Галлий арсениди асосидаги фотосезгир кўпқатламли тузилмаларни тайёрлаш технологиясини ишлаб чиқиш

«ФИЗИКА-ҚУЁШ» ИЛМИЙ ИШЛАБ ЧИҚАРИШ БИРЛАШМАСИ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН-ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ ВА САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ

ДАРАЖАСИНИ БЕРУВЧИ 16.07.2013.FM/T.12.01 РАҚАМЛИ

ИЛМИЙ КЕНГАШ

_________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ _________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___

«ФИЗИКА-ҚУЁШ» ИЛМИЙ ИШЛАБ ЧИҚАРИШ БИРЛАШМАСИ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ

ЁДГОРОВА ДИЛБАРА МУСТАФАЕВНА

ГАЛЛИЙ АРСЕНИДИ АСОСИДАГИ ФОТОСЕЗГИР КЎПҚАТЛАМЛИ

ТУЗИЛМАЛАРНИ ТАЙЁРЛАШ ТЕХНОЛОГИЯСИНИ ИШЛАБ

ЧИҚИШ

01.04.10 – Ярим ўтказгичлар физикаси (техника фанлари)

ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2015 йил

2

УДК:621.315.592.2

Докторлик диссертацияси автореферати мундарижаси

Оглавление автореферата докторской диссертации

Content of the abstract of doctoral dissertation

Ёдгорова Дилбара Мустафаевна

Галлий арсениди асосидаги фотосезгир кўпқатламли тузилмаларни
тайёрлаш технологиясини ишлаб чиқиш…..........................................................3

Ёдгорова Дилбара Мустафаевна

Разработка технологии изготовления фоточувствительных
многослойных структур на основе арсенида галлия…………………………..29

Yodgorova Dilbara Mustafaevna

Development of photosensitive multilayer structures manufacturing
technology on the basis of gallium arsinide............................................................55

Эълон қилинган ишлар рўйхати
Список опубликованных работ
List of published works…………………………………………………………...78

3

«ФИЗИКА-ҚУЁШ» ИЛМИЙ ИШЛАБ ЧИҚАРИШ БИРЛАШМАСИ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН-ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ ВА САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ФАН ДОКТОРИ ИЛМИЙ

ДАРАЖАСИНИ БЕРУВЧИ 16.07.2013.FM/T.12.01 РАҚАМЛИ

ИЛМИЙ КЕНГАШ

_________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ _________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___

«ФИЗИКА-ҚУЁШ» ИЛМИЙ ИШЛАБ ЧИҚАРИШ БИРЛАШМАСИ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ

ЁДГОРОВА ДИЛБАРА МУСТАФАЕВНА

ГАЛЛИЙ АРСЕНИДИ АСОСИДАГИ ФОТОСЕЗГИР КЎПҚАТЛАМЛИ

ТУЗИЛМАЛАРНИ ТАЙЁРЛАШ ТЕХНОЛОГИЯСИНИ ИШЛАБ

ЧИҚИШ

01.04.10 – Ярим ўтказгичлар физикаси (техника фанлари)

ДОКТОРЛИК ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2015 йил

4

Докторлик диссертацияси мавзуси Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси

ҳузуридаги Олий Аттестация комиссиясида 30.09.2014/В2014.5Т265 рақам билан рўйхатга
олинган.

Докторлик диссертацияси Физика-техника институтида бажарилган.
Диссертация автореферати уч тилда (ўзбек, рус, инглиз) Илмий кенгашнинг веб-саҳифага

(fti-kengash.uz) ва “ZiyoNet” Ахборот-таълим порталига (www.ziyonet.uz) жойлаштирилган.

Илмий маслаҳатчи:

Каримов Абдулазиз Вахитович

физика-математика фанлари доктори, профессор

Расмий оппонентлар

:

Абдукадыров Мухитдин Абдурашитович

техника фанлари доктори, профессор

Алиев Райимжон

техника фанлари доктори, профессор

Тагаев Марат Баймуратович

техника фанлари доктори, профессор

Етакчи ташкилот:

Тошкент давлат техника университети

Диссертация ҳимояси Физика-техника институти, Ион плазма ва лазер технологиялари

институти ва Самарқанд давлат университети ҳузуридаги 16.07.2013.FM/T.12.01 рақамли Илмий
кенгаш асосида 01.04.10 ихтисослиги бўйича (техника фанлари) тузилган бир марталик илмий
кенгашнинг «____»____________2015 й. соат ____даги мажлисида бўлиб ўтади (Манзил: 100084,
Тошкент, Бодомзор йўли кўчаси, 2б-уй. Тел./факс: (99871) 235-42-91, e-mail: lutp@uzsci.net).

Докторлик диссертацияси Физика-техника институти Ахборот-ресурс марказида № 04

рақами билан рўйхатга олинган, диссертация билан АРМ да танишиш мумкин (Манзил: 100084,
Тошкент, Бодомзор йўли кўчаси, 2б-уй. Тел./факс: (99871) 235-30-41).

Диссертация автореферати 2015 йил «___»___________ да тарқатилди.

(2015 йил _____________ даги ____ рақамли реестр баённомаси).

С.Л. Лутпуллаев

Фан доктори илмий даражасини берувчи

илмий кенгаш раиси ф.-м.ф.д., профессор

М.Н. Турсунов

Фан доктори илмий даражасини берувчи

бир марталик илмий кенгаш илмий котиби

т.ф.д.

И.Г. Атабаев

Фан доктори илмий даражасини берувчи

илмий кенгаш ҳузуридаги илмий семинар раиси

ф.-м.ф.д., профессор

5

Кириш (Докторлик диссертацияси аннотацияси)

Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати.

Ҳозирги кунда

жахонда

динамикали ривожланаётган микро ва оптоэлектроника йўналишида

муҳим физик-технологик муаммолардан бири функционал характерис-
тикалари яхшиланган кўп қатламли яримўтказгичли материаллар асосида
фотоқабулқилгичлар ишлаб чиқариш ҳисобланади. Арсенидгаллийли фото-
сезгир тузилмалар актив соҳанинг электрофизик параметрлари билан улар-
нинг эксплуатацион параметрлари ўзаро боғлиқлигини тадқиқ қилиш кўпқат-
ламли фотосезгир тузилмаларнинг олдин маълум бўлмаган имкониятларини
очиб берувчи янги техник ечимлар олиш имконини беради. Майдоний
транзисторнинг канал соҳасини мукаммаллаштириш, энергия тежамкорлиги
муаммоларини ечиш,

р-n

-ўтишли майдоний транзисторларни ишлаб чиқиш

ҳамда сирти текстурланган фотосезгир тузилмалар тайёрлаш технологияси
бўйича олиб борилаётган тадқиқотлар устувор йўналишлардан ҳисобланади.

Кўп қатламли яримўтказгичли асбоблар жумласига кирувчи фотодиод

ва транзисторларни телекоммуникация ва автомобил саноатида татбиқ қи-
лиш уларнинг ишчи частотасини ошириш, узатиш характеристикаларини
тўғри чизиққа келтириш, кучайтириш коэффициентларини ошириш ва ула-
ниш схемаларини тадқиқ қилишни талаб қилади. Шунинг учун майдонли
транзисторларнинг конструктив параметрларини оптималлаштириш мақсади-
да эпитаксиал тузилмалар параметрларини майдонли транзисторларнинг
хусусиятига таъсири устида олиб бориладиган тадқиқотлар долзарб
ҳисобланади.

Ушбу тадқиқот эритма-қоришмаларни қўшиб бориш йули билан ярим-

ўтказгичли материалларни эпитаксиал ўстириш усулини яратишга ҳамда
киришмалари тақсимотининг градиенти ва ҳаракатчанлиги бошқариладиган,
галлий арсенидли кўпқатламли фотосезгир тузилмаларни, шунингдек,
бўлинишнинг микрорельефли чегерасига эга фотодиод тузилмаларни олишга
йўналтирилган. Бундай тузилмаларнинг функционал характеристикаларини
яхшилаш, тайёрлаш технологияси ҳусусиятларига ўзаро боғлиқ равишда
фотосезгир майдоний транзисторлар олиш ва уларнинг энергия тежамкор
режимда ишлашини таъминлаш диссертациянинг зарурати ҳисобланади.

Ўзбекистон Республикаси Президентининг 2010 йил 15 декабрдаги

ПҚ-1442 – сон «2011–2015 йилларда Ўзбекистон Республикаси саноатини
ривожлантиришнинг устувор йўналишлари тўғрисида»ги Қарорида белги-
ланган вазифаларни, жумладан электрон техника махсулотларининг рақобат-
бардошлигини ошириш вазифасини муайян даражада бажаришга мазкур
диссертация хизмат қилади.

Тадқиқотнинг республика фан ва технологиялари равожланиши-

нинг асосий устувор йўналишларига боғлиқлиги.

Диссертация тадқиқоти

республика фан ва технологияларни ривожлантиришнинг АТД-3 «Энер-
гетика, энергоресурстежамкорлиги, транспорт, машина ва асбобсозлик, замо-
навий электроника, микроэлектроника, фотоника ва электрон асбобсозлиги
ривожланиши»нинг устувор йўналишларига мувофиқ бажарилган.

6

Диссертация мавзуси бўйича хорижий илмий-тадқиқотлар шарҳи

.

Майдонли транзисторлар бўйича илмий тадқиқотлар етакчи илмий

марказлар ва университетлар томонидан, жумладан, Беркли (АҚШ) ва
Moнтпелие (Франция) университетларида ҳамда Mitsubishi Elеctric (Япония)
фирмасида Шоттки тўсиқли ва

р-n

-ўтишли транзисторлар, «Полюс» илмий

ишлаб чиқариш корхонасида (Россия) арсенид галлий асосида юқори часто-
тали майдонли транзисторлар, Калифорния университетида (АҚШ) эса гра-
фен асосида майдонли транзисторлар олиш технологиялари устида изланиш-
лар олиб борилмоқда.

Жахон миқёсида бир қанча долзарб масалалар ечилган бўлиб, жум-

ладан, янги яримўтказгичли материаллар асосида ички кучайтиришга эга
бўлган асбоблар олиш соҳасида муҳим илмий натижалар олинган: ўта
ўтказувчанлик эффекти асосида ёруғлик билан бошқарилувчи майдонли
транзистор барпо қилинган - (Япониянинг Табиий фанлар Миллий универ-
ситетида); юқори частотали диапазонда ишловчи икки ўлчамли электрон
каналли майдоний транзистор ишлаб чиқилган - (Франциянинг Moнтпелие
университетида); статик индукцияли вертикал каналли майдоний тран-
зисторлар ишлаб чиқилган - (Япониянинг Sony фирмасида); Si (111) кремний
тагликда юқори сифатли AlGaN/GaN алюминий-нитрид галлийли эпитак-
сиал қатламлар ўстириш технологияси асосида юқори хароратга чидамли
майдоний транзисторлар олинган - (АҚШнинг Nitronex компаниясида).

Бугунги кунда сирти текстураланган ва киришмалар тақсимоти

профили бошқариладиган эпитаксиал қатламлар асосида тайёрланадиган
фотосезгир тузилмаларни ишлаб чиқиш ҳамда уларнинг функционал
хусусиятларини кенгайтириш каби техник муаммоларни ҳал қилишга
бағишланган илмий-тадқиқот ишлари устувор олиб борилмоқда.

Муаммонинг ўрганилганлик даражаси.

А.Г. Милехин томонидан

майдонли транзистор уланиш турлари комбинацияларининг кўп сонлилиги
туфайли унинг турли мақсадлар учун ишлатилиши кўриб чиқилган. Аммо, бу
режимларда параметрларининг барқарорсизлиги ва узатиш характеристика-
ларини тўғри чизиққа келтириш усулларини йўқлиги туфайли, кучайтириш
коэффициентининг паст бўлиши уларга хосдир. АҚШ олими Pucel R.A. томо-
нидан ишлатилган майдонли транзисторлар канал узунлигини камайтириш
ҳисобига уларнинг параметрларини яхшилашнинг технологик усуллари, бир
томондан, каналдаги киришмаларнинг тақсимоти характерига боғлиқ равиш-
да узатиш характеристикаларини тўғри чизиққа келтириш ҳисобига транзис-
торнинг кучайтириш хусусияти яхшиланса, бошқа томондан, ишчи токнинг
ортиши ҳисобига тарқаладиган қуввати ошиб кетади. Бу вазият бундай май-
донли транзисторлар каналининг ёпилишига яқин режимда ишлашининг им-
кони йўқлиги туфайли, уларнинг иқтисодий жиҳатдан эффективлиги кам-
лигидан дарак беради.

Айни пайтда таниқли олим R.N. Noyce исток йўналиши томон ток та-

шувчиларнинг сони камайиб бориб, канал узунлиги бўйлаб киришмалар
бўйлама градиентининг ҳосил бўлиши, фақатгина канал қаршилиги модуля-
цияси эффективлигини оширишини, лекин, канал қалинлиги бўйича эркин

7

ток ташувчилар тақсимоти текис бўлганлиги учун ҳеч қачон транзисторнинг
узатиш характеристикаларига таъсир қилмаслигини кўрсатди. Бунда канал
қалинлиги бўйича ташувчиларнинг ҳаракатчанлиги ва киришмаларнинг
градиентли ҳолатлари қараб чиқилмаган.

Суюқ эпитаксия соҳаси мутахассиси, Россия олими В.М. Андреев то-

монидан легирловчи киришмалар тақсимоти коээфициентининг ҳароратга
боғлиқлиги ҳисобидан мажбурий совутиладиган қотишма-эритмалардан
олинган эпитаксиал қатламларда, танланган легирловчи киришмага хос тех-
нологик бошқарилмайдиган киришмалар тақсимости градиентини олиш мум-
кинлиги кўрсатилган. Суюқ эпитаксия қурилмалари конструкциясини мақ-
садли ўзгартириш имконияти яримўтказгичли асбоблар базасида киришмалар
тақсимотининг турли градиентини таъминлаш ва уларнинг диод ва транзис-
тор хоссаларига таъсирини аниқлайдиган технологик усул ва услубларни
модернизациялаш учун асос бўлаолади.

Бугунги кунга қадар суюқ эпитаксия технологиясининг ривожлани-

шига академик Ж.И. Алферов яратган мактаб, профессор Ю.П. Яковлев, ака-
демик М.С. Саидов, фан докторлари М.Н. Турсунов, М.А. Абдукадыров ва
А.В. Каримов ҳамда бошқалар ўз ҳиссаларини қўшдилар, мақсад ва вазифа-
ларига қараб бу технологиянинг қирраларни ривожлантирдилар. Хусусан,
А.В. Каримов группаси томонидан совутиш тезлиги камайиб борувчи қотиш-
ма-эритмадан кескин

р-п

-ўтиш олиш услуби ҳамда изотермик шароитларда

асосий қоришма-эритмага таркиби фарқли қоришма-эритмаларни қўшиш йў-
ли билан варизон эпитаксиал қатламлар олиш технологияси ишлаб чиқилган.

Юқорида баён қилинганлардан шундай маъно келиб чиқадики, канал

қалинлиги бўйича ҳаракатчанлик ва киришмаларнинг талаб қилинган гра-
диентини олишнинг технологияси ишлаб чиқилмаган. Узатиш характе-
ристикасини тўғри чизиққа келтириш усули янгича ёндашувни талаб қилади.
Фотодиод тузилмалари структураларининг электрик характеристикаларини
яхшилаш имкониятлари ва кўп қатламли транзисторли тузилма каналига
ҳаракатчан ва биржинсли бўлмаган киришмалар тақсимоти киритилганида
ҳамда ноанъанавий улаш режимларида, уларни тайёрлаш технологик ша-
роитлари билан боғлиқ характеристик параметларига нобиржинслилик таъ-
сирини комплекс ўрганишни талаб қилган электрик ва функционал пара-
метрларини яхшилашнинг илмий-техник муаммолари ечилмай қолмоқда.

Диссертация мавзусининг диссертация бажарилаётган илмий-тад-

қиқот муассасанинг илмий тадқиқот ишлари билан боғлиқлиги.

Дис-

сертация

Физика-техника институтида №А-6-049 «Танланган фотосезгир-

ликка эга яримўтказгич фотоэлектрик ўзгарткичларни тайёрлаш технология-
сини ишлаб чиқиш» (2006-2008йй.) мавзусидаги лойиҳа ва ФА17-Ф-100 «Фо-
тоэлектрик ўзгарткичлар асосида кучсиз оптик сигналларнинг фотоқабул-
қилгичини ишлаб чиқиш» (2009-2011йй.) лойиҳаси, шунингдек А3-ФА-0-10-
440 «Яримўтказгичли асбоблар камёб гуруҳларини ишлаб чиқаришда яроқли
чиқишини ошириш учун термик ва электримпульсли ишлов бериш
усулларини яратиш (ОАЖ «FOTON»)» (2012-2014 йй.) ЎзР илмий тадқиқот
ишлари Давлат дастури доирасида бажарилган.

8

Тадқиқотнинг мақсади

сирти текстураланган ва киришмалар тақси-

моти профили олдиндан берилган эпитаксиал қатламлар асосида галлий
арсенидли кўп қатламли фотосезгир тузилмаларни ишлаб чиқиш ҳамда
уларнинг функционал характеристикаларини яхшилаш ва янги уланиш ре-
жимларини тадқиқ этишдан иборат.

Мақсадга эришиш учун қуйидаги

тадқиқот вазифалари

қўйилган:

суюқлик эпитаксияси усулида сирти текстурланган кўп қатламли гал-

лий арсенидли тузилмаларни олиш технлогиясини ишлаб чиқиш;

сирти текстурланган ярим ўтказгичда киришмалар диффузияси жара-

ёнларини моделлаштириш;

киришмаларнинг қалинлик бўйича ночизиқли (мусбат, манфий, дара-

жали) тақсимоти градиентига эга эпитаксиал қатламларни ўстириш техноло-
гиясини ишлаб чиқиш;

қотишма-эритма ҳажми ортиши билан бирга кечадиган, ўзгарувчан

таркибга эга бўлган қотишма-эритмадан эпитаксиал қатламни ўстиришнинг
ноизотермик жараёнини моделлаштириш;

киришмаларнинг қалинлик бўйича нотекис (мусбат, манфий, даражали)

тақсимоти профилига эга галлий арсениди асосида майдоний транзистор
ишлаб чиқиш ва уларнинг электрофизик ва фотоэлектрик характеристикала-
рини тадқиқот қилиш;

канал қалинлиги бўйича ташувчилар ҳаракатчанлиги ва киришмалар-

нинг нотекис тақсимоти профилига эга майдоний транзисторлардаги элек-
трон жараёнларни моделлаштириш;

майдоний транзисторни улашда, унинг функционал имкониятларини

кенгайтирадиган (автоматик тўсиш, сток-затвор кучланиши билан бош-
қариладиган максимал ўтказувчанлик) оптимал режимларини ишлаб чиқиш;

битта ёруғлик нурлаткичи ва майдоний транзистор асосидаги кириш

каскади ёрдамида объектни тезкор алмаштирилишига эга масофавий бошқа-
риладиган оптоэлектрон калитни ишлаб чиқиш;

арсенидгаллийли майдонли транзистор ва кремнийли назорат намуна-

лари учун олинган натижаларнинг солиштириш анализи асосида асбобли
янги уланиш режимларни ишлаб чиқиш.

Тадқиқотнинг объекти

бўлиб базадаги ташувчилар ҳаракатчанлиги ва

киришмалар тақсимотининг турли профилларига ҳамда бошқариладиган

р



GaAs-рGaAs-nGaAs-

ўтишли фотосезгир кўп қатламли майдонли транзис-

торлар ва кремний асосидаги контрол намуналар, шунингдек бўлинишнинг
изотип гетеро ва микрорельефли чегарасига эга бўлган галлий арсениди
тузилмалари ҳисобланади.

Тадқиқотнинг предмети –

тузилмавий ва морфологик нобиржинсли-

ликларга эга

бўлган

кўпқатламли галлий арсенидли тузилмаларни олишнинг

диффузион ва эпитаксиал технологияларини ишлаб чиқиш услублари ва
жараёнлари хамда транзистор структураларини функционал уланиш режим-
лари ва ток ўтиш жараёнларидир.

Тадқиқотнинг усуллари.

