СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДИОДА ГАННА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при производстве и использовании полупроводниковых приборов и устройств на основе эффекта Ганна.

Известен способ оценки удельного сопротивления омического контакта металл - полупроводник [1], суть которого заключается в измерении концентрации электронов в активном слое эпитаксиальной структуры арсенида галлия и определении удельного контактного сопротивления по известному соотношению
ρ_c = 2 • 10¹¹N_D ^-1, (1)
где ρ_c - удельное контактное сопротивление, N_D - концентрация электронов в активном слое эпитаксиальной структуры арсенида галлия.

Данное соотношение справедливо при рассмотрении омического контакта металл - полупроводник для эпитаксиальных структур арсенида галлия типа n⁺ - n - n⁺⁺, используемых для изготовления диодов Ганна, поскольку учитывает формирование сильнолегированного слоя на границе металл - полупроводник. Зная величину удельного контактного сопротивления контакта металл - полупроводник и геометрические размеры активного элемента диода Ганна, можно оценить величину его контактного сопротивления по следующему соотношению:
R_c = 2 ρ_c /S, (2)
где R_c - величина контактного сопротивления диода Ганна, S - площадь поперечного сечения его активного элемента.

Основным недостатком данного способа является то, что он позволяет определить удельное контактное сопротивление для данной полупроводниковой пластины, которое является интегральной характеристикой. Этот способ не позволяет определить с достаточной достоверностью величину контактного сопротивления для индивидуального (дискретного) диода Ганна. Таким образом, рассматриваемый способ позволяет получать только качественные оценки, достоверность которых определяется однородностью электрофизических (концентрация электронов и их подвижности) и геометрических (толщина активных слоев) характеристик по площади полупроводниковой пластины, а также технологией изготовления омических контактов. Отсутствие возможности определения контактного сопротивления индивидуального диода Ганна не позволяет выполнить исследования по его влиянию на уровень выходных параметров диодов и их эксплуатационные характеристики (показатели надежности, стойкость к воздействию внешних факторов и т.д.).

Известен способ определения контактного сопротивления диода Ганна [2] (прототип), суть которого заключается в подаче на диод Ганна напряжения смещения, измерении порогового напряжения генерации, определении пороговой напряженности электрического поля и определении контактного сопротивления на основании решения системы уравнений:
R_c/R_b = (E_thизм/E_thтеор)² - 1;
R₀ = R_c + R_b; (3)
где R_c - контактное сопротивление диода Ганна; R_b - объемное сопротивление активного слоя диода Ганна; E_thизм = U_th/L- измеренное значение пороговой напряженности электрического поля; U_th - измеренное значение порогового напряжения генерации; L - толщина активного слоя диода Ганна (пролетное расстояние домена сильного поля); E_thтеор - теоретическое значение пороговой напряженности электрического поля; R₀ - суммарное низкополевое сопротивление диода.

Основным недостатком данного способа является отсутствие требований к границам активного слоя диода, следствием которого является неопределенность при измерении толщины активного слоя диода. Это приводит к низкой достоверности и высокой погрешности при определении контактного сопротивления диода Ганна.

Целью изобретения является повышение достоверности и снижение погрешности определения контактного сопротивления индивидуального диода Ганна.

Поставленная цель достигается тем, что, так же как и в известном способе, на диод подают напряжение смещения и измеряют зависимость дифференциальной проводимости диода Ганна от напряжения смещения, затем подключают последовательно к диоду известное омическое сопротивление и измеряют зависимость дифференциальной проводимости, полученной таким образом системы, от напряжения смещения. По измеренным зависимостям определяют напряжения смещения, соответствующие величинам начальных линейных участков на зависимостях дифференциальной проводимости измеряемого диода и системы, которая состоит из включенных последовательно диода и известного омического сопротивления, от напряжения смещения. Величину контактного сопротивления диода Ганна определяют по формуле
R_с = R • U₁/(U₁-U₀), (4)
где R_с - контактное сопротивление диода; U₀ - напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости измеряемого диода от напряжения смещения; U₁ - напряжение, величина которого соответствует величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости системы из включенных последовательно диода и известного омического сопротивления от напряжения смещения; R - известное омическое сопротивление.

Если величина контактного сопротивления намного меньше объемного сопротивления активного слоя диода Ганна, тогда величина начального линейного участка на зависимости дифференциальной проводимости диода от напряжения смещения становиться достаточно малой, что приводит к резкому увеличению погрешности определения величины контактного сопротивления.

