Социо - эколого -экономический анализ воздействия СВЧ-излучений на окружающую среду и технологии изготовления диодов ганна

Таким образом, формирование домена сопровождается падением тока, протекающего через образец. Рост напряженности  поля домена прекратится тогда, когда  скорость его распространения станет равной дрейфовой скорости движения электронов. С этой скоростью домен  перемещается по образцу к аноду  и исчезает. Это приводит к тому, что поле в образце, а вместе с  ним и ток мгновенно возрастают. Затем образуется новый домен, и  процесс повторяется. Установлено, что обычно домен зарождается  около катода, хотя в принципе любая  значительная неоднородность может  стать центром формирования домена. Формирование и исчезновение доменов, которые периодически зарождаются  у катода и перемещаются к аноду, определяют наблюдаемую сверхвысокочастотную осцилляцию тока на образцах, помещенных в сильное электрическое поле.

Режимы работы диодов Ганна

В устройствах с диодом Ганна возможно существование различных  режимов генерации и усиления СВЧ колебаний. На их формирование решающее влияние оказывают три временных  параметра:

1)τ_д -время образования домена. τ_д=k_д/n₀, где k_д- постоянный коэффициент, зависящий от примеси, n₀- плотность концентрации носителей заряда.

2)t_д- время переноса домена от катода к аноду. t_д=L/υ_др, где L- длина образца.

3)T₀=l/ƒ- период усиливаемых или генерируемых колебаний, обусловленный главным образом резонансной частотой ƒ внешней электрической цепи, подключенной к диоду.

4) ƒ_пр=l/t_д- собственная пролетная частота диода.

Режим устойчивого  отрицательного сопротивления возникает при

t_д/ τ_д<1 и ƒ/ ƒ_пр=n, где Δƒ=1,2,3. Этому режиму соответствует устойчивое стационарное распределение электрического поля вдоль образца диода. Отрицательное сопротивление диодов в таком режиме используется для создания генераторов и усилителей  диапазона СВЧ.

Режим бегущей  волны возникает при t_д/ τ_д<1 и ƒ/ ƒ_пр≈1. Ему так же соответствует устойчивое стационарное  распределение электрического поля вдоль образца диода. В этом режиме можно получить усиленные по отношению ко входу колебания, возбудив вблизи катода волну объемного заряда, которая экспоненциально растет по мере движения через диод, на выходе.[2]

1.3.2.Технология изготовления СВЧ-диодов Ганна

При создании современных  диодов Ганна в качестве материала  используются эпитаксиальные структуры  арсенида галлия типа n⁺-n-n⁺, где слои n⁺ являются контактными слоями, к которым формируется металлический контакт, n-cлой является слоем зарождения и переноса домена.

Зарождение домена происходит на одной из неоднородностей внутри n- слоя или на границе перехода n⁺-n (катоде) , на которой поле превысит пороговое. Поскольку граница перехода  n⁺-n главная, то зарождение домена происходит внутри n- слоя на некотором расстоянии от катода, и это расстояние не постоянно от структуры к структуре. Таким образом, физическая длина n- слоя, которая указывается в технических условиях на эпитаксиальную структуру арсенида галлия, не совпадает с эффективной длиной. Это создает трудности при выборе определенной эпитаксиальной структуры арсенида галлия для изготовления диодов Ганна, работающих на заданной частоте.

Решение проблемы равенства  физической и эффективной длины  n- слоя состоит в создании неоднородности на катоде, на которой должен зарождаться домен. Одним из способов создания такой неоднородности является формирование низкоомного омического металлического контакта непосредственно на поверхности n-слоя. Для этого нужно использовать эпитаксиальные структуры арсенида галлия n-n⁺- типа и подобрать соответствующий металлический контакт, который бы формировал низкоомный омический контакт к n-слою с концентрацией носителей заряда 10¹⁵-10¹⁶ см^-3, был стабильный во времени и при повышенных температурах, а также технологичный.

Разработанный  многослойный  омический  контакт из Ge-Au-TiB₂-Au к n-GaAs с концентрацией носителей ≥ 10¹⁵ см^-3 позволил использовать эпитаксиальные структуры GaAs n-n⁺- типа. Этот контакте имеет удельное сопротивление порядка 10^-5 Ом*см² при n≈10¹⁵ см^-3, стабилен во времени и при температурах до 450°С. Контакт наносился на поверхность n-слоя послойно методом магнетронного распыления в атмосфере Ar. Соотношение толщины пленок Ge и Au подбиралось так, чтобы температура их сплава была порядка 700-800°С. Слой TiB₂ является диффузионным барьером для Ge и As- по крайней мере, до 600°С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В качестве исходного материала  для изготовления кристалла были выбраны эпитаксиальные структуры  арсенида галлия типа n-n⁺_б-n⁺⁺, выпускаемые по техническим условиям ЕТО 026.035ТУ, с длиной n-слоя 2,4-2,6 мкм и концентрацией носителей (8…9) *10¹⁵см^-3.

