Исследование и разработка быстродействующих туннельных переходов в Ge и GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВИЛЬНЮССКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛЯКАС МИХАИЛ АРОНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ Ъ Ое И баАв

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ВИЛЬНЮС - 1991

Работа выполнена в Вильнюсском университете с использованием технологической базы Вильнюсского НИИ радиоизмер?-тельных приборов

Научные руководители: чп.-корр. АН Литвы,

доктор физико-математических наук, профессор ВАЙТКУС Ю.-В. Ю.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ГУОГА В.И.

Официальные оппоненты: чп.-корр. АН Литвы,

доктор технических наук, профессор ЭЙДУКАС Д.Ю.

доктор технических наук, старший научный сотрудник БОГДАНС-КИС Э.-А. К.

Ведущая организация: Институт физики полупроводников АН

Литвы, г. Вильнюс

Защита состоится ' 45У М-СЬрга_ 1991 г. в

4С?1 ОС? час. на заседании Специализированного совета Д'Об 1.01,02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Вильнюсском университете: 232054, г. Вильнюс, ул. Саупетяке 9 (корпур 3), Физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Вильнюсского университета: Вильнюс, ул. Университето, 3.

Автореферат разослан '4Ь * ОррАралА 1991г.

—-л

Ученый секретарь • )

Специализированного совета С. А. ВЯНГРИС

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема повышения быстродействия и широкопопосности радиоэлектронных систем является одной из наиболее актуальных в современной электронике. Решение этой проблемы наряду с достижениями в области схемотехники - во многом определяется повышением быстродействия элементной базы.

Инерционность процессов тункепирования через потенциальные барьеры составляет 10-13..ДО" 12 с, что может служить основой для создания сверхбыстродействующих полупроводниковых структур и приборов. Однако их потенциальные возможности являются исследованными и реализованными в недостаточной степени.

Туннельные диоды (ТД) широко применяются в технике СВЧ и пикосокундпой импульсной технике. Расширение полосы частЪт пропускания современной РИА до 30 ГГц и выше обуславливает необходимость применения ТД с быстродействием <10 пс.

•К началу настоящей работы уровень исследований и разработок ТД позволял при весьма малом проценте выхода годных изделий (доли, единицы процентов) и ограниченном диапазоне работоспособности достичь быстродействия 20-2 5 пс. Предельные возможности туннельных структур, влияние физических и технологических факторов на их быстродействие исследовалось в недостаточной степени. Мало изучено влияние свободных носителей заряда и глубоких центров (ГЦ) в сильно вырожденных переходах на их емкостные свойства, определяющие быстродействие, а влияние ГЦ на длительность фронта и тонкую структуру формируемого ТД перепада напряжения не исследовалось ни теоретически, ни экспериментально. Большой интерес представ-

пяет исследование возможности опредепения характеристик ГЦ в туннельных переходах (ТП) с помощью современных высокоинформативных методов.

Цепью работы явпяется исследование и поиск путей повышения быстродействия ТД. Для этого необходимо: 1) исследовать влияние свободных носителей заряда и ГЦ на емкостные свойства р-п переходов; 2) исследовать и разработать методики и стенды для изучения физических характеристик ТП и контроля параметров быстродействующих ТД; 3) исследовать характеристики ГЦ в ТП; 4) исследовать предельные характеристики переключения ТД, влияние физических и схемотехнических факторов на быстродействие и тонкую структуру формируемого ТД перепада напряжения; 5) теоретически и экспериментально исследовать влияние технологических факторов на быстродействие. ТП, разработать и оптимизировать технологию быстродействующих ТД для жестких условий эксплуатации.

Научная новизна.В ходе выполнения работы получен ряд новых результатов. Получены уточненные аналитические выражения для опредепения стационарной барьерной емкости резкого р-п перехода и барьера Шоттки при наличии ГЦ в общем случае статистики Ферми-Дирака. Получено аналитическое выражение, определяющее временную зависимость изменения барьерной емкости р-п перехода при наличии (ГЦ в» общем случае статистики Ферми-Дирака для произвольного закона изменения внешнего напряжения смещения. Созданы оригинальные методики и апг паратура для измерения параметров быстродействующих погсупро-водниковых приборов и для исследования ГЦ в ТП и емкостных структурах с активными потерями. Впервые экспериментально исспедрваны 1М-Т5-спектры ТД на основе ве и (ЗаАз, в которых обнаружены локальные состояния, участвующие в формировании объемного заряда. "

Получены аналитические соотношения, устанавливающие свйзь между параметрами ВАХ ТД и его быстродействием. Установлено, что природа и параметры медленной части фронта при вершине формируемого ТД перепада напряжения обусловлены релаксационными свойствами неосновных носителей заряда и ГЦ.