Тадқиқот жараёнида

экспериментал физика-

нинг комплксли информатив усуллари:

р

-

n

-ўтишли структураларни ўрганиш-

9

нинг вольтампер, вольтфарад методлари; турли ишчи кучланишлардаги спек-
трал фотосезгирликни ўлчаш усуллари, бўлиниш чегараси ва сиртнинг мор-
фологик тадқиқотлари, шунингдек, назарий физиканинг физик-математик ва
компьютер моделлаштириш усуллари қўлланилган.

Тадқиқотнинг илмий янгилиги

қуйидагилардан иборат:

илк бор қотишма-эритмага қўшимча қотишма-эритмани қўшиш тезлиги

билан аниқланадиган киришмаларнинг тақсимот профилли А

3

В

5

ярим ўтказ-

гич бирикмалари эпитаксиал қатламини ўстиришнинг ноизотермик усули
таклиф қилинган ва ўстириладиган эпитаксиал қатлам қалинлиги бўйича
киришмалар тақсимоти физик-технологик моделлаштирилган;

текстурланган сиртли галлий арсенидига 80 дақиқа давомида рух

киришмаси 800

0

С да диффузия қилиниб, кейинчалик бир дақиқада бир гра-

дус совитиш тезлиги билан 813

0

С дан 809

0

С гача ҳарорат оралиғида ягона

жараёнда эпитаксиал гетероқатлам ўстириш технологияси ишлаб чиқилган;

NGaAs

-таглик билан

As

In

nGa

2

.

0

8

.

0

-гетероэпитаксиал қатлам пан-

жаралари параметри фарқи ~1.4% бўлиши ҳисобига юзаси гофрли бўлган
икки тўсиқли

Ag

NGaAs

As

In

nGa

Ag







2

.

0

8

.

0

-фотодиод олиш ва

nGaAs -

тагликдаги

As

In

pGa

06

.

0

94

.

0

-

гетероэпитаксиал

қатлам

устида

германий

киришмаси миқдори 3.1 моль.% бўлганда, сиртида пирамидалар (асоси 40÷60
мкм, баландлиги 8÷10 мкм) ҳосил қилувчи технологик текстурланган

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

фронтал

гетероқатламли

фотовольтаик

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

-

As

In

pGa

06

.

0

94

.

0

- nGaAs -

тузилмалар олиш технологиялари ишлаб чиқилган;

илк бор каналидаги киришмалар градиенти мусбат бўлган арсенид-

галлийли майдонли транзисторга нисбатан фотосезгирлиги икки марта,
маълум аналогларига нисбатан эса кучайтириш коэффициенти 3.5 марта
катта эга бўлган, каналидаги киришмаларнинг градиенти манфий (сирт
томон камаювчи) бўлган арсенидгаллийли фотосезгир майдонли транзистор
тайёрланган;

майдонли транзисторнинг максимал сезгирликка эга фотоқабулқилгич,

кичик инерцияга эга фоторезистор ва катта қувват қайта улагичи сифатида
ишлашини таъминлайдиган, уланиш режимлари ва усуллари таклиф қилин-
ган;

илк бор галлий арсенидили майдоний транзисторлар узатиш характе-

ристикаларининг тўғри чизиққа келтириш имконияти кўрсатилиб, сирт ҳо-
латлари таъсири ва ток ташувчилар ҳаракатчанлигининг градиентини ҳи-
собга олган ҳолда, бошқариладиган

p-n-

ўтишга эга узун каналли майдонли

транзисторлардаги ток ташувчанликнинг физик-математик ҳисоби қилинган;

каналнинг ёпилишига яқин режимда кучайтириш коэффициентини (70)

бир тартибга катта бўлишини таъминлайдиган, синхрон модуляцияланадиган
каналларга эга иккитранзисторли схема асосида тўрт чиқишли универсал
микросхема ишлаб чиқилган;

затвор ва исток қаршилиги ўртасига икки тўсиқли тузилма асосидаги

фотоқабулқилгич киритилган, майдоний транзистор асосида кучайтиргич

10

кириш каскадидан иборат электрасбоблар ва технологик жиҳозларнинг
уланиш-узилишини таъминлайдиган масофадан битта ёруғлик зонди билан
бошқариладиган оптоэлектрон калит ишлаб чиқилган;

кириш сигнали истокка бериладиган икки биполяр транзистор ўрнига

калит ва ток манбаи функциясини бажарувчи битта майдонли транзистордан
ва ярим ўтказгичли ёруғлик нурлатгичдан иборат яримўтказгичли ёғду
тарқатувчи асбобларнинг ишлаш режимини стабиллаштириш имконини
берадиган оптик сигналларнинг модулятори ишлаб чиқилган;

стабилитрон, кучланиш чеклагичи ва S-диодлар типидаги токи кескин

ортадиган яримўтказгич асбобларнинг вольтампер характеристикасини
ўлчашни таъминлайдиган, кичик қадамли прецизион мослаштириладиган
токни бериш учун мўлжалланган каналлари синхрон модуляцияланадиган
икки транзисторли схема асосида стабиллашган токлар генератори ишлаб
чиқилган.

Тадқиқотнинг амалий натижаси

қуйидагилардан иборат:

қалинлиги бўйича бошқарилиб борилувчи тақсимотли галлий арсениди

эпитаксиал қатламларини ўстиришнинг ноизотермик усули ишлаб чиқилган
ва унинг асосида база соҳаси биржинсли бўлмаган кўпқатламли фотосезгир
тузилмани, унинг асосий параметрларини оптималлаштириш орқали, энер-
гиятежамкор режимида ишлашини таъминлайдиган технология ишлаб чи-
қилган;

оптикавий йўқотишларни камайтириш ҳисобига кўпқатламли тузилма-

ларнинг фотосезгирлиги ортишини таъминлайдиган индий ва алюмий тар-
кибли гетероструктуралар тайёрлашнинг такомиллаштирилган технологияси
ишлаб чиқилган;

доимий ва ўзгарувчан сигналларни кучайтиришга мўлжалланган, элек-

трон схемада галлий арсениди асосидаги ва кремний назорат намунаси асо-
сидаги майдоний транзисторларнинг функционал имкониятларини очиб бе-
радиган техникавий ечимлар ишлаб чиқилган.

Тадқиқот натижаларининг ишончлилиги

физик жараёнларни тадқиқ

қилишда умумқабул қилинган илмий ва технологик услублар, яримўтказгич-
ли асбобларнинг характеристикаларини ва параметрларини текширишда
стандарт ва кенг қўлланиладиган тадқиқот усулларидан фойдаланилганлиги
билан тасдиқланган. Натижа ва хулосалар замонавий назарий ва экспери-
ментал маълумотларга, яримўтказгичлар ва улар асосидаги материалларнинг
физикавий тасаввурларга асосланган экспериментал маълумотларнинг
ишончлилиги синовдан ўтган комплекс ўлчаш услубларидан ва маълумот-
ларга назарий ишлов беришда фойдаланилганлик билан таъминланган.

Тадқиқот натижаларининг илмий ва амалий аҳамияти

. Тадқиқотда

олинган илмий натижалар базаси градиентли бўлган кўп қатламли юқори
фотосезгир тузилмалар ишлаш физикасини очиб беради.

Олинган

амалий

натижалар

телекоммуникациялар

ва

оптик

сигналларни узатиш ва қабул қилиш тизимларида фойдаланиладиган турли
майдоний транзисторли электрон схемаларнинг режим уланишларини
оптималлаштириш учун муҳим ҳисобланади.

11

Тадқиқот натижаларининг жорий қилиниши

. Электрон қурилма-

ларда яримўтказгичли структураларнинг иш режимини оптималлаштириш ва
функционал параметрларини яхшиловчи қуйидаги 4 та ихтирога Ўзбекис-
тон Республикаси патенти олинган: «Оптик сигналлар модулятори», (IAP
№ 04854, 21.02.2014й.); «Масофадан бошқариладиган оптоэлектрон калит»,
(IAP №04600, 25.04.2012й.); «Эритма-қоришмаларни аралаштириб қўшиб
бориш йўли билан яримўтказгичли материалларни эпитаксиал ўстириш
усули», (IAP № 04053, 09.10.2009й.); «Майдонли фотосезгир транзистор»,
(IAP № 03832, 21.11.2008й.);

яримўтказгичли асбобларнинг ишдан чиқиш сабабларини ва қабул қи-

линган регламентдан четлашишини аниқлаб берувчи «Кичик токлар генера-
тори» қурилмаси «FOTON» АЖда амалиётга жорий этилиб, унинг натижа-
сида тайёр яримўтказгичли асбобларнинг яроқли чиқиш процентини 10 фоиз-
га оширилиб йиллик иқтисодий самарадорлик 20 млн. сўмни ташкил этган
(«Ўзэлтехсаноат» Ассоциациясининг 10.04.2014 йилдаги маълумотномаси).

Тадқиқот натижаларининг апробацияси.

Илмий натижалар респуб-

лика ва халқаро конференцияларда маъруза ва муҳокама қилинган: жум-
ладан 14-«International Young Scientists Conferece» SPO 2013, Kyiv, «Problems
of Optics and High Technology Material Science». (Kyiv, 2013); «Ярим-
ўтказгичлар физикаси ва қурилмалари ҳамда уларни ўқитишнинг муам-
молари» (Наманган, 2013); «Актуальные проблемы физики» (Баку, 2008);
«Неравновесные процессы в полупроводниках» (Ташкент, 2007); «Фунда-
ментальные и прикладные проблемы современной физики» (Ташкент, 2007);
V-International Young Scientists Conferece SPO 2006, Kyiv, Problems of Optics
and High Technology Material Science. (Kyiv, 2006); «Фундаментальные и
прикладные вопросы физики» (Ташкент, 2006); «Микроэлектронные преоб-
разователи и приборы на их основе», МЭПП (Баку-Сумгаит, 2005); RIO 5
«World Climate & Energy Event» (Braziliya, 2005); Scanning probe microscopy -
2003 International Workshop, Nizhny Novgorod (Russia, 2003). Диссертация
ишининг асосий натижалари ЎзР ФА «Физика-Қуёш» ИИЧБ Физика-техника
институти яримўтказгичлар йўналиши бўйича кенгайтирилган семинарида
(2015й. 3-июн) ҳамда Физика-техника институти, Ион плазма ва лазер
технологиялари институти ва Самарқанд давлат университети ҳузуридаги
16.07.2013.FM/T.12.01 рақамли Илмий кенгаш асосида 01.04.10 ихтисослиги
бўйича (техника фанлари) тузилган бир марталик илмий кенгаш қошидаги
илмий семинарда (2015й. 25-ноябр) муҳокама қилинган.

Тадқиқот натижаларининг эълон қилиниши

. Диссертация мавзуси

бўйича 43 та илмий иш, жумладан 23 та мақола, шулардан 8 таси инглиз
тилида халқаро журналларда эълон қилинган, 1 та китоб, конференцияларда
мавзу бўйича 15 та тезис чоп этилган, ихтиро учун 4 та патент олинган.

Диссертациянинг ҳажми

ва тузилиши.

Диссертация кириш, бешта

боб, хулоса, ва 129 номдаги фойдаланилган адабиётлар рўйхати, 2 та илова,
200 саҳифа матн, 89 та расм ва 28 та жадвалдан иборат.

12

ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ МАЗМУНИ

Кириш

қисмида диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати

асосланган,

тадқиқотнинг

республика

фан

ва

технологиялари

ривожланишининг устивор йўналишларига мослиги кўрсатилган, мавзу
бўйича хорижий илмий-тадқиқотлар шарҳи, муаммонинг ўрганилганлик
даражаси келтирилган, тадқиқот мақсади, вазифалари, объекти ва предмети
тавсифланган, тадқиқотнинг илмий янгилиги ва амалий натижалари баён
қилинган, олинган натижаларнинг назарий ва амалий аҳамияти очиб
берилган, тадқиқот натижаларининг жорий қилиниши, нашр этилган ишлар
ва диссертация тузилиши бўйича маълумотлар берилган.

Биринчи боб

«Муаммонинг ҳолати ва морфологик нобиржинс-

лиликларга боғлиқ равишда кўпқатламли яримўтказгичли тузилмалар-
нинг функционал характеристикаларини яхшилаш тенденциялари»

га

бағишланган бўлиб,

муаммонинг ҳолати ва морфологик нобиржинс-

лиликларга боғлиқ равишда кўпқатламли яримўтказгич тузилмаларнинг
функционал характеристикаларини яхшилаш тенденциялари бўйича ада-
биётлар маълумотининг шархи келтирилган ҳамда майдоний транзисторлар
конструктив хусусиятларини уларнинг функционал хоссаларига таъсири,
шунингдек майдонли транзисторларнинг электрик параметрларини яхшилаш
йўллари кўриб чиқилган. Мавжуд маълумотларнинг назарий ва экспери-
ментал таҳлили натижасида вазифаларнинг қўйилиши шакллантирилган.

Иккинчи боб

«Юзаси текстурланган сиртли кўпқатламли тузил-

маларни олиш технологиясини ишлаб чиқиш»

да муаммоларининг ечими,

яъни, диффузия ва суюқлик эпитаксияси усуллари билан текстурланган
сиртли кўпқатламли тузилмаларни яратишнинг технологик босқичлари,
уларнинг спектрал характеристикалари, гетеротузилманинг кучайтириш ва
фотоэлектрик хоссалари, унинг асосидаги масофадан бошқариладиган
оптоэлектрон калитнинг хусусиятларини ўрганиш билан ҳал этилган.

Галлий арсениди буфер қатламининг текстурланган сиртига рух ки-

ришмасининг босқичма-босқич диффузиясини таъминлайдиган, микро-
рельефли сиртга эга кўпқатламли тузилмани комбинирланган усулда олиш
техно-логияси ва кейинчалик унинг устидан бир жараённинг ўзида чекланган
қотишма-эритмадан эпитаксиал гетероқатлам алюминийгаллий арсенид
(

AlGaAs

) ўстириш технология-си ишлаб чиқилган. Буфер қатлам сирти

анизотроп

емириш

натижасида

текстурланиб,

унинг

сиртига

рух

киришмасининг диффузияси рух кукунидан (5.3 см

3

ҳажмли графит камерада

146 мг) 30 дақиқа давомида 800

С

о

ҳароратда амалга оширилган.

Гетероэпитаксиал қатламнинг ўсиши эса суюқ эпитаксия ёрдамида 813

С

о

дан 809

С

о

гача ҳарорат оралиғида 1град/дақиқа совитиш тезлигида амалга

оширилган. Бундан ташқари, диффузия жараёни микрорельефли чегарани
олишга имкон берадиган, тагликнинг сирти (1 см

2

) билан контактда бўлган

қаттиқ жисмли (

GaAs:Zn

га цинк кукуни пуркалган) манбадан ўтказилган.

Олинган тузилма ўтиш чегаралари

кесимларининг микрофотографиялари 1-

расмда ифодаланган.

13

а) ясси

p-n

-ўтиш билан

в) контакт диффузияси билан

олинган

p-n

-ўтишнинг микрорельефли

чегараси

б) дендрит типидаги

микрорельефли

p-n

-ўтиш

1-расм. pGaAs буфер қатлами ва

pAl

0.4

Ga

0.6

As гетероқатламли тузилма

ўтиш чегаралари кесимларининг

микрофотографияси

Тажрибада кўрсатилганидек, олинган кўпқатламли микрорельеф сирт-

ли

As

Ga

Al

p

6

.

0

4

.

0







Zn

pGaAs

:

nGaAs

GaAs

n





тузилмада спектрал сезгирлик

соҳаси қисқа тўлқинлар томонга кенгаяди, квант чиқиши эса ясси сиртли
тузилмаларга қараганда икки марта ортади (2-расм). Бу эффект микрорельеф
шакллантирилишида

р-n

-ўтиш чегарасида фотосезгир юзанинг кенгайиши

билан боғлиқ.

0 ,4

0 ,6

0,8

1 ,0

0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1 ,0

I

к з

,

о .е .



,

м к м

1

2

а) спектрал характеристика

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

В

н

е

шн

я

я

к

в

а

н

т

о

в

а

я

э

ф

ф

е

к

т

и

в

н

о

с

т

ь



,

мкм

1

2

б) фотосезгирликнинг квант чиқиши

2-расм. Ясси (1) ва микрорельефли (2) p-n-ўтишга

эга тузилманинг фотоэлектрик характеристикалари

Суюқ эпитаксия йўли билан арсенид галлий тагликларда индий ва

алюминий таркибли арсенид галлий эпитаксиал қатламлар асосида микро-
текстурланган юзалар олиш технологияси ишлаб чиқилган, унда ютилаётган
нурланишнинг қамраб олиш бурчагини текис юзали структуралардагига
нисбатан оширишга имкон беради. Бундай юзалар

р-n

-ўтишнинг текислиги

билан ажралиб туради, ҳамда бундай юзаларни текстурлаш гетероқатламнинг
таркиби билан аниқланади.

Текстурланган гетероқатламлар алюминий ва германий таркибли қо-

ришма-эритмадан 822

С

о

до 818

С

о

температура оралигида 1 град/минут со-

вутишда ўстирилган.

14

nGaAs -

тагликдаги

As

In

pGa

06

.

0

94

.

0

-

гетероэпитаксиал қатлам устида тар-

кибида 7.5 моль.% легирланмаган арсенид галлий, 0.3 моль.% алюминий ва
3.1 моль% германийли қоришма-эритмадан

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

гетероқатлам ўсти-

рилганда, унинг фронтал сиртида пирамидалар (асоси 40÷60 мкм, ба-
ландлиги 8÷10 мкм) ҳосил бўлиши аниқланган (3-расм). Фотовольтаик
тузилманинг

р-n

-ўтиши текис чегарага эга бўлиб, сирти гетероқатлам тар-

киби билан аниқланадиган технологик текстура билан ажралиб туради ва
ютилаётган ёруғлик нурланишининг қамраб олиш бурчагини ясси тузилма-
ларга қараганда 50 градусдан 90 градусгача оширишга имкон беради.

а) сирт кўриниши

б)

р-n

- ўтиш чегараси

3-расм. Ўстирилган микрорельефли тузилма

микрофотографияси

NGaAs

-таглик билан

As

In

nGa

2

.

0

8

.

0

-гетероэпитаксиал қатлам панжара-

лари параметри фарқи ~1.4% бўлиши ҳисобига юзаси гофрли бўлган ва оптик
сигналларни қабул қилиб кучайтириш учун мўлжалланган икки тўсиқли
тузилма олиш технологияси ишлаб чиқилган.

NGaAs

таглигида қалинлиги

2÷4 мкм бўлган

As

In

nGa

2

.

0

8

.

0

(

15

10

7





n

N

3



см

) гетероқатлам галлийда эритилган

4.9 моль.% арсенид галлий ва 0.7 моль.% индий қотишма-эритмани 838

С

о

дан 822

С

о

гача ҳарорат оралиғида 1 град/дақ. совитиш тезлигида ўстирилган.

Бу гетероизотип тузилманинг иккала сиртига кумушни пуркаш билан тўғри-
ловчи, ёғду тарқатувчи диоддан кирувчи оптикавий сигнални кучайтиришга
имкон берадиган контактлар олинди. Шу асосда битта ёруғлик зонди ёрдами-
да объектни нафақат улашни, балки узишни ҳам таъминлайдиган бошқарила-
диган оптоэлектрон калит ишлаб чиқилди (4-расм).

4-расм. Масофадан бошқариладиган оптоэлектрон калитнинг электрон схемаси

15

Бу ишланманинг ўзига хос хусусияти шундаки, маълум аналогларига

қараганда таклиф қилинган қурилмада нурлантиргич ва қабул қилгич
ўртасидаги ҳосил қилинган сток оптоэлектрон алоқа ҳисобига майдоний
транзистор калит функциясини ҳам бажаради. Бунда масофадан бошқариш
майдоний транзисторни ёруғлик зонди орқали қўзғатиладиган гетероизотип
фотодиод ёрдамида ёпилиш режимида қайта уланиши ҳисобига амалга
оширилади. Бу тизимда қайта уланиш ёруғлик зондининг иккала фотоқабул
қилгичга навбатма-навбат йўналтириб, қайта уланиши билан амалга
оширилади. Бу эса электрасбоб - ускуналарнинг масофадан уланиб-
узилишига имкон беради.