На поверхность n-слоя методом магнетронного распыления в атмосфере Ar послойно наносились Ge, Au, TiB₂, Au толщиной 300, 1800, 1000 и 2000 Å, соответственно. Затем пластина с контактами подвергалась термической обработке в водороде при температуре 500°С в течение одной минуты. На готовой пластине методом фотолитографии и травления контактов формировалось окно диаметром 3 мм, в котором располагались тестовые мезаструктуры диаметром 20,40, 60,80,100,120,140 и 180 мкм.

На этих мезаструктурах исследовали  вольт-амперные характеристики (ВАХ), проверяли  линейность ВАХ, измеряли пороговое  напряжение и пороговый ток. Годными  считались пластины, имеющие линейную ВАХ и пороговое напряжение от 1,4 до 1,6 В. По величине порогового тока определяется диаметр мезаструктуры  кристалла. Диаметр выбирался из тестовых структур, которые соответствовали  току 100-150 мА. Как правило, эти диаметры равнялись 40-60 мкм.

После этих процедур на годные пластины со стороны контакта гальвани-чески  осаждался слой золота толщиной порядка 5 мкм.

Со стороны n⁺⁺ ( подложка, толщина которой 300-350 мкм) проводилось химико-динамическое травление в растворе (NH)₄OH-H₂O₂-H₂O 1:6:1 со скоростью 12-14 мкм в минуту до толщины 20-30 мкм. После этого со стороны подложки формировался такой же контакт, как и с n-стороны.

Методом фотолитографии на n⁺⁺- стороне формировалась матрица с окнами диаметром 350 мкм, которые соединялись перемычками шириной 10 мкм. В эти окна производилось селективное гальваническое осаждение слоя золота толщиной 50-60 мкм. Слои золота служат термокомпенсаторами для кристалла при его пайке на основание и при перепадах температуры во время работы прибора.

После наращивания термокомпенсирующего слоя методом фотолитографии формировались  контактные площадки, совмещенные с  термокомпенсирующими слоями, диаметром 40 или 60 мкм. Стравливали золотой  слой, свободный от фоторезиста. Затем  повторно методом фотолитографии создавали  площадки, защищенные  фоторезистом, диаметром 180 мкм, совмещенные с контактными  площадками диаметром 40 или 60 мкм, и производили травление слоя TiB₂, слоя AuGe, сплавленного с GaAs, и GaAs на глубину 3-4 мкм. Золотые контакты диаметром 40 или 60 мкм в этом случае служили маской. Таким образом, получали матрицу мезаструктур на термокомпенсирующих слоях золота, соединенных золотыми перемычками.

На готовой матрице  производили измерение ВАХ прибором Л2-56 и определяли пороговое напряжение и ток при напряжении 2,5 В. Если пороговое напряжение лежало в области 1,4-1,6 В, а ток при рабочем напряжении 2,5 В был меньше или равен 0,12 А, то матрица считалась годной. Тогда  производили вырубку кристаллов и собирали диоды.[3]

1.4 Отходы, образующиеся  при изготовлении диодов Ганна. 

При производстве диодов Ганна образуется большое количество твёрдых мышьяксодержащих  промышленных отходов. В основном это отходы, образующиеся при резке, шлифовке и полировке материалов. Таким отходом является порошок арсенида галлия GaAs.

1.4.1 Физико-химические  свойства арсенида галлия

Арсенид галлия один из основных полупроводниковых материалов, относящийся  к классу соединений A^IIIB^V. Благодаря удачному сочетанию свойств занимает второе место (после кремния) по своему значению в современной электронной технике. Арсенид галлия имеет неплохие теплофизические характеристики, достаточно большую ширину запрещенной зоны, высокую подвижность электронов, благоприятные особенности зонной структуры, обуславливающие возможность прямых межзонных переходов носителей заряда. Разработаны технологии получения материала с хорошими изолирующими свойствами и высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра.

Кристаллы арсенида галлия кристаллизуются в решетке сфалерита (ZnS).

Свойства арсенида галлия:

• Постоянная решетки при 300 К равна 5,6533 А,
• относительная молекулярная масса – 144,63;
• плотность GaAs в твердом состоянии – 5,32 г/см³, в жидком состоянии – 5,71 г/см³;
• температура плавления t_пл = 1238^оС;
• равновесное давление паров мышьяка в точке плавления ~ 1.105 Па (0,98 атм), что в значительной мере усложняет технологию его получения;
• ширина запрещенной зоны – 1,43 эВ;
• диэлектрическая проницаемость статическая – 12,9, высокочастотная – 10,89.