Получена математическая модель технологического процесса формирования'быстродействующих ТП. Впервые, по иэ-

рестным литературным данным, получены ТД со временем переключения <5,7 пс. Разработана и оптимизирована устойчиво воспроизводимая оригинальная технология изготовления быстродействующих ТД со .временем переключения <10 пс.

Технология изготовления, 'методики измерения и аппаратура защищены авторскими свидетельствами СССР на изобретения.

Практическая ценность. Разработаны конструкция, технология, методики и аппаратура для контроля параметров быстродействующих ТД. Достигнут устойчиво воспроизводимый высокий процент выхода годных ТД: 9... 10% для ^ 10 пс и

2 6...29% для Ъфр 15 пс. По устойчивости к воздействию механических и климатических факторов разработанные диоды отвечают всем требованиям, предъявляемым к гчементной базе РИА специального назначения и сохраняют свою работоспособность вплоть до температур жидкого азота. Конструкторско-тех-нологическая документация и методики оформлены и утверждены в установленном порядке п пригодны для серийного производства.

Диоды внедрены в узлы формирователе"! и синхронизаторов повой сверхшпрокопопосной РИА: строб-осциллографов С7-20, С7-21, С7-20/4, строб-преобразователей программируемых Я4С-12 5, Я4С-125/4, а также при выполнении ряда НИР и ОКР, проводимых ВНИИРИП. Это позволило достичь в разработанных приборах нормируемой длительности фронта метрологи-«ческого перепада напряжения 22 пс и диапазона синхронизации 0,5...20 ГГц при нестабильности 15 пс, что не уступает аналогичным параметрам лучших зарубежных образцов. Достигнутый уровень быстродействия ТД позволяет существенно улучшить эти приборные параметры.

Разработанная методика и аппаратура контроля параметров ГЦ в ТП н емкостных структурах с активными потерями позволяют проводить экспресс-анализ их качества. Полученные аналитически© выражения для барьерной емкости структур могут быть использованы при анализе и моделировании широкого класса! полупроводниковых структур и приборов.

Основные защищаемые положения:

1, Методика релаксационной емкостной спектроскопии глубоких уровней (Ы-ТЗ) может быть использована для анализа дефектов в структурах с туннельными переходами при поддержа-

нии постоянной величины дифференциальной проводимости образца. В ТД на основе бе и баАэ обнаружены локальные состояния, участвующие в формировании объемного заряда.

2. Предельное быстродействие ТД зависит от степени асимметрии его ВАХ и,, при прочих равных условиях, максимально для ВАХ, симметричной относительно напряжения впадины. Изменение асимметрии ВАХ при увеличении плотности туннельного пикового тока приводит к дополнительному увеличению быстродействия для ТД на . основе (Зе и ухудшению быстродействия для ТД на основе бЗ-Ай 'и G&Sb.

3. Медленная часть фронта при вершине формируемого ТД перепада напряжения определяется релаксационными свойствами неосновных носителей-заряда и глубоких центров.'

4. Быстродействие формируемых ТП улучшается с уменыие>-нием времени для растекания электродного сплава, увеличением скорости скачка температуры и уменьшением температуры формирования рекристаллизованного слоя.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на У-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Ос-штпографические методы измерений* (г. Вильнюс, 1986 г.), XII Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике (г. Тбилиси, 1987 г.), 1 Всесоюзной конференции По физическим основам твердотельной электроники (г. Ленинград, 1989 г.), Республиканских конференциях "Достижения технических наук в республике и внедрение их результатов(Вильнюс-Каунас, 1987, 1989 г.), обсуждались на научных семинарах Вильнюсского университета, Вильнюсского НИИ радиоизмерительных приборов, Института физики полупроводников АН Литвы.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 26 печатных трудах, из них 5 научных статей, 2 депонированных рукописи, 5 авторских свидетельств СССР на изобретения, 2 положительных решения по заявкам на изобретения и 12 тезисов научных и научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и трех приложений. Основная часть работы содержит 128 листов машинописного текста, 47 рисунков и 18 таблиц. Приложения содержат 43 листа

текста, 8 рисунков и 2 таблицы. Список литературы к основному тексту содержит 110 наименований, к приложению 1-59 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, включая актуальность темы, цель, научную новизну и практическую полезность. Сформулированы основные защищаемые: положения, кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе проведен обзор литературы по'теме диссертационной работы. Рассмотрены фундаментальные физические явления, определяющие достижение предельного быстродействия полупроводниковых структур, физические и технологические факторы, ограничивающие быстродействие. Определены роль и место структур с ТП и ТД среди перспективных быстродействующих полупроводниковых элементов. Обсуждено влияние физико-технологических факторов на быстродействие ТД.

