Исследование акустического переноса зарядов в гетероструктурах на основе арсенида галлия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Егоркин, Владимир Ильич

• Егоркин, Владимир Ильич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Егоркин, Владимир Ильич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИБОРЫ С АКУСТИЧЕСКИМ ПЕРЕНОСОМ ЗАРЯДА.

1.1. Вводные замечания. Пьезоэлектрические свойства GaAs.

1.2. Конструктивные особенности приборов с акустическим переносом заряда.

1.3. Особенности акустического переноса заряда в GaAs.

1.4. Выводы по гл. 1.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ О РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПАВ В КРИСТАЛЛАХ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

2.1. Вводные замечания.

2.2. Постановка задачи и решение для волны релеевского типа.

2.3. Влияние заряда на параметры акустоэлектрической волны, ослабление и усиление ПАВ.

2.4. Акустический перенос заряда, влияние встроенного поперечного поля.

2.5. Выводы по гл.2.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Расчет зонной диаграммы гетероструктуры на основе Al-GaAs.

3.3. Расчет и оптимизация параметров гетероструктуры.

3.4. Моделирование инжекции носителей заряда в канал переноса.

3.5. Влияние тока инжекции на амплитуду сигнала акустического переноса.

3.6. Выводы по гл .3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ПРИБОРА С ПЕРЕНОСОМ ЗАРЯДА.

4.1. Конструктивно-технологические особенности изготовления приборов с переносом заряда на гетероструктуре Al-GaAs.

4.2. Методика проведения измерений.

4.3. Результаты исследования опытного образца прибора с переносом заряда.

4.4. Экспериментальное исследование влияния инжектированных зарядов на параметры акустоэлектрической волны.

4.5. Выводы по гл.4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование акустического переноса зарядов в гетероструктурах на основе арсенида галлия»

Актуальность. В настоящее время в акустоэлектронике продолжает интенсивно развиваться направление, связанное с переносом зарядовых пакетов электрическим полем поверхностной акустической волны (ПАВ). Осуществлены эксперименты по переносу отдельных электронов акустоэлектрическим полем волны и измерены кванты электрического тока J = ev (е- заряд электрона, v-частота ПАВ). Недавно предложена одна из практических конструкций квантового компьютера, в которой в качестве процессора предлагается использовать акустоэлектрический канал переноса, сформированный в гетероструктуре на основе GaAs.

Акустический канал переноса является основным элементом акустоэлектронной ИС. Внутри канала преобразованные электромагнитные сигналы распространяются со скоростью звука, т.е. замедляются в 105 раз, что дает возможность обрабатывать их в процессе распространения в реальном масштабе времени.

Диоды Шоттки, сформированные на внешней поверхности акустического канала, можно использовать для инжекции информационных носителей в акустический канал, где их концентрация будет автоматически дискретизироваться впадинами электрического поля волны и переноситься со звуковой скоростью вдоль акустического канала. На этом эффекте уже создан новый класс приборов функциональной электроники - приборов с акустическим переносом заряда (ПАПЗ).

ПАПЗ по конструкции проще и надежнее известных приборов с зарядовой связью (ПЗС), у них отсутствует многоэлектродная структура управления переносом, функции, которой выполняет акусто-электрическая волна. По быстродействию ПАПЗ превосходят ПЗС почти на три порядка. Ранее на ПЗС было изготовлено множество функциональных устройств обработки электромагнитных сигналов. Однако, из-за трудностей при реализации системы управляющих электродов с очень малым шагом и большой емкости многоэлектродной системы, практически трудно реализовать устройства с тактовой частотой выше 10 Мгц.

Несмотря на довольно широкое развитие и применение технологии акустического переноса заряда (АПЗ) за рубежом, в России эта технология не используется и не развивается. В отечественной литературе отсутствуют сведения об экспериментальных и теоретических исследованиях эффекта АПЗ в гетероструктурах на основе арсенида галлия, на которых зарубежными исследователями была достигнута максимальная эффективность переноса. Однако по-прежнему вопросы повышения эффективности переноса заряда, расчета оптимальных параметров гетероструктур для создания приборов являются весьма актуальными.

