Нелинейные транспортные эффекты в селективно легированных гетероэпитаксиальных микроструктурах металл-полупроводник

Актуальность темы

исследования.

Продуктивность идеи использования искусственного мелкомасштабного потенциала, воздействующего на свободные носители заряда в полупроводниках, для конструирования и наблюдения новых физических эффектов уже долгое время не вызывает сомнений. Сопутствующей, технологической тенденцией была миниатюризация элементов твердотельной электроники, обеспечившая одновременное улучшение быстродействия и других параметров приборов. С течением времени фундаментальные и прикладные аспекты исследований сблизились. Это объединение ряда дисциплин оказалось успешным и привело к возникновению направлений, которые известны сейчас, как «физика полупроводниковых микроструктур», «нанофизика» и «наноэлектроника».

Но в начале была технология. На мой взгляд, старт этих событий был связан с появлением в 70″ ые годы и быстрым прогрессом в 80″ ь, е прошлого века технологии молекулярно-пучковой' эпитаксии (МПЭ) [1, 2]. Именно МПЭ сделала реальностью получение многих гетероструктур и сверхрешёток. Однако, справедливости ради нужно заметить, что в цитированных книгах уже были статьи про альтернативную технологию гетероэпитаксиального роста полупроводниковых гетероструктур — метод металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ). Более подробно метод описан в [3]. Долгое время технология МПЭ лидировала в получении гетероструктур с рекордными параметрами, а в условиях МОГФЭ только воспроизводили уже полученные результаты. В последнее время технология МОГФЭ выходит вперёд, например, в задачах получения новых широкозонных нитридов. Одной из причин ускоренного прогресса МОГФЭ являются большие средства, которые вкладываются в МОГФЭ, как более производительную технологию, для реализации без задержек массового производства новых структур оптои микроэлектроники.

Очевидно, что характерный масштаб потенциала, который необходимо сформировать для проявления выраженных квантовых эффектов туннелирования и размерного квантования, должен быть сопоставим с длиной волны де Бройля в полупроводнике. Можно сделать оценку пространственного масштаба из других соображений, исходя из задачи о туннелировании электронов через потенциальный барьер, и использовать условие, чтобы туннельная компонента тока превосходила термоэмиссионную (надбарьерную) компоненту тока. Эта задача имеет аналитическое решение для различных потенциальных барьеров и, в частности, для барьера треугольной формы [4]. Полагая для оценок температуру комнатной и выбирая в качестве полупроводника арсенид галлия, получаем, что характерный масштаб потенциалов должен быть менее 10 нм. Очевидно, что резкость изменения потенциала и точность' его воспроизведения должна быть ещё более высокой, так как без этого невозможно добиться воспроизводимости транспортных характеристик при туннелировании. На момент начала работ по теме диссертации (в середине 90″ ыч годов прошлого века) были определённые сомнения в возможности решить эту задачу, как в условиях МПЭ, так и МОГФЭ [5, 6].

В данной работе МОГФЭ является базовой технологией для изготовления необходимых микрои наноструктур на основе арсенида галлия. Арсенид галлия выбран в качестве материала из-за высоких значений подвижности, дрейфовой скорости электронов, больших полей пробоя и других характеристик, способствующих реализации изучаемых физических эффектов в области высоких частот [7]. Для формирования потенциальных барьеров в ОаАэ удобно использовать АЮаАэ, выбор материала для потенциальных ям менее очевиден [3]. Тройное соединение ТпваАз подходит при малых концентрациях индия и небольшой толщине слоев, до тех пор, пока не проявляются эффекты релаксации* упругих напряжений путём генерации дефектов1 или трансформации слоя-в массив квантовых точек. Эти эффекты нежелательны, они нарушают планарность поверхности, что приводит к неоднородности поперечного тока и большому разбросу транспортных характеристик. Добавление азота в ¡-аваЛя снижает упругие напряжения в слое (и может даже изменить их знак), но одновременно приводит к метастабильности четверного соединения ¡-пОаЫАэ и склонности его к локальным нарушениям фазового состава [8].

