WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 5 Электронный транспорт в естественной сверхрешетке карбида кремния в режиме квантования Ванье–Штарка:

фундаментальные и прикладные аспекты ¶ © В.И. Санкин, П.П. Шкребий Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 15 ноября 2000 г. Принята к печати 16 ноября 2000 г.) Исследование транспорта горячих электронов в естественной сверхрешетке карбида кремния позволило впервые получить практически все ранее предсказанные теоретически эффекты ванье–штарковской локализации: блоховские осцилляции, штарк-фононные резонансы, локализацию минизоны, резонансное межминизонное туннелирование. В структурах n+-n--n+, оптимизированных для сверхвысокочастотных измерений, в области электрических полей, соответствующих режиму блоховских осцилляций, наблюдался эффект подвижного электрического домена, что позволило с большой степенью вероятности прогнозировать наличие в естественной сверхрешетке 6H-SiC колебаний сверхвысокочастотного диапазона.

1. Введние значит, электрон становится все более локализованным.

Главным следствием такого нового состояния в кристалКарбид кремния широко известен как материал для ле является возникновение отрицательной дифференцимощной высокотемпературной радиационно стойкой альной проводимости.

электроники. В настоящее время созданы практически Большая часть исследований ИПЛ проведена в так все основные приборы из перечня кремниевой элек- называемых рукотворных или искусственных сверхрешетках (ИСР), в частности на гетеропереходных ИСР троники. Однако представляется более перспективным GaAs–AlAs. Но полученные экспериментальные данные, создавать приборы на основе таких свойств карбида кремния, которые не имеют аналогов среди других по- особенно в части исследования квантового транспорта, лупроводников. Именно эта проблема является пред- нельзя признать однозначными [2,3].

метом обсуждения данной работы. С этой точки зре- В данной работе речь пойдет о транспортных явлениях в сильных электрических полях, а именно о явлениях ния наибольший интерес представляет существование ВШЛ в ЕСР. Такая сверхрешетка имеет ряд преимуполитипов карбида кремния в виде различных кристалществ перед ИСР: она свободна от флуктуаций толлов SiC с большими размерами элементарной ячейки.

щины слоя и от несовершенств интерфейсов, которые В большинстве политипов, исключая 3C- и2H-SiC, кроме негативно сказываются на реализации эффектов ВШЛ основной периодичности, равной постоянной решетки, в ИСР. Возможно, что это обстоятельство явилось можно выделить дополнительную периодичность размеодной из главных причин первого экспериментального ром в несколько и даже несколько десятков постоянных наблюдения многих эффектов ВШЛ именно в ЕСР полирешетки. Такая сверхпериодичность получила название типов SiC [4].

естественной сверхрешетки (ЕСР). Огромный интеТакие многообещающие эффекты, как отрицательная рес вызывает вопрос о влиянии ЕСР на электронные дифференциальная проводимость (ОДП), электрофононсвойства политипов. Как известно, полупроводники со ные резонансы (ЭФР) в условиях ванье-штарковских сверхрешеткой являются объектами, в которых исслелестниц, резонансное туннелирование (РТ) между содуется индуцированная полем локализация (ИПЛ) или седними минизонами, обнаруженные при исследовании ванье-штарковская локализация (ВШЛ) [1]. Суть этого ИПЛ в ЕСР, являются предметом исследования в данной явления заключается в том, что, согласно квантовоработе. Кроме того, здесь будут представлены данные, механическим принципам, разогретые электрическим попоказывающие влияние ВШЛ на такие практически важлем электроны, достигая верхнего края разрешенной ные явления, как ударная ионизация и лавинный пробой.

зоны, испытывают брэгговское отражение, в результаРезультаты данного исследования представляют не те чего двигаются против поля, теряя кинетическую только принципиальный интерес, но и создают заманэнергию и опускаясь на дно зоны. После чего процесс чивые перспективы для разнообразных с практической повторяется. Из этого следует, что движение электрона точки зрения разработок на естественных сверхрешетках приобретает характер осцилляций, носящих название политипов SiC. Вот некоторые из них:

блоховских осцилляций (БО). Электронный спектр при 1. ОДП — основа для разработки сверхвысокочастотных этом из квазинепрерывного превращается в дискретный.

(СВЧ) и терагерцовых усилителей и генераторов.

По мере увеличения поля дискретность возрастает, а 2. ЭФР — источник терагерцового излучения.

¶ 3. РТ— основа для сверхбыстрых мощных и эффективE-mail: sankin@widegap.ioffe.rssi.ru Fax: (812)515 6747, (812)247 1017 ных переключателей.

Электронный транспорт в естественной сверхрешетке карбида кремния в режиме квантования... Для практической реализации СВЧ колебаний в ЕСР взамен биполярных триодных структур, оптимальных для статических исследований, были созданы карбидкремниевые униполярные n+-n--n+-диодные и вертикальные полевые триодные структуры, способные обеспечить временные требования к наблюдению быстрых процессов. Нетривиальные особенности вольт-амперных характеристик таких структур в сильных электрических полях также будут предметом обсуждения данной работы.