Во второй гцаве рассмотрен мето/} расчета интегральных параметров области пространственного заряда (ОПЗ) барьерных полупроводниковых структур, основанный на точном решении уравнения Пуассона в общем случае статистики Ферми-Дирака с учетом влияния ГЦ.

Получены общие решения уравнения Пуассона для участка ОПЗ полупроводника, дающие возможность рассчитать интегральные "характеристики ОПЗ конкретных полупроводниковых структур. Рассмотрены структура с барьером Шоттки и резкий р-п переход, -для которых получены аналитические выражения, определяющие емкость и ширину ОПЗ в общем случае статистики Ферми-Дирака. Определено'влияние свободных носителей заряда и ГЦ на емкостные характеристики, рассчитываемые по изменению полного заряда ОПЗ.

Полученные выражения являются обобщением известных соотношений для случая произвольного вырождения носителей заряда.

Численный расчет барьерной емкости резкого р-п перехода с учетом влияния токов проводимости показывает, что погрешность определения емкости по полученным аналитическим выражениям возрастает с увеличением положительного напряже-

ния смещения и с ростом асимметрии легирования перехода. При возрастании уровня легирования п- и р-обпастей перехода зависимость погрешности от его асимметрии увеличивается и уменьшается от приложенного внешнего напряжения. Расчет погрешности для типичных параметров бе и G&As туннельных р-п переходов показывает, что подученные аналитические выражения справедливы во всем рабочем диапазоне напряжений с погрешностью, не превышающей 10%.

Получено аналитическое решение уравнения Пуассона, определяющее временную зависимость изменения барьерной емкости резкого р-п перехода, обусловленную релаксационными свойствами ГЦ, для случая произвольного закона изменения внешнего напряжения смещения. Расчет проводился в общем случае статистики Ферми-Дирака с .точностью до первого порядка малости по отношению концентрации ГЦ к концентрации мелких доноров и акцепторов.

Полученные выражения могут быть использованы как при анализе быстродействия и исследованиях тонкой структуры импульсов, формируемых барьерными полупроводниковыми структурами, так и при исследованиях параметров ГЦ в полупроводниках, в том числе и методами

В третьей главе описаны методики и измерительные стенды для исследования характеристик быстродействующих полупроводниковых структур с ТП.

Для измерения параметров ВАХ разработан импульсный ха-рактериограф, позволяющий проводить измерения в режиме коротких импульсов с длительностью, много меньшей характерного времени тепловой релаксации исследуемых структур. Для1 возможного увеличения периода следования импульсов в состав характе-риографа введены схемы выборки-хранения, что дает возможность использовать в качестве регистрирующего прибора обычный осциллограф. Это позволило .существенно расширить диапазон исследуемых токов и 'напряжений и устранить систематическую ошибку, связанную с разогревом прибора в процессе измерений. При длительности импульсов ^ 0,5 мкс и скважности С}^200 параметры ВАХ быстродействующих (Зе и (ла,Ав ТД исследовались вплоть до токов на диффузионной ветви, равных пяти пиковым токам без всяких признаков деградации. Показано, что погрешность измерений с помощью импульсного характериогра-

фа в основном определяется классом точности применяемого осциллографа .

При прямых измерениях собственное быстродействие переключающего элемента tD может быть приближенно определено по формуле, учитывающей быстродействие измерительной аппаратуры :

где . - время нарастания импульса, измеренное по экрану осциллографа, f0 - время нарастания переходной характеристики измерительного тракта.

Показано, что сильно-возрастающая погрешность расчета обуславливает некорректность применения выражения (1) для оценки собственного быстродействия при ^ 2, Zr0 . В связи с этим оценка быстродействия ТД проводилась в составе конкретного измерительного тракта на базе осциллографа С1-91/4 со смесителем, имеющим полосу частот пропускания О...30 ГГц. ТД при измерениях монтировались в макеты формирователя перепада напряжения, выполненного в коаксиальном тракте 3,5х xl,52 мм с последовательно включенным согласующим резистором 50 Ом. Длительность фронта измерялась по экрану осциллографа между уровнями 0,1...0,9 формируемого ТД перепода напряжения.