Учинчи боб

«База соҳаси градиентли бўлган кўп қатламли

структуралар тайёрлаш технологиясини ишлаб чиқиш»

га бағишланган

бўлиб, чекланган қотишма-эритмадан суюқлик эпитаксияси усули билан
галлий арсенидли май-донли транзисторларнинг база соҳаси қалинлиги
бўйича киришмалар градиентини шакллантириш усуллари ва уларнинг
майдоний

транзисторнинг

статик,

динамик

характеристикалари

ва

фотокучайтиргич хусусиятларига таъсири кўриб чиқилган. Шунингдек, кўп-
қатламли тузилманинг фаол соҳасини қалинлиги бўйича киришмаларнинг
градиенти диапазонини кенгайтиришга имкон берадиган, қотишма-эритмани
концентрацион

аралаштириш

йўли

билан

қатламларни

эпитаксиал

ўстиришнинг янги усулини амалга ошириш принциплари баён қилинган.

Тадқиқ қилинаётган кўпқатламли галлий арсенидли фотосезгир тузил-

ма ташувчилар концентрацияси 2∙10

19

см

3



бўлган, суюқлик эпитаксияси қу-

рилмасининг учта ячейкасига (катакчасига) жойлаштириладиган, кейинча-
лик битта жараённинг ўзида турли

Те

,

Te+Si

ва

Sn

легирловчи киришмалар

билан кетма-кет

рGaAs

ва

nGaAs-

типдаги ўтказувчанликка эга қатламлар

ўстириладиган

р

-типдаги

GaAs

тагликда олинган.

Ҳамма эпитаксиал қатламлар галлийда эритилган оғирлик нисбатлари

7 моль.% арсенид галлийли маълум киришмалар билан легирланган қотиш-
ма-эритмадан ўстирилган. Қалинлиги 0.5 мкм бўлган

р

-типли эпитаксиал

қатламлар 1 град/дақ доимий совитиш тезлигида 848÷845

С

о

ҳароратлар ин-

тервалида ва

n

-тип ўтказувчанликка эга бўлган 1 мкм қалинликдаги қат-

ламлар эса 845

С

о

бошланғич ҳароратда дастлаб катта тезлик (3град/дақ),

кейин эса кичикроқ тезликда (0,5 град/дақ) совитиш билан ўстирилган. Тан-
ланган легирловчи киришма ва суюқ фазадан эпитаксиал қатламнинг ўсиш
тезлигига мос равишда киришмаларнинг қалинлик бўйича тақсимотининг
тегишли профили шаклланади. Ушбу кўпқатламли тузилмалар асосида мах-
сус конструкцияга эга майдоний транзисторлар тайёрланган бўлиб, унда
затвор яхлит,

n-

тип ўтказувчанликка эга, каналнинг горизонталь ва очиқ

эканлиги эса канал қалинлигини ўзгартириш ва унинг кафолатланган фото-
сезгирлик ва ёпилишини амалга оширишга имкон беради (5-расм). Канал
узунлиги 50 мкм (канал узунлигининг қалинлигига нисбати 10 дан катта)
бўлиб, бу унинг сиртини кимёвий ва морфологик назорат қилиш имконини
беради.

16

Сиғимнинг ҳажмий заряд қалинлиги ўзгариши билан боғлиқ, затвор

р-

n

-ўтиши кучланишига боғлиқлигининг экспериментал маълумотларидан ба-

за соҳа қалинлигининг концентрацион прифили аниқланган. Бу эгри чи-
зиқларнинг таққосланиши шуни кўрсатадики,

Те

(Мус.Г-МТ – Мусбат

градиентли майдонли транзистор)

Те

билан легирланган тузилмада

ташувчилар концентрацияси киришмаларнинг 2.5

.

10

20

см

-4

градиенти билан

ортади (6-расм, 1-эгри чизиқ),

Те+Si

(ТТ-МТ – Текис тақсимотли майдонли

транзистор) билан легирланган каналли тузилмада эса, ташувчилар
концентра-цияси текис тақсимланган (6-расм, 2-эгри чизиқ) бўлади ҳамда
қалай билан легирланган каналли тузилмада (Ман.Г-МТ - Манфий
градиентли майдонли транзистор) ташувчилар концентра цияси киришмалар

Затвор

Сток

Исток

L

z

a

h

y

x

p

+

p

n

1-

Мус.Г -МТ; 2- ТТ- МТ; 3- Ман.Г -МТ

5-расм. Очиқ каналли майдоний

транзистор

6-расм. GaAs эпитаксииал

қатламлардаги киришмалар

тақсимотининг профили

концентрацияси градиенти билан камаяди (6- расм, 3-эгри чизиқ). 1-жадвалда
тадқиқ қилинаётган галлий арсендли майдоний транзис-торларнинг кириш ва
чиқиш

характеристикаларига

каналдаги

киришмалар

тақсимотининг

профили сезиларли даражада таъсир қилиши экспериментал равишда
кўрсатилган. Бунда канали теллур, кремний+теллур билан легирлан-ган
майдоний транзисторларда ва кремнийли майдоний транзисторга нисба-тан
узатиш характеристикасининг эгрилиги бир тартибга камаяди, канали қалай
билан легирланган майдоний транзисторда эса камайиш фақатгина 3 марта
бўлади.

Назорат намунаси сифатида КП303, КП302 кремнийли майдонли тран-

зисторлар танланган. Каналдаги киришмалар тақсимоти мусбат градиентдан
манфийга ўтиши билан қоронғилик токлари икки тартибга камаяди, чиқиш
динамик қаршиликлари эса 96 кОм дан 200 кОм гача ортади. Бу эса канали
қалай билан легирланган майдоний транзисторда узатиш характеристикаси-
нинг тўғри чизиққа келтирилишини асослайди ва 7-расмда кўрсатилганидек,
энергия тежамкорлиги режимида ишлаш имкониятини яратади.

Каналнинг ёпилишига яқин режимда киришмалари текис тақсимланган

майдоний транзисторга қараганда (7-расм, 2-эгри чизиқ) манфий градиентга
эга майдонли транзистор узатиш характеристикасининг тўғри чизиққа яқин-
лашишини (7-расм, 3-эгри чизиқ) узатиш характеристикаларининг каналдаги
киришмалар тақсимоти профилига боғлиқ эмаслигини кўрсатувчи мавжуд

17

назариялар (Бокумэйл ва Ричернинг тадқиқотлари) билан тушунтириб бўл-
майди. Бу назарияларда заряд ташувчиларнинг ҳаракатчанлиги каналнинг
бутун ҳажми бўйича доимий деб қабул қилинган. Назариядан фарқли ўлароқ,
қалай билан легирланган майдоний транзисторда канални қатламма-қатлам
едиришда заряд ташувчилар ҳаракатчанлигининг координат ўзгариши топил-
дики, буни пленка-таглик чегарасига яқинлашиш билан нуқсонлар зич-
лигининг ўзгариши асосида тушунтириш мумкин. Эпитаксиал қатламлар-
даги ток ташувчилар ҳаракатчанлигини ўлчашни юпқа плёнкаларда ўлчаш
методикаси бўйича кичик кучланишларда амалга оширилди. Қалинлик
бўйича ташувчилар ҳаракатчанлиги тақсимоти учун ҳақиқий қиймат

берилган интервалда





( )

( )

( )

d

x

x

x

x

dx









 

функциянинг ўртача қийматини

аниқлашни ҳисобга олган ҳолда топилган бўлиб, бу ҳақдаги маълумотлар 8-
расмда келтирилган.

1-жадвал

Тадқиқ қилинаётган намуналар узатиш характеристикалари эгрилигининг

ёпувчи кучланишга боғлиқлиги бўйича маълумотлар

Мус.Г –МТ-

Te

nGaAs

GaAspGaAs

p

:





100



дин

R

кОм,

9

.

31



вых

R

кОм

зи

U

. В

0

0.5

1.0

1.5

2

2.5

3.0

3.5

си

I

, мкА

422.3

307

202.5

138.1

84.55

38

13.9

2.25

S

, мкА/В

230

209

128.8

107

93.1

48.2

23.3

чикиш

R

S

k





7.3

6.66

4.1

3.4

2.96

1.53

0.74

ТТ –МТ-

Si

Te

nGaAs

GaAspGaAs

p







:

,

130



дин

R

кОм,

5

.

34



вых

R

кОм

зи

U

. В

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

си

I

, мкА

661

415

272

188

126

87.1

48.5

23.2

0.88

S

, мкА/В

491.6

286

167

125.2

77.6

77.2

50.6

44.6

чикиш

R

S

k





16.9

9.8

5.76

4.3

2.67

2.66

1.74

1.5

Ман.Г- МТ-

Sn

nGaAs

GaAspGaAs

p

:





200



дин

R

кОм,

38



вых

R

кОм

зи

U

. В

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

си

I

, мкА

150

115

91

70.5

49.5

35.9

22.3

12.3

1.63

S

, мкА/В

175

120

102.5

105

68

68

50

53.3

чикиш

R

S

k





6.65

4.56

3.89

3.99

2.58

2.58

1.9

2

КП303 Кремнийли назорат майдоний транзистори

96



дин

R

кОм,

5

.

31



вых

R

кОм

зи

U

. В

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

си

I

, мкА

430

283

153

66

19

6

зи

си

U

I

S







/

, мкА/В

294

260

174

94

26

чикиш

R

S

k





9.2

8.19

5.48

2.9

0.81

Айнан мана шу кузатилаётган каналдаги ташувчилар ҳаракатчанлиги-

нинг координацияли боғлиқлиги, тадқиқ қилинаётган майдоний транзистор-
нинг (Ман.Г- МТ) энергия тежамкорлиги режимида, яъни канал ёпилишига
яқин, фойдали сигналнинг ўзгариши ва йўқолишини истисно қиладиган

18

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

4

2

1

3

I

си

/I

си.макс

U

зи

/U

зи.отс

1- Te; 2-(Te+Si); 3- Sn; 4-КП303

7-расм. Транзисторларнинг сток-затвор

узатиш характеристикалари

8-расм. Заряд ташувчиларнинг Холл

ҳаракатчанлигининг эпитаксиал
қатлам қалинлигига боғлиқлиги

режимда ишлашига имкон яратади. Тадқиқ қилинаётган майдоний транзис-
торларнинг кучайтириш хусусиятларини таққослашдан каналида киришма-
ларнинг манфий градиенти бўлган майдоний транзистор киришмаларининг
мусбат градиентига эга майдоний транзисторларга қараганда (2-жадвал) икки
марта кўп (18) ёки кремнийли майдоний транзисторга қараганда эса 3.5 марта
кўп кучайтириш коэффициентига эга эканлиги аниқланди.

Шундай қилиб, қиёсий таҳлил каналдаги киришмалар чизиқли градиен-

тининг майдоний транзистор статик, динамик характеристикалари ва фото-
кучайтириш хусусиятларига таъсири киришмаларнинг мусбат градиенти сток
токининг кучланишга боғлиқлигига ўсувчи характер беришини кўрсатди.

2- жадвал

Кучайтириш коэффициентининг сток-исток кучланишига

боғлиқлиги бўйича маълумотлар*

GaAs да майдоний транзистор, канал теллур билан легирланган

U

си

, В

2.0

2.31

2.69

2.8

2.89

3.1

3.5

3.8

чикиш

U

, мВ

50

64.6

84.7

91.5

83.8

74.6

43.6

24.8

кириш

чикиш

U

U

U

К

/



5.0

6.46

8.47

9.15

8.38

7.46

4.36

2.48

GaAs да майдоний транзистор, канал қалай билан легирланган

U

си

, В

0.5

1.0

1.5

1.75

1.89

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

чикиш

U

, мВ

11.7

25.4 55.5

105.8

180

180

180

180

111

72

кириш

чикиш

U

U

U

К

/



1.17

2.54 5.55

10.5

18

18

18

18

11.1 7.2

КП303 кремнийли назорат майдоний транзистори

U

си

, В

0.45

0.7

1.0

1.6

2.3

2.9

чикиш

U

, мВ

40

75

75

60

50

40

кириш

чикиш

U

U

U

К

/



4

7.5

7.5

6

5

4

*

кириш

U

=

10 мВ,

кГц

f

1



Киришмаларнинг манфий градиентига эга майдоний транзисторларда узатиш
характеристикалари киришмаларнинг мусбат градиентига эга майдоний
транзисторларга нисбатан тўғри чизиққа келтирилади, бунда транзисторнинг
ёпилиши билан кучайтириш коэффициенти сезиларсиз даражада камаяди.
Киришмаларнинг канал қалинлиги бўйича даражали ва ночизиқли тақсимо-

19

тини майдоний транзисторнинг функционал хусусиятларига таъсирини
синчиклаб ўрганиш мақсадга мувофиқ ҳисобланади.

Бироқ, қўпқатламли тузилмаларнинг ўсиш жараёнларини тадқиқ қилиш

асосида ҳар бир легирловчи киришма эпитаксиал қатламнинг қалинлиги бў-
йича киришмалар тақсимотининг тўғри чизиққа яқин бўлган тақсимотини
бериши, унинг градиенти эса ишлатилаётган киришма тақсимотининг ҳаро-
ратга боғлиқ ҳолда берилиши ва у бошқарилмаслиги аниқланди. Кириш-ма-
ларнинг бундай ҳолати кристаллизация чегарасида киришмаларнинг концен-
трациясини ҳосил қилиш шароити ўзгармаслиги билан боғлиқ. Шунинг учун
канал қалинлиги бўйича киришмаларнинг даражали ва ночизиқли тақсимо-
тини олиш учун кристаллизация чегарасида киришмалар концентрациясини
ўзгартиришга имкон берадиган технологик шароитни яратиш керак. Бунга
эса асосий қотишма-эритмага киришмалар концентрацияси билан фарқла-
надиган қўшимча қотишма-эритмани киритиш йўли билан эришиш мумкин.

Бу мақсадга эришиш учун ўстирилаётган қатламнинг қалинлиги бўйича

киришмалар концентрациясининг чамаланган градиентни олиш учун қотиш-
ма-эритмани аралаштириш йўли билан кўпқатламли яримўтказгич

p

+

pn

- эпи-

таксиал қатлам ўстиришни таъминлаб берувчи махсус қурилма (9-расм) иш-
лаб чиқилган. Бунда асосий ва қўшимча қотишма-эритма киришмаларининг
концентрацияси орасидаги фарқ камида икки тартибга тенг бўлиши керак.
Асосий қотишма-эритмага киритиладиган қўшимча қотишма-эритманинг
дискрет қисми

m

массаси киришмалар тақсимоти профилини аниқлайдиган

тезлик

n

t

m









0

билан берилган

n

l

km

m

0



ифодани қаноатлантириши керак.

а) геометрик кесим

б) қурилма элементлари

9-расм. Икки поршенли графит қурилма

Графит қурилмада дастлаб галлийда эритилган 7 моль.% ташувчилар

концентрацияси

17

10

3



см

бўлган арсенид галлийли қотишма-эритмадан

р

-тип

эпитаксиал қатлам 845

0

С ҳароратда 1 см

2

юзага,

19

10

2



3



см

концентрацияга

эга

p

+

-

тип тагликка горизонталь узатиш йўли билан ўстирилади. Сўнгра

р

-

тип эпитаксиал қатлам устига олдинги нисбатда галлийда эритилган
ташувчилар концентрацияси 7.5∙10

17

см

3



га тенг бўлган

n

-типли арсенид

галлийли асосий қотишма-эритма горизонталь тарзда берилади. Ўстириш
камаядиган тезликда мажбурий совитиш билан 830

0

С ҳароратда асосий

қотишма-эрит-мага

15

10

3



см

концентрацияли

Ga+GaAs:Sn

(1800 мг 1560:240)

қўшимча қотишма-эритмани вертикал тарзда бериш йўли билан амалга
оширилади.

р

-типли эпитаксиал қатлам устига аралаштирилган қотишма-

20

эритмадан, вольт-сиғим характеристикадан аниқланадиган,

n

-типли (3



1)

16

10

3



см

камаювчан концентрацияли қатлам ўстирилади. Таклиф этилаётган

усулнинг бошқа усуллардан фарқи шундаки, қўшимча қотишма-эритманинг
қўшилиши асосий қотишма-эритманинг тўйиниб кетишига олиб келмайди,
бунда тўйинишга мажбурий совитиш ҳисобига эришилади. Киришмалар тақ-
симотининг профили қўшимча қотишма-эритмани узатиш тезлиги (

)

(

t

f





)

билан бошқарилади. Ушбу технология асосида олинган узатиш характерис-
тикасининг тўғри чизиқли бўлиши туфайли каналида киришмаларнинг ман-
фий градиентига эга бўлган фотосезгир майдоний транзистор юқори фото-
сезгирлигини нафақат канал очиқ холда, балки канални ёпиш режимига
(U

зи

=0.8 В) яқинлашганда ва ишчи кучланиши 1.3÷2.2В бўлган оралиғида

ҳам сақлаб қолади. 1.8 В га тенг оптимал ишчи режимда ва 100 лк га тенг
интеграл ёритил-ганликда фототок 4.5 мкА бўлиб сезгирлиги 1.28 А/лм ёки
8.26·10

2

А/Вт бўлиб канали теллур билан легирланган киришмалар

градиенти мусбат бўлган майдоний транзисторга қараганда икки марта, ток
бўйича фотоэлектрик кучайтириш коэффициенти эса олти марта (60) катта.

Тўртинчи боб

«Майдоний транзисторларнинг кам энергия истеъ-

мол қилишини таъминловчи янги уланиш режимлари»

да

кўрсатилиб,

бошқариладиган

n

p

p





-ўтишли фотосезгир майдоний транзисторнинг ула-

ниш режимларига боғлиқ ҳолда функционал ҳамда микро ва оптоэлек-
троникада фойдаланиладиган микросхемалар яратиш имкониятларини очиб
берадиган кремнийли майдоний транзисторларда узатиш характеристика-
ларининг схемотехник йўл билан тўғри чизиққа келтириш учун асос
ҳисобланадиган сток токининг тўйиниш жараёнлари таҳлил қилинади.

Майдоний транзисторнинг максимал фотосезгирлигини олишнинг оп-

тимал режимларини топиш учун қиёсий таҳлил ўтказилган. Майдоний тран-
зисторнинг ёруғлик интенсивлиги камайиши билан содир бўладиган ҳаракат-
ланувчан режимда ёруғлик интенсивлигига боғлиқ вольтампер характе-
ристикаси каналнинг ёпилиши ҳисобига вольтампер характеристикалар
туркумини ҳосил қилади. Умумий истокка эга бўлган режимда эса, сток куч-
ланиши қийматига боғлиқ бўлмаган қийматга эга бўлади, чунки ёруғлик
ҳосил қилган ўзгариш затвор кучланиши орқали компенсацияланади.

Канални автоматик тўсиш режимида канал қалинлиги модуляцияси-

нинг хусусиятлари билан боғлиқ энг юқори кучайиш кузатилади. Затвор очиқ
бўлган ва транзистор (умумий истокли уланиш) режимида майдоний тран-
зисторнинг квант самарадорлиги таққосланиши затвор очиқ бўлган режимда
кичик кучланишларда (2.23 В га қарши 2В) квант самарадорлигининг бир
хил қийматларини (60÷65) олиш мумкинлигини кўрсатди (10-расм). Опто-
электрон уланиш амперметр сток ва исток орасида, ишчи кучланиш эса сток
ва затворга уланган режимда фототок ишорасининг инверсия бўлиши
топилган. Бу режимда фототокнинг кучланишга боғлиқ равишда ортиши
сток-затвор ўтиши аста-секин ёпилаётган вақтда затвор-исток ўтишининг
дастлабки ҳолатга қараганда тўғри йўналишда силжиши билан боғлиқ.

Натижада ишчи кучланиш ортиши билан фотоқабул қилувчи майдон

21

1- эркин затвор билан;

2- канални автоматик тўсиш режимида

10-расм. Майдоний

фототранзисторнинг спектрал

характеристикаси

ҳам, фототашувчилар генерацияланадиган ҳажм ҳам ортади. Шу вақтнинг
ўзида қоронғулик токининг фототок билан компенсацияси туфайли, унинг
шовқин токини ташкил этувчиси кескин камайиши аниқланган. Ишчи
кучланиш ортиши билан икки барьер орасидаги фотоқабул қилувчи сиртнинг
қайта тақсимланиши – бу сток-затвор кучланиши билан каналнинг ёпилиш
режимида майдоний фототранзисторнинг хусусияти ҳисобланади. Майдоний
транзисторларда сток токи ортиб бориши билан канални автоматик тўсиш
режимида яққол ифодаланган схемотехник сток токи тўйиниши ва фото-
электрик кучайиш коэффициенти умумий истокли уланиш режимига (60)
қараганда тўрт марта ортиқ (250) қийматга эгалиги аниқланган.