Целью диссертационной работы явилось моделирование, создание и экспериментальное исследование АПЗ в опытных образцах гетероструктур на основе арсенида галлия. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- рассчитаны и оптимизированы геометрические и электрические параметры гетероструктур;

- разработан технологический маршрут изготовления гетероструктур с АПЗ и созданы тестовые образцы;

- учтено влияние свободных носителей в канале на эффективность АПЗ в направлении [110], в котором наблюдается максимальное значение коэффициента электромеханической связи;

- теоретически исследована возможность усиления поверхностной акусто-электрической волны продольным и поперечным электрическим полем;

- создана методика измерения и измерены параметры опытных образцов. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих результатах:

1. На основе анализа уравнений электромеханической задачи для GaAs установлена зависимость коэффициента затухания и усиления ПАВ от продольного и поперечного полей.

2. Предложен метод расчета параметров гетероструктур для приборов с переносом заряда акустической волной.

3. Разработана методика исследования параметров для опытных образцов приборов с переносом заряда акустической волной.

4. Проведено измерение параметров опытных образцов. Практическая ценность работы:

1. Разработан технологический маршрут изготовления опытных образцов ПАПЗ на основе GaAs.

2. Впервые в России изготовлены опытные образцы ПАПЗ

3. Разработан и изготовлен стенд для измерения параметров АПЗ.

Измерены параметры опытных образцов ПАПЗ.

Результаты диссертационной работы использованы в трех НИР, выполняемым на кафедре Квантовой физики и наноэлектроники по научно-техническим проектам в рамках федеральных целевых научно-технических программ «Физика конденсированного состояния» Г.Р. №01.200.209953, 2002 г. и "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы Г.Р. №01.200.213502, 2002 г., №01.200.209952, 2002г.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач исследований, обосновании и выборе методов их решения. Им проведен подробный анализ публикаций по теме диссертации и поставлены задачи исследования. Автором выдвинут ряд конкретных предложений для теоретического обоснования результатов измерений. Им при помощи моделирования обоснован выбор необходимых параметров гетероструктур, спроектирован опытный кристалл для экспериментального исследования АПЗ, разработана методика измерений и измерены параметры опытных образцов. На защиту выносится:

1. Метод использования эффективного параметра распространения для анализа электромеханической задачи о распространении ПАВ в GaAs.

2. Влияние продольного и поперечного полей на коэффициент затухания и усиления ПАВ.

3. Оптимизация толщин слоев гетероструктуры и концентрации примесей в каждом слое с целью создания гетероструктур с требуемым профилем зонного потенциала.

4. Исследование эффекта АПЗ в опытных образцах с заданным распределением зонного потенциала.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международных научно- технических конференциях: «Электроника и информатика-21 век», Москва, 2000 г., «Электроника и информатика 2002», Москва, 2002 г., «Micro- and nanoelectronics-2003» Звенигород 2003г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе три статьи, три доклада на Международных научно-технических конференциях, три научно-технических отчета по НИР. ч

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Егоркин, Владимир Ильич

выводы.

1. На основе анализа уравнений электромеханической задачи для GaAs установлена зависимость коэффициента затухания и усиления ПАВ от продольного и поперечного полей. В продольном поле коэффициент усиления (затухания) ПАВ зависит от частоты и параметра дрейфа точно так же, как и в объемной волне. Поперечное поле может существенно уменьшить коэффициент затухания, но не может изменить его знак. Поэтому усиление волны в поперечном поле невозможно.

2. На основе программы итерационного решения уравнения Пуассона методом огибающих функций предложен способ расчета параметров гетероструктур. Расчетная толщина канала переноса заряда (слоя GaAs) равна 700А°, длина-3400 мкм, концентрацияей примеси в нем - 4*10 см" . Концентрация примесей в смежных слоях AlGaAs была подобрана так, чтобы встроенная напряженность поля в канале переноса была порядка 50В/см-ЮОВ/см.

3. Разработана методика исследования параметров опытных образцов приборов с переносом заряда акустической волной.

4. Разработаны и изготовлены опытные образцы ПАПЗ и измерены их параметры. Тестовый кристалл содержит входной и выходной диоды Шоттки с пяткой» 0,5В и устройства генерации поверхностной волны (ВШП) с центральной частотой 286 МГц, числом штырей - 100 шт., апертурой 1000 мкм.

