Исследование емкости резонансно

Исследование емкости резонансно-туннельного диода
И.Ю. БЕЗОТОСНЫЙ, К.Д. ЖИЖИН, И.В. ИВАНОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЕМКОСТИ РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА
Методом разности фаз и LCR-метра получены вольт-фарадные характеристики резонансно-туннельного диода.
Обнаружены особенности в поведении электрической емкости резонансно-туннельного диода (РТД) в области отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП). В некоторых точках ОДП наблюдался эффект «отрицательной» емкости.
Экспериментальное изучение емкости РТД является одним из основных направлений в развитии представлений о его электродинамических свойствах. Существуют преимущества использования РТД в качестве компонентов интегральных схем (ИС), где он может дать существенный
прирост производительности за счет возможности работать на частотах, не доступных традиционным электронным компонентам. Емкость является одним из ключевых параметров, определяющих
работу РТД в интегральных схемах.
Экспериментальные и теоретические исследования емкостных свойств РТД продолжаются в
течение длительного времени, при этом разнообразие методов и моделей, используемых для этих
целей, дает большое разнообразие результатов, сильно отличающихся друг от друга [1–6]. Однако
во всех полученных ранее экспериментальных результатах есть наличие особенностей в зависимости емкости РТД от напряжения смещения в области отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП). В большинстве теоретических работ получаются такие же особенности в ОДП, в
некоторых работах предсказывается наличие эффекта «отрицательной» емкости (или индуктивного характера импеданса) в этой области [7–9].
В качестве образцов исследования выступали РТД на основе гетероструктуры GaAs/AlAs,
изготовленной методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). РТД были изготовлены в Московском институте электронной техники (г. Зеленоград). РТД представляет собой двухбарьерную
квантовую структуру (ДБКС), где барьерами являются слои из AlAs, а квантовой ямой – слой из
GaAs. В целом РТД состоит из следующих слоев: nGaAs/GaAs/AlAs/GaAs/AlAs/GaAs/nGaAs, где
толщины слоев, соответственно, 1000Å/100Å/23Å/45Å/20Å/400Å/7000Å. Слои GaAs с толщиной
100 и 400 Å – спейсерные. Слои nGaAs – контактные, концентрация носителей в которых составляет 1018 см–3. В нашей работе исследовались образцы двух типов один с площадью мезы
6×6 мкм2, другой с площадью 20×20 мкм2. Структуры были помещены в корпус на керамическое
основание с защитным металлическим кожухом и разварены ультразвуковой сваркой через золотые провода к никель-золотым омическим контактам, тем самым упрощая подвод сигнала к структуре и измерение необходимых параметров.
Для измерения емкостных характеристик была собрана автоматизированная установка, которая управлялась специально написанной программой с персонального компьютера. Установка
включала в себя прецизионный источник питания Agilent N6762A, фазочувствительный вольтметр
со встроенным генератором Stanford Research System 830 (SRS 830), LCR-метр Agilent E4980A,
аналоговый генератор Agilent E8257D. Один из способов измерения емкости осуществлялся с помощью универсального устройства, называемого LCR-метром. Это устройство работает по принципу мостовой схемы, где в качестве одного плеча мостовой схемы включен объект измерения.
Для измерения использовался LCR-метр Agilent E4980A. Второй метод измерения емкости основан на измерении разности фаз переменного тока и его напряжения. Измерение разности фаз между током и напряжением на РТД осуществлялось фазовым детектором SRS 830. Источником сигнала служил встроенный аналоговый генератор SRS 830 для частот от 10 до 100 кГц и внешний
аналоговый генератор Agilent Е8257D для частот от 250 МГц до 20 ГГц. В первом случае смещение на образце задавалось внутренним источником питания LCR-метра, во втором прецизионным
источником питания N6762A, а измерения производились с помощью осциллографа Agilent. зделано
Предварительно были измерены вольт-амперные характеристики (ВАХ) образцов в прямом
и обратном направлениях включения РТД. На рис.1 показана прямая ветвь ВАХ.