Канали автоматик тўсиш режимида тадқиқ қилинаётган майдоний

транзистор сток токи тўйинишининг сабабини анализ қилиш натижасида,
канални тўсаётган резисторда кучланиш тушишининг тўйиниш характери
аниқланган. Бу кучланиш исток-затвор ўтишининг ёпилишига ва затворнинг
бутун кенглиги бўйича қўзғалмас ионлашган зарядлар ҳосил бўлиши
ҳисобига каналнинг торайишига хамда сток токининг яққол ифодаланган
тўйинишига олиб келади. Канални тўсувчи қаршиликнинг танланган турли
қийматларида сток токи яққол ифодаланади ва сток характеристикаларининг
туркуми шаклланади.

Шуни таъкидлаб ўтиш жоизки, қаршилик қиймати қанча катта бўлса,

сток токи қиймати шунча кам бўлади. Автоматик тўсиш режимида каналнинг
тагдан ёритилиши канални тўсувчи кучланиш синхрон камайишига ва сток
токи ортишига олиб келади.

Галлий арсенидли майдоний транзисторнинг сток токи тўйиниш

жараёнини тадқиқ қилиш натижалари асосида янги техникавий ечим таклиф
қилинган бўлиб, у сток токи катта бўлган (3÷30 мА) КП302 кремнийли
назорат майдоний транзистори асосидаги нур таратувчи яримўтказгич асбоб-
ларнинг стабил ишлаш режимини таъминлашга имкон беради.

Оптик сигналларнинг ток стабилизатори ва икки биполяр транзистор

калитидан иборат бўлган модуляторидаги фойдали сигнал бузилишини олди-
ни олиш ва ишчи ток стабиллигини ошириш учун, таклиф қилинаётган моду-
ляторда калит ва ток стабилизаторининг манбаи сифатида келтирилган
схемага мувофиқ уланган битта майдоний транзистордан фойдаланиш так-
лиф қилинади (11- расм). Таклиф қилинаётган модуляторда ишчи ток ишчи

22

а) маълуми

б) таклиф қилинаётгани

11-расм. Оптик сигналлар модулятори схемаси

кучланиш 10 В дан 3В гача камайганда ҳам ўзгармасдан қолади. Товуш
сигнали манбаидан келадиган фойдали сигнал истокнинг чиқишига уланиши
хисобига умумий истокли схемадагига нисбатан кўпроқ каналнинг чуқур
модуляцияси таъминланади.

Автоматик тўсиш схемасидаги оддий резисторни майдоний транзистор

каналининг қаршилигига алмаштириш бизнинг янги ёндашувимиз моҳия-
тини ташкил қилади (12-расм). Бунда база соҳаси қалинлигининг, майдоний
транзистор кучайтириш коэффициентининг умумий истокка уланиш режими-
га қараганда янада кўпроқ қийматини олишга имкон берадиган, янада чу-
қурроқ модуляцияси рўй беради. Бу ерда шуни таъкидлаб ўтиш жоизки,
«ячейка» деб аталадиган, икки майдоний транзисторнинг уланиш схемаси
бир томондан комбинацияланган, яъни умумий затворли майдоний транзис-
торни ва умумий истокли майдоний транзисторни ўз ичига олади. Бошқа то-
мондан, улардаги 2 - умумий чиқишнинг мавжудлиги унинг уланиш режим-
лари комбинациясини кўпайтиришга имконият яратади. 1 ва 3 чиқишлар иш-
чи кучланишни беришга, 4 - чиқишдан эса ушбу катакчанинг ишчи режим-
ларини берадиган тўсиш кучланишни бериш учун фойдаланилади.

Ушбу уланиш схемасидан фойдаланиш, товуш генераторидан синусо-

ида шаклидаги кичик (~2 мВ) ўзгарувчан сигналдан, сток токининг яққол
ифодаланганлиги тўйиниши ва узатиш характеристикасининг тўғри чизиқ-
ланиши (13-расм) туфайли, 3-жадвалда келтирилганидек, ёпилиш кучлани-
шининг ярмига тенг тўхтатувчи кучланишда кучайтириш коэффициентини

3-жадвал

Кучайиш коэффициентининг тўхтатувчи кучланиш

катталигига боғлиқлиги бўйича маълумотлар*

В

U

ЗИ

,

0.3

0.31

0.32

0.325

0.33

0.335

0.36

0.44

0.54

0.6

мВ

U

ВХ

,

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

мВ

U

ВЫХ

,

22

64

130

140

140

130

100

80

40

20

УС

К

11

37

65

70

70

65

50

40

20

10

*

Гц

f

400



70 гача ошириш имконини берадиган микросхема таклиф этилган. Унда қў-
шимча транзистор затворининг чиқиши исток чиқишидан ажратилган ва бу
истокнинг чиқиши маълум каскаддан фарқли равишда, асосий транзистор

23

12-расм.

Икки транзисторли ячейка

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

3

2

I

cи

, о.е

U

зи

, о.е

1

1-U

ёпилиш

= -0.8 В; 2-U

ёпилиш

= -0.5 В

3-кетма-кет уланган

13-расм. Тадқиқ қилинаётган майдоний

транзисторларнинг узатиш

характеристикалари

затворининг чиқишига уланган бўлиб, кучайтириш коэффициентини оши-
ришга имкон беради. Таклиф қилинган икки транзисторли «ячейка»
асосидаги ток регулятори, ҳарорат ўлчагичи ва оптик сигнал кучайтир-
гичларининг уланиш режимларининг турли комбинацияларидаги ишланма-
лари имкониятлари кўрсатилган.

Ушбу икки каскадли «ячейка» динамик юкламага эга каскаддан

иборат бўлиб, тегишлича модернизацияланса, кичик ва ўртача қувватли ки-
риш сигналларини йўқотишлар ва бузилишларсиз ўзгартириш учун ишлати-
лиши мумкин. Кириш сигналидан бир вақтнинг ўзида иккала канал
модуляцияланадиган, кучайтириш хусусиятлари яхшиланадиган ва уни турли
функционал мўлжалдаги қурилмалар яратиш учун тадбиқ қилиш имконияти
пайдо бўлади. Динамик юкламали таклиф қилинаётган микросхема маълум
микросхема-ларга қараганда, кетма-кет уланган иккала каналнинг бир
вақтнинг ўзидаги модуляцияси ҳисобига, берилган уланишда 100 гача бўлган
икки тартибга катта кучайтириш коэффициентига эга бўлади. Майдоний
транзистордаги динамик юкламали универсал микросхема кремний,

SiGe

қаттиқ қотишмаси, шунингдек А

3

В

5

и А

2

В

6

яримўтказгич бирикмалари

асосида ҳам тайёрланиши мумкин, 14-расм.

14-расм. Универсал микросхеманинг кўндаланг кесими

Шундай қилиб, майдоний транзистордаги динамик нагрузкали каскад

асосидаги таклиф қилинаётган микросхема меёрига етказилган яримўтказ-

24

гичлар ишлабчиқариш технолгияси асосида ишлаб чиқарилиши мумкин ва
ўзгарувчан сигналларнинг кучайтиргичи сифатида ҳамда уланиш режими
билан аниқланадиган бошқа мақсадларда ишлатилиши мумкин,

Бешинчи бобда

«Кўпқаватли структураларнинг ток характерис-

тикалари ва олиш технологиясининг аналитик хисоби тадқиқотлари»

келтирилган бўлиб, нотекис сиртга эга бўлган ярим ўтказгичга металнинг
диффузияси жараёни, чегараланган ва ортиб борадиган ҳажмли қотишма-
эритмадан ўстириладиган галлий арсенидли кўпқатламли тузилмалардаги
киришмалар тақсимотининг профили шакллантирилган. Уланишнинг диод ва
транзистор режимида киришмаларнинг турли градиентига эга кўп қатламли
тузилмаларда ток ташиш жараёнларининг механизмлари анализ қилинган.

Металнинг (

Zn

) текстурланган сиртли яримўтказгичга (

n

GaAs) диффу-

зияси жараёнини моделлаштирилишида аниқланишича, диффузияланаётган
металл концентрациясини ва диффузия ўтказиш вақтини ўзгартириб турли
шакл ва сиртга эга бўлган

p-n

-ўтишни олиш мумкин. Берилган ҳароратда ва

металнинг чекланган миқдорида рухнинг 30 дақиқа ичида 700

0

С даги диффу-

зиясида

p-n

-ўтиш чегараси, 15а-расмда кўрсатилганидек, ярим ўтказгич

сирти текстурасини такрорлайди, ҳарорат (900

0

С) ва диффузия вақти даво-

мийлиги ортиши билан диффузия чегарасининг аста-секин текисланиши рўй
беради (15б-расм).

15-расм. GaAs да Zn диффузияси фронти

Бу эса яримўтказгичга металл диффузияси коэффициентининг ортиши

билан боғлиқ бўлиб, галлий арсенидига цинк атомлари диффузияси жараёни-
нинг экспериментал маълумотлари билан тасдиқланади.

Рух атомларининг текстурланган арсенидгаллий сиртига диффузияси

жараёнларини физик-математик моделлаштириш ёрдамида кўрсатилганки,
диффузант миқдори ва жараён давомийлигини танлаш йўли билан микро-
рельеф профилини бошқариш мумкин. 15-расмда вақти

t



30 минут бўлган

диффузия жараёни таҳлил қилинганда металл профили тузилма профилини
айнан такрорлаши ва моделлаштириш натижалари билан мос келиши ҳар хил
диффузия шароитлари учун 4- жадвалда кўрсатилган. Диффузия вақти ёки
ҳарорати оширишилганда арсенид галлийда рух металининг профили текис-
ланиб ясси холатга тўғри келади. Кристаллизация чегарасида киришмалар
концентрациясини бошқариш мақсадида асосий қотишма-эритмага берилган
тезликда қўшимча қотишма-эритмани аралаштириш ҳисобига легирловчи

25

4-жадвал

Ҳар хил диффузия шароитларида узунлик ва вақтнинг ўлчамсиз

катталикдан ўлчамли катталикка ўтишидаги хисобий маълумотлари

Т,

о

С

D,

см

2

/сек

[

x

~ ]

мкм

[

t

~

]

мин

01

.

0

~



t

мин

05

.

0

~



t

мин

700

2,98·10

-13

10

5,6·10

4

560

2800

750

1,39·10

-12

10

1,2·10

4

120

600

800

5,64·10

-12

10

3000

30

150

850

2,02·10

-11

10

800

8

40

900

6,46·10

-11

10

250

2,5

12,5

киришмаларнинг миқдори ва ҳажмини бошқариш таклиф қилинади.

чизиқлар – ҳисоб

нуқталар–экспериментал

16-расм.

Концентрацион аралаштириш

усулида

қалинлик бўйича киришмалар

тақсимоти

Киришмаларнинг шаклланадиган но-
чизиқли градиентини тушунтириб бе-
ра оладиган моделлаштириш ўтка-
зилган. Сиқиб чиқарадиган поршен
қадамининг ўзгариш қонунини орқа-
ли қўшимча қотишма-эритмани бе-
риш тезлигини қуйидаги ифода билан

0

0

(

, )

n

f m t

m t









бошқариш мумкин.

Бу ерда



ва

n

- коэффициентлар бў-

либ, улар қўшимча қотишма-эритма-
ни бериш тезлиги ўзгаришини ва ки-
ришма тақсимоти профилини бош-
қариши мумкин (16- расм).

Киришмалар тақсимотининг технологик жараёнда ҳосил қилинадиган

профиллари майдоний транзисторнинг сток-затвор характеристикаларига
сезиларли даражада таъсир қилади. Физик-математик ҳисоб маълумотлари
канал қалинлиги бўйича ташувчилар ҳаракатчанлиги ва киришмаларнинг
текис тақсимланиши ҳолатида сток токлари тўхтатувчи кучланишга квад-
ратик қонун бўйича кучайиш коэффициентининг камайишига олиб келиши-
ни кўрсатди (17а-расм).

Узатиш характеристикаларининг аналитик - ҳисоб тадқиқотлари асо-

сида аниқландики, назарий ва экспериментал эгри чизиқлар, эпитаксиал қат-
ламларда ташувчилар ҳаракатчанлиги экспериментал тадқиқотларининг
натижалари билан тасдиқланадиган, (Ман.Г -МТ) канал қалинлиги бўйича
ташувчилар ҳаракатчанлигининг градиенти мавжуд, деб фараз қилинган-
дагина бир-бирига мос келиши аниқланди (17б-расм).

Бунда қалай билан легирланган майдоний транзистор каналида ташув-

чилар ҳаракатчанлигининг юқори манфий градиенти мавжудлиги каналнинг
эффектив узунлигини қисқартиришга, шу билан бирга транзисторларнинг уза
тиш характеристикасини тўғри чизиққа олиб келган ҳолда, ташувчилар
концентрациясининг электр майдон кучланганлигига боғлиқлигини харак-

26

терлайдиган

L

N

qa

нас









0

2

2





параметри қийматини 10 гача ортишига олиб келади

(17в-расм).



параметрининг кичик қийматларида канал модуляцияси асосан

ташувчилар ҳаракатчанлигининг профили билан, катта қийматларида эса
киришмалар концентрациясининг профили билан аниқланади.

а)

const





б)

1

-

x











0

;

2-

x











0

17-расм. Майдоний транзисторларнинг узатиш характеристикалари

Каналидаги киришмаларнинг манфий градиентига эга майдоний

транзис-торда узатиш характеристикалари худди қисқа каналли майдоний
транзисторлардаги каби тўғри чизиқланади. Бу эса эпитаксиал каналнинг
ўсиш жараёнини ўзгартириб ва қалинлик бўйича киришмалар тақсимотини
бошқариб, қисқа каналли транзистор хусусиятига эга узун каналли майдонли
транзисторларни тайёрлаш мумкин бўлганлиги учун ундан энергиянинг кам
сарфида тежамкор режимда фойдаланиш мумкин. Каналидаги киришмалар
градиенти шаклланиши ҳисобига қоронғилик ва ёруғлик токларини
бошқариш имкониятини кўрсатадиган майдоний транзисторнинг диод
режимидаги

фотоэлектрик

характеристикаларининг

аналитик

ҳисоб

тадқиқотлари ўтказилди.

ХУЛОСА

1. Таглик билан алоқада бўлган асосий қотишма-эритмага қўшимча қо-

тишма-эритмани дискрет қисмлар ва бошқарилувчи тезликда қўшиш йўли
билан берилган киришманинг эпитаксиал қатлам қалинлиги бўйлаб тақ-
симотининг шаклланшини таъминлайдиган суюқ эпитаксиянинг янги усули
ишлаб чиқилган.

2. Ҳажми ўзгармас ва ўзгарувчан хажмли қотишма-эритмадан ўстири-

лаётган эпитаксиал қатламлар қалинлиги бўйича киришмалар тақсимоти
шаклланиши аналитик ҳисобланган, бунда асосий қотишма-эритмага қў-
шимча қотишма-эритмани юбориш тезлиги қонунияти киришмалар тақси-
мотини бошқариши кўрсатилган.

3. Ягона жараёнда база соҳасининг текстураланган сиртига рух диффу-

зияси, сўнгра кетидан эпитаксиал гетероқатламни ўстиришнинг оптимал
режимлари аниқланган. Металлни текис бўлмаган юзали яримўтказгичга
диффузия жараёнини компьютерли моделлаштириш орқали диффузия
вақтини ошиши билан

р-n-

ўтиш чегараси текисланиши кўрсатилган.

27

4. Таглик билан гетерослой орасида панжара параметрлари фарқи

~1.4% индий ортиқлиги ҳисобидан юзаси гофр шаклида технологик текстур-
ланган индий таркибли арсенид галлий эпитаксиал қатламли иккитўсиқли
изотип

NGaAs

As

In

nGa



2

.

0

8

.

0

-гетероструктура олиш технологияси ишлаб

чиқилган.

5. Индий таркибли гетероқатлам устида ўстирилган фронтал

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

гетероқатламда германий легирловчи киришмаси 3.1 моль.%

бўлганда (асоси 40÷60 мкм га ва баландлиги 8÷10 мкм га тенг бўлган)
пирамидалар кўринишидаги технологик текстураланган сиртга эга фотоволь-
таик

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

-

As

In

pGa

06

.

0

94

.

0

- nGaAs -

тузилмалар олиш технологияси

яратилган.

6. Затвор ва исток қаршилиги орасига икки барьерли тузилма асо-

сидаги фотоқабул қилгич жойлаштирилган, майдоний транзистордаги кириш
каскадига эга кучайтиргичдан ташкил топган элекр асбоблар ва технологик
жиҳозларни ёруғлик зонди ёрдамида улаб-узишни таъминлайдиган масофа-
дан бошқариладиган оптоэлектрон калит ишлаб чиқилган.

7. Кириш сигнали истокка бериладиган икки биполяр транзистор ўр-

нига битта майдоний транзистор, ток манбаи ва ёғду диодидан иборат
яримўтказгичли ёруғлик таратувчи асбобларнинг стабил ток режимини таъ-
минлавчи ва биполяр транзисторнинг сиғими катталигига боғлиқ сигналлар
бузилишининг олдини олувчи оптик сигналлар модулятори ишлаб чиқилган.

8. Канали мусбат градиентли майдонли транзисторга нисбатан икки

марта катта фотосезгирликка (800 А/Вт) ва 6 марта катта ток кучайтириш
коэффициентига (60) эга бўлган арсенид галлий асосида канали манфий
градиентли майдонли транзистор яратилган.

9. Узун каналли транзисторда канал қалинлиги бўйича ҳаракатчанлик

ва киришмалар тақсимотининг градиентини ҳисобга олган ҳолда, тежамкор-
лик режимида фойдаланишга имкон берадиган, қисқа каналли майдоний
транзисторнинг хусусиятлари ҳосил бўлишини тасдиқлайдиган сток вольт-
ампер характеристикаларининг аналитик ҳисоби тадқиқоти ўтказилган.

10. Каналнинг ёпилишига яқин режимда бир тартибга катта (70)

кучайиш коэффициентини таъминлайдиган, каналлари синхрон (бир вақт-
нинг ўзида) модуляциялашадиган икки транзисторли схема асосида тўртта
чиқишга эга универсал микросхема таклиф қилинган.

11. Стабилитрон, кучланиш чеклагичи ва S-диодлар типидаги токи

кескин ортадиган яримўтказгич асбобларнинг вольтампер характеристикаси-
ни ўлчашни таъминлайдиган, кичик қадамли прецизион мослаштириладиган
токни бериш учун мўлжалланган каналлари синхрон модулланадиган икки
транзисторли схема асосида стабиллашган ток генератори ишлаб чиқилган.

28

29

НАУЧНЫЙ СОВЕТ ПО ПРИСУЖДЕНИЮ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ

ДОКТОРА НАУК 16.07.2013.FM/T.12.01 ПРИ ФИЗИКО-

ТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОГО

ОБЪЕДИНЕНИЯ «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ», ИНСТИТУТЕ ИОННО-

ПЛАЗМЕННЫХ И ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И САМАРКАНДСКОМ

ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

_________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ _________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ «ФИЗИКА-СОЛНЦЕ»

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЁДГОРОВА ДИЛБАРА МУСТАФАЕВНА

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ

СТРУКТУР НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

01.04.10 – Физика полупроводников (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ ДОКТОРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Ташкент – 2015 год

30

Тема докторской диссертации зарегистрирована в Высшей аттестационной комиссии

при Кабинете Министров Республики Узбекистан, за 30.09.2014/В2014.5Т265.

Докторская диссертация выполнена в Физико-техническом институте.
Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский) размещен на

веб-странице Научного совета по адресу

fti-kengash.uz

и Информационно-образовательном

портале “ZiyoNet” по адресу

www. ziyonet.uz

Научный консультант:

Каримов Абдулазиз Вахитович

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты

:

Абдукадыров Мухитдин Абдурашитович

доктор технических наук, профессор

Алиев Райимжон

доктор технических наук, профессор

Тагаев Марат Баймуратович

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация:

Ташкентский государственный технический университет

Защита состоится «____»_____________2015 г. в ____часов на заседании научного совета

16.07.2013.FM/T.12.01

при Физико-техническом институте, Институте ионно-плазменных и

лазерных технологий и Самаркандском государственном университете по адресу: 100084,
г.Ташкент, ул. Бодомзор йули - 2б. Тел./Факс: (+99871) 235-42-91, e-mail:

lutp@uzsci.net

.