Другим способом формирования резкого потенциального рельефа является 5-легирование [1, 9]. Речь идёт о расположении атомов примеси в полупроводнике в идеальном случае в одной плоскости, точнее — в пределах одного монослоя кристаллической решётки. В этж условиях возникает самосогласованный потенциал доноров, удерживающих подвижные электроны. Распределение потенциала можно сделать несимметричным, если поместить 5-слой в полупроводнике вблизи границы с металлом: При этом концентрацией электронов в 5-слое можно управлять за счёт изменения напряжения между металлом и омическим контактом, расположенным в I глубине полупроводника. При сближении 5-слоя и* металлического контакта, на расстояниях <10 нм становятся заметными туннельные переходы через приповерхностный.

1? о потенциальный барьер. При высоком уровне легирования (>10 см) 5-слой эффективно экранирует приповерхностное электрическое поле, скачок напряжённости при переходе через плоскость легирования может быть больше 0,1 В/нм. Таким образом, введение в структуру металлического контакта и 5-легирование полупроводника дают дополнительные возможности формирования очень резкого потенциального рельефа.

Осаждение металла на атомарно чистую ростовую поверхность следует проводить сразу после процесса эпитаксии, без выноса полупроводниковой структуры на воздух. Только это может гарантировать формирование барьера Шоттки без промежуточных слоев окислов и загрязнений границы металл-полупроводник (МП) [10]. Эта задача естественным образом решается в условиях МПЭ [1]. Осаждение металла в условиях МОГФЭ является более сложным процессом, который должен сопровождаться химической гетерогенной реакцией разложения металлоорганического соединения (МОС) на поверхности полупроводника для освобождения. металла из этого летучего соединения [3]. Очевидным следствием этого процесса является возможность загрязнения металлической плёнки органическими составляющими МОС, в первую очередьуглеродом. При повышенных температурах могут проявляться эпитаксиальные процессы, и возрастает вероятность хемоэпитаксиальных эффектов, приводящих к образованию на границе МП промежуточных слоев, отличающихся от материала полупроводниковой подложки и покрывающей плёнки металла. Поэтому в условиях МОГФЭ могут быть отличия на стадиях зарождения островков металлической плёнки и их коалесценции, что в конечном итоге может проявляться в структуре осаждённой плёнки и свойствах контакта МП.

Контроль островковой стадии формирования металлической плёнки представляет отдельный интерес. На этой стадии, на поверхности полупроводника возникает массив малых металлических частиц с размерами в диапазоне 1-й00 нм [11]. Прерывая осаждение металла, можно получить двумерный массив металлических нанокластеров (наноостровков), которые одновременно являются наноконтактами МП. Можно надеяться, что при определённых условиях возможно возобновление эпитаксиального роста полупроводника и полное заращивание металлических нанокластеров. При многократном повторении этих процессов осаждения металлических островков и их заращивания полупроводником формируется трехмерный массив металлических нанокластеров, которые могут быть ответственными за разнообразные физические явления [11, 12]. Примером подобного материала является ОаАэ с нанокластерами мышьяка или полуметаллическими наночастицами ЕгАэ, которые используются как сверхбыстрые фотопроводники в системах генерации терагерцового излучения при межзонном оптическом возбуждении образцов [13].

При осаждении толстых металлических слоев возникает планарный контакт МП [1, 10]. Его свойства можно модифицировать путём 5-легирования и' введения дополнительных полупроводниковых гетерослоёв вблизи границы раздела МП. Почему это может представлять интерес? Очевидный ответ состоит в том, что такой контакт обладает сильно нелинейной' вольт-амперной характеристикой (ВАХ), которой можно управлять за счёт параметров гетероструктуры (в общем случае — варизонной) и 5-легирования. Если не проводить легирование базового слоя* между металлом и областью омического контакта, то возникает барьер, описанный<�Моттом [14, 15].

При наличии 5-легирования характер токопереноса усложняется. Наряду с барьерной нелинейностью, могут проявляться эффекты, связанные с инжекционными токами и пространственным зарядом-в базовом слое [16]. При увеличении поверхностной концентрации примеси в 5-слое снижается роль барьерной нелинейности, уменьшается.