5. Разработан технологический маршрут изготовления опытных образцов ПАПЗ на основе GaAs. Кроме стандартных технологических операций производства схем, предложен новый способ изготовления ВШП микронных размеров при соотношении шага к ширине 1: 100. Опробован метод «взрывной» фотолитографии с промежуточными литографиями по Si02 и W.

6. В соответствии с требованиями по чувствительности и уровню допустимых шумов разработан и изготовлен стенд для проведения измерений опытных образцов приборов с АПЗ, позволяющий с точностью до 0.1% задавать несущую частоту и измерять микроамперные токи.

7. Проведено измерение параметров опытных образцов. На частоте 286 МГц измерен переносимый заряд порядка 8-10~'5Кл с эффективностью переноса -0.9. При задержке сигнала в 1,2 мкс измерен сдвиг несущей с относительной точностью io~'.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Егоркин, Владимир Ильич, 2003 год

1. Lord Rayleigh, «On waves propagating along the plane surface of an elastic solid», Proc. London Math. Soc., 17, 4-11 (1885).

2. R. Stoneley, R. Proc, R. Soc, London, 1955, Ser A 232, 447.

3. R.Miskins, «Surface acoustic Wave Devices on Galium Arsenide»,Elektronika ir Elektrotechnika, 1998, №2, pp.49-55.

4. W.S. Mortley, British patent 988,102 (1963). J.H. Rowen, U.S. Patent 3,289,114 (1963).

5. R.M.White, F.W.Voltmer, «Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves». Appl. Phys. Lett., 1965, №7, pp.314-316.

6. P.B. Snow, «Matching Networks and Packaging Structures in Surface Wave Filters», New York, 1977, p.227.

7. S.W. Merrit, G.K. Montress, and T.W. Grudowski, «GaAs SAW/MESFET Programmable Asynchronous Correlator with Complex Tap Weighting», 1983, IEEE Ultrasonic Symposium Proceedings, № 83 SHI947-1, pp. 181-184.

8. Yoonkee Kim and William D. Hunt, «Analysis of surface acoustic wave propagation in a piezoelectric film over a GaAs/AlGaAs heterostructure», Journal of Applied Physics, 1992, V. 71,1. 5, pp. 2136-2142.

9. A.K. Мороча, В.И. Егоркин, «Усиление акустоэлектрических волн в гетероструктурах арсенида галлия поперечным электрическим полем», В сб. тезисов докладов 4-ой Международной н-т конференции «Электроника и информатика- 2002», М., 2002 г., с. 86.

10. В.Я. Стенин, «Применение микросхем с зарядовой связью», М., Радио и связь, 1989, 256 стр.

11. F.L.J. Sangster, K.Teer, «Bucket-Brigade Elektronics-New Possibilitesfor Delay, Time-Axis Conversion, and Scanning», IEEE J. Solid-State Circuits, SC-4, № 3, 1969, pp-131-136.

12. R.W. Broderson, P.R. Gray, D.A. Hodges, «MOS Switched-Capacitor Filters», IEEE Proc., 1979, V 67, №1, pp.61-75.

13. Г. Кайно, «Акустические волны», M., Мир, 1990г, 652 стр.

14. William D. Hunt, «Acoustic aspects of acoustic charge transport devices».The Journal of the Acoustical Society of America, 1990, Volume 88, Issue 1, pp. SI 88-S189.

15. A.C. Бугаев, Ю.В. Гуляев, И.И. Сухацкий, В.А. Яценко, «Приборы с акустическим переносом зарядов», Зарубежная радиоэлектроника, 1991, №3, стр. 23-35.

16. W. Soluch, IEEE Trans., 1977, V. SU-24, p.43.

17. Yoonkee Kim and William D. Hunt, «Surface acoustic wave properties of ZnO films on {001}-cut», Journal of Applied Physics, 1994, Volume 75, Issue 11, pp. 7299.

18. E. Cullen M. J. Miller, «D New analog memory devices demonstrated using heterojunction acoustic charge transport device technology», Applied Physics Letters, 1992, V. 61,1. 4, pp. 450-452.

19. M. Rotter, A. Wixforth, W. Ruile, D. Bernklau, and H. Riechert, «Giant acoustoelectric effect in GaAs/LiNb03 hybrids», Appl. Phys. Lett., , 1998, v.73, №15, pp.2128-2130.