Докторская диссертация зарегистрирована в Информационно-ресурсном центре Физико-

технического института, за № 04, с которой можно ознакомиться в ИРЦ по адресу: 100084,
г.Ташкент, ул. Бодомзор йули - 2б. Тел./Факс: (+99871) 235-30-41.

Автореферат диссертации разослан «___»______________2015 года
(протокол рассылки ___от ____________2015 г.).

С.Л. Лутпуллаев

Председатель научного совета по присуждению

учёной степени доктора наук, д.ф.-м.н., профессор

М.Н. Турсунов

Учёный секретарь одноразового научного совета

по присуждению учёной степени доктора наук, д.т.н.

И.Г. Атабаев

Председатель научного семинара при Научном совете

по присуждению учёной степени доктора наук, д.ф.-м.н., профессор

31

Введение (Аннотация докторской диссертации)

Актуальность и востребованность темы диссертации.

В мире одним

из важных физико-технологических проблем в динамично развивающемся
направлении микро и оптоэлектроники является разработка многослойных
фоточувствительных структур на основе полупроводниковых материалов с
улучшенными функциональными характеристиками. При этом изучение
взаимосвязи

электрофизических

параметров

активной

области

арсенидгаллиевых фоточувствительных структур с их эксплуатационными
параметрами

позволит

получить

новые

технические

решения

способствующие

раскрытию

ранее

неизвестных

возможностей

многослойных фоточувствительных структур. Работы, проводимые по
усовершенствованию канальной области полевого транзистора, решению
проблем снижения энергопотребления, по разработке полевых транзисторов
с

р-n

-переходом, а также по разработке технологии изготовления

фоточувствительных структур являются перспективными направлениями
исследований.

Применение многослойных полупроводниковых приборов, в том числе

фотодиодов

и

транзисторов

в

автомобильной

промышленности

и

телекоммуникации требует повышения их рабочей частоты, линеаризации
передаточных характеристик, увеличения коэффициентов усиления и
исследования схем подключения. В связи с этим в целях оптимизации
конструктивных

параметров

полевых

транзисторов

исследования,

проводимые по влиянию на свойства полевых транзисторов, параметров
эпитаксиальных структур являются актуальными.

Данная исследоватальская работа направлена на разработку способа

эпитаксиального роста полупроводниковых материалов путем смещивания
растворов-расплавов, а также получению арсенидгаллиевых многослойных
фоточувствительных структур с управляемым градиентом распределения
примесей и подвижности, и фотодиодных структур с микрорельефной
границей раздела. Улучшение функциональных характеристик таких
структур,

получение

фотчувствительных

полевых

транзисторов

во

взаимосвязи с особенностями технологии изготовления и обеспечение их
работоспособности в энергосберегающем режиме является необходимостью
диссертации.

Настоящая диссертация служит выполнению в определенной степени

задачи по повышению конкурентоспособности изделий электронной техники
касающейся, в частности, задач отмеченных в постановлении Президента
Республики Узбекистан ПП-1442 “О приоритетах развития промышленности
республики Узбекистан в 2011 - 2015 годах” от 15 декабря 2010 года.

Соответствие

исследования

приоритетным

направлениям

развития науки и технологий Республики Узбекистан.

Диссертация

выполнена в соответствии с приоритетными направлениями развития науки и
технологий Республики Узбекистан ППИ-3-“Энергетика, энерго- ресурсосбе-
режение, транспорт, машино- и приборостроение; развитие современной

32

электроники, микроэлектроники, фотоники, электронного приборостроения”.

Обзор

международных

научных

исследований

по

теме

диссертации.

Исследования в области полевых транзисторов проводятся в

ведущих университетах и центрах, в частности, в университетах Беркли
(США) и Moнтпелие (Франция), а также фирмой Mitsubishi Elеctric (Япония)
по разработке технологии изготовления полевых транзисторов с

р-n

-

переходом и барьером Шоттки, НПП «Полюс» (Россия) по высокочастотным
полевым транзисторам на арсениде галлия, а в Калифорнийском
университете (США) ведутся работы по технологии получения полевых
транзисторов на

графене.

В мировом масштабе решены несколько актуальных проблем, в

частности, в области получения приборов с внутренним усилением на основе
новых полупроводниковых материалов получены важные результаты: на
основе эффекта сверхпроводимости создан полевой транзистор управляемый
светом – (Национальный университет естественных наук Японии);
разработан высокочастотный двумерный полевой транзистор с электронным
каналом – (Университет Монтпелие Франции); изготовлен полевой
транзистор с вертикальным каналом со статической индукцией – (фирма
Sony

Японии);

на

основе

технологии

получения

качественных

эпитаксиальных слоев алюминий-нитрид галлия AlGaN/GaN на подложках Si
(111) получен полевой транзис-тор работаюший при больших температурах –
(компания Nitronex США).

На сегодня проводятся перспективные исследования посвященные

решению технических проблем изготовления фоточувствительных структур
на основе эпитаксиальных слоев с текстурированной поверхностью и
управляемым градиентом примесей, а также расширения их функциональных
характеристик.

Степень изученности проблемы.

Со стороны А.Г. Милехина рассмот-

рены возможности использования полевого транзистора в многочисленных
комбинациях видов включения для различных назначений. Однако в этих
режимах полевому транзистору присущи нестабильность параметров и
низкие коэффициенты усиления, обусловленные отсутствием приемов
линеаризации его передаточной характеристики. Ученым из США R.A.
Puselем показано, что известные технологические способы улучшения
параметров за счет укорочения длины канала полевого транзистора приводят,
с одной стороны, к улучшению усилительных свойств за счет линеаризации
крутизны передаточной характеристики в зависимости от характера
распределения примесей в канале, а с другой стороны повышают
рассеиваемую мощность из-за увеличения рабочего тока. Вследствие этого
факта такие полевые транзисторы становятся экономически невыгодными из-
за невозможности их работы в режиме, близком к отсечке канала.

В тоже время известным ученым R.N. Noycом показано, что создание

продольного градиента примесей по длине канала с уменьшающейся
концентрацией носителей в направлении истока позволяет лишь повысить
эффективность модуляции сопротивления канала напряжением затвор-исток,

33

но, ни в коем случае не влияет на передаточные характеристики из-за
равномерного распределения примесей по толщине канала. При этом не
рассмотрены случаи градиента концентрации и подвижности носителей по
толщине канала.

Специалистом в области жидкостной эпитаксии, ученым из России

В.М. Андреевым показано, что имеющиеся технологии получения из жидкой
фазы

арсенидгаллиевых

многослойных

эпитаксиальных

структур

с

принудительным охлаждением раствора-расплава дают технологически
плохо управляемые малые градиенты профиля распределения примесей,
обусловленные

температурной

зависимостью

их

коэффициента

распределения. Целенаправленные изменения конструкции устройств
жидкостной эпитаксии могут служить основой для модернизации способов и
методов создания градиентного распределения примесей в базовой области
полупроводниковых приборных структур и определения их влияния на
диодные и транзисторные свойства.

До сегодняшнего дня в развитие технологии жидкостной эпитаксии

определенный вклад внесли школы академика Ж.И. Алферова, профессора
Ю.П. Яковлева академика М.С. Саидова, группы докторов М.Н. Турсунова,
М.А. Абдукадырова и А.В. Каримова каждая из которых развивала
различные технологические аспекты в соответствии со своими целевыми
установками и задачами. В частности, группой А.В. Каримова были
разработаны способы получения резкого

р-n

-перехода из раствора-расплава,

охлаждаемого с уменьшающейся скоростью, а также технология получения
варизонных эпитаксиальных слоев путем смешивания порций растворов-
расплавов различного состава в изотермических условиях.

Из вышеизложенного следует, что не разработаны технологии получе-

ния требуемого градиента подвижности и примесей по толщине канала
полевого транзистора. Линеаризация передаточной характеристики требует
нового подхода. Остаются нерешенными научно-технические проблемы,
связанные

с

целенаправленным

управлением

электрофизическими,

фотоэлектрическими и электрическими характеристиками фотодиодной
структуры,

а

также

функциональными

свойствами

многослойной

транзисторной структуры при введении неоднородного распределения
примесей и подвижности носителей тока в канале, требующих комплексного
изучения влияния примесей на их характеристические параметры во
взаимосвязи с технологическими условиями их изготовления.

Связь темы диссертации с научными исследованиями научно-

исследовательской организации, где выполнена диссертационная
работа.

Диссертация выполнена в Физико-техническом институте в рамках

Государственной программы научно исследовательских работ РУз № А-6-
049 на тему: «Разработка технологии изготовления полупроводниковых
фотоэлектропреобразователей с избирательной фоточувствительностью»

(2006-2008 гг.)

и проекта ФА17-Ф-100 «Разработка фотоприемного

устройства

слабых

оптических

сигналов

на

основе

фотоэлектропреобразователя» (2009-2011 гг.), а также проекта А3-ФА-0-10-

34

440 “Разработка методов термической и электроимпульсной обработки для
увеличения

выхода

при

производстве

дефицитных

групп

полупроводниковых приборов (АО “FOTON“)” (2012-2014 гг.)

Целью исследования

является разработка технологии изготовления

арсенидгаллиевых многослойных фоточувствительных

структур на основе

эпитаксиальных слоев с заданным профилем распределения примесей и
текстурированной

поверхностью,

улучшение

их

функциональных

характеристик и изучение новых режимов приборного включения.

В соответствии с поставленной целью решались следующие

задачи

исследования:

разработать технологию получения арсенидгалливых многослойных

структур с текстурированной поверхностью методом жидкостной эпитаксии;

смоделировать процессы диффузии примеси на полупроводник с

неплоской поверхностью;

разработать технологию выращивания эпитаксиальных пленок с

нелинейным (положительным, отрицательным, степенным) градиентом
распределения примесей по толщине;

смоделировать

процесс

выращивания

эпитаксиального

слоя

принудительным охлаждением из раствора-расплава с изменяющимся
составом, сопровождаемый увеличением объема раствора-расплава;

разработать полевой транзистор на основе арсенида галлия с нерав-

номерным

(положительным,

отрицательным,

степенным)

профилем

распределения примесей по толщине канала;

смоделировать электронные процессы в полевых транзисторах с нерав-

номерным профилем распределения примесей и подвижностей носителей по
толщине канала;

разработать

различные

режимы

(автоматического

смещения,

максимальной проводимости, а также управляемого напряжением сток-
затвор) включения полевого транзистора, расширяющие его функциональные
возможности;

разработать дистанционно-управляемый оптоэлектронный ключ с

быстрым переключением объекта с помощью одного светового излучателя и
входного каскада на основе полевого транзистора;

разработать новые режимы приборного включения на основе

сопоставительного анализа полученных результатов для арсенидгаллиевого
полевого транзистора и контрольного кремниевого образца.

Объект

исследования

-

фоточувствительные

многослойные

транзисторные структуры с управляющим

р



GaAs-рGaAs-nGaAs-

переходом с

различными профилями распределения примесей и подвижности носителей в
базе и контрольные образцы на основе кремния, а также арсенидгаллиевые
структуры с изотипной гетеро и микрорельефной границей раздела.

Предмет исследования

– способы и режимы эпитаксиальной и диф-

фузионной технологии получения многослойных арсенидгаллиевых структур
с поверхностными и морфологическими неоднородностями и режимы

35

функционального

включения

транзисторных

структур,

и

процессы

токопереноса.

Методы

исследования.

В

работе

применены

комплексные

информативные

методы

экспериментальной

физики:

вольтамперные,

вольтфарадные методы изучения структур с

р

-

n

-переходами; методы

измерения спектральной фоточувствительности при различных рабочих
напряжениях и структурные методы изучения морфологии поверхности и
границ раздела многослойных структур, а также методы теоретических
расчетов и компьютерного моделирования технологических и электронных
процессов.

Научная новизна исследования

заключается в следующем:

впервые разработан способ неизотермического процесса выращивания

эпитаксиального слоя полупроводниковых соединений А

3

В

5

с профилем

распределения

примесей

задаваемым

скоростью

смешивания

дополнительного раствора-расплава в основной раствор-расплав и проведено
физико-технологическое моделирование профиля распределения примесей
по толщине выращиваемых эпитаксиальных слоев;

разработана технология диффузии примеси цинка в арсенид галлия с

текстурированной поверхностью с последующим ростом эпитаксиального
гетерослоя, установлены оптимальные режимы заключающиеся в диффузии -
цинка при 800

0

С в течение 80 минут и роста гетерослоя в интервале

температур от 813

0

С до 809

0

С со скоростью охлаждения 1 град/минут в

едином процессе;

предложены

технологии

получения

изотипной

двухбарьерной

nGaAs

As

In

nGa

x









2

.

0

8

.

0

)

1

(

-

гетероструктуры на основе индийсодержащего

эпитаксиального слоя арсенида галлия с технологически текстурированной
поверхностью в виде гофров при избытке индия, создающем различие
параметров

решеток

в

~1.4%

с

подложкой

арсенида

галлия

и

фотовольтаической

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

-

As

In

pGa

06

.

0

94

.

0

- nGaAs -

структуры

с

технологически текстурированной поверхностью в виде выпуклых пирамид
(с основанием 40÷60 мкм и высотой 8÷10 мкм) при избытке легирующей
примеси германия в 3.1 моль.% во фронтальном гетерослое

Ge

As

Ga

pAl

:

9

.

0

1

.

0

выращенном на индийсодержащем гетерослое;

впервые изготовлен фоточувствительный полевой транзистор на

арсениде галлия с отрицательным (убывающим к поверхности) градиентом
примесей в канале, имеющий фоточувствительность в два раза больший по
сравнению с полевым транзистором с положительным градиентом примесей
и в 3.5 раза больший коэффициент усиления в отличие от известных
аналогов;

предложены способы и режимы включения полевого транзистора,

обеспечивающие его работу в качестве фотоприемника с максимальной
чувствительностью, малоинерционного фоторезистора и переключателя
больших мощностей в электронных схемах;

36

проведен физико-математический расчет токопереноса в полевых

транзисторах на основе арсенида галлия с управляющим

p-n-

переходом с

учетом градиента подвижности носителей и влияния поверхностных
состояний, впервые показана возможность линеаризации передаточных
характеристик полевых транзисторов с длинным каналом;

разработана универсальная микросхема с четырьмя выводами на

основе “двухтранзисторной ячейки” с синхронно модулируемыми каналами,
обеспечивающая на порядок (70 против 7 в обычных случаях) больший
коэффициент усиления в режиме, близком к отсечке канала;

впервые создан дистанционно-управляемый оптоэлектронный ключ,

обеспечивающий

одним

световым

зондом

включение-выключение

электроприборов и технологических оборудований, состоящий из усилителя
с входным каскадом на полевом транзисторе, между затвором и
сопротивлением истока которого введен фотоприемник на основе
двухбарьерной структуры;

впервые собран модулятор оптических сигналов, позволяющий

повысить срок службы полупроводниковых светоизлучающих приборов,
содержащий полупроводниковый излучатель света и выполняющий функции
источника тока и ключа один полевой транзистор взамен двух биполярных
транзисторов, где входной сигнал подается к истоку;

разработан

генератор

стабилизированных

токов

на

основе

«двухтранзисторной

ячейки»

с

линеаризованной

передаточной

характеристикой, который предназначен для использования в качестве
прецизионно-регулируемого

генератора

тока

с

малым

шагом,

обеспечивающим

измерение

вольтамперных

характеристик

полупроводниковых

приборов

с

резко

возрастающим

током

типа

стабилитрона, ограничителей напряжения или S – диодов.

Практические результаты исследования

заключаются в следующем:

разработан неизотермический способ выращивания эпитаксиальных

слоев арсенида галлия с управляемым распределением примесей по толщине
и на их основе предложена технология изготовления фоточувствительной
многослойной структуры с заданным градиентом примесей в базовой
области, обеспечивающим оптимизацию их ключевых параметров и
функционирование в энергосберегающем режиме;

разработаны

усовершенствованные

технологии

изготовления

многослойных

индий

и

алюминий

содержащих

гетероструктур

обеспечивающие увеличение их фоточувствительности за счет снижения
оптических потерь;

разработаны технические решения, раскрывающие функциональные

возможности полевого транзистора на основе арсенида галлия и
контрольного образца на основе кремния в электронных схемах,
предназначенных для усиления постоянного и переменного сигналов.

Достоверность

результатов

исследований

подтверждается

применением

современных

научных

и

технологических

методов,

стандартных и апробированных в заводских условиях методик контроля

37

параметров и характеристик полупроводниковых приборов. Результаты и
выводы обосновываются на физических представлениях, основанных на
теоретических

и

экспериментальных

данных.

Достоверность

экспериментальных данных обеспечивается использованием комплексных
независимых методик измерения и обработки данных, а также их
соответствием современным понятиям физики и техники полупроводников и
изделий на их основе.

Научная и практическая значимость результатов исследования.

Полученные результаты раскрывают физику действия многослойных
фоточувствительных структур с градиентной базой.

Практическые

результаты

являются

важными

для

выявления

оптимальных условий и режимов эксплуатации различных электронных схем
с полевыми транзисторами, используемых в телекоммуникации и в системах
приема и передачи оптических сигналов.

Внедрение результатов исследования.

Получены, предназначенные

для предотвращения выхода из строя и увеличения срока службы

радиоэлектронной аппаратуры, 4 патента на изобретения Республики
Узбекистан: «Модулятор оптических сигналов», (IAP №04854 от 21.02.2014);
«Дистанционно-управляемый оптоэлекронный ключ», (IAP № 04600 от
25.04.2012); «Способ эпитаксиального наращивания полупроводниковых
материалов путем смещивания растворов-расплавав», (IAP №04053. от
09.10.2009); «Фоточувствительный полевой транзистор», (IAP № 04832 от
21.11.2008г.);

разработано устройство «Генератор малых токов», позволяющее

установить

причины

отказа

и

технологических

отклонений

от

установленного регламента полупроводниковых приборов, и внедрено в АО
«FOTON». Экономический эффект от внедрения за счет повышения процента
выхода годных полупроводниковых приборов на 10% составляет 20 млн.
сумм в год (Акт внедрения от 10.04.2014г. Ассоциации «Узэлтехсаноат»).

Апробация результатов исследования.

Результаты диссертационной

работы докладывались и обсуждались на республиканских и международных
конференциях: 14-International Young Scientists Conferece SPO 2013, Kyiv,
Problems of Optics and High Technology Material Science. (Kyiv, 2013);
“Яримўтказгичлар физикаси ва қурилмалари ҳамда уларни ўқитишнинг
муаммолари” (Наманган 2013); “Актуальные проблемы физики” (Баку, 2008);
“Неравновесные процессы в полупроводниках” (Ташкент, 2007); “Фундамен-
тальные и прикладные проблемы современной физики” (Ташкент, 2007); V-
International Young Scientists Conferece SPO 2006, Kyiv, Problems of Optics and
High Technology Material Science. (Kyiv, 2006); “Фундаментальные и прик-
ладные вопросы физики” (Ташкент, 2006); “Микроэлектронные преобразо-
ватели и приборы на их основе”, МЭПП (Баку-Сумгаит, 2005); RIO 5 “World
Climate & Energy Event” (Braziliya, 2005); Scanning probe microscopy - 2003
International Workshop, Nizhny Novgorod (Russia, 2003).

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены

(3 июнь 2015г.) на расширенном семинаре по направлению физики

38

полупроводников при Физико-техническом институте АН РУз, а также в
одноразовом Научном семинаре (25.11.2015г.) при Научном совете
16.07.2013.FM/T.12.01

при Физико-техническом институте АН РУз,

Институте ионно-плазменных и лазерных технологий АН РУз и
Самаркандском государственном университете по присуждению ученой
степени доктора наук по специальности 01.04.10-Физика полупроводников
(технические науки).

Опубликованность результатов исследований.