11 эффективная высота барьера и в предельном случае очень сильного 5-легирования (~10 л см) барьерная нелинейность пропадает и возникает омический контакт между металлом и электронным газом в 5-слое [9]. В этом случае ВАХ контакта МП полностью определяется инжекционными токами в объёме полупроводника. Можно ожидать, что предлагаемый путь «вычитания» из барьера Мотта (или Шоттки) электростатического потенциала обеднённого 5-слоя позволит получить малые эффективные высоты барьеров (порядка тепловой энергии кТ) с высокой однородностью по площади. Попытки реализовать такие малые барьеры для электронов только с помощью 5-легирования (акцепторной примесью) приводят к неоднородным контактам из-за дискретного характера легирования удалёнными друг от друга атомами примеси.

Другим важным свойством контактов МП с 5-легированием является малая инерционность установления тока при изменении напряжения, что позволяет разрабатывать на основе этих структур высокочастотные диоды. Наиболее продолжительным временным масштабом транспорта электронов оказывается время их дрейфово-диффузионного прохождения через базовую область, где присутствует небольшое электрическое поле. Однако, при толщине этой области ?)"100 нм это время достаточно мало ~1 пс [7, 15]. Другое ограничение быстродействия связано с конечной добротностью диода, как двухполюсника с дополнительными паразитными элементами. Это сопротивление* в цепи вне контакта МП п базовой области и параллельная шунтирующая ёмкость [7, 15]. И в этом отношении предлагаемая структура диода представляется целесообразной. Металлический анодный контакт может иметь малую площадь, а площадь омического контакта может быть увеличена за счёт пространственной геометрии с растеканием тока. За счёт этого, последовательное сопротивление может быть меньше, чем в конструкциях низкобарьерных диодов с варизонными, планарно-легированными или туннельными барьерами, которые имеют хотя бы один полупроводниковый омический контакт с малой площадью [1, 17]. Одновременно, добавление базовой области за туннельным барьером на границе МП приводит к уменьшению шунтирующей ёмкости, по сравнению с низкобарьерными туннельными диодами [17], где туннелирование происходит между сильнолегированными полупроводниковыми слоями.

Диоды с пониженной эффективной высотой барьера и малой инерционностью отклика представляют очевидный интерес для приёма и преобразования высокочастотных сигналов суби терагерцового диапазонов частот [18]. Низкобарьерные диоды могут использоваться для детектирования без постоянного смещения, что снижает уровень шумов и увеличивает чувствительность приёмника [19]. Другие области применения — это эффективное смешение и умножение частот сигналов при относительно малых уровнях мощности накачки: Указанные свойства низкобарьерных диодов приобретают принципиальное значение при построении многоэлементных приёмников, которые могут обеспечить решение задач радиовидения в реальном масштабе времени в диапазонах частот 100 ГГц и более высокочастотных [19−21]. Ожидается, что с помощью подобных систем радиовидения будут решены многие фундаментальные и. прикладные задачи, построены практически важные системы гражданского и военного назначения [19, 21].

Таким образом, адекватная постановка и решение задач во всех этих областях оказывается возможной только при координировании усилий в технологии полупроводниковых гетероструктур, в теории эмиссионных, туннельных и инжекционных явлений в микроструктурах, в постановке оригинальных физических экспериментов и в разработке перспективных приборов микроэлектроники.

Объектом исследования в данной работе являются селективно легированные гетероэпитаксиальные микрои наноструктуры металл-полупроводник на основе соединений А1−1п-Оа-АБ-К .

Предметом исследования являются нелинейные транспортные явления при эмиссии, туннелировании и инжекции электронов в гетероэпитаксиальных микрои наноструктурах металл-полупроводник.

Цель диссертационной работы состояла:

— в развитии технологии МОГФЭ, обеспечивающей получение атомарно резких профилей состава и легирования в гетероструктурах А3В5 на основе соединений А1−1п-Оа-Аз-№ и осаждение на ростовую поверхность металла;

— в разработке методик формирования в условиях МОГФЭ многослойных массивов металлических нанокластеров, встроенных в монокристаллическую полупроводниковую матрицу;

— в экспериментальных исследованиях и построении физических моделей для полупроводниковых наноструктур с металлическими нанокластерами;

— в экспериментальных и теоретических исследованиях туннельных, эмиссионных и инжекционных транспортных явлений в селективно легированных микроструктурах МП;

— в разработке и изготовлении на основе селективно легированных микроструктур МП низкобарьерных диодов, обеспечивающих высокую чувствительность при приёме излучения миллиметрового диапазона длин волн.

Научная новизна.