Исследование емкостных объектов методами DLTS при наличии активных потерь, характерных для структур с ТП, связано с рядом проблем, обусловленных возникающей погрешностью измерений.

-Для полупроводникового элемента, имеющего ВАХ N-об-разной формы, подробно проанализированы источники погрешности измерения емкости и релаксации емкости. Предложены метод и устройство, в которых снижение ошибки измерений низко-омных емкостных объектов достигается за счет компенсации дифференциальной проводимости (ДП) измеряемого объекта проводимостью противоположного знака. Предложена и обоснована методика ' DLTS -измерений туннельных структур, имеющих ВАХ N-образной формы, путем смещения перехода в область одного из экстремумов ВАХ и поддержания величины активной ДП структуры постоянной в процессе измерений. Оценена погрешность DLTS-измерений ТД.

Созданные методики и аппаратура позволяют исследовать ВАХ различных быстродействующих структур и приборов и.проводить 1)1Л"5-измерения на широком классе барьерных полупроводниковых структур с активными потерями.

В четвертой главе исследовались DLTS-cпeктpы и

СяаАа ТД. Разработан измерительный комплекс на базе серийно выпускаемого спектрометра глубоких уровней (ГУ) Т>1-$-82Е (Венгрия), позволяющий реализовать предложенную методику измерений. Проанализировано влияние элементов схемы измерения на положение и амплитуду наблюдаемых экстремумов 01_Т5 ~ сигнала.

Типичные температурные' и частотные зависимости ОЬТб-сигнапа для блАэ и <3е ТД при положительной полярности возбуждающего импульса напряжения приведены на рис. 1, 2. Измерения проводились в точке минимума ВАХ. Частотное сканирование позволило выявить ярко выраженные экстремумы сигнала 01~Т5, соответствующие увеличению емкости в процессе ее релаксации для й&Аб ТД и увеличению либо уменьшению емкости для ТД на основе <3е. Форма экстремумов свидетельствует о неэкспоненциальном характере изменения емкости. Характерной особенностью спектров является слабая или аномальная температурная зависимость наблюдаемых экстремумов.

Для бе образцов типичным является узкий температурный диапазон наблюдаемых экстремумов,' а для б^Аз широкое плато в температурном спектре Ы-ТБ с резким уменьшением амплитуды сигнала в области температур -¿110 К.

Показано, что полученные результаты могут быть интерпретированы в рамках модели резонансного туннепирования ^ежду ГЦ и зоной основных или неосновных носителей заряда в р-п перехода й термостимулированных туннельных переходов между отдельными локализованными состояниями. Захват электрона ча дискретные уровни энергии, создаваемые ГЦ в ОПЗ ТП, приводит ,к перестройке объемного заряда ОПЗ, динамика изменения которого определяется временем жизни электрона в квантовой яме, слабо зависящем от температуры.

Резкое уменьшение амплитуды -сигнала в области

температур <110 К.-для (л&Аб ТД коррелирует с известными результатами исследования перестройки метастабильного до-норного центра Е1г2 в Это позволяет предположить до-

минирующее влияние этого уровня при формировании 1>1-.Т$ — спектров ТД.

DL.TS.aM. ЫТ^а.и.

Рис. 2,

В исследованных ТД в некоторых случаях наблюдались экстремумы DLTSJ соответствующие уменьшению времени эмиссии носителей с ГЦ при увеличении температуры, что свидетельствовало о термоэмиссионном механизме их перезарядки. Однако ввиду доминирования других зависимостей достоверно определить параметры ГЦ по этим экстремумам не удалось.

Анализ полученных результатов дает основания предположить наличие одного или группы близко расположенных ГУ - ловушек основных носителей заряда для ййАэ ТД и ряда лову-

шек как основных, так и неосновных носителей заряда в Ge ТД, основным механизмом релаксации которых является туннелиро-вание.

В пятой ггтаве анализируются вопросы предельного быстродействия структур с ТП и их быстродействия в реальной схеме формирователя перепада напряжения. Результаты анализа являются общими для структур, имеющих ВАХ N -образной формы.