2. Биполярная триодная структура типа n+--n+ Идея использования вместо диодных триодных структур возникла как необходимость, обусловленная отсутствием эпитаксиальных слоев SiC с низкой концентрацией примеси [4]. Такие системы позволяют управлять Рис. 1. Вольт-амперные характеристики триодной структуры на основе 4H-, 6H- и 8H-SiC.

рабочим током, не изменяя величины электрического поля. Эта идея впоследствии использовалась и в работах с ИСР.

Для исследования электронного транспорта в режиме 3. Экспериментальные результаты ВШЛ была создана оригинальная биполярная триодисследований на биполярной ная структура, которая удовлетворяла следующим третриодной структуре бования:

1) измеряемый ток в образце был чисто электронным;

3.1. Блоховские осцилляции 2) электрическое поле в образце однородно;

На рис. 1 показаны вольт-амперные характеристики 3) током в образце можно управлять независимо от поля;

(ВАХ) трех политипов SiC: 4H, 6H и 8H. Характер4) поле в рабочей области направлено параллельно оси ной особенностью показанных ВАХ является наличие ЕСР в каждом исследуемом политипе, т. е. F C;

участка с ОДП. Существуют два возможных механизма 5) механим токопротекания — инжекционно-пролетный.

возникновения такой ОДП: отражение электронов от Подробно работа экспериментальной структуры описана области с отрицательной эффективной массой и отрав работе [4]. Здесь мы ограничимся только несколькижение от края минизоны или блоховские осцилляции, с ми основными сведениями. Структура состоит из трех существенно различными критическими полями. Необхообластей: эмиттера, базы и коллектора. Главный элемент димые для таких оценок значения времен рассеяния при структуры — база, которая содержит исследуемый посильном поле были нами получены в результате эксперилитип, легированный глубоким акцептором (скандием), ментального определения дрейфовых скоростей. Сравнечто обеспечивает очень низкий уровень свободных дырок ние оценочных значений с соответствующими экспериp 1010 см-3 при 300 K. Таким образом, эта была ментальными значениями критических полей 290, структура типа n+--n+. В базе такой структуры и 110 кВ/см показало, что экспериментальные наблюгарантирован дрейф электронов от эмиттера к коллекдения с большей вероятностью соответствуют режиму тору, в условиях квазиоднородного импульсного поля.

блоховских осцилляций. Указанное изменение значений В этом режиме наблюдались эффекты в относительно критических полей находится в качественном соответнебольших полях от 100 до 500 кВ / см — такие, как блоствии с изменением периода ЕСР в данных политипах.

ховские осцилляции, насыщенные дрейфовые скорости.

Другой режим предусматривал наличие неизменного по 3.2. Штарк-фононные резонансы величине и небольшого, порядка 50 кВ / см, импульсного поля в базе и переменного по величине большого Когда в процессе увеличения поля область локализаполя в коллекторном переходе. При этом электроны, ции электрона уменьшается до величины, существенно дрейфуя через базу, попадали в поле коллектора, где меньшей длины свободного пробега электрона, просредняя величина поля изменялась от 500 до 2500 кВ/см.

текание тока становится возможным только за счет В данном режиме производились наблюдения электро- туннельно-перескокового механизма, при котором реафононных резонансов, локализации первой минизоны, лизуются резонансные эффекты. Один из таких эффектов межминизонного туннелирования и других эффектов. возможен при условии совпадения штарковской энергии 6 Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 596 В.И. Санкин, П.П. Шкребий рис. 2 (кривые 1–3) и рис. 3 приведены экспериментальные данные для двух политипов SiC: 6H и 4H. Значения полей существенно различны при близких значениях фононов, что объясняется различием в 1.5 раза значений периода ЕСР.

3.3. Полная локализация первой минизоны Когда штарковская энергия превысит величину, составляющую половину от ширины первой минизоны, согласно теории [5], происходит локализация минизоны и возникновение протяженной по полю области с ОДП. Такой эффект наблюдался нами в политипе 6H-SiC и показан на рис. 2 (кривая 4). Заметим, что аналогичный эффект в политипе 4H находится за областью электрического пробоя и объективно не достижим. В политипе 8H, как и в некоторых других, такой эффект пока не наблюдался из-за микроплазменного пробоя, существенно понижающего поле в коллекторном переходе. Наблюдение этого эффекта позволило впервые экспериментально определить значение ширины первой минизоны 6H-SiC, которое Рис. 2. Ванье-штарковская локализация в естественных сверх- составило E1 = 256 мэВ.