1. На основе вольт-фарадных (СУ) измерений в процессе электрохимического травления разработан метод восстановления профиля легирования полупроводников непосредственно от поверхности и с высоким пространственным разрешением на масштабах, меньших радиуса дебаевского экранирования.

2. Показано, что при пиролизе металлорганических соединений А1 и лазерном распылении Мо и? в реакторе МОГФЭ, на атомарно чистой поверхности ОаАз на начальных стадиях происходит формирование металлических нанокластеров с размерами ~10 нм, после чего возможно возобновление эпитаксиального роста ОаАБ. При многократном повторении процессов получены многослойные нанокластерные структуры.

3. Получено аналитическое решение задачи о поперечном инжекционном токе в нелегированном полупроводниковом слое с любой комбинацией контактов: с металлом, с легированным полупроводником или с гетерослоем, ограничивающим инжекцию.

4. С использованием техники ¿-«-легирования и осаждения А1 в реакторе МОГФЭ (показана возможность снижения эффективной высоты барьера контакта А1/п-ОаАз в пределах от 0,7 до 0 эВ.

5. На основе микроструктур МП с пониженной эффективной высотой барьера изготовлены планарные диоды, которые обеспечивают высокочувствительное детектирование и эффективное преобразование сигналов миллиметрового диапазона длин волн.

Практическая значимость.

1. На основе комплексного подхода, объединяющего эпитаксиальную (вертикальную) и микроэлектронную (планарную) технологии формирования микроструктур, разработаны и изготовлены мембранные планарные диоды Шоттки с субмикронными размерами анода, обеспечивающие эффективное преобразование частот в субтерагерцовом диапазоне (0,1-И ТГц).

2. Разработаны и изготовлены уникальные низкобарьерные диоды для < детектирования без постоянного тока смещения и эффективного смешения сигналов при пониженной мощности гетеродина. Измеренные характеристики превосходят или соответствуют лучшим из известных аналогов. В частности, для планарного детектора на 94 ГГц величина вольт-ваттной чувствительности у> 10 000 В/Вт при пороговой мощности ЫЕР~10″ 12 Вт Гц" ½.

3. Планарные детекторы диапазона длин волн Я"3 мм допускают плотную компоновку в плоскости при слабом взаимовлиянии. Приёмная линейка из восьми планарных детекторов, расположенных в ряд с периодом ЗЯ/2, позволила регистрировать поляризационно-чувствительные изображения объектов при просвечивании. Это доказывает работоспособность матричного приемника плотной компоновки и перспективность его применения в системах радиовидения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для гетероструктур на основе соединений АЫп-Оа-Аз-К метод МОГФЭ обеспечивает изменение состава и легирование с атомарной резкостью, получение атомарно гладких интерфейсов и осаждение металла без формирования промежуточных слоев, что позволяет управлять туннельной прозрачностью контактов МП.

2. Полученный методом МОГФЭ искусственный материал, монокристаллический полупроводниковый ОаАй с внедренными нанокластерными слоями А1, обладает пикосекундной временной динамикой отклика на межзонное оптическое возбуждение.

3. Модельное описание электрических свойств наноконтактов с барьером Шоттки, свидетельствует о возрастании туннельной компоненты тока при уменьшении их размеров и малой инерционности нелинейных емкостных эффектов, сопровождающих их перезарядку, вплоть до терагерцовых частот.

4. Дельта-легирование кремнием слоя СаАэ вблизи границы с алюминием позволяет управлять эффективной высотой барьера контакта МП в диапазоне 0,7^-0,2 эВ при сохранении небольших значений^ фактора идеальности <1,5 и сопоставимых характеристиках нелинейности ВАХ при нулевых напряжениях смещения.

5. Обобщённая эмиссионно-днффузионная теория, учитывающая одновременно туннельные процессы вблизи границы МП и ток инжекции в базовом [-слое, с, достаточной точностью описывает ВАХ низкобарьерных диодов Мотта.

6. Низкобарьерные диоды Мотта с 8-легированием вблизи границы МП обеспечивают рост чувствительности при детектировании в режиме без тока смещения и * '• эффективное смешение сигналов при пониженной мощности гетеродина.

7. Планарные детекторы на основе микрополосковых щелевых антенн, с включёнными в них низкобарьерными диодами, сохраняют направленность и * чувствительность при плотной компоновке в матричном приёмнике.