Электрофизические свойства нелегированного арсенида галлия в  сильной степени зависят от состава  и концентрации собственных точечных дефектов, концентрации фоновых примесей и режимов термообработки слитков. Для получения монокристаллов n- и p-типа проводимости с заданной концентрацией  носителей заряда используют легирование  электрически активными примесями. Основными легирующими примесями  при получении монокристаллов n-типа являются S, Se, Te, Si, Sn, а при получении  монокристаллов p-типа – Zn.

Арсенид галлия не взаимодействует  с водой, но активно разлагается  под действием кислот с выделением токсичного арсина. Удельная скорость растворения арсенида галлия существенно  возрастает в смесях кислот. При  нагреве на воздухе до 300^оС арсенид галлия не окисляется. Арсенид галлия относится к числу разлагающихся соединений. Начиная с 600^оС, разлагается с выделением мышьяка. Расплавленный арсенид галлия очень активен и взаимодействует практически со всеми известными материалами, используемыми для изготовления контейнеров. Наибольшее распространение в технологии арсенида галлия нашел синтетический кварц. Для получения высокочистого полуизолирующего арсенида галлия применяют пиролитический нитрид бора. [4]

1.5. Инновация. Обезвреживание мышьякосодержащих отходов в полупроводниковом производстве.

Для обезвреживания мышьякосодержащих  отходов полупроводникового производства предложен метод детоксикации остеклованием. Метод остеклования мышьякосодержащих отходов полупроводникового производства при сравнительной простоте технологии позволит обеспечить высокую степень инертности мышьякосодержащих стекол, что снимет проблему дорогостоящего захоронения.

Исходным материалом для  остеклования в полупроводниковой  промышленности могут быть:

1. осадки гидрохимической очистки растворов от мышьяка;
2. кварц, графит, зола и керамика, загрязненные мышьяком;
3. сода, кремнезем, стеклобой и другие добавки, не содержащие мышьяка.

Проведены опыты по получению  стекол с содержанием мышьяка  до 1% при температурах 1000-1200°С из мышьякосодержащих отходов производства арсенидо-галлиевых пластин, образующихся при дистилляционной очистке травильных растворов. Кроме мышьяка, в отходах может находиться до 3% Р, до 0,6% Ga. Содержание SiO₂

45-50%, CaO 10-15%, Al₂O₃ до 3,5%, Na₂O 3-4%.

Исследования показали, что  при выплавке мышьякосодержащих  стекол имеет место частичный  переход мышьяка в газовую  фазу, что требует создания развитых систем пылеулавливания. С целью  оптимизации основных факторов, влияющих на распределение мышьяка между  газовой и конденсированными  фазами : температуры, состава, давления,- было проведено термодинамическое  моделирование равновесных гетерогенных систем, содержащих мышьяк, при различных  условиях, отвечающих последовательным стадиям остеклования. Процесс остеклования мышьяка предполагается  осуществлять сплавлением оксида мышьяка с оксидами других металлов и получением стеклообразной массы, что возможно при сравнительно высоких температурах, когда скорость установления равновесия достаточно высока.

Для расчета равновесного состава газовой и конденсированной фаз исследуемых систем был применен вариационный метод с использованием программного комплекса «Астра».

В результате расчета равновесного состава газовой и конденсированной фаз было установлено следующее:

1)При молярном содержании  оксида мышьяка в исходной  смеси менее 40% для систем As₂O₃-CaO(  MgO, Al₂O₃, Fe₂O₃) основное количество мышьяка находится в конденсированной фазе в виде арсенатов металлов ( около 100%).

2) Повышение общего давления  и количества кислорода подавляет  сублимацию мышьяка при нагревании.

3)В сложной системе,  состоящей из оксидов натрия, кальция, магния, железа, алюминия  и мышьяка при незначительном  молярном содержании последнего (менее 4,5%), мышьяка полностью связывается в диарсенат кальция. Увеличение содержания мышьяка сверх стехиометрического по отношению к диарсенату кальция Ca₃As₂O₈ приводит к образованию арсената натрия Na₃AsO₄. При дальнейшем увеличении содержания мышьяка в равновесной твердой фазе образуется диарсенат магния и, наконец, диарсенат железа. Таким образом, исследованные арсенаты могут быть расположены по убыванию термодинамической устойчивости в ряд Ca₃As₂O₈- Na₃AsO₄- Mg₃As₂O₈- Fe₃As₂O₈.