Исследование емкости резонансно-туннельного диода
Рис. 1. Прямая ветвь ВАХ
Рис. 2. Зависимость разности фаз
от частоты при нулевом смещении
Для получения достоверных и надежных результатов предварительно были получены зависимости измеряемых параметров (фазы и емкости) от амплитуды измерительного сигнала и его
частоты. Установлено, что с ростом амплитуды сигнала особенности на вольт-фарадных характеристиках (ВФХ) сглаживаются, их количество уменьшается и при большой амплитуде измерительного сигнала особенности исчезают. Поэтому была выбрана оптимальная амплитуда измерительного сигнала (10 мВ).
Были измерены частотные зависимости разности фаз и емкости в диапазоне от 1 до 100 кГц
при нулевом смещении. На рис. 2 представлены зависимости разности фаз при нулевом смещении
от частоты. Начальный участок зависимости связан с приборными особенностями измерения, данная область зависит от значения емкости и характеристик приборов. Такие же измерения были
проведены и в других точках вольт-фарадной характеристики. На основании этих зависимостей
выбрана рабочая частота (100 кГц), при которой измерялись разность фаз и определялась емкость.
С выбранной частотой и амплитудой измерительного сигнала были измерены ВФХ с помощью LCR-метра и получены измерения разности фаз между током и напряжением на образце.
На рис. 3 представлена ВФХ, полученная методом разности фаз. Видно, что до области ОДП
емкость слабо меняется от напряжения смещения, внутри области ОДП наблюдаются особенности: существуют точки, где емкость резко увеличивается; есть точки, где она равна нулю и есть,
где она имеет отрицательный знак.
На рис. 4 приведено сравнение двух методов измерения ВФХ в относительном масштабе по
шкале емкости. Абсолютное значение емкости, определенное разными методами, не совпало, что
связанно с особенностью измерения емкости LCR-метром. Прибор при измерении импеданса
включает в него значение активного сопротивления образца и, тем самым, неверно рассчитывает
абсолютное значение емкости. Однако наблюдается качественное совпадение вида зависимостей в
обоих методах: имеются особенности внутри области ОДП, выраженные в увеличении емкости в
несколько раз, в равенстве нулю емкости в некоторых точках и в наличии отрицательных значений емкости. Такой характер повторялся при многократном измерении каждой ВФХ.
Абсолютное значение емкости при нулевом напряжении смещения, измеренное с использованием микросхемы генератора, совпало со значением, полученным методом измерения разности
фаз и составило величину ~ 45 пФ.
Измерения ВФХ на больших частотах (до 1 ГГц) показывают, что качественный вид зависимости емкости от напряжения смещения не меняется с ростом частоты, при этом величина емкости незначительно падает.
Исследование емкости резонансно-туннельного диода
Рис. 3. ВФХ, полученная методом разности фаз
Рис. 4. Сравнение двух типов измерения ВФХ:
 – LCR-метр;  – метод фазы
Работа была выполнена по программе проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России» на 2009–2013 годы «Компьютерное моделирование и экспериментальные исследования статических и динамических характеристик полупроводниковых наноструктур, а также процессов образования и коалесценции кластеров благородных металлов», госконтракт № П893.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wei T., Stapleton S., Berolo E. // J. Appl. Phys. 1993. V. 73. P. 829.
2. Jo J., Li H. S., Chen Y.W. et al. // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 64. P. 2276.
3. Wei T., Stapleton S., Berolo O. // J. Appl. Phys. 1995. V. 77. P. 4071.
4. Jo J., Alt K., Wang K.L. // J. Appl. Phys. 1997. V. 82. P. 5206.
5. Liu Q., Seabaugh A., Cahal P. et al. // IEEE Trans. Electr. Dev. 2004. V. 51. P. 653.
6. Khatun H., Shahjahan M., Sawada K. et al. // Physica E. 2007. V. 36. P. 123.
7. Hu Y., Stapleton S. // Appl. Phys. Lett. 1991. V. 58. P. 167.
8. Wei T., Stapleton S., Berolo E. // J. Appl. Phys. 1994. V. 76. P. 1287.
9. Wei T., Stapleton S., Berolo E. // Sol.-State Electr. 1995. V. 38. P. 465.