По материалам

диссертации опубликовано 43 научных работ, из них 23 статей, в том числе 8
на английском языке, 1 книга (монография), 15 трудов конференций и 4
патента на изобретения.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из

введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающей 127
наименований и 2-х приложений. Текст диссертации изложен на 200
страницах машинописного текста, включая 89 рисунков и 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во

введении

обоснованы актуальность и востребованность темы

диссертации, определена связь исследований с основными приоритетными
направлениями развития науки и технологий в республике, приведены обзор
международных научных исследований по теме диссертации, степень
изученности проблемы, сформулированы цель и задачи, выявлены объект,
предмет и методы исследования, изложена научная новизна исследования,
обоснована

достоверность

полученных

результатов,

раскрыта

их

теоретическая и практическая значимость, приведены краткие сведения о
внедрении результатов и апробации работы, а также об объеме и структуре
диссертации.

В первой главе анализируется

«Состояние проблемы и тенденции

улучшения технологии изготовления полупроводниковых структур с
неоднородной базовой областью»

на основе литературных данных по

состоянию

проблемы

и

тенденциям

улучшения

функциональных

характеристик многослойных полупроводниковых структур в зависимости от
структурных и морфологических неоднородностей и рассмотрено влияние
конструктивных особенностей полевых транзисторов на их функциональные
свойства, а также определены схемотехнические пути улучшения
электрических параметров и характеристик полевых транзисторов. На основе
анализа

имеющихся

теоретических

и

экспериментальных

данных

сформулирована постановка задачи.

Во второй главе

«Разработка технологии получения многослойных

структур с микрорельефной поверхностью»

приведены технологические

этапы создания многослойных структур с текстурированной поверхностью
методами

диффузии

и

жидкостной

эпитаксии,

их

спектральные

характеристики,

усилительные

и

фотоэлектрические

свойства

гетероструктуры,

особенности

дистанционно

-

управляемого

39

оптоэлектронного ключа на его основе.

Разработана

технология

получения

многослойных

структур

с

микрорельефной

поверхностью

комбинированным

способом,

обеспечивающим

поэтапную

диффузию

примесей

цинка

на

текстурированную поверхность буферного слоя арсенида галлия и
последующий рост эпитаксиального гетерослоя (

AlGaAs

) поверх него из

ограниченного раствора-расплава в едином процессе. Текстурирование
поверхности буферного слоя осуществлялось анизотропным травлением.
Диффузия примесей цинка проводилась из порошка цинка (146 мг в
графитовой камере объемом 5.3 см

3

) в арсенид галлия с микрорельефной

поверхностью при 800

С

о

в течение 50 минут. Рост гетерослоя производили в

интервале температур от 813

С

о

до 809

С

о

со скоростью охлаждения 1

град/минут. При этом были выбраны подложки

nGaAs

с концентрацией

3

18

10

см

и с размерами (1 см

2

) соответствующими ячейкам графитовой

кассеты. Кроме того процесс диффузии можно провести из твердотельного
источника (напыленного порошка цинка на

GaAs:Zn

) контактируемого с

поверхностью подложки, что позволяет получить микрорельефную границу
раздела двух сред. Микрофотографии сколов полученных структур
приведены на рис. 1.

а) с плоским

p-n

-переходом

б) микрорельефная граница

p-n

-перехода типа дендрита

в) микрорельефная граница

p-n

-перехода

полученного контактной диффузией

Рис. 1. Микрофотография сколов

переходов структур

с буферным слоем pGaAs и

гетерослоем pAl

0.4

Ga

0.6

As

Экспериментально показано, что в полученной многослойной

фотовольтаической

As

Ga

Al

p

6

.

0

4

.

0



GaAs

n

nGaAs

Zn

pGaAs









:

- структуре

с микрорельефной поверхностью область спектральной чувствительности
расширяется в коротковолновую часть, а квантовый выход становится в два
раза больше по сравнению со структурами с плоской поверхностью (рис.2.),
что делает перспективным целенаправленное использование такой структуры
в качестве фотовольтаического приемника. Обнаружений эффект связан с
увеличением фоточувствительной площади на границе р-n-перехода при
формировании микрорельефов.

Разработана

технология

выращивания

микротекстурированной

поверхности методом жидкостной эпитаксии на основе индий и
алюминийсодержащих эпитаксиальных слоев арсенида галлия на подложках

40

арсенида галлия, которая позволяет увеличить угол захвата поглощаемого
светового излучения поверхностью в сравнении с плоской структурой. Такие
поверхности отличаются ровной границей

р-n

-перехода, а технологическое

текстурирование такой поверхности определяется составом гетерослоя.

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

I

кз

,

о.е.



,

мкм

1

2

а) спектральная характеристика

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

В

не

ш

ня

я

к

в

а

нт

о

в

а

я

э

ф

ф

е

кт

и

в

но

с

т

ь



,

мкм

1

2

б) квантовый выход фоточувствительности

Рис. 2. Фотоэлектрические характеристики

структуры с плоским (1) и микрорельефным (2) p-n-переходом

Текстурированные алюминий и индийсодержащие слои выращивали в

интервале температур от 822

С

о

до 818

С

о

со скоростью охлаждения 1

град/минут.

Гетерослой

Ge

As

Ga

pAl

:

9

.

0

1

.

0

выращивали из раствора-расплава

содержащего 7.5 моль.% нелегированного арсенида галлия, 0.3 моль.%
алюминия и 3.1 моль.% германия растворенных в галлии в интервале
температур от 822

С

о

до 818

С

о

со скоростью охлаждения 1 град/минут.

Выявлено, что при выращивании гетерослоя

Ge

As

Ga

pAl

:

9

.

0

1

.

0

из

раствора-расплава содержащего 7.5 моль.% нелегированного арсенида
галлия, 0.3 моль.% алюминия и 3.1 моль.% германия на индийсодержащем

As

In

pGa

06

.

0

94

.

0

-

гетерослое формируется текстура в виде выпуклых пирамид

(с размерами основания 40÷60 мкм и высотой 8÷10 мкм), рис. 3. р-n-переход
фотовольтаической структуры имея ровную грницу, его поверхность
отличается технологической текстурой и позволяет увелить угол обхвата
света до 90 угловых градусов против 50 градусов в плоских структурах.

а) вид поверхности

б) граница раздела

р-n

-перехода

Рис. 3. Микрофотографии структуры с выращенным микрорельефом

Выращен гетерослой

As

In

nGa

x

2

.

0

8

.

0

)

1

(







(

15

10

7





n

N

3



см

) с толщиной 2÷4

мкм

с гофрированной поверхностью (за счет различия параметров решеток

1.4 %) на подложке

nGaAs:О

с принудительным охлаждением раствора-

расплава содержащего 4.9 моль.% арсенида галлия и 0.7 моль.% индия

41

растворенных в галлии в интервале температур от 838

С

о

до 822

С

о

со

скоростью

охлаждения

1

град/минут.

На

обе

поверхности

этой

гетероизотипной структуры напылением серебра нанесены выпрямляющие
контакты позволяющие, усилить входной оптический сигнал, поступающий
от светодиода. На этой основе разработан управляемый оптоэлектронный
ключ, обеспечивающий не только дистанционное включение, но и
выключение объекта с помощью одного светового зонда, рис. 4.

Рис. 4. Электронная схема дистанционно - управляемого

оптоэлектронного ключа

Особенность разработки состоит в том, что в отличие от известного

аналога в предложенном устройстве реализуется функция ключа за счет
созданной стоковой оптоэлектронной связи между излучателем и
фотоприемником. Дистанционное управление при этом осуществляется за
счет переключения полевого транзистора в режиме запирания с помощью
гетероизотипного

фотодиода

возбуждаемого

световым

зондом.

Переключение в этой системе производится поочередным наведением
светового зонда на оба фотоприемника, что приводит к дистанционному
включению-выключению электрических приборов и оборудования.

В третьей главе

«Разработка технологии изготовления многослой-

ных структур с неоднородной базовой областью»

рассматриваются

способы формирования градиента примесей по толщине базовой области
арсенидгаллиевых полевых транзисторов методом жидкостной эпитаксии из
ограниченного объема раствора-расплава и их влияние на статические,
динамические характеристики и фотоусилительные свойства полевого
транзистора, а также излагаются принципы реализации нового способа
эпитаксиального наращивания слоев, путем концентрационного смешивания
растворов-распла-вов

позволяющего

расширить

диапазон

градиента

примесей по толщине активной области многослойной структуры.

Исследуемые арсенидгаллиевые многослойные фоточувствительные

структуры получены на подложках

р

-типа

GaAs

с концентрацией носителей

2∙10

19

см

3



, размещаемых в три ячейки в устройстве жидкостной эпитаксии,

где последовательно выращиваются слои

рGaAs

и

nGaAs-

типа проводимости

с различными легирующими примесями

Те

,

Te+Si

и

Sn

в едином процессе.

Все эпитаксиальные слои выращивали из растворов-расплавов с

весовыми частями содержащих 7 моль.% арсенид галлия легированных
соответствующими примесями растворенных в галлии. Слои

р

-типа

толщиной 0.5 мкм выращивали в интервале температур от 848

С

о

до 845

С

о

42

при постоянной скорости охлаждения 1 град/мин, а слои

n

-типа

проводимости

толщиной

1

мкм

выращивали

при

охлаждении

с

уменьшающейся скоростью от 3 град/мин до 0.5 град/мин. В соответствии с
выбранной легирующей примесью и скоростью роста эпитаксиального слоя
из жидкой фазы будет формироваться соответствующий профиль
распределения примесей по его толщине. На основе этих многослойных
структур изготовлены полевые транзисторы с особой конструкцией, где
затвор является сплошным, а канал

n

-типа проводимости горизонтальным и

открытым, что позволяла изменять толщину канала и задавать его
гарантированную отсечку и фоточувствительность, (рис. 5). Длина канала
порядка 50 мкм (отношение длины канала к толщине больше 10), что
открывает возможность для контролируемой химической и морфологической
обработки его поверхности.

На основе экспериментальных данных зависимости емкости от

напряжения

р-n

-перехода затвора, связанных с характерным изменением

толщины объемного заряда определены концентрационные профили по
толщине базовой (запираемой) области. Сопоставление этих кривых
показало, что в структуре легированной

Те

(образец ПТ-ПГ) концентрация

носителей тока увеличивается с градиентом примесей 2.5

.

10

20

см

-4

(рис. 6,

кривая 1), а в структуре где канал легирован

Те+Si

(образец ПТ-РР)

концентрация носителей заряда является равномерной (рис. 6, кривая 2).
Отметим, что в структуре с каналом легированным оловом (образец ПТ-ОГ)
концентрация носителей уменьшается с градиентом примесей 2.5

.

10

20

см

-4

(рис. 6, кривая 3).

Затвор

Сток

Исток

L

z

a

h

y

x

p

+

p

n

Рис. 5. Полевой транзистор

с открытым каналом

1

-

ПТ-ПГ; 2- ПТ-РР; 3- ПТ-ОГ

Рис. 6. Профиль распределения примесей

в эпитаксиальных слоях GaAs

Экспериментально показано, что профиль распределения примесей в

канале существенно влияет на входные и выходные характеристики
исследуемых полевых транзисторов. Из табл. 1 видно, что крутизна пере-
даточной характеристики с увеличением запирающего напряжения в арсенид
галлиевых полевых транзисторах, канал которых легирован теллуром, а
также кремний+теллуром по сравнению с кремниевым полевым транзис-
тором имеет на порядок меньшие значения, а в полевом транзисторе канал,
которого легирован оловом уменьшение составляет всего лишь в три раза.

В качестве контрольного образца были выбраны кремниевые полевые

транзисторы КП303, КП302). По мере перехода распределения примесей в

43

Таблица 1

Данные крутизны передаточной характеристики исследуемых

образцов в зависимости от запирающего напряжения

ПТ-ПГ

Te

nGaAs

GaAspGaAs

p

:





100



дин

R

кОм,

9

.

31



вых

R

кОм

зи

U

. В

0

0.5

1.0

1.5

2

2.5

3.0

3.5

си

I

, мкА

422.3

307

202.5

138.1

84.55

38

13.9

2.25

S

, мкА/В

230

209

128.8

107

93.1

48.2

23.3

вых

R

S

k





7.3

6.66

4.1

3.4

2.96

1.53

0.74

ПТ-РР

Si

Te

nGaAs

GaAspGaAs

p







:

,

130



дин

R

кОм,

5

.

34



вых

R

кОм

зи

U

. В

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

си

I

, мкА

661

415

272

188

126

87.1

48.5

23.2

0.88

S

, мкА/В

491.6

286

167

125.2

77.6

77.2

50.6

44.6

вых

R

S

k





16.9

9.8

5.76

4.3

2.67

2.66

1.74

1.5

ПТ-ОГ

Sn

nGaAs

GaAspGaAs

p

:





200



дин

R

кОм,

38



вых

R

кОм

зи

U

. В

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

си

I

, мкА

150

115

91

70.5

49.5

35.9

22.3

12.3

1.63

S

, мкА/В

175

120

102.5

105

68

68

50

53.3

вых

R

S

k





6.65

4.56

3.89

3.99

2.58

2.58

1.9

2

КП303 Контрольный кремниевый полевой транзистор

96



дин

R

кОм,

5

.

31



вых

R

кОм

зи

U

. В

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

си

I

, мкА

430

283

153

66

19

6

зи

си

U

I

S







/

, мкА/В

294

260

174

94

26

вых

R

S

k





9.2

8.19

5.48

2.9

0.81

канале от положительного градиента к отрицательному, темновые токи
уменьшаются на два порядка, а выходные динамические сопротивления
увеличиваются от 96 кОм до 200 кОм. Это свидетельствует о том, что в
полевом транзисторе канал, которого легирован оловом, осуществляется
линеаризация передаточной характеристики и создается возможность работы
в энергосберегающем режиме, как показано на рис. 7. Существенная
линеаризация крутизны передаточной характеристики полевого транзистора
с отрицательным градиентом (рис. 7, кривая 3) по сравнению с полевым
транзистором с равномерным распределением примесей (рис. 7, кривая 2) в
режиме близком к отсечке канала невозможно объяснить существующими
теориями

(работы

Бокумэйла

и

Ричера),

которые

предсказывают

независимость передаточной характеристики от профиля распределения
примесей в канале. Заметим, что в этих теориях подвижность носителей
заряда принята постоянной по всему объему канала. Вопреки теории в
реальном полевом транзисторе легированным оловом при послойном
травлении канала обнаружено координатное изменение подвижности
носителей заряда, которые можно объяснить увеличением плотности
дефектов по мере приближения к границе пленка-подложка. Измерения
подвижности носителей в эпитаксиальных слоях осуществляли при малых

44

напряжениях, по методике измерения в тонких пленках. Действительные
выражения для распределения подвижности носителей по толщине найдены
с учетом определения среднего значения функции в заданном интервале:





( )

( )

( )

d

x

x

x

x

dx









 

, данные, которых приведены на рис. 8.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

4

2

1

3

1

Te

2

Te+Si

3

Sn

4

КП303

I

си

/I

си.макс

U

зи

/U

зи.отс

Рис. 7.

Стокозатворные передаточные

характеристики транзисторов

Рис. 8.

Зависимость холловской подвижности

носителей заряда от толщины

эпитаксиального слоя

Именно,

наблюдаемая

координатная

зависимость

подвижности

носителей в канале открывает возможность для работы исследуемого
полевого транзистора (ПТ-ОГ) в энергосберегающем режиме, то есть в
режиме близком к отсечке канала, исключая искажения и потери полезного
сигнала. Из сопоставления усилительных свойств исследуемых полевых
транзисторов выявлено, что полевой транзистор с отрицательным
градиентом примесей в
канале имеет коэффициент усиления (18) в два раза больший по сравнению с
полевым транзистором с положительным градиентом примесей (9) или в 3.5
раза больше по сравнению с кремниевым полевом транзистором, как
показано в таблицы 2.

Таблица 2

Данные коэффициента усиления от напряжения сток-исток*

Полевой транзистор на GaAs канал легирован теллуром

U

си

, В

2.0

2.31

2.69

2.8

2.89

3.1

3.5

3.8

вых

U

, мВ

50

64.6

84.7

91.5

83.8

74.6

43.6

24.8

вход

вых

U

U

U

К

/



5.0

6.46

8.47

9.15

8.38

7.46

4.36

2.48

Полевой транзистор на GaAs канал легирован оловом

U

си

, В

0.5

1.0

1.5

1.75

1.89

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

вых

U

, мВ

11.7

25.4

55.5

105.8

180

180

180

180

111

72

вход

вых

U

U

U

К

/



1.17

2.54

5.55

10.5

18

18

18

18

11.1 7.2

КП303 контрольный кремниевый полевой транзистор

U

си

, В

0.45

0.7

1.0

1.6

2.3

2.9

вых

U

, мВ

40

75

75

60

50

40

вход

вых

U

U

U

К

/



4

7.5

7.5

6

5

4

*

вход

U

=

10 мВ,

кГц

f

1



45

Таким образом, сопоставительный анализ влияния линейного

градиента примесей в канале на статические, динамические характеристики и
фотоусилительные

свойства

полевого

транзистора

показал,

что

положительный градиент примесей придает нарастающий характер
зависимости тока стока от напряжения. Их передаточные характеристики
линеаризуются по сравнению с полевыми транзисторами с положительным
градиентом примесей, обеспечивая незначительное трехкратное снижение
коэффициента усиления по мере запирания транзистора. Влияние степенного
и

нелинейного

распределения

примесей

по

толщине

канала

на

функциональные свойства полевого транзистора требует подробного
изучения.

На основе исследования процессов роста многослойных структур было

установлено, что каждая легирующая примесь дает характерное близкое к
линейному распределение примесей по толщине эпитаксиального слоя,
градиент которого задается температурной зависимостью коэффициента
распределения конкретной примеси и является неуправляемым. Такое
поведение примесей обусловлено неизменностью условий создания
концентрации примесей на фронте кристаллизации. Поэтому для получения
степенного и нелинейного распределения примесей по толщине канала
необходимо создать новые технологические условия позволяющие изменить
концентрацию примесей на фронте кристаллизации, что может быть
достигнуто за счет добавления в основной раствор-расплав дополнительного
раствора-расплава, с отличающейся концентрацией примеси.

Для реализации поставленной задачи было разработано специальное

устройство жидкостной эпитаксии (рис. 9), обеспечивающее эпитаксиальное
наращивание многослойных полупроводниковых

p

+

pn

-структур путем

смешивания растворов-расплавов, с заданным градиентом концентрации
примесей по толщине выращиваемого слоя. При этом было установлено, что
разница между концентрациями примесей основного и дополнительного
раствора-расплава должна быть не менее двух порядков. Масса

m

дискретной

части дополнительного раствора-расплава вводимого в основной раствор-
расплав

а)

геометрический разрез

б) элементы устройства

Рис. 9. Двухпоршневое графитовое устройство

должна удовлетворять соотношению,

n

l

km

m

0



подаваемой со скоростью

n

t

m









0

определяющей профиль распределения примесей.

46

В графитовом устройстве сначала выращивался эпитаксиальный слой

р

-типа

с концентрацией носителей

17

10

3



см

из раствора-расплава содержащего 7

моль% арсенида галлия растворенного в галлии приведенного путем
горизонтальной подачи при температуре 845

0

С в контакт с подложкой

площадью 1 см

2

p

+

-

типа с концентрацией

19

10

2



3



см

. Затем на поверхность

эпитаксиального слоя

р

-типа горизонтально подавался основной раствор-

расплав

n

-типа содержащий арсенид галлия в галлии в том же соотношении с

концентрацией

носителей

7.5∙10

17

см

3



.

Рост

осуществляется

при

вертикальной подаче дополнительного раствора-расплава

n

-типа также

содержащего 7 моль% арсенида галлия растворенного в галлии с
концентрацией

15

10

3



см

к основному раствору-расплаву при температуре 830

0

С принудительным охлаждением и с уменьшающейся скоростью. При росте

на поверхности эпитаксиального слоя

р

-типа из смешиваемых растворов-

расплавов

выращивается

градиентный

слой

n

-типа

с

убывающей

концентрацией носителей (3



1)

16

10

3



см

, которые определены из

вольтемкостных характеристик. Отличие предлагаемого способа от
известных состоит в том, что смешивание дополнительного раствора-
расплава не приводит к пересыщению основного раствора-расплава, а
пересыщение достигается за счет принудительного охлаждения. Профиль
распределения примесей управляется скоростью подачи дополнительного
раствора-расплава (

)

(

t

f





). Установлено, что полученный на основе этой

технологии фоточувствительный полевой транзистор с отрицательным
градиентом примесей в канале благодаря линеаризованной передаточной
характеристики сохраняет высокую фоточувствительность не только при
нулевом смещении, но и с приближением режима отсечки канала (U

зи

=0.8 В)

при рабочем напряжении (1.3÷2.2 В). При оптимальном рабочем напряжении
1.8 В и интегральной освещенности 100 лк создается фототок стока равный
4.5 мкА с фоточувствительностью 1.28 А/лм или 8.26·10

2

А/Вт, что в два

раза больше по сравнению, чем в полевом транзисторе с положительным
градиентом примеси, канал которого легирован теллуром, а коэффициент
фотоэлектрического усиления по току больше в пять раз (60).