В режиме переключения от источника тока, определяющем максимальное быстродействие ТД, получены аналитические выражения, определяющие влияние формы ВАХ на полное время переключения t" и собственную длительность фронта ТГфр, определяемую между уровнями 0,1...0,9 формируемого ТД перепада напряжения. Полученные выражения показывают, что время f возрастает при увеличении отношения токов ТД. Длительность фронта зависит от введенного параметра оС = ( xxv - ыр)/ (Upp - U^), характеризующего асимметрию ВАХ, и, при прочих равных условиях, минимальна для ВАХ, симметричной относительно напряжения впадины: f^p (ос 1) ~ -/, •/ С^ (ирр~ г- гLp)/С Эр-У.\гГ). Здесь С^ - общая емкость ТД, itp } U-pp - напряжения пика, впадины и раствора ВАХ, 7p,Dv- пиковый ток и ток впадины ТД.

Показано, что увеличение плотности пикового туннельного тока в процессе формирования ТП приводит к дополнительному уменьшению ^<f>p дпя ТД с оС > 1 (<3е) и возрастанию для ТД С ос<1 (ßaAs , G&Sb).

Для схемы формирователя перепада напряжения на ТД определена система из восьми дифференциальных уравнений первого порядка. Учтены релаксационные свойства ГЦ (глава1'2) и неосновных носителей заряда. Численное решение системы уравнений проводилось на ЭВМ "в нормированных обобщенных координатах методом Хэмминга с верхней границей погрешности 0,1 %.

Учет релаксационных свойств ГЦ и неосновных носителей заряда в процессе переключения ТД существенно меняет расчетную картину процесса, увеличивая его-инерционность и обуславливая появление экспериментально наблюдаемой медленной части фронта при вершине перепада-скола. Временные паро-метры скола однозначно определяются временем репаксацчи ГЦ и неосновных носителей заряда.

Результаты моделирования в исследованных областях изменения параметров адекватно отражают экспериментальные данные.

Проведена многофакторная оптимизация параметров элементов схемы включения ц некоторых параметров ТД. Расчетное значение, найденного глобального минимума целевой функции -длительности фронта еыходного напряжения = rCH "Зр/ирр Cjxr-r где - емкость ТП в минимуме ВАХ, для единичного вход-

ного перепада напряжения составило ^и mût, = 0,36. Для реально достижимого фактора качества Ge ТД S ^35 мА/пФ его быстродействие в оптимизированной схеме включения должно составить ^4,7 пс. Расчет по полученным аналитическим соотношениям для типичных параметров <3£ ТД, рассмотренных в главе б, дает значение "2",^р яг 8...12 пс.

В шестой главе рассмотрены основные результаты экспериментальных. исследований и разработки быстродействующих ТД. Рассчитаны ф-лзшш-технопогические параметры структуры, необходимые для достижения быстродействия ^ерр «С Ю пс, предложены и обоснованы конструкции и оригинальная тездоло-гия изготовления.

- Диоды изготавливались по меза-сплавной технологии путем неравновесного вплавлетшя электродного сплава Sn-As а исходную пластину сильнопегированного р-<3е с последующим электрохимическим травлением перехода для удаления дефектной периферийной области и достижения заданного номинала пикового тока. ,

Показано, го характеристики ТД в определяющей степени зависят от выбора температурно-временных параметров техло-- логического процесса формирования ТП и их оптимального соотношения - рис.- 3.

Определение оптимального соотношения семи параметров (факторов), которыми характеризуется процесс, с целью ас снижения максимального быстродействия проводилось с помощтто математических методов планирования эксперимента.

Список шести факторов, включаемых в планируемый эксперимент, приведен на рнс. 3. В качестве параметра оптимизации выбрано время переключения. С целью получения линейного приближения участка поверхности отклика целевой функции вокруг известной центральной точки использовалась матрица дробного фл к горн ого эксперимента (ДФЭ) 2 с ОПроае1якпцим к .vir-

il

•п/по у %

Т,

т,

V. 25 Уохп ЛС 15

У

и. т

5

10 -X, • Уп -Хч Т< - х2 Тг -- Х3 t2 ~*6

Рис. з.

« « го ■ гч 21 « Т^по

г,« 10,9 <6,2 г< 25,1 29.« г'(рр1 пс

Рис. 4.

растом 1 = Х1Х2ХдХ4ХдХ^ . Центральная точка ДФЭ ориентировочно определялась расчетным путем и уточнялась с помощью методов симплекс-планирования эксперимента.