Личный вклад автора'.

При выполнении работы автором сделан определяющий вклад в постановку задач исследования электронных транспортных эффектов в микроструктурах металл-полупроводник, развитие методик гетероэпитаксиального роста и селективного легирования структур, анализ и интерпретацию экспериментальных данных, решение модельных теоретических* задач.

Апробация работы.

Основные результаты были представлены и обсуждены на — Российской конференции с участием зарубежных учёных «Микроэлектроника-94» (Звенигород, 1994 г.) — совещаниях «Нанофотоника» (Нижний Новгород — 1999, 2000, 2001, 2003 и 2004 г.);

8th, 10th and 11th European Workshops on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (Prague -1999, Lecce — 2003, Lausanne — 2005);

International Workshops «Scanning probe microscopy» (Nizhny Novgorod — 2001, 2002, 2003);

I, II, III, V, VI и VIII Российских конференциях по физике полупроводников (Нижний Новгород — 1993 г., Зеленогорск — 1996 г., Москва — 1997 г., Нижний Новгород — 2001 г., Санкт-Петербург — 2003 г., Екатеринбург — 2007 г.) — International Symposia «Nanostructures: Physics and Technology» (St.-Petersburg -1996,1997);

International Symposia on Compound Semiconductor (St.-Petersburg — 1996, 1997) — 10th International Conference on Superlattices, Microstructures, and Microdevices (Lincoln, 1997);

2nd VDE World Micro Technologies Congress — MICRO. tec (Munich, 2003) — международных конференциях «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск — 2001,2002, 2003 г.);

4th International Conference On Photo-Excited Processes and Applications (Lecce, 2004) — Всероссийской научно техническая конференция «Электроника и Информатика» (Зеленоград, 1995 г.) — совещании «Зондовая микроскопия» (Нижний Новгород, 2000 г.) — симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород — 2007, 2008,.

2009 г.);

International Semiconductor Device Research Symposia (Charlottesville — 1993, 1997) — 8″ ой, 11″ °й, 15″ °й, 16~°й и 17″ ои международных микроволновых конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь — 1998, 2001, 2005, 2006, 2007 г.);

7″ °й Российской конференции «Арсенид галлия», «GaAs-99» (Томск, 1999 г.) — 23rd International Conference on Microelectronics (Nis, 2002);

Joint 31st International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 14th.

International Conference on Terahertz Electronics (Shanghai, 2006);

6th International Conference on Antenna Theory and Techniques (Sevastopol, 2007);

Международной научно-технической конференции по' фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2008 г.) — радиоастрономической конференции «Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов» (п. Нижний Архыз, 2008 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 113 работ, из них — 49 статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, 64 работы — в сборниках материалов и трудов конференций.

Структура н объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, трёх приложений, списка цитированной литературы (164 наименования) и списка публикаций автора по теме диссертации. Общий объем диссертации составляет 402 страницы. В диссертации содержится 160 рисунков и 11 таблиц.

5.10. Выводы.

В пятой главе представлены результаты исследований высокочувствительных приёмников на основе планарных диодов с контактами металл-полупроводник. Возможность управления эффективной высотой барьера контакта за счёт приповерхностного ¿-«-легирования позволила создать диоды с уникальными характеристиками, способными реализовать высокочувствительный режим детектирования без постоянного напряжения смещения и эффективное смешение сигналов при пониженной мощности гетеродина. Эти результаты имеют принципиальное значение для практической реализации матричных систем видения в субтерагерцовом диапазоне частот.

Сформулируем основные результаты работ, представленных в данной главе.

На основе комплексного подхода, объединяющего эпитаксиальную (вертикальную) и микроэлектронную (планарную) технологии формирования микроструктур, изготовлены, мембранные планарные диоды Шоттки с субмикронными размерами анода. Планарные диоды обеспечивали преобразование сигналов в субтерагерцовом диапазоне частот (0,1*1 ТГц) с эффективностью, сопоставимой с лучшими «известными результатами для' неохлаждаемых планарных диодовШотгки.

На основе микроструктур металл-полупроводник с пониженной эффективной о высотой барьера изготовлены планарные диоды с площадью анода (около 10 мкм), малой.