решетках 6H-SiC: 1 — поперечный акустический фонон TA, 46 мэВ; 2 — продольный акустический фонон LA, 77 мэВ;

3.4. Межминизонное туннелирование 3 — продольный оптический фонон LO, 103 мэВ; 4 —полная локализация первой минизоны; 5 — резонансное туннелироНа рис. 2 (кривая 5) представлены данные, которые вание между первой и второй минизонами в сверхрешетке могут рассматриваться как проявление электрического 6H-SiC.

пробоя, если бы не последующее за всплеском тока его резкое падение, что абсолютно не характерно для пробоя. Наблюдаемые экспериментальные факты можно объяснить следующим образом. Участок резкого нарастания электронного тока связан с резонансным туннелированием электронов из состояний дискретного спектра первой минизоны во вторую минизону, сохраняющую квазинепрерывность. Последующее падение тока может быть связано с режимом блоховских осцилляций (БО) электронов во второй минизоне. Исходя из простейшего закона увеличения ширины первой минизоны с ростом ее номера можно считать, что вторая минизона примерно в 4 раза шире первой и при имеющихся полях квазинепрерывность в ней еще не нарушается. Поэтому в ней может реализоваться механизм БО электронов. Известно, что межминизонное резонансное туннелирование становится возможным, когда штарковская энергия совпадает с энергией межминизонного зазора E12.

Рис. 3. Штарк-фононные резонансы в сверхрешетках Представляется корректным характеризовать процесс 4H-SiC: 1 — продольный акустический фонон LA, 77 мэВ;

резонансного туннелирования не средним, а максималь2 — продольный оптический фонон LO, 103 мэВ.

ным полем в области объемного заряда. Следовательно, штарковская энергия, соответствующая межминизонному туннелированию, составляет около 303 мэВ, что с энергией фонона. Заметим, что столь сильное увели- равняется сумме E1/2 + E12, откуда E12 175 мэВ.

чение поля достигалось в коллекторном переходе. При При этом сумма значений E1 + E12 + E2 1.46 эВ, этом электроны, пролетая через область базы, попадали что находится в хорошем соответствии со спектральв область коллектора, где максимальное поле изменялось ным положением межминизонной полосы поглощения, в пределах 600-4100 кВ/см, а среднее поле, значения обусловленной переходами между первой и второй микоторого указаны на рис. 2, было в 2 раза меньше. На низонами [6].

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Электронный транспорт в естественной сверхрешетке карбида кремния в режиме квантования... 3.5. О механизме электронной ударной ионизации Ранне было установлено, что электронный компонент ударной ионизации для F C существенно подавлен [7].

Рядом экспериментов удалось показать, что этот эффект сугубо ориентационный и связан с присутствием ЕСР.

Однако, как удалось показать в [8], разогрев электронов возникает в аномально больших полях, в 2 раза превышающих ожидаемые из теории пробойные поля.

Если вопрос о подавлении электронного разогрева в узкой зоне практически ясен, то механизм инициации электронного разогрева в системе минизонного спектра оставался неясным. На основании полученных данных можно сказать, что электрон в результате туннелироРис. 5. Схематический вид транзистора со статической индуквания в вышележащую минизону (рис. 2, кривая 5) цией с p-n-переходом в качестве затвора.

становится квазисвободным, и его разогрев происходит по классическому механизму.

и обнаруживает ход, близкий к линейному. Интерес 4. Исследования блоховских вызывает резкий рост тока при определенном значении напряжения U на структуре, который сопровождается осцилляций в 6H-SiC диодных излучением света. Спектр этого излучения совпадает со n+-n--n+-структурах спектром излучения при пробое p-n-переходов. Добавим, что величина однородного поля в этом случае не Описанная в разд. 2, 3 специальная структура, сформипревышает 150 кВ / см, что более чем на порядок меньше рованная как биполярный транзистор, со специфически самых малых среди известных значений пробойного поля устроенной базой, к сожалению, по своим временным в 6H-SiC. Вероятно, такой дефицит поля может быть свойствам не пригодна для использования в СВЧ диапреодолен за счет доменизации поля в области базы.

пазоне. Для этих задач были разработаны униполярные Образование домена поля, как известно, возможно при структуры диодного типа n+-n--n+, что стало возможвозникновении в кристалле ОДП. Согласно вышесказанным после недавних достижений по росту эпитаксиальному, при таких полях 150 кВ / см в 6H-SiC была обнаруных слоев с низким содержанием донорной примеси.

жена ОДП, вызванная режимом блоховских осцилляций.

База таких структур типа n- имеет электронную провоЕсли это домен, то какой: статический или подвиждимость с концентрацией Nd-Na от 2·1015 до 5·1016 см-3, ный ВАХ на рис. 4 говорит в пользу последнего.

а две n+-области — сильно легированные контактные В случае статического домена ВАХ обнаруживала бы слои с концентрацией Nd-Na от 3 · 1018 до 1020 см-3.

пологий участок, показанный на рис. 4.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.