В результате реализации плана ДФЭ и статистической обработки экспериментальных данных получена адекватная математическая модель технологического процесса формирования ТП:

Ц = -1,^52.1+0,0166x2,-0,0337x4+0,0585X5. (2)

После проведения нескольких шагов в направлении антиградиента регрессионного уравнения (2) определена почти стационарная область со средним значением параметра оптимизации ^<рр ^ 13,7 пс. Исследование зависимости параметров ТД от скорости охлаждения в процессе формирования ТП показало, что существует оптимальное значение ^охЛ > обеспечивающее максимальное быстродействие при хорошем качестве переходов.

Гистограмма распределения полученных ТД по быстродействию для полосы частот пропускания измерительного тракта О,.,30 ГГц приведена на рис. 4. Зцесь же дополнительно представлены результаты расчета собственного быстродействия ^ерр по соотношению (1). Общий выход быстродействующих ТД составляет 40-45 %. Общий процент выхода диодов с /^о/о<15 пс составляет 26...20%, со временем Ч^фр < 10 пс - 9...10%.

Минимальная- величина > наблюдаемая на экране осцил-

лографа, составляла 12...13 пс, что по оценке (1) соответствует собственному быстродействию ТД ^срр = 2,8...5.7 пс. Относительная погрешность расчета при этом соответст-

венно составляет от 2 14 до 65%. Осциллограмма переключения такого диода приведена на рис. 5. ТД с таким быстродействием, по известным литературным данным, получены впервые.

Диоды внедрены в разрабатываемую и серийно выпускаемую

РИА.

• »« Л 1

......I.. -

«

Ш1ШП

Рис. 5.

• В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

В приложении 1 анализируются физические и технологические факторы ограничения быстродействия полупроводниковых структур, рассматривается явление резонансного туннелирэва-ния в полупроводниках и анализируются характеристики быстродействующих полупроводниковых структур и приборов.

В приложении 2 приведен расчет погрешности импульсного характериографа и измерителя емкостей низкоомных объектов.

Приложение 3 содержит акт использования результатов диссертационной работы и протокол исследования параметров созданных ТД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана и защищена а/с СССР на изобретение методика 01-Тв-измерений параметров ГЦ в полупроводниковых структурах' с активными потерями, в том числе, имеющих ВАХ с переменной дифференциальной проводимостью. Разработана и создана аппаратура для измерений. Впервые экспериментально исследованы' температурные VI частотные -спектры ТД на основе йе и (ЗаАв. Показано, что полученные экспериментальные результаты могут быть интерпретированы путем привлечения механизма туннельной перезарядки ГЦ. Малая ширина слояперезарядки и хаотическое распределение примеси обуславливает участие в актах туннелирования отдельных изолированных атомов примеси, создающих локализованные состояния с дискретными минизонами поперечной энергии движения носителей. При этом туннелирование через ГЦ в ОПЗ р-п перехода должно носить резонансный характер.'

2. Резкое уменьшение амплитуды ОЬТб-сигнала в области температур Т < 110 К предполагает влйяние метастабиль-ного состояния Еи-2 на формирование измеряемых ОЬТЗ-споктров в ТД на основе (яаАэ.

3. Анализ результатов -измерений дает основания предположить наличие одного или группы' близко расположенных глубоких уровней-ловушек основных носителей заряда для баАз ТД и ряда ловушек как основных, так и неосновных носителей заряда для ТД на основе ве, доминирующим механизмом релаксации которых является туннелирование.

4. Получены уточненные аналитические выражения для определения стационарной и нестационарной барьерной емкости структур с барьером Шоттки и резких р-п переходов при наличии ГЦ с учетом влияния свободных носителей заряда, рассчитанные для статистики Ферми-Дирака,

Ошибка расчета барьерной емкости по модели полного заряда возрастает с ростом степени легирования и увеличением

асимметрии р-п перехода. Определены границы областей применимости полученных аналитических выражений. Нестационарная емкость р-п перехода определяется как инерционными свойствами ГЦ, так и вкладом неосновных, носителей заряда.

5. Получены аналитические выражения, определяющие максимальное быстродействие ТД. Длительность фронта, измеряемая между уровнями 0,1...0,9 формируемого ТД перепада напряжения, зависит от асимметрии ВАХ и, при прочих равных условиях; минимальна для ВАХ, симметричной относительно напряжения впадины. Иаменение асимметрии ВАХ при увеличении плотности пикового туннельного тока в процессе формирования ТП приводит к дополнительному увеличению быстродействия для ТД со степенью асимметрии оС > 1 (Ое) и уменьшению быстродействия для ТД с сС<1 (баАв, ба-вЬ).