•у удельной ёмкостью (менее 1 фФ/мкм) и значениями, дифференциального сопротивления при нулевом напряжении смещения 0,4*1000 кОм. Применение диодов для детектирования в коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн обеспечивает высокочувствительный приём излучения' без использования постоянного смещения. При детектировании сигналов в волноводной камере в широкой полосе 80*140 ГГц измерены значения вольт-ваттной чувствительности 1000 В/Вт и пороговой мощности ЖР<10″ П ВтТц" ½. Лучшие характеристики! на выделенных частотах диапазона⁵⁰⁰⁰ В/Вт и ЖР"3*6−10″ 12 Вт-Гц ½.

При использовании оптимизированной платы согласования* низкобарьерных диодов в широкополосном радиометре трехмиллиметрового диапазона измерены рекордные значения у> 10 000 В/Вт во всей полосе 76*105 ГГц. Это соответствует лучшим мировым результатам для неохлаждаемых детекторов, работающих без смещения.

Проведены исследования спектральной плотности шумов низкобарьерных диодов. Определена зависимость фактора Фано Б от протекающего через диод тока. Фактор Фано уменьшается с ростом тока и при-токах смещения более 1 мА приближается к значению 1, свидетельствующему о дробовом характере шума. При стремлении тока смещения к нулю шумы низкобарьерных диодов приобретают тепловой характер и их спектральная плотность согласуется с формулой Найквиста.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования планарных детекторов на основе модифицированных микрополосковых щелевых антенн, с непосредственно включёнными в неё низкобарьерными диодами. Антенны изготовлены на основе фольгированных диэлектриков «Иос^еге» с низкой диэлектрической проницаемостью 8=2,2 и имеют внешние размеры, сравнимые с длиной волны X. Антенны обеспечивают высокую направленность и эффективность в миллиметровом диапазоне длин волн за счет малых потерь мощности на возбуждение поверхностных волн.

Проведены экспериментальные исследования характеристик детектирования для1 диодов с дифференциальными сопротивлениями в диапазоне /?</=0,4-^1000> кОм при нулевом смещении. Планарные детекторы, имели резонансные частоты вблизи 94 ГГц при-ширине полосе приёма около 8 ГГц. Проведено сопоставление данных экспериментов с результатами расчётов в простой модели детектора. Установлено, что обеспечивается согласование диодов"с антенной и вольт-ваттная чувствительность у принимает значения более 10 000 В/Вт для диодов с ^20−100 кОм-при ЖР"2−10'12 Вт Гц" 172. Лучшие значения ИЕР^Ш12 Вт Гц" ½ отвечают у~7000 В/Вт при меньших /??=2-^-6 кОм.

Показано, что модифицированная^ щелевая антенна с внешними размерами, сравнимымис «к/(ет)т (ет=(б+1)/2 — эффективная диэлектрическая проницаемость), допускает использование полуизолирующей подложки ОаАэ с высокой диэлектрической проницаемостью (?=13) при сохраненении достаточно высокого коэффициента направленного действия антенны на резонанснойчастоте- (~10). Измеренные значения вольт-ваттной чувствительности у таких планарных детекторов’с резонансными частотами.

94^-97 ГГц примерно в два раза ниже, чем у детекторов на фольгированных диэлектриках.

Яос^егБ", 8=2,2). Это позволяет сделать вывод о перспективности разработки интегральной технологии создания планарных детекторов с модифицированной «щелевой антенной.

Исследования по взаимному влиянию планарных детекторов показали возможность их плотной компоновки, с периодом ЗУ2. Установлено, что в диаграммах направленности линеек антенн с последовательным расположением щелей происходят минимальные изменения. Для линеек с параллельной ориентацией щелей между антеннами существует заметное взаимное влияние. Для минимизации взаимного влияния предложено использовать дополнительные штыри, смонтированные на металлическом экране. Штыри не влияют на приём при нормальном падении излучения, а для волн вдоль плоскости они являются эффективными рассеивателями или рефлекторами.

Изготовлена приёмная линейка из восьми планарных детекторов, расположенных в< ряд с периодом 31/2. При просвечивании различных объектов излучением с частотой 94 ГГц (вблизи резонансной частоты детекторов) регистрировалась интенсивность электромагнитного излучения в плоскости за объектом путём механического перемещения приёмной линейки с шагом 31/2 или 31/4. Получены поляризационно-чувствительные изображения объектов, картины дифракции и интерференции. Анализ картины дифракции в области тени позволяет оценить пространственное разрешение в плоскости. Лучшие значения разрешения составляют ~2Х. при минимальных расстояниях от объекта до плоскости сканирования и шагах перемещения ЗХ./4.