В четвертой главе приведены

«Новые режимы включения полевых

транзисторов, обеспечивающие малое потребление энергии»,

где

анализируются

функциональные

возможности

фоточувствительного

полевого транзистора с управляющим

n

p

p





-переходом в зависимости от

режимов включения и процессы насыщения тока стока служащие основой
для схемотехнической линеаризации передаточной характеристики на
кремниевых полевых транзисторах открывающих возможность создания
микросхемы используемой в микро и оптоэлектронике.

Проведен сопоставительный анализ для выявления оптимальных

режимов

получения

максимальной

фоточувствительности

полевого

фототранзистора. Выяснено, что вольтамперная характеристика полевого
транзистора в зависимости от интенсивности света в плавающем режиме с
уменьшением интенсивности освещения создает семейство кривых за счет

47

запирания канала. А в режиме с общим истоком толщина канала приобретает
неизменное от напряжения стока значение, поскольку создаваемое светом
изменение компенсируется напряжением затвора.

Установлено, что в режиме автоматического смещения наблюдается

наибольшее усиление, обусловленное особенностями модуляции толщины
канала в данном режиме. Сравнение квантовых эффективностей полевого фо-
тотранзистора в плавающем и транзисторном (в схеме с общим истоком)
режимах показывает (рис. 10), что одинаковые значения квантовой эффектив
ности (60÷65) можно получить при меньших напряжениях в режиме
плавающего затвора (при 2 В против 2.23 В). Обнаружена инверсия знака
фототока в полевом транзисторе при режиме оптотранзисторного включения,
когда амперметр включен между стоком и истоком, а рабочее напряжение
включено к стоку и затвору. В этом режиме увеличение фототока с
напряжением обусловлено смещением в прямом направлении перехода
затвор-исток

1- с плавающим затвором;

2- со смещенным затвором

Рис. 10. Спектральная характеристика

полевого фототранзистора

относительно первоначального состояния, в то время как переход сток-затвор
постепенно

запирается.

В

результате

как

площадь

фотоприемной

поверхности, так и объем где генерируются фотоносители, увеличивается с
ростом рабочего напряжения. В тоже время выявлено, что в связи с
компенсацией

темнового

тока

фототоком

шумовые

составляющие

практически исключаются. Особенностью полевого фототранзистора в
режиме

запирания

канала

напряжением

сток-затвор

является

перераспределение фотоприемной поверхности между двумя барьерами с
увеличением рабочего напряжения. Выявлено, что в полевых транзисторах с
нарастающим током стока можно получить ярко выраженное насыщение
тока стока схемотехнически в режиме автоматического смещения и в четыре
раза больший коэффициент фотоэлектрического усиления (250) по
сравнению (60) с режимом включения с общим истоком.

Анализ причины насыщения тока стока исследуемого полевого

транзистора при использовании режима включения автоматического
смещения, показал насыщающийся характер падающего напряжения на
смещающем резисторе. Такое изменение падающего напряжения приводит к
последовательному запиранию перехода исток-затвор и сужению канала по
всей ширине затвора за счет образования ионизованных зарядов, что и

48

приводит к ярко выраженному насыщению тока стока. Подбирая значения
смещающего сопротивления можно сформировать семейство стоковых
характеристик с более ярко выраженными токами стока.

Следует отметить, что чем больше будет величина сопротивления, тем

меньше будет ток стока. В режиме автоматического смещения подсветка
канала приводит к синхронному уменьшению смещающего напряжения и
увеличению тока стока.

На основе результатов исследования процесса насыщения тока стока

арсенидгаллиевого полевого транзистора предложено новое техническое
решение, позволяющее повысить срок службы полупроводниковых
светоизлучающих приборов на основе контрольного кремниевого полевого
транзистора КП302 с большим током стока (3÷30 мА).

С целью предотвращения нестабильности рабочего тока и искажений

полезного сигнала в разработанном модуляторе в качестве источника
стабилизатора тока и ключа предложено использовать один полевой
транзистор вместо двух биполярных транзисторов используемых в известном
модуляторе, рис.11.

а) известная

б) предлагаемая

Рис.11. Схема модулятора оптических сигналов

В предлагаемом модуляторе рабочий ток остается неизменным при

снижении рабочего напряжения от 10 до 3 В. Подача полезного сигнала от
источника звукового сигнала к выводу истока, обеспечивает глубокую
модуляцию канала с коэффициентом усиления большим, чем в схеме с
общим истоком.

Замена обычного резистора на сопротивление канала полевого

транзистора в схеме с автоматическим смещением составляет сущность
предложенного нового подхода (рис.12). При этом осуществляется более
глубокая модуляция толщины базовой области по сравнению с режимом
включения с общим истоком, что позволяет повысить значение
коэффициента усиления полевого транзистора. Здесь следует отметить, что с
одной стороны схема включения двух полевых транзисторов, так называемая
«ячейка» является комбинированной, то есть включает полевой транзистор с
общим затвором и полевой транзистор с общим истоком. С другой стороны
наличие в ней общего вывода 2 открывает возможность для увеличения
комбинаций его режимов включения. Выводы 1 и 3 служат для подачи
рабочего напряжения, а вывод 4 используется для подачи смещающего

49

напряжения задающего рабочие режимы этой ячейки, а также для подачи
полезного сигнала.

При использовании данной схемы включения благодаря ярко

выраженному насыщению тока стока (рис. 12) и линеаризации передаточной
характеристики (рис. 13) от малого (~2 мВ) переменного сигнала
синусоидальной формы подаваемого от звукового генератора получен

коэффициент усиления порядка 70 при запирающем напряжении равном
половине напряжения отсечки, как приведено в табл. 3.

Таблица 3

Данные зависимости коэффициента усиления

от величины запирающего напряжения*

В

U

ЗИ

,

0.3

0.31

0.32

0.325

0.33

0.335

0.36

0.44

0.54

0.6

мВ

U

ВХ

,

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

мВ

U

ВЫХ

,

22

64

130

140

140

130

100

80

40

20

УС

К

11

37

65

70

70

65

50

40

20

10

*

Гц

f

400



Рис.12.

Двухтранзисторная ячейка

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1

отдельно взятый с U

отс

=-0.8 В

2

отдельно взятый с U

отс

=-0.5 В

3

последовательно соединенные

3

2

I

cи

, о.е

U

зи

, о.е

1

Рис. 13. Передаточные характеристики

исследуемых полевых транзисторов

В ней вывод затвора разъединен от вывода истока и соединен к истоку
основного транзистора, что позволяет увеличить коэффициент усиления. На
основе

предложенной

«двухтранзисторной

ячейки»

при

различных

комбинациях его режимов включения показаны возможности разработки
регулятора тока, измерителя температуры и усилителя оптического сигнала

Данная «двухтранзисторная ячейка» представляя собой, каскад с

динамической нагрузкой, при соответствующей модернизации может быть
использована также для преобразования входного сигнала малой и средней
мощности без искажений и потерь. В ней от входного сигнала одновременно
модулируются оба канала, улучшаются усилительные свойства и появляется
возможность ее применения для создания устройств с различными
функциональными

назначениями.

Предлагаемая

микросхема,

с

динамической нагрузкой при данном включении по сравнению с известной
имеет на два порядка больший коэффициент усиления до 100 за счет
одновременной

модуляции

последовательно

соединенных

каналов.

Универсальная микросхема с динамической нагрузкой на полевом

50

транзисторе (рис. 14) может быть изготовлена на основе кремния, твердых
растворов

SiGe

, а также полупроводниковых соединений А

3

В

5

и А

2

В

6

.

Рис. 14. Поперечный разрез предлагаемой

универсальной микросхемы

Таким образом, предлагаемая микросхема на основе каскада с

динамической нагрузкой на полевом транзисторе может быть освоена на базе
отработанной производственной технологии полупроводниковых изделий и
использоваться в качестве усилителя переменных сигналов и в других целях
определяемых режимами включения.

В пятой главе

проведены

«Расчетно-аналитические исследования

технологии получения и токовых характеристик многослойных
структур»,

процесса диффузии металла в полупроводник с неплоской

поверхностью, а также процессов формирования профиля распределения
примесей в арсенидгаллиевых многослойных структурах, выращиваемых из
раствора-расплава с ограниченным и увеличивающимся объемом, в том
числе рассмотрены результаты расчетно-аналитических исследований
процессов токопереноса в многослойных структурах с различным
градиентом примесей в диодном и транзисторном режимах включения.

Моделированием процесса диффузии металла (

Zn

) в полупроводник

(

nGaAs

) с текстурированной поверхностью установлено, что меняя

концентрацию диффундируемого металла и времени проведения диффузии
можно создавать

p-n

-переходы различной формы и площади. При

ограниченном количестве металла и заданной температуре диффузии цинка
700

0

С при време-ни диффузии 30 минут граница

p-n

-перехода повторяет

текстуру поверхности полупроводника, как приведено на рис. 15а, а по мере
повышения температуры (900

0

С) и длительности времени диффузии

происходит постепенное выравнивание фронта диффузии рис. 15б.

Это

обусловлено увеличением коэффициента диффузии металла в полупровод-

Рис. 15. Фронты диффузии Zn в GaAs

51

нике, которое подтверждается экспериментальными данными процесса
диффузии атомов цинка в арсениде галлия.

Путем расчетно-технического моделирования диффузии цинка на

текстурированную поверхность арсенида галлия показано, что подбирая
количество диффузанта и длительность процесса можно управлять профилем
микрорельефа. При анализе процесса диффузии при времени диффузии t≈30
минут профиль металла повторяет профиль структуры (рис. 15) и для
различных условий диффузии согласуются с экспериментальными данными,
как приведено в табл. 4.

Таблица 4

Расчетные данные для перехода от безразмерных к размерным

величинам длины и времени при различных условиях диффузии

Т,

о

С

D, см

2

/сек

[

x

~ ], мкм

[

t

~

], мин

01

.

0

~



t

, мин

05

.

0

~



t

, мин

700

2,98·10

-13

10

5,6·10

4

560

2800

750

1,39·10

-12

10

1,2·10

4

120

600

800

5,64·10

-12

10

3000

30

150

850

2,02·10

-11

10

800

8

40

900

6,46·10

-11

10

250

2,5

12,5

При

увеличении

времени

диффузии

или

температуры

профиль

распределения цинка выравнивается.

С

целью

управления

концентрацией

примесей

на

фронте

кристаллизации предложено управлять объемом и количеством легирующих
примесей за счет смешивания в основной раствор-расплав дополнительного
раствора-расплава с задаваемой скоростью.

Установлено, что задавая закон изменения шага выдавливающего пор-

шня, можно управлять скоростью подачи дополнительного раствора-расп-
лава

0

0

(

, )

n

f m t

m t









, где γ и

n

- коэффициенты, определяющие изменение

скорости подачи дополнительного раствора-расплава и позволяющие тем

линии – расчетная

точки – экспериментальная

Рис. 16. Распределение примесей по

толщине при использовании

концентрационного смешивания

самым управлять профилем распре-
деления примеси, рис. 16.

Создаваемые в технологичес-

ком процессе профили распределения
примесей

существенным

образом

влияют на стокозатворные характе-
ристики полевого транзистора.

По расчетным данным показа-

но, что в случае равномерного рас-
пределения примесей и подвижности
носителей по толщине канала токи
стока при увеличении запирающего
напряжения уменьшаются по квадра-
тичному закону, приводя к снижению
коэффициента усиления (рис.17,а).

На основе расчетно-аналитического исследования передаточных

характеристик установлено, что расчетные и экспериментальные кривые

52

согласуются лишь в предположении наличия градиента подвижности
носителей по толщине канала (ПТ-ОГ) (рис. 17б), существование которого
подтверждено результатами экспериментального исследования подвижности
носителей в эпитаксиальных слоях. При этом наличие высокого
отрицательного градиента подвижности носителей в канале полевого
транзистора легированного оловом приводит к укорачиванию эффективной

длины канала, и тем самым к увеличению значения параметра

L

N

qa

нас









0

2

2





,

характеризующего степень за висимости подвижности носителей от
напряженности электрического поля, до 10, приводя к линеаризации
передаточной характеристики транзисторов, рис. 17в. При малых значениях
параметра



модуляция канала определяется преимущественно профилем

подвижности носителей, а при больших значениях она определяется
профилем концентрации примеси.

а)

const





б)

1

-

x











0

2-

x











0

в)

Рис. 17. Передаточные характеристики полевых транзисторов

В полевом транзисторе с отрицательным градиентом примесей в канале

передаточные характеристики линеаризуются как в полевых транзисторах с
коротким каналом. Это указывает на то, что варьируя процессами роста
эпитаксиального канала и управляя распределением примесей по толщине
можно получить полевые транзисторы с длинным каналом со свойствами
коротко-канального

транзистора,

которые

можно

использовать

в

экономичном режиме с малым потреблением энергии.

Проведены расчетно-аналитические исследования фотоэлектрических

характеристик полевого транзистора в диодном режиме, которые показали
возможность управления темновыми и световыми токами за счет
формируемого градиента примесей в канале.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан новый способ жидкостной эпитаксии, обеспечивающий

формирование заданного профиля распределения примесей по толщине
эпитаксиальных слоев выращиваемых путем смешивания в основной
раствор-расплав, контактирующий с подложкой, дополнительного раствора-
расплава дискретными частями с управляемой скоростью.

53

2.

Проведено

расчетно-аналитическое

исследование

профиля

распределения примесей по толщине выращиваемых эпитаксиальных слоев
из раствора-расплава с неизменным объемом и с увеличивающимся объемом,
где скорость подачи дополнительного раствора-расплава в основной раствор-
расплав задает профиль распределения примесей.

3.

Установлены

оптимальные

режимы

диффузии

цинка

на

текстурированную поверхность базовой области и последующего роста
эпитаксиального гетерослоя в едином процессе. Путем компьютерного
моделирования процесса диффузии металла в полупроводник с неплоской
поверхностью показано, что, по мере увеличения времени диффузии,
профиль границы

р-n-

перехода становится все более плоской, что

согласуется с экспериментальными результатами.

4. Разработана технология получения изотипной двухбарьерной

NGaAs

As

In

nGa

x









2

.

0

8

.

0

)

1

(

-

гетероструктуры на основе индийсодержащего

эпитаксиального слоя арсенида галлия с технологически текстурированной
поверхностью в виде гофров при избытке индия, создающем различие
параметров решеток в ~1.4% с подложкой арсенида галлия.

5. Разработана технология получения фотовольтаической

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

-

As

In

pGa

06

.

0

94

.

0

- nGaAs -

структуры

с

технологически

текстурированной

поверхностью в виде выпуклых пирамид (с основанием 40÷60 мкм и высотой
8-10 мкм) при легирующей примеси германия в 3.1 моль.% во фронтальном
гетерослое

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

выращенном на индийсодержащем гетерослое.

6. Разработан дистанционно-управляемый оптоэлектронный ключ,

обеспечивающий

включение-выключение

электроприборов

и

технологических оборудований с помощью одного светового зонда,
состоящий из усилителя с входным каскадом на полевом транзисторе, в
котором между затвором и сопротивлением истока введен фотоприемник на
основе двухбарьерной структуры с высоким входным сопротивлением.

7.

Разработан

модулятор

оптических

сигналов,

содержащий

полупроводниковый излучатель света, источник тока и ключа на одном
полевом транзисторе вместо двух биполярных транзисторов, что позволяет
сохранить стабилизированный ток и исключить искажения сигнала
связанные с большой емкостью биполярного транзистора.

8. Разработан фоточувствительный полевой транзистор на арсениде

галлия с отрицательным градиентом примесей в канале имеющий в два раза
большую фоточувствительность (800 А/Вт) и в 6 раз больший коэффициент
усиления по току (60) по сравнению с полевым транзистором с
положительным градиентом примесей.

9.

Проведено

расчетно-аналитическое

исследование

стоковых

вольтамперных характеристик полевого транзистора с длинным каналом с
учетом градиента распределения примесей и подвижности по толщине
канала, объясняющее проявление в нем свойств коротко-канального полевого
транзистора и возможность его использования в экономичном режиме.

54

10. Предложена универсальная микросхема с четырьмя выводами на

основе «двухтранзисторной ячейки» с синхронно модулируемыми каналами,
обеспечивающими на порядок больший коэффициент усиления в режиме,
близком к отсечке канала, в сравнении со схемой с динамической нагрузкой
на полевом транзисторе.

11. Разработан генератор стабилизированных токов на основе

«двухтранзисторной

ячейки»

с

линеаризованной

передаточной

характеристикой, который предназначен для использования в режиме
заданного

прецизионно-регулируемого

тока

с

малым

шагом,

обеспечивающим

измерение

вольтамперных

характеристик

полупроводниковых

приборов

с

резко

возрастающим

током

типа

стабилитрона, ограничителей напряжения или S – диодов.

55

SCIENTIFIC COUNCIL ON AWARD OF SCIENTIFIC DEGREE OF

DOCTOR OF SCIENCES 16.07.2013.FM/T.12.01 at PHYSICAL-

TECHNICAL INSTITUTE OF SCIENTIFIC-PRODUCTION

ASSOCIATION «PHYSICS-SUN», INSTITUTE OF ION-PLASMA AND

LASER TECHNOLOGIES AND SAMARKAND STATE UNIVERSITY

_________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ __ _________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___

SCIENTIFIC-PRODUCTION ASSOCIATION «PHYSICS-SUN»

PHYSICAL-TECHNICAL INSTITUTE

YODGOROVA DILBARA MUSTAFAEVNA

DEVELOPMENT OF PHOTOSENSITIVE MULTILAYER STRUCTURES

MANUFACTURING TECHNOLOGY ON THE BASIS OF GALLIUM

ARSINIDE

01.04.10 – Physics of semiconductors (technical sciences)

ABSTRACT OF DOCTORAL DISSERTATION

Tashkent – 2015 year

56

The subject of doctoral dissertation is registered at Supreme Attestation Commission at the

Cabinet of Ministers of Republic of Uzbekistan under number 30.09.2014/В2014.5Т265.

Doctoral dissertation is carried out at the Physical - Technical Institute.
Abstract of dissertation in three languages (Uzbek, Russian, English) is placed on web page to

address

fti-kengash.uz

and on Information-educational portal “ZiyoNet” to address

www.ziyonet.uz

.

Scientific Consultant:

Karimov Abdulaziz Vakhitovich

doctor of sciences in physics and mathematics, professor

Official opponents:

Abdukadirov Mukhitdin Abdurashidovich

doctor of sciences in technics, professor

Aliyev Rayimdjan

doctor of sciences in technics, professor

Tagaev Marat Baymuratovich

doctor of sciences in technics

, professor

Leading organization:

Tashkent State Technical University

Defense will take place on «___» _____________2015 at _____ at the meeting of Scientific

council 16.07.2013.FM/T.12.01 at Physical Technical Institute, Institute of Ion-Plasma and Laser
Technologies and Samarkand State University at the following adress: 100084, Uzbekistan, Tashkent, 2B
Bodomzor yuli street. Phone/fax: (+99871) 235-42-91, e-mail:

lutp@uzsci.net

.

Doctoral dissertation is registered in Information-resource center of Physical Technical Institute by

№ 04, it is possible to review it in IRC at the following adress:100084, Uzbekistan, Tashkent, 2B
Bodomzor yuli street. Phone/fax: (+99871) 235-30-41.

Abstract of dissertation sent out on «___» ______________ 2015 year.
(mailing report _______ on «___» ______________ 2015 year).

