Лавинно-пролітний діод з контактною системою на основі металів платинової групи

Лавинно-пролітний діод, виконаний у вигляді + + кремнієвої мезаструктури р -р-n-n , до протилежних сторін якої сформовані багатошарові низькоомні контактні системи, що складаються послідовно з шарів паладію, контактуючих з поверхнями кре+ + мнію р та n , з'єднувальних шарів платини, сполучних шарів з плівок золота та інтегрального тепло+ відводу з міді до сторони р , який відрізняється тим, що шари паладію мають оптимальну товщину L, яка находиться в межах: 2 3 льний шар платини. Для виконання електричних виводів ЛПД до цих шарів наносились з'єднувальні + шари з золота. До сторони р формувався інтегральний тепловідвід з міді завтовшки 100 мкм. ЛПД такої конструкції давав змогу отримувати НВЧ потужність в узгодженому навантаженні до 200-250 мВт на частоті 58-62 ГГц. Незважаючи на високі технічні параметри приладів цього типу, розглянутий прототип має наступні недоліки. Як відомо, в перехідному шарі кремній-паладій утворюються силіциди з низьким ефективним питомим опором 30-35 мкОм∙см. Низький питомий опір та високі бар'єрні властивості силіциду паладію є дуже важливими для ЛПД, так як дають змогу зменшити паразитний омічний опір і збільшити термін безвідмовної роботи при високих рівнях НВЧ потужності в імпульсному режимі. При невисоких товщина шару силіциду паладію питомий опір перехідного шару різко зростає, а бар'єрні властивості зникають, тому, що діаметр зерна менше товщини плівки, що приводить до зменшення ресурсу терміна безвідмовної роботи, та зменшення вихідної НВЧ потужності в імпульсному режимі. Утворення силіциду при наявності товстих плівок паладію приводить до значного зменшення об'єму, яке є причиною виникнення механічних напруг, що виникають в силіцидах. Ці напруження в свою чергу становлять загрозу стабільній роботі приладу в процесі експлуатації. Таким чином, основна задача корисної моделі, що заявляється - вдосконалення кремнієвого ЛПД з контактною системою на основі металів платинової групи шляхом оптимізації товщини шару металу, за допомогою якого в перехідному шарі метал-кремній утворюється силіцид, який дає змогу отримати технічний результат: мінімізувати питомий опір контакту, а його бар'єрні властивості є максимальними при прогнозованому терміні безвідмовної роботи. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що лавинно-пролітний діод, виконаний у вигля+ + ді кремнієвої мезаструктури р -р-n-n , який відрізняється тим, що з метою мінімізації питомого опору контактної системи та підвищення бар'єрних властивостей, до протилежних сторін мезаструктури сформовані багатошарові низькоомні контакти, що складаються послідовно з шарів паладію, з'єднувальних бар'єрних шарів платини, сполучних шарів з плівок золота та інтегрального тепловід+ воду з міді до сторони р , при цьому шари паладію мають оптимальну товщину L, яка знаходиться в межах: D дв D дв  t Q L ED 2 , 61   R гр Де: Q - кількість матеріалу, який продифундував в кремній і накопичився в перехідному шарі, ато2 мів/м ; D дв - коефіцієнт дифузії по міжзеренним кор2 донам, м /с; t - час безвідмовної роботи приладу, с; E - модуль Юнга, Па;  - коефіцієнт Пуассона, безрозмірна; 66914 4 D - товщина кремнієвої підкладки, м; R - радіус кривизни підкладки, який виник під впливом механічних напруг в плівці, м;  гр - гранична величина механічної напруже ності, Па. Новими ознаками, які має технічне рішення, що заявляється, в порівнянні з прототипом, є формування шарів металів платинової групи певної товщини, обумовленої заявленим співвідношенням, що забезпечує відповідність технічного рішення критерію "новизна". Виконання шарів металів платинової групи певної товщини дає змогу одержати технічний результат - зменшити опір контактної системи та збільшити термін безвідмовної роботи приладу в імпульсному режимі. Можливість реалізації технічного рішення, що заявляється, підтверджується наступними кресленнями: Фіг. 1 - Схематичне зображення ЛПД, в контактній системі якого використані шари металів платинової групи. Фіг. 2 - Профілі розподілу компонентів в контактній системі Si-Pd-Pt-Au в початковому зразку. Фіг. 3 - Профілі розподілу компонентів в контактній системі після відпалу протягом 10 хвилин при температурі 350 °C. Як відомо, омічний опір ЛПД складається з опору напівпровідникової структури, перехідного опору системи контакту метал-напівпровідник, та інших величин опору, пов'язаних з іншою частиною схеми, наприклад, опір електричних з'єднань приладу. Зупинимося на другій складовій омічного опору ЛПД - опору перехідного шару металнапівпровідник. В технічному рішенні, що пропонується, використовуються силіциди паладію, платини та ренію. При використанні в ЛПД силіциди платинової групи мають такі переваги: 1. Невеликий питомий опір перехідного шару (28÷35 мкОм∙см). 2. Перехідні шари силіцидів утворюються при невисоких температурах - 150 °C. 3. Достатні за товщиною силіциди платинової групи володіють бар’єрними властивостями та забезпечують мінімальне проникнення матеріалів контактної системи в зону р-n переходу. 