В этом случае сначала к диоду последовательно подключают первое известное омическое сопротивление; измеряют зависимость дифференциальной проводимости от напряжения смещения для первой системы из включенных последовательно измеряемого диода и первого известного омического сопротивления, по которой определяют напряжение, соответствующее начальному линейному участку данной зависимости; затем подключают последовательно второе известное омическое сопротивление; измеряют зависимость дифференциальной проводимости от напряжения смещения для второй системы из включенных последовательно диода и второго известного омического сопротивления, по которой определяют напряжение, соответствующее начальному линейному участку данной зависимости, и определяют контактное сопротивление по формуле
R_c = (R₂•U₁ - R₁•U₂)/(U₂-U₁). (5)
где R_с - контактное сопротивление; R₁, R₂ - первое и второе известные омические сопротивления; U₁ - напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости первой системы из включенных последовательно диода Ганна и первого известного омического сопротивления от напряжения смещения; U₂ - напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости второй системы из включенных последовательно диода Ганна и второго известного омического сопротивления от напряжения смещения.

Физическая сущность предлагаемых способов заключается в следующем. Диод Ганна можно представить в виде последовательного соединения контактного и объемного сопротивлений. Контактное сопротивление диода является омическим и его величина не зависит от напряженности электрического поля. Объемное сопротивление представляет собой сопротивление активного слоя диода Ганна. Объемное сопротивление, в отличие от контактного, зависит от напряженности электрического поля и при напряжении смещения в допороговом режиме (когда отсутствует формирование на катодном контакте, пролет и рассасывание на анодном контакте доменов сильного поля) описывается зависимостью дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля, при этом с ростом напряженности электрического поля объемное сопротивление возрастает, что приводит к соответствующему спаду проводимости.

Рассмотрим типичную зависимость дифференциальной проводимости диода Ганна от напряжения смещения, представленную на фиг. 1. На основании изложенного выше, изменение дифференциальной проводимости диода Ганна в зависимости от напряжения смещения в допороговом режиме подчиняется следующим закономерностям. В области слабых электрических полей (область I на фиг. 1) объемное сопротивление диода Ганна слабо зависит от напряженности электрического поля. Это приводит к тому, что на зависимости суммарной дифференциальной проводимости диода от напряжения смещения появляется начальный линейный участок. В области сильных электрических полей (область II на фиг. 1) объемное сопротивление активного слоя диода Ганна сильно зависит от напряженности электрического поля, что приводит к появлению зависимости суммарной проводимости диода от напряженности электрического поля.

Последовательное подключение известного омического сопротивления позволяет изменить относительный вклад контактного сопротивления в области слабых электрических полей и, следовательно, изменить величину линейного участка на зависимости дифференциальной проводимости диода от напряжения смещения. Пропорциональное изменение величины начального линейного участка рассматриваемой зависимости с величиной последовательного известного омического сопротивления позволяет определить величину контактного сопротивления диода Ганна либо по соотношению (4), либо по соотношению (5).

Существующая неопределенность в определении напряжения, соответствующего начальному линейному участку, может быть устранена следующим образом. Данное напряжение определяют как напряжение, при котором дифференциальное сопротивление диода или системы из соединенных последовательно диода и известного омического сопротивления составляет заданную величину от исходного значения дифференциальной проводимости, измеряемой при нулевом напряжении смещения (т.е. от значения проводимости диода или системы в слабом электрическом поле). Уровень изменения дифференциальной проводимости, используемый при проведении всех измерений для данного диода, выбирают идентичным. Верхняя граница допустимого уровня изменения дифференциальной проводимости определяется допустимой погрешностью измерения указанного выше напряжения, а нижняя граница - требуемой воспроизводимостью измерений.

Техническим результатом заявляемого способа является возможность экспрессного высокоточного измерения контактного сопротивления индивидуального диода Ганна на основе использования простейшего измерительного оборудования.

На фиг.1 представлена типичная зависимость дифференциальной проводимости диода Ганна от напряжения смещения в области слабых (область I) и сильных (область II) электрических полей. На фиг. 2 представлена блок-схема установки для измерения зависимости дифференциальной проводимости диода Ганна от напряжения смещения в допороговом режиме. Здесь 1 - источник постоянного напряжения смещения; 2 - генератор синусоидального напряжения; 3 - контактное устройств для подключения диода Ганна и системы из последовательно соединенных диода Ганна и известного омического сопротивления; 4 -милливольтметр; 5 - двухкоординатный самописец; L - разделительная индуктивность; C₁, C₂ - разделительные емкости; R_т - токовое сопротивление. На фиг. 3 представлены типичные зависимости дифференциальной проводимости диода Ганна и системы из включенных последовательно диода и известного омического сопротивления от напряжения смещения. На фиг. 3 также показан принцип определения величины напряжения, соответствующего начальному линейному участку для указанных зависимостей при заданном уровне изменения дифференциальной проводимости, величина которого выбрана равной 0,95.

Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа. Пусть необходимо определить контактное сопротивление диода Ганна сантиметрового диапазона длин волн.