Проведены эксперименты по преобразованию сигнала с частотой 94 ГГц в сигнал промежуточной частоты (700 МГц) в планарном приёмнике на основе модифицированной щелевой антенны с включённым в неё низкобарьерными диодами с дифференциальными сопротивлениями Я²+9 кОм при нулевом смещении. Использовались две схемы согласования с входом усилителя промежуточной частоты (50 ом), рассчитанные на эквивалентные сопротивления диода при накачке 1 и 2,2 кОм. Лучшие результаты показывают диоды с Я^З+Э кОм: потери преобразования г]"-16-=-12,5 дБ при существенно меньших значениях мощности гетеродина (10⁴⁰ мкВт) в сравнении с обычными смесительными диодами.

В диссертации получены следующие основные результаты.

Развит метод брюстеровской рефлектометрии, предназначенный для оптического мониторинга в реальном масштабе времени газовой фазы и ростовой поверхности полупроводников А3В5 с монослоевым разрешением в условиях МОГФЭ. Оптические измерения позволяют оценить: характерные времена процессов пиролиза арсина и десорбции мышьякатемп сегрегации индия и нарушения морфологии поверхности.

Проведены исследования планарности интерфейсов, дефектообразования и резкости гетеропереходов в структурах 1п6аАз/ОаА5. Установлено, что при увеличении толщины слоев ¡-пОаАБ. критерием образования дислокаций служит резкий рост шероховатости поверхности структуры. Снижение температуры роста с 600 до 500 °C и использование подложек ОаАз (ЮО) с малым углом разориентации (<0,2°) приводит к увеличению критической толщины слоя? по^Оао^Ав от. 5 до 10 нм. Данные послойного оже-анализа свидетельствуют о формировании атомарно резких гетеропереходов с протяжённостью меньше предельных значений разрешения данного метода: 0,5⁰, 8 нм.

Методом МОГФЭ получены атомарно резкие профили распределения примеси при 5-легировании кремнием слоев ОаАв, о чём свидетельствуют данные СУ профилирования: характерный масштаб области локализации электронов составляет 2,5 нм (при 300 К) и 1,6 нм (при 77 К). При поверхностной.

1 о 2 концентрации атомов более 6−10 см" происходит насыщение концентрации электронов, обусловленное автокомпенсацией, и в запрещенной зоне появляются хвосты плотности состояний протяжённостью 20-н100 мэВ и сечением захвата 17 —2 электронов около 10 см .

Исследованы закономерности осаждения алюминия на атомарно чистую поверхность ваАз при пиролизе МОС (ТМАА и ДМЭАА) в реакторе МОГФЭ. При температурах 150н-200°С формируются чистые и гладкие плёнки А1 с электрическими свойствами, соответствующими характеристикам объёмного материала. На границе отсутствуют промежуточные слои и параметры контактов Шотгки А1/п-ОаАз близки к идеальным: высота барьера ~0,7 эВ, фактор идеальности 1,02ч-1,06.

Показано, что при пиролизе МОС А1 и лазерном распылении Мо и ^^ на поверхности ваАв на начальных стадиях происходит формирование металлических нанокластеров с латеральными размерами 104−100 нм. Послойный механизм их заращивания реализуется, если сразу после формирования нанокластеров закрыть их тонким слоем низкотемпературного ОаАэ толщиной 10-^20 нм, и только потом прервать рост для повышения ростовой температуры до оптимальных значений для ОаАэ. В этом случае планаризация поверхности слоя ОаАэ происходит при толщине, сравнимой с высотой нанокластеров, что позволяет формировать плотные многослойные массивы нанокластеров.