S.L. Lutpullayev

Chairman of Scientific council

on award of scientific degree of doctor of sciences

doctor of sciences in physics and mathematics

, professor

M.N. Tursunov

Scientific secretary of Scientific council

on award of scientific degree of doctor of sciences

doctor of sciences in technics

I.G. Atabayev

Chairman of Scientific seminar at Scientific council

on award of scientific degree of doctor of sciences

doctor of sciences in physics and mathematics, professor

57

Introduction (Annotation of doctoral dissertation)

Topicality and demand of the subject of dissertation.

In world one of the

important physical and technological problems in the fastest dynamical growing
areas of micro- and optoelectronics is the development of photosensitive gallium
arsenide multilayer structures with enhanced functional characteristics. In this case
investigation of the relationship of their operating parameters with electro-physical
parameters of the active region will provide to obtain new technical solutions
contributing to reveal previously unknown features of photosensitive multilayer
structures. Performing research on the improvement of channel region of the field-
effect transistor, on solving problems on reduction of energy consumption, on the
development of field-effect transistors with p-n-junction, as well as the
development of manufacturing technology of photosensitive structures are
promising areas of research.

Application of multi-layer semiconductor devices, particularly photodiodes

and transistors in automotive industry and telecommunications needs to enhance
their opration frequencies, linearization of transfer characteristics, increasing the
thier gain and research inclusion modes. Thus the research conducting on influence
of epitaxial layer parameters to the properties of field-effect transistors aimed at
optimization of construction parameters of field-effect transistors are actual.

This research work aimed at development of the method of epitaxial growth

of semiconductor materials by mixing solution-melts as well as obtaining gallium
arsenide multilayer photosensitive structures with a controllable gradient of
impurity and mobility distributions and photodiode structures with micro-relief
border of interface. Improving of functional characteristics of these structures and
obtaining photosensitive field-effect transistors in conjunction with the features of
manufacturing technology and providing their operation in power saving mode are
the demand of this dissertation.

This thesis is devoted to solving in a certain extent the problems on

enhancing the competitiveness of electronic products, particularly, the problems
noted in the Decree of the President of the Republic of Uzbekistan DP-1442 «On
the priorities of industrial development of Uzbekistan in 2011 – 2015» of 15
December, 2010.

Conformity of research to priority directions of development of science

and technologies of the Republic of Uzbekistan.

This work was performed in

accordance with the priority directions of development of science and technology
of the Republic of Uzbekistan PAS-3 – «Power engineering, energy-saving and
resource-saving, transport, machine engineering and instruments industry; the
development of modern electronics, microelectronics, photonics and electronic
devices».

Review of international scientific researches on the subject of

dissertation.

Research on field-effect transistors are held at leading universities

and centers, in particular in University of Berkeley (USA) and Montpelie (France),
as well as by company Mitsubishi Electric (Japan) to the development of
manufacturing technology of field-effect transistors with

p-n-

junction and a

58

Schottky barrier, SPC “Polyus” (Russia) on the high-frequency field-effect
transistors on gallium arsenide, and at the University of California (USA) research
are held on manufacturing technology graphene filed-effect transistors.

In world scale some actual problems are solved, particularly, in the field of

devices with internal gain on the base of new semiconductor materials significiant
results are obtained: field-effect transistors controlled by the light were created
based on superconductivity – (National University of Natural Sciences, Japan); a
high-frequency field effect transistor structure with two-dimensional electron
channel has been developed – (University of Montpelie, France); static induction
field-effect transistor with vertical channel has been manufactured – (Sony, Japan);
high temperature field-effect transistor has been obtained based on technology of
growth of high quality epitaxial layers of alluminium-gallium nitride AlGaN/GaN
over the Si (111) substrates – (Nitronex, US).

At this time advanced research are performing on solving the technical

problems of manufacturing technology of photosensitive structures based on
epitaxial layers with mmicro-relief surface and controllable gradient of impurities,
and extension of their functional characteristics.

Degree of study of problem.

Numerous connection combinations of field-

effect transistor for various applications are considered by A.G. Milekhin. As well
as, is noted that with the approach of locking mode of the channel instabilities of
parameters and low gain, caused by the nonlinearity of the transfer characteristic,
are inherent in it. Known technological methods for improving the parameters by
shortening the channel length of the field-effect transistor used by Pucel R.A. lead
on the one hand to improve the amplifying properties due to the linearization of the
transfer characteristics associated with the profile of impurity distribution in the
channel, and on the other hand increase the power dissipation with increasing of
the operating current. This circumstance signifies that these field-effect transistors
become economically unfavorable due to impossibility of their operation in mode
close to pinch-off of the channel.

At the same time

a famous scientist Noyce R.N. showed that the creation of

a longitudinal gradient of impurities along the length of the channel with
decreasing carrier density in the direction of the source allows to increase the
efficiency of the channel resistance modulation by gate voltage, but by no means
does not affect to transfer characteristic due to the uniform distribution of the
impurities along the thickness of the channel. In this case gradient of impurities
and mobility of charge carriers along the thickness of the channel are not
considered.

By a specialist in the field of liquid epitaxy Russian scientists V.M. Andreev

it is demonstrated that technologically unmanageable gradients of impurity
distribution, inherent to the selected dopant, can be obtained in the epitaxial layers
produced from solution-melt with forced cooling due to the temperature
dependence of the distribution coefficient of the dopant.

Possibility of purposeful

modification of the constructions of liquid epitaxy devices are a prerequisite for the
modernization of technological methods and techniques so that be able to provide
different impurity distribution gradients and to identify their influence on the

59

properties of diode and transistor structures.

Until the present day in the development of liquid phase epitaxy technology

a certain contribution have been made by group of academician Zh.I. Alferov,
professor Y.P.Yakovlev, academician M.S. Saidov, doctors M.N. Tursunov, M.A.
Abdukadirov and A.V. Karimov as well as others, each of which has developed
various technological aspects in accordance with their targets and objectives. In
particular, by the group of A.V. Karimov methods have been developed to obtain
abrupt p-n-junction from the solution-melt which is cooled at a decreasing rate, as
well as technology of obtaining variable-band epitaxial layers by mixing portion of
solution-melts with different composition into the main solution-melt under
isothermal conditions.

From above it follows that the manufacturing technologies of the desired

gradient of impurities and mobility of charge carriers along the thickness of the
channel are unprocessed. The methods of linearization of transfer characteristic
require a new approach. Thus, remain unexplained the opportunities of
enhancement of electrical characteristics of photodiode structure and functional
properties of the multilayer transistor structure with an inhomogeneous distribution
of impurities and mobility of charge carriers in the channel, as well as at non-
traditional connection modes, which require a comprehensive study of the
influence of irregularities on their characteristic parameters in conjunction with the
technological conditions.

Connection of dissertational research with the plans of scientific-

research works.

Doctoral dissertation is carried out at the Physical-technical

institute SPA «Physics-Sun» of AS RU under Research and Development State
Programs: № А-6-049 «Development of manufacturing technology of
semiconductor photoelectric converters with selective photosensitivity» (2006-
2008); ФА17-Ф-100 «Development of photoreceiving device for weak optical
signals based on photoelectric converter» (2009-2011) and А3-ФА-0-10-440
«Development of thermal and electric pulse processing methods aimed at increase
of yield at production of lacking groups of semiconductor devices (JSC
«FOTON»)» (2012-2014).

Purpose of research

is development of

a multilayer photosensitive gallium

arsenide structures on the basis of epitaxial layers with a predetermined impurity
distribution profile and textured surface, improving their functional characteristics
and research of new connection modes.

To achieve this goal the following

tasks of research

are formulated:

to develop a manufacturing technology of a multilayer gallium arsenide

structures with a micro-relief surface by liquid phase epitaxy;

to simulate processes of impurity diffusion in a semiconductor with a micro-

relief surface;

to develop a growth technology of epitaxial films with non-linear gradient

(positive or negative gradient, power-law gradient) distribution of impurities along
the thickness;

to simulate a non-isothermal growth process of epitaxial film from solution

-

melt with varying composition accompanied by increase of volume of solution-

60

melt;

to develop a field-effect transistor on the base of gallium arsenide with non-

uniform (positive or negative gradient, power-law gradient) distribution profile of
the impurities along the thickness;

to simulate electronic processes in field-effect transistors with non-uniform

distribution profile of the impurities and mobility of charge carriers along the
thickness of the channel;

to develop different connection modes (mode of automatic bias, mode of

maximum conductivity, and drain-gate voltage-controlled mode) of field-effect
transistor that enhance its functionality;

to develop a remotely-controlled optoelectronic switch with fast switching of

an object using a single light emitter and the input stage on the basis of field-effect
transistor;

to develop new connection modes based on comparative analyse of the

obtained results for gallium arsenide field-effect transistor and reference silicon
sample.

Objects of research

are

р



GaAs-рGaAs-nGaAs

-junction field-effect

transistors with different distribution profiles of impurities and mobility of charge
carriers in the base, as well as gallium arsenide structures with isotype hetero and
micro-relief boundary.

Subject of research

is process of developing the epitaxial and diffusion

technologies of manufacturing the multilayer gallium arsenide structures with
structural and morphological irregularities.

Methods of research.

In dissertation have been applied the complex

information methods of experimental physics: measurement of current-voltage and
capacitance-voltage characteristics; measuring the spectral photosensitivity at
different bias and morphological studies of surfaces and interfaces, as well as
methods of theoretical calculations and computer simulations of technological and
electronic processes.

Scientific novelty of dissertational research

consists in the following:

for the first time, a method is developed for non-isothermal growth process

of epitaxial layer of А

3

В

5

semiconductors with desired distribution profile of

impurities by mixing the saturated solution-melts and is conducted its simulation;

a technology is developed for diffusion of impurity zinc to gallium arsenide

with texturied surface followed by growth of epitaxial hetero-layer, optimal modes
are established consisting in zinc diffusion at 800°C for 80 minutes and growth of
hetero-layer in temperature range from 813°C to 809°C with cooling rate 1
deg/min in a single process;

а technology is developed for manufacturing isotype double-barrier

NGaAs

As

In

nGa

x









2

.

0

8

.

0

)

1

(

-heterostructure based on indium-containing epitaxial

layers of gallium arsenide with technologically textured surface in the form of
ripples at excess of indium, leading to the difference in the lattice parameters equal
to 1.4% with gallium arsenide substrate and the photo-voltaic

As

Ga

pAl

9

.

0

1

.

0

-

As

In

pGa

06

.

0

94

.

0

- nGaAs -

structure with technologically textured surface in the form

61

of pyramids (with a base 40-60 microns and a height of 8-10 microns) at impurity
germanium with 3.1 mol.% in frontal hetero-layer

Ge

As

Ga

pAl

:

9

.

0

1

.

0

grown on

indium-containing hetero-layer;

for the first time, a photosensitive field-effect transistor is developed based

on gallium arsenide with negative (decreasing to the surface) gradient of impurity
distribution in the channel having a gain twice as large as compared to the field-
effect transistor with a positive gradient of impurities distribution and 3.5 times
larger in comparison with the conventional devices;

connection modes of field-effect transistor are proposed providing its

operation as a photoreceiver with maximum sensitivity, as a fast-response
photoresistor and as a high power switch in electronic circuits;

a calculation of current transport process in field-effect transistors is

conducted taking into account the gradient of the carrier mobility distribution and
the influence of surface states which for the first time showed the possibility of
linearizing the transfer characteristics of the field-effect transistors with a long
channel;

a universal microchip with four electrodes is developed on the basis of

double-transistor circuit with synchronically modulated channels providing an
order of magnitude (70 compared to 7 in ordinary cases) higher gain in mode close
to pinch-off the channel;

for the first time, a remotely-controlled optoelectronic switch is developed

providing a switching on and switching off of the electronic devices and
technological equipments consisting of an amplifier with the input stage on the
basis of field-effect transistor wherein between the gate and resistor of source is
included a photodetector based on double-barrier structure;

for the first time, a modulator of optical signals is developed allowing to

increase the lifetime of the semiconductor light-emitting devices consisting of
semiconductor light-emitting device, current source and a switch based on single
field-effect transistor instead of two bipolar transistors wherein input signal is
applied to the source;

a generator of stabilized currents are developed based on “double-transistor

cell” with linearized transfer characteristics, which is intended for setting
precision-regulated current with a small step, provides a measurement of the
current-voltage characteristics of semiconductor devices with sharply increasing
current stabilitron type, voltage suppressor and S – diodes.

Practical results of research

consist in the following:

a method is developed for non-isothermal growth process of epitaxial layer

of gallium arsenide with predetermined distribution profile of impurities along the
thickness and on their base a lechnology is poposed for manufacturing the a
photosensitive multilayer structure with desired gradient of impurities in base
region aimed at optimization of their key parameters providing operation in power
saving mode;

the modified manufacturing technologies are developed for multi-layer

aluminium and indium-containing heterostructures providing increasing of the

62

photosensitivity of multi-layer structures by decreasing the optical losses;

technical solutions are developed disclosing the functional capabilities of

field-effect transistors based on gallium arsenide and a reference sample based on
silicon in electronic circuits designed to amplification of the DC and AC signals.

Reliability of obtained results

is confirmed by the use of modern scientific

and technological methods, standard and tested in the manufacturing factory
techniques to control the parameters and characteristics of the semiconductor
devices. Results and conclusions are justified on physical representations based on
theoretical and experimental data. The reliability of the experimental data is
provided by using complex independent measuring techniques and data processing,
as well as their corresponding to modern concepts of physics and technology of
semiconductors and devices based on them.

Theoretical and practical value of results of research.

Obtained results

expand the physics of multi-layer photosensitive structures with gradiental base.

Practical results are important for identifying connection modes of various

electronic circuits with field-effect transistors used in telecommunications and in
systems of transmission and receiving of optical signals.

Realization of results of research.

4 patents of the Republic of Uzbekistan

intended to prevent failure and increase the lifetime of electronic equipment have
been obtained: “Modulator of optical signals”(IAP №04854 on 21.02.2014);
“Remote optoelectronical switch” (IAP №04600 on 25.04.2012); “Method of
epitaxial growth of semiconductor materials by mixing the solution-melts” (IAP
№04053 on 09.10.2009); “Photosensitive filed-effect transistor” (IAP №03832 on
21.11.2008);

a device “Generator of low currents” are developed which provides to

establish the reasons for refusal and technological deviations from the established
regulations of semiconductor devices and implemented at SJC “FOTON”. The
economic effect of implementation due to increasing the percent of yield of
semiconductor devices by 10% is 20 million Uzbek Sums per year
(Implementation act of “Uzeltechsanoat” Association from 10.04.2014).

Approbation of work.

Main results of the dissertation were presented and

discussed at the republican and international conferences, including: «Young
Scientists Conference on Optics and High Technology Materials Science», SPO-
2013 (Kyiv, 2013); «Physics of Semiconductors and Devices, Problems of
Teaching» (Namangan, 2013); «Actual Problems of Physics» (Baku, 2008); «Non-
equilibrium Processes in Semiconductors» (Tashkent, 2007); «Fundamental and
Applied Problems of Modern Physics» (Tashkent, 2007); «Young Scientists
Conference on Optics and High Technology Materials Science», SPO-2006 (Kyiv,
2006); «Fundamental and Applied Problems of Modern Physics» (Tashkent,
2006); «Microelectronic Converters and Devices» (Baku-Sumgait, 2005); RIO 5
«World Climate & Energy» Event (Braziliya, 2005); «Scanning probe microscopy
– 2003» International Workshop, Nizhny Novgorod (Russia, 2003).

Main results of the dissertation were presented and discussed at the enlarged

seminar (3 June, 2015) on specialty «Physics of Semiconductors» at the Physical-
Technical Institute SPA «Physics-Sun» AS RU, as well as at the one-off scientific

63

seminar (25 November, 2015) at Scientific council 16.07.2013.FM/T.12.01 at
Physical Technical Institute, Institute of Ion-Plasma and Laser Technologies and
Samarkand State University

on award of the scientific degree of Doctor of Science

in specialty 01.04.10 - Physics of Semiconductors (technical sciences).

Publication of results.

According to the materials of the dissertation 43

scientific papers are published, including 23 articles, 8 of which in English, 1
monograph, 15 conference proceedings and 4 patents for inventions.

Structure and volume of dissertation.

Dissertation consists of

introduction, five chapters, conclusion and list of references, including 127 items
of references and 2 appendixes. It is presented on 200 printed pages, containing 89
figures and 28 tables.

MAIN CONTENTS OF DISSERTATION

In the

introduction

the topicality and relevance of the dissertational subject

have been justified, the conformity of the research with priority directions of
scientific and technological development in the republic have been defined,
presented an review of international scientific researches on theme of the
dissertation, degree of study of the problem,

the purpose and tasks, the object,

subject and methods of investigation have been formulated, the scientific novelty
of the research has been stated, the reliability of the obtained results has been
proved, their theoretical and practical values have been revealed, short information
about the implementation of the results and approbation of the work as well as
about the volume and structure of the dissertation have been given.

In the first chapter

«State of issues and trends to improve manufacturing

technology of semiconductor structures with an inhomogeneous base region»

of the dissertation a review of literature data on the status of the research problem
and trends to improve the functional characteristics of multi-layer semiconductor
structures depending on the structural and morphological irregularities are given
and the influence of constructional features of the field-effect transistors on their
functional properties, as well as ways to improve the electrical parameters of field-
effect transistors by circuit design are considered. Based on the analysis of
available data are formulated the tasks of dissertation.

In the second chapter

«Development of technology for manufacturing the

multilayer structures with the micro-relief surface»

technological steps of

manufacturing multilayer structures with a textured surface by diffusion methods
and liquid phase epitaxy, their spectral responses, amplifying and photoelectric
properties of heterostructure, features of remotely-controlled optoelectronic switch
on the basis of this heterostructure are given.

The technology is developed for manufacturing multilayer structures with

micro-relief surface by combined method providing diffusion of zinc impurities
into the textured surface of the gallium arsenide buffer layer and subsequent
growth of epitaxial hetero-layers (

AlGaAs

) on top of the buffer layer from a limited

solution-melt in a single process.

Texturing the surface of the buffer layer was carried out by anisotropic

64

etching. Diffusion of zinc impurities was provided from zinc powder (146 mg in a
graphite chamber with volume of 5.3 cm

3

) into gallium arsenide with micro-relief

surface at 800°C during 50 minute. Growth of hetero-layer was carried out at

a)

p-n

-junction with flat

boundary

b) dendrite type micro-relief

boundary of

p-n

-junction

c) micro-relief boundary

of

p-n

-junction obtained

by contact diffusion

Fig. 1. Micrographs of

cleavages of structures with

buffer layer pGaAs and

hetero-layer pAl

0.4

Ga

0.6

As

temperature range from 813°C to 809°C with
cooling rate 1 degree/minute. In this case, the

nGaAs

substrates were chosen with concentration

10

18

cm

-3

and with dimensions (1 cm

2

)

corresponding to the cell of a graphite cassette. In
addition the diffusion process can be carried out
from the solid-state (from the deposited zinc
powder on

GaAs:Zn

) contacting the surface of the

substrate, allowing to obtain a micro-relief
interface. Micrographs of cleavages of obtained
structures are shown in fig. 1.
It is experimentally shown that in the obtained
multilayer

p

+

Al

0.4

Ga

0.6

As

-

pGaAs

:

Zn-nGaAs-

n

+

GaAs

-structure with micro-relief surface the

range of spectral response extends into the region
of short wavelengths, and the quantum yield
becomes twice higher as compared than in the
structures with flat surface (fig. 2.) which can be
specifically used as the photovoltaic receiver.

The

technology

is

developed

for

manufacturing the structures with grown micro-
relief surface by liquid phase epitaxy on the basis
of indium and aluminum-containing epitaxial
layers of gallium arsenide on the gallium arsenide

substrates, which allows increasing the angular response to the absorbed light as
compared with a flat structure (up to 90 degrees compared to 50 degrees in the flat
structures). They are characterized by flat boundary of p-n-junction and
technologically textured surface defined by composition of hetero-layer.

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

I

sc

,

r.u .



,



m

1

2

a) spectral response

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

E

x

te

rn

a

l

q

u

a

n

tu

m

e

ff

ic

ie

n

c

y



,



m

1

2

b) quantum efficiency of photosensitivity

Fig. 2. Photoelectric characteristics of structures

with flat (1) and micro-relief (2) p-n-junction

A

Ge

As

Ga

pAl

:

9

.

0

1

.

0

heterolayer were grown from the solution-melt

containing 7.5 mol.% undoped gallium arsenide, 0.3 mol.% aluminium and 3.1