4. Відсутність хімічних реакцій з сусідніми шарами металів. 5. Механічна стабільність, висока адгезія та низькі внутрішні напруги. Утворення силіциду в результаті взаємодії на перехідному шарі метал кремній приводить до зменшення об'єму ґратки, що є основою механічних напружень, які виникають в силіциді. Ці напруження являють собою загрозу механічній стабільності приладу при температурах утворення силіцидів, або термічних обробках. Граничну величину напруженостей  гр , при якій руйнується система кремній-силіцид, запишемо у вигляді: E D  гр  , (1) 61   R  L Де: Е - модуль Юнга, Па, D - товщина кремнієвої підкладки, М, 5 66914 R - радіус кривизни підкладки, М, М - коефіцієнт Пуассона, безрозмірно, L - товщина металу платинової групи, М. Звідки знаходимо граничну максимальну товщину шару металу платинової групи менше якої контактна система руйнується. E  D2 L 61   R гр (2) З іншого боку, при невеликих значеннях товщини L шару металу зменшуються бар'єрні властивості силіциду, що зумовлено дифузією металу по кордонам зерен. При деякому критичному зна2 ченні кількості накопиченого металу Q (атом/см ) в перехідному шарі виникає відмова приладу. Кількість металу, що акумулюється в перехідному шарі, знаходимо з рівняння [E.C. Zingg and I.W. Mayer. Grain bounding diffusion of Ni through Pd2S. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 25, 1984].   Q 1 2   1 j  Y Y 2 t     exp   2 j 2  2  t  ,(3)  0L 6  2 j1 J 2       Де:  0 - концентрація металу на вході кордону зерно, 1/МЗ, L - товщина шару металу платинової групи, м, Y - щільність кордонів зерен, безрозмірно, Dgb , 2  L2 D gb - коефіцієнт дифузії по поверхні зерен, 2 м /с, t - час, с Для достатньо великих значень  2 t рівняння (3) спрощується і має вигляд: YDgb  t Q  , (4)  0L L2 Якщо припустити, що довжина зерна становить W, а діаметр d, то щільність кордонів зерен 2W Y . Розмір зерен залежить пропорційно від d товщини силіциду (5) d  Lp1 , Де:  - константа. Тоді вираз (4) перетворюється і має вигляд: D gb  t Q , (6) Lp Для нашого випадку розмір зерна пропорційний товщині силіциду, тоді р=2. З рівняння (6) знаходимо допустимо мінімальну товщину металу платинової групи при якій утворений силіцид забезпечує безвідмовну роботу приладу при заданому терміні експлуатації: L D gb  t Q (7) 6 Таким чином, мінімальне значення товщини шару металу платинової групи лежить в межах: D gb  t Q L ED 2 , 61   R гр (8) На рисунку Фіг. 1 схематично зображений один із варіантів виконання ЛПД 8-міліметрового діапазону, що заявляється, з контактними системами на + основі паладію. До дводрейфової кремнієвої р -р+ -4 2 n-р структури 1 з робочою площею 2∙10 см нанесені тонкі шари паладію 2 оптимальної товщини L. Потім, на шари паладію наносились шари платини 3. Для подальшої зборки всього приладу та підключення в схему поверхня платини покрива+ лась шаром золота 4. До сторони р на поверхні плівки із золота формувався інтегральний тепло відвід з двох шарів міді 5 та 6. На рисунку Фіг. 2 зображено профілі розподілу компонентів металів в контактній системі Si-Pd-PtAu в початковому зразку, одержані методом Оже спектроскопії. Фазовий склад контактної системи досліджувався рентгенівським дифрактометром на довжині хвилі λ=0,15418 нм. Була досліджена рентгенодифрактограма структури Si-Pd-Pt-Au. В спектрах початкового зразка спостерігались рефлекси від підкладки Si (111) при 28,493°, від Pd2Si, а також сімейство рефлексів від металічних шарів золота, платини та паладію, що свідчать про їх полікристалічну структуру. Фаза Pd2Si утворилась в результаті взаємодії паладію з кремнієм в процесі нанесення на підігріту до 300 °C підкладку. Наявність полікристалічного паладію вказує на те, що не весь паладій перетворився на Pd2Si. З метою находження граничної температури рn переходу з контактною системою, при якій виникає деградація мезаструктури за рахунок процесів термоелектродифузії на кордоні розділу кремнійсиліцид тестові структури Si піддавались швидкій термічній обробці в вакуумі при температурі 350 °C протягом 10 хвилин. Профілі розподілу компонентів в багатошаровій контактній системі після термічної обробки показані на рисунку Фіг. 3. 10хвилинна термічна обробка при 350 °C не привела до значних змін в багатошаровій структурі та не вплинула на становище верхнього шару металізації (золото), що підтверджено відсутністю морфологічних змін на поверхні плівок золота. При цьому платина продифундувала приблизно на половину товщини плівки золота. Контактна система, що заявляється, на основі металів платинової групи реалізована в розробці та виготовленні ЛПД в частотному діапазоні 30100 ГГц на вихідну потужність 20-30 Вт в імпульсному режимі. При цьому тривалість імпульсного робочого струму становила 100-150 не при амплітуді струму 10-20 А. Термін безвідмовної роботи приладу був не менше 1000 годин. 7 66914 8 9 Комп’ютерна верстка Мацело В. 66914 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601