6. С помощью численного моделирования исследовано быстродействие ТД в реальной схеме включения с учетом малых параметров. Введение в систему исходных уравнений соотношений, определяющих динамику изменения емкости в процессе переключения ТД, позволило установить, что наличие медленной части' фронта при вершине формируемого перепада напряжения обусловлено инерционными свойствами как диффузионной емкости перехода, так и имеющихся ГЦ.

7. Разработана оригинальная технология, конструкция и создана замкнутая технологическая линейка для изготовления быстродействующих ТД. С помощью планируемого эксперимента получена адекваптя. математическая модель и определен оптимальный технологический режим процесса формирования быстродействующих ТП. Разработан устойчиво воспроизводимый технологический процесс, обеспечивающий 9... 10% выхода годных ТД, имеющих длительность фронта <(10 пс и 26...29% для ТД с длительностью фронта <С 15 пс. Минимально достигнутая длительность фронта, измеренная по экрану осциллографа с полосой частот пропускания О...30 ГГц, составила 12... 13 пс, что по оценкам дает собственное быстродействие ТД, равное

2,8..,5,7 пс. Такое быстродействие ТД, по известным литературным данным, получено впервые.

Изобретение 'Способ изготовления р-п переходов" пригнано лучшим изобретением ВНИИРНП 1987 г.

8. Созданные ТД по устойчивости к воздействию механических и климатических факторов отвечают всем требованиям, предъявляемым к современной элементной базе РИА специального назначения и сохраняют свою работоспособность1 вплоть до температур жидкого азота. Диоды внедрены в узлы новой сверх-широкопопоеной РИА и обеспечивают приборные параметры, не уступающие параметрам лучших образцов аналогичных зарубежных приборов.

9, Разработанные методики и аппаратура для исследования характеристик быстродействующих ТД защищены а/с СССР на изобретения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. A.c. N; 762546 СССР, МКИ2 G01/Z, 27/02. Устройство для определения удельного переходного сопротивления между полупроводником и контактами, нанесенными на его поверхность. М.А. Лякас, И.С. Левитас (СССР) — .Jvfe 2731285/1821; Опубл. 1980.

2. Лякас М,А, Определение предельно допустимой постоянной электрической мощности для туннельных диодов // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. 'Осшшлографические методы измерений*. - Вильнюс, 1982,

3. A.c. М 990019 СССР, МКИ3 H04L, 21/306. Устройство для управления'-установкой электролитического травления полупроводников / М.А. Лякас (СССР) - Nt 3277633/1825; Опубл. 1983.

4. A.c. М 1095114 СССР, МКИ3 G01R., 31/26. Устройство для исследования вопьтамперных характеристик полупроводниковых приборов / М.А. Лякас, А.Н, Привитень (СССР). -N? 3478261/18-21; Опубл. 30.05.84, Бюл, Н 20.

5. Лякас М.А., Котылева Н.С., Савиший Е.Е. и др. Быстродействующие туннельные диоды пикосекундного 'диапазона // Техника средств связи. Сер, РИТ. - 1984. - Вып. 3. -

С. 120-123.

6. Лякас М.А., Сергеевайте Р.В., Котыпева Н.С. Герметизация мезаструктуры сппавных туннельных диодов // Техника средств связи. Сер. РИТ. - 1984. - Вып. 3. - С. 110-114.

7. Лякас М.А., Привитень А.Н. Импульсный характериогрвф// Техника средств связи. Сер. РИТ.-1984. - Вып. 3. - С. 47-52.

8. Лякас М.А. Планирование эксперимента в технологии быстродействующих туннельных переходов // Материалы У Все-союзн. научн.-техн. конф. "Осштлографические методы измерений". (Тезисы). - Вильнюс, 1986. - С. 333-336.

9. Герман В.А., Жабинский С.В., Лякас М.А.- и д^. Анализ схемы пикосекундного формирователя на туннельном диоде // Материалы У Всесоюзн. науч.-техн. конф. "Осциллографнческие методы измерений" (тезисы). - Вильнюс, 1986. - С. 256-257.

10. Ефремов И.Ю., Левитас Б.Н., Лякас М.А. Комплект формирователей перепада напряжения на туннельном диоде с длительностью фронта менее 20 пс. // Материалы У Всесоюзн. на-уч.-техн. конф. "Осшшлографические методы измерений" (тезисы). - Вильнюс, 1986. _ С. 258-259.