Проведены модельные расчёты электрических свойств наноконтактов Шоттки. Для наноконтактов малого радиуса (<10 нм) возрастает туннельная компонента тока, уменьшается эффективная высота барьера и сравниваются токи прямой и обратной ветвей В АХ. Ширина-области обеднения полупроводника вокруг нанокластера или массива нанокластеров может быть много больше их размеров. Это приводит к малой ёмкости и малой инерционности процессов перезарядки нанокластеров и выраженным нелинейным емкостным эффектам вплоть до терагерцовых частот. Экспериментальные исследования кинетики * отражения и фотолюминесценции в ОаАэ с нанокластерами А1 позволяют оценить время жизни неравновесных носителей ~15 пс и время релаксации проводимости ~1 пс. Гашение фотолюминесценции связано с временем жизни неравновесных носителей. Эволюция во времени коэффициента отражения определяется релаксацией проводимости из-за захвата неравновесных носителей на центры безызлучательной рекомбинации, обусловленные встроенными в ОаАэ нанокластерами. Предложена простая модель, которая количественно описывает кинетику фотолюминесценции и качественно — эволюцию во времени коэффициента отражения. Разработан способ уменьшения эффективной высоты потенциального барьера контакта МП за счёт увеличения туннельной компоненты тока. При 8-легировании кремнием ОаАэ вблизи границы с А1 эффективная высота барьера снижается от 0,7 до 0,2 эВ при значениях фактора идеальности <1,5. При высокой поверхностной концентрации кремния ~1013 см" 2 получены омические контакты к п-ОаАэ с с л сопротивлением <10″ Ом-см .

В дрейфово-диффузионном приближении получено аналитическое решение задачи об инжекции носителей тока в изолирующий ¡—слой, учитывающее одновременно контактные явления* на границах и инжекционные токи в объёме. Решение позволяет рассчитать потенциал, электрическое поле и ВАХ во всём диапазоне напряжений для целого ряда структур с металлическими и полупроводниковыми, контактами, в том числе при наличии на границах гетеробарьеров, препятствующих инжекции.

10. Построена обобщённая" теория туннельного и дрейфово-диффузионного токопереноса в низкобарьерных контактах Мотта с 5-легированием вблизи границы МП. Подход позволяет с достаточной точностью описать ВАХ низкобарьерных диодов:

11. На основе микроструктур Al/(In)GaAs-5(Si)-GaAs изготовлены планарные низкобарьерные диоды с площадью анода ~10 мкм2, малой удельной ёмкостью <1 л, фф/мкм и значениями дифференциального сопротивления в диапазоне 0,4+1000 кОм. Применение низкобарьерных диодов в волноводных и планарных конструкциях детекторов «миллиметрового диапазона дайн волн, без использования постоянного смещения минимизирует собственные шумы диода и обеспечивает рост чувствительности. Лучшие характеристики, в. диапазоне 94 ГГц:

19 1/9 детектирование: NEP~10″ Вт Гц", у>10 000 В/Втсмешение: потери преобразования 16+12,5 дБ при пониженной мощности гетеродина 10+40 мкВт.

12. Разработаны планарные детекторы диапазона мм на основе микрополосковых щелевых антенн, с включёнными в них низкобарьерными диодами. Антенны изготовлены на основе фольгированных диэлектриков (s=2,2), имеют внешние и размеры ~Х и обеспечивают низкий уровень боковых лепестков в диаграмме направленности. Показана возможность их плотной компоновки при слабом, взаимовлиянии. Изготовлена линейка" из 8 планарных детекторов на 94 ГГц, расположенных в ряд с периодом ЗХ/2. При просвечивании различных объектов излучением с частотой 94 ГГц регистрировалась интенсивность прошедшего поля путём механического перемещения линейки детекторов в плоскости с шагом ЗХ/2 или ЗХ/А. Получены поляризационно-чувсгвительные изображения объектов, картины дифракции и интерференции. Лучшие значения разрешения составили ~2Х.

В заключение хочу поблагодарить всех моих коллег и, особенно, — сотрудников отдела технологии наноструктур и приборов ИФМ РАН, взаимодействие с которыми позволило мне выполнить эту работу.

Также, я хотел бы выразить надежду, что собранные в диссертации материалы послужат отправной точкой для продолжения работ нашего научного коллектива и специалистов из других организаций, вовлечённых в эти исследования. Именно это обстоятельство является для меня оправданием подробного и внимательного рассмотрения ряда вопросов, которые пока находятся не в основном русле работ и лишь указывают на перспективность некоторых дальнейших исследований. Эти места, конечно же, заметит искушённый взгляд специалиста. Потому и эпиграф был выбран соответствующий: «It has been a long time coming and there is still much work to be done».