field and Thermionic-field emission in Shottky barriers // Solid-State Electronics. 1966. V. 9. P. 695-707.

3. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник. М.: Радио и связь, 1982. 208 с. [Пер. с англ.: Rhoderich E.H. Metal-Semiconductor Contacts. Oxford: Clarendon Press, 1978].

4. Клюев А.В. Низкочастотные шумы в наноразмерных полупроводниковых структурах: источники, измерение, методы анализа // LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 208 с.

ON PHYSICAL MECHANISMS OF FLICKER NOISE GENERATION IN TI-AU/GAAS SCHOTTKY DIODES

Al. V. Klyuev, M.R. Kiselev, An. V. Klyuev

Current flow inhomogeneity in diodes with metal-semiconductor contact has been found. As a result, additional components of the diode current are detected in the I-V curve. One of the components has a quasi-ohmic character and appears at rather small currents. The second additional component is a thermionic-field emission current. These mechanisms are shown to be the sources of low-frequency noise in such diodes.

Keywords: Schottky diode, low-frequency noise, current-voltage characteristic.

References

1. Blank T.V., Gol'dberg Yu.A. Mekhanizmy protekaniya toka v omicheskikh kontaktakh metall-poluprovodmk // FTP. 2007. № 41(11). S. 1281-1308.

2. Padovani F.A., Stratton R. Field and Thermionic-field emission in Shottky barriers // Solid-State Electronics. 1966. V. 9. P. 695-707.

3. Roderik E.Kh. Kontakty metall-poluprovodnik. M.: Radio i svyaz', 1982. 208 c. [Per. s angl.: Rhoderich E.H. Metal-Semiconductor Contacts. Oxford: Clarendon Press, 1978].

4. Klyuev A.V. Nizkochastotnye shumy v nanorazmernykh poluprovodnikovykh strukturakh: istochniki, izmerenie, metody analiza // LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 208 s.