Устанавливаем диод Ганна в контактное устройство 3 измерительной установки, блок-схема которой показана на фиг. 2. Через разделительную индуктивность L подаем постоянное напряжение смещения на измеряемый диод от источника питания 1. От генератора синусоидального напряжения 2 подаем дифференцирующий сигнал через разделительные емкости C₁ и С₂ на измеряемый диод. Падение напряжения на токовом сопротивлении R_т, измеряемое милливольтметром 4, пропорционально дифференциальной проводимости диода Ганна при данном напряжении смещения. Зависимость дифференциальной проводимости диода Ганна от напряжения смещения регистрируем с помощью двухкоординатного самописца 5, на вход "X" которого подаем напряжение смещения, а на вход "Y" - напряжение с выхода милливольтметра 4, величина которого пропорциональна дифференциальной проводимости диода Ганна. Общий вид получаемой зависимости представлен на фиг. 3 кривая 1.

Подключаем последовательно к измеряемому диоду Ганна выбранное омическое сопротивление R, устанавливаем в контактное устройство 3 полученную таким образом систему и повторяем описанную выше процедуру. Таким образом получаем зависимость дифференциальной проводимости системы из измеряемого диода Ганна и известного омического сопротивления от напряжения смещения (фиг. 3 кривая 2). По измеренным зависимостям определяем величину напряжения, соответствующего величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости диода Ганна U₀ и величину напряжения U₁, соответствующего величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости системы из соединенных последовательно диода Ганна и омического сопротивления R. В качестве условия для измерения указанных напряжений используем изменение дифференциальной проводимости диода Ганна и указанной системы, равное 0,95 от исходного значения при нулевом напряжении смещения, как это показано на фиг. 3. Используя полученные таким образом величины, определяем величину контактного сопротивления R_с по соотношению (4).

Аналогичным образом поступаем и во втором случае, используя при этом при проведении измерений первое известное омическое сопротивление, затем второе известное омическое сопротивление и соотношение (5).

Литература.

1. Wu Dingfen, Heime К. New explanetion of N_D ^-1 dependence of spesific contact resistance for n-GaAs.//Electron. Lett. - 1982, V. 18, N 22 - P. 940 - 941.

2. Larrabee R.D., Hicinbothem W.A., Steele M.C. A Rapid Evaluation Technique for Functional Gunn Diodes. // IEEE Trans. Electron Dev. - 1970, V. ED-17, N4.-P.271- 274.

Использование: в электронной технике, при производстве и использовании полупроводниковых приборов и устройств на основе эффекта Ганна. Технический результат заключается в повышении достоверности, точности и возможности проведения измерений для индивидуального диода. Зависимость от напряжения смещения дифференциальной проводимости исходного диода определяется включенными последовательно исходным диодом и первым известным омическим сопротивлением или включенными последовательно исходным диодом и вторым известным омическим сопротивлением. По измеренным зависимостям определяют напряжения смещения, соответствующие величинам начальных линейных участков, для исходного диода или для указанных систем. Величину контактного сопротивления определяют по установленному соотношению. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения контактного сопротивления диода Ганна путем подачи напряжения смещения, отличающийся тем, что измеряют зависимость дифференциальной проводимости диода от напряжения смещения; определяют напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости диода от напряжения смещения; подключают последовательно к диоду известное омическое сопротивление; измеряют зависимость дифференциальной проводимости от наряжения смещения для полученной системы; определяют напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости системы из включенных последовательно диода и известного омического сопротивления, и определяют контактное сопротивление по формуле
R_c = R • U₁/(U₁ - U₀),
где U₀ - напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости измеряемого диода от напряжения смещения;
U₁ - напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости от напряжения смещения для системы из включенных последовательно диода и известного омического сопротивления;
R - известное омическое сопротивление;
R_c - контактное сопротивление диода Ганна. 2. Способ определения контактного сопротивления диода Ганна путем подачи напряжения смещения, отличающийся тем, что сначала к диоду последовательно подключают первое известное омическое сопротивление; измеряют зависимость дифференциальной проводимости от напряжения смещения для первой системы из включенных последовательно измеряемого диода и первого известного омического сопротивления, по которой определяют напряжение, соответствующее величине начального линейного участка данной зависимости; затем подключают последовательно второе известное омическое сопротивление; измеряют зависимость дифференциальной проводимости от напряжения смещения для второй системы из включенных последовательно диода и второго известного омического сопротивления, по которой определяют напряжение, соответствующее величине начального линейного участка данной зависимости, и определяют контактное сопротивление по формуле
R_c = (R₂ • U₁ - R₁ • U₂)/(U₂ - U₁),
где R₁, R₂ - первое и второе известные омические сопротивления;
U₁ - напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости первой системы из включенных последовательно диода Ганна и первого известного омического сопротивления от напряжения смещения;
U₂ - напряжение, соответствующее величине начального линейного участка зависимости дифференциальной проводимости второй системы из включенных последовательно диода Ганна и второго известного омического сопротивления от напряжения смещения.