20. M. Rotter, A.V. Kalameitsev, A.O. Govorov, W. Ruile, and A.Wixforth, «Charge coneyance and Nonlinear Acoustoelectric Phenomena for Intense Surface Acoustic Waves on a Semiconductor Quantum Well», Phys. Rev. Lett., 1990, V.82, №10, pp 2171-2174.

21. US Patent №4,665,374, «Monolithic programmable signal processor using FI-FET taps», 1987.

22. M.J. Hoskins, H. Morcos, B.J. Hunsinger, Appl.Phys.Lett.,1982, V 41, pp332.

23. William D. Hunt, Y. Kim, F.M. Fliegel, «А Synopsis of surface acoustic wave propagation on {100}-cut110.-propagating galium arsenide», J. Appl. Phys., 1991, V.69, №15, ppl936-1941.

24. D. Janes, M.J. Hoskins, «Experimental and theoretical characterization of traprelated transfer loss in acoustic charge transport devices», J. Appl. Phys.,1989, V.66, № 15.

25. Bruce C. Schmukler, «Dynamics of charge storage in acoustic charge transport devices on GaAs», J. of Applied Physics, 1991, V. 69,1. 5, pp. 3335-3344.

26. Michael J. Hoskins and Bill J. Hunsinger, «Simple theory of buried channel a. acoustic charge transport in GaAs», J. of Applied Physics, 1984, V. 55, I. 2, pp. 413426 .

27. US Patent № 4.633.285 ,«Acoustic charge transport device and method», 1986.

28. G.A. Peterson, B.J. MacCartin, W.J. Tanski, R.E. LaBarre, "Charge confinement in heterojunction acoustic charge transport devices", Appl. Phys. lett., 1989, V. 55., 1.13, pp.1330-1332.

29. C.B. Бирюков, Ю.В. Гуляев, B.B. Крылов, В.П. Плесский, «Поверхностные акустические волны в неоднородных средах», М., Наука, 1991г., 416с.

30. W.J. Tanski, S.W. Merritt, R.N. Sacks D.E. Cullen, E.J. Branciforte, R.D. Carrol and T.C. Eschrich, «Heterojunction acoustic charge transport devices on GaAs», Appl. Phys. Lett., 1988, V.52, №4, pp.18-20,.

31. Victor E. Steel, W. D. Hunt, M. A. Emanuel, J. J. Coleman, and B. J. Hunsinger, «Surface acoustic wave properties of aluminum gallium arsenic», J. of Applied Physics, July 1, 1989, V. 66,1. 1, pp. 90-96.

32. W.D. Goodhue, B.E. Burke, К. B. Nichols, G. M. Metze, G.D. Johnson, «Quantum-well Charge-coupled Device-addressed Multiple-quantum-well Spatial Light Modulators», J. of Vacuum Science & Technology, 1986, B4(3), pp769-772.

33. Michael J. Hoskins and Bill J. Hunsinger, «Monolithic GaAs Acoustic charge transport Devices», Ultrasonics Symposium, 1982, pp. 456-460.

34. В.И. Егоркин, «Акустический перенос заряда в гетероструктурах арсенида галлия», В сб. тезисов докладов 3-ей Международной н-т конференции «Электроника и информатика- 21 век», М., 2000 г., с. 60.

35. S. Н. Simon, «Coupling of surface acoustic waves to a two-dimensional electron gas», Phys. Rev. В 1996, V.54, pp.13878.

36. G. Gumbs, G. R. Aizin, M. Pepper, «Interaction of surface acoustic waves with a narrow electron channel in a piezoelectric material», Phys. Rev. B, 1998, V. 57, pp.10354- 10358.

37. G. Gumbs, G. R. Aizin, M. Pepper, «Coulomb interaction of two electrons in the quantum dot formed by the surface acoustic wave in a narrow channel», Phys. Rev. В 1999, V. 60, pp.13954- 13956.