- 11. A.c. Ns 1287039 СССР, МКИ4 GOUZ, 27/02. Устройство для измерения сопротивления контактов к полупроводникам / М.А. Лякас, И.С. Левитас (СССР) - № 3808870/2 4-21; Опубл. 30.01.87, Бюп. N? 4.

12. A.c. N? 1356875,(МКИ4 ИОН, 21/02. Способ изготовления р-п переходов / м'.А. Лякас (СССР). - Н 3998002/ 24-25; Опубл. 1987.

13. Лякас М.А. Расчет времени переключения туннельных диодов // Материалы 1У Республиканской науч.-техн. конф. ции "Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов*. Тезисы. - Вильнюс, 1987. - С. 17-18.

14." Лякас М.А., Антанавичус Р.П. Электрические свойства переключателей с туннельными р-, п- гомо- и гетеропереходами на основе твердых растворов // Материалы 1У Республиканской науч.-техн. конференции Тенерирэва-ние, формирование и применение импульсных сигналов". Тезисы. - Вильнюс, 1987. - С. 19.

15. Бендорюс Р.А., Карпинскас С.Ч., Лякас М.А. и др. Возможности формирования туннельных р-п переходов в бе и баАв лазерным изучением '// Материалы 1У Респубп. на-учно-техн. конф. "Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов*. - Вильнюс, 1Э87. - С. 247-248.

16. Вайткус Ю.Ю., Гуога В.И., Лякас М.А. и др. Исследование быстродействующих туннельных диодов пикосекундного диапазона // Тез. докл. ХИ Есесоюзн.. конф, по микроэлектронике. - Тбилиси, 1987.- Часть 4. - С. 99-100.

17. Лякас М.А., Привитень А.Н. Быстродействующие туннельные дибды // Электронная промышленность» - 1988. -Вьт. 4(172). _ С. 94. . ' ' •

18. Вайткус Ю.Ю., Лякас М.А., Пранайтис Р.В. Нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней в туннельных переходах // Тез. докл. Респубп. коиФ. "Достижения технических наук в республике и внедрение их результатов". -Каунас, 1989. - С. 37.

19. Вайткус Ю.Ю.; Лякас" М.А., Пранайтис Р.В. Уточненный расчет емкостных характеристик барьерных полупроводниковых структур. -.Деп. в ЛитНИИНТИ 06.04.89, М; 2348.

20. Дземида Г., Юшкене Е„ Шапьтянис В., Лякас М. и др. Пакет программ планирования эксперимента' и анализа данных // Тез. докл. Респубп. конф. "Программное обеспечение ЭВМ". - Паланга, 1989. - С. 27.

21. Вайткус Ю.Ю., Лякас М.А., Пранайтис Р.В. Нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней в туннельных переходах // Тез.-докп. 1 Всесоюзн. конф. "Физические основы твердотельной электроники*. - Л.г 1989.. - С. ¿26-127.

22. Вайткус Ю.Ю., Лякас М.А., ПранайтисГР.В. Устройство для измерения емкости, зашунтированной проводимостью // Заявка на изобретение N9 4399609/24-21 (046170) от 29.03.88. Положительное решение от 05.10.89. М. к п.бОУЯ, 27/26.

23. Вайткус Ю.Ю., Лякас М.А., Мисюнас Г.А., Пранайтис Р.В. Способ контроля глубоких центров в полупроводниковых

структурах. Заявка «а изобретение М; 4476311/2£> (127374) от 18.08.88. Положительное решение от 27.04.90. М. кп.^ НО-/Ц 21/66; С01Р, 31/26.

24. Вайткус Ю.Ю., Лякас М.А. Разработка переключающих туннельных диодов с повышенным быстродействием. - Деп. в ЦНИИ "Электроника* 01.90, № Р-5260.

25. Лякас М.А., Пршзитень А.Н., Гербутавичене Д.И. Разработка быстродействующих туннельных диодов //"Гез. докл. нпучно-техн. кокф. "Быстродействующие элементы н устройства волоконно-оптических и лазерных информационных .систем*. -Севастополь, 1990.

26. Дземида Г., Юшкене Е.^ Шапьтянис В., Лякас М. а др. Диалоговый пакет планирования экспериментов // Теория оптимальных решений. - Вильнюс, 1990. - Вып. 14. - С. 41-61.