38. US Patent №5.420.448, «Complementary acoustic charge transport device and method», 1989.

39. US Patent №5.128.734, «Surface channel НАСТ», 1990.

40. US Patent №5.264.717, «НАСТ structure with reduced surface state effects» 1993.V

41. US Patent №5.394.003, «Acoustic charge transport device buffered architecture», 1995.

42. US Patent №5.422.533, «Piezoelectric resonator», 1995.

43. J. Cunningham, V. I Talyanskii, J. M. Shilton, M. Pepper, M. Y. Simmons, D. A. ^ Ritchie, «Single-electron acoustic charge transport by two counterpropagating surfaceacoustic wave beams», Phys. Rev.,B, 1999, V. 60, pp.4850 -4853.

44. С. H. W. Barnes, J. M. Shilton, A. M. Robinson, «Quantum computation using electrons trapped by surface acoustic waves», Phys. Rev. B, 2000, V. 62, pp. 8410 .

45. В. C. Beggs, L. Young, and R. R. Johnson, «Optical charge injection into a gallium arsenide acoustic charge transport device»,J. of Applied Physics, 1988, V. 63,1. 7, pp. 2425-2430.

46. C. Rocke, S. Zimmermann, A. Wixforth, J. P. Kotthaus, G. Bohm, G. Wiemann, «Acoustically Driven Storage of Light in a Quantum Well», Phys. Rev.Lett., 1997, V. 78, pp. 4099-4101.

47. Wallace С. H. Choy , «Electro-optic and electro-absorptive modulations of AlGaAs/GaAs quantum well using surface acoustic wave», J. of Applied Physics, 1998, V. 83,1. 2, pp. 858-866.

48. L. Vasil'ev, S. M. Kikkarin, D. V. Nomokonov, and I. B. Yakovkin , «Analytical one-dimensional model for acoustic charge transport», Acoustical Physics, 1995, V. 41,1. 6, pp. 784-790.

49. G. A. Peterson, B. J. McCartin, W. J. Tanski, and R. E. LaBarre, «Charge confinement in heterojunction acoustic charge transport devices», Applied Physics Letters,1989, V. 55,1. 13.

50. A.K. Мороча, В.И. Егоркин, «К теории распространения и усиления поверхностных акустических волн в гетероструктурах на основе GaAs", Известия вузов «Электроника», М., 2002., №6, с. 10-16.

51. M.J. Hoskins, М. Morkos, B.J. Hunsinger, «Charge transport by surface acoustic waves in GaAs», Appl. Phys. Lett., 1982, V.41, pp. 332 .

52. M. Rotter, A.V. Kalameitsev, A.O.Govorov, W.Ruil, and A.Wixforth, "Charge Conveyance and Nonlinear Acoustoelectric Phenomena for Intense Surface Acoustic Waves on Semiconductor Quantum Well",Phys. Rev. Lett., 1999, V. 82, pp. 21712174.

53. C.M. Weinert J. Appl. Phys., 1999, V.71, p.7947.

54. A.H. Тихонов, А.А. Самарский, «Уравнения математической физики», М., Наука, 1972.

55. А.К. Мороча, В.И. Егоркин, И.П. Казаков, «Исследование акустического переноса заряда в гетероструктурах на основе арсенида галлия», Известия вузов «Электроника», М., 2003., №3, с. 11-14.

56. Д.И.Блохинцев «Основы квантовой механики», Москва, Высшая школа, 1961г., стр. 330.

57. А.К. Мороча, В.И. Егоркин, С.С. Шмелев, В.В. Капаев, И.П. Казаков «Исследование влияния тока инжекции на амплитуду сигнала акустическогопереноса в гетероструктурах на основе арсенида галлия», Микроэлектроника, М., (в печати).

58. P.V. Santos, М. Ramsteiner, F. Jungnicel, " Spatially resolved photoluminescence in GaAs surface acoustic wave structures" Applied Physics Letters, 1998, V 72, №17, pp2099- 2101.

59. T.Sogawa, P.V. Santos, S.K.Zhang, S.Eshlanghi, A.D.Wieck, K.H.Ploog, «Dynamic band-structure modulation of quantum wells by surface acoustic waves», , Physical Review B, 2001, V63, pp 121307-1,121307-4,.

60. D. Janes M. J. Hoskins and M. J. Brophy, «Transfer loss in acoustic charge transport devices due to electron traps induced by proton bombardment», J. of Appl. Phys., 1989, V. 66, № 12, pp. 6150-6157.