WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 6 4H-SiC p-i-n-диод, полученный совмещением сублимационной и газофазной эпитаксии © Е.В. Богданова¶, А.А. Волкова, А.Е. Черенков, А.А. Лебедев, Р.Д. Каканаков, Л.П. Колаклиева, Г.А. Саров, Т.М. Чолакова, А.В. Кириллов+, Л.П. Романов+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Институт прикладной физики, 4000 Пловдив, Болгария + „Светлана–Электроприбор“, 194156 Санкт-Петербург, Россия (Получена 25 октября 2004 г. Принята к печати 10 ноября 2004 г.) Показана возможность получения сублимационной эпитаксией в вакууме сильно легированных (Na - Nd 1 · 1019 см-3) слоев p+-4H-SiC на основе выращенных методом CVD слабо легированных слоев n-4H-SiC. Показано, что оптимальным контактом к p-4H-SiC является контакт Au/Pd/Ti/Pd, который совмещает низкое удельное сопротивление ( 2 · 10-5 Ом · см2) с высокой термической стабильностью (до 700C). На основе полученных p-n-структур были изготовлены корпусированные диоды с напряжением пробоя до 1400 В.

1. Введение Другой задачей была оптимизация послеростовой технологии формирования 4H-SiC p-i-n-диода для поИзвестно, что карбид кремния (SiC), благодаря своим лучения низкоомных и термостабильных контактов и электрофизическим параметрам, является перспектив- снижения вероятности поверхностного пробоя.

ным материалом для создания приборов СВЧ диапазона [1]. Однако долгое время не удавалось продемонстрировать преимущество SiC для создания СВЧ 2. Эпитаксиальный рост эмиттерных p-i-n-диодов по ряду технологических и конструкцислоев p+4H-SiC онных причин, и прежде всего из-за отсутствия толстых (6-10 мкм) слабо легированных SiC-эпитаксиальных Эпитаксиальный рост осуществлялся методом сублислоев, имеющих высокое структурное совершенство.

мации в вакууме (SEV) [4] при температуре T = 1900C Достигнутые к настоящему времени успехи в развитии из источника, легированного алюминием. Остаточгазофазной эпитаксии (CVD) позволяют получать слои ное давление в камере в процессе роста составляло n-4H-SiC необходимого уровня легирования и толщины.

3 · 10-6-5 · 10-6 Toрр, скорость роста слоев 1мкм в Однако задачи низкоомных и термостабильных контакминуту.

тов к 4H-SiC p-типа и защита периферии p-n-перехода Исходными образцами служили коммерческие n-n+от поверхностного пробоя продолжают оставаться актуструктуры производства фирмы CREE. Слабо легированальными и на сегодняшний день.

ный n-слой (Nd - Na = 3.5 · 1015 см-3) толщиной 6 мкм Проблема формирования низкоомных контактов к был выращен на „кремниевой“ грани подложки 4H-SiC 4H-SiC p-типа обусловлена большой шириной запрес n-типа проводимостью (Nd - Na = 5 · 1018 см-3).

щенной зоны SiC (3.2 эВ для 4H-SiC). Известно, что Для получения качественных p-i-n-диодов p+-слой удельное контактное сопротивление зависит от степени должен был быть легирован до концентраций легирования слоя, к которому создается контакт. ТеоNa - Nd 1·1019 см-3 и иметь толщину 1-1, 2 микретические расчеты и экспериментальные исследования рона (для уменьшения последовательного сопротивпоказали, что для получения сопротивления порядка ления диода). Кроме того, было необходимо получить 10-5 Ом · см2 нужна концентрация легирующих примекачественную металлургическую границу между сей выше 1019 см-3 [2]. Известно, что максимальная областями n- и p-типа проводимости для избежания концентрация электрически активных акцепторов доститоков утечки.

гается в слоях p-SiC, выращенных методом сублимациПодобная задача была нами ранее решена для онной эпитаксии [3]. Таким образом, задачей настоящей 6H-SiC [5]. В случае 4H-SiC задача усложнялась больработы было выращивание методом сублимационной шим углом разориентации поверхности исходного CVD эпитаксии p+-4H-SiC эмиттера на основе слабо легироэпитаксиального слоя (8) по сравнению с 6H-SiC ванного n-4H-SiC CVD слоя, для получения p-n-струк( 3). Больший угол разориентации увеличивал скотуры, пригодной для формирования на ее основе СВЧ рость роста SEV эпитаксиальных слоев при тех же техp-i-n-диода.

нологических условиях, что могло привести к снижению ¶ E-mail: LeBog@mail.ioffe.ru уровня легирования растущего слоя атомами алюминия.

4H-SiC p-i-n-диод, полученный совмещением сублимационной и газофазной эпитаксии концентрации Al в ростовом источнике не приводило к исчезновению данной пленки и лишь ухудшало морфологию слоя.

Дополнительные исследования показали, что образование данной пленки происходит на заключительном этапе роста, после отключения нагрева тигля. За счет термической инерционности аппаратуры температура внутри ростовой ячейки падала не мгновенно, что приводило к продолжению роста при изменяющемся соотношении Si/C в паровой фазе. Как было показано ранее [7], изменение соотношения Si/C при прочих равных условиях приводит к значительному изменению концентрации основной легирующей примеси в растущем слое.

Наличие подобной пленки могло привести к увелиРис. 1. ВИМС профиль p+-слоя.

чению удельного сопротивления омических контактов (c) к данному слою. Для избежания этого, после роста проводилось термическое окисление образцов в парах сухого кислорода при температуре 1150Cв течение 3 ч с последующим удалением окисла химическим путем.

Как видно из рис. 2 (кривые 2, 4), дополнительная обработка позволила избавиться от слабо легированной пленки и повысить поверхностную концентрацию акцепторной примеси в 2–3 раза.

3. Изготовление p-i-n-диодов 3.1. Формирование меза-структур Известно, что пробивное напряжение реальных Рис. 2. Профили распределения концентрации Na - Nd для p-n-переходов может оказаться ниже теоретически ожиобразцов S-480, S-481. 1, 3 — до окисления; 2, 4 —после даемого за счет развития поверхностного пробоя. Для окисления и химического удаления окисла.

снижения вероятности поверхностного пробоя используются различные геометрии меза-структур, уменьшающие напряженность электрического поля на поверхноОптимизация процесса SEV по температурному грасти по сравнению с объемом полупроводника. В данной диенту внутри ростовой ячейки и по абсолютному знаработе для защиты p-n-перехода от поверхностного чению температуры роста позволила найти технологичепробоя использовалась ступенчатая геометрия мезаские параметры, при которых вышеуказанные задачи быструктуры [8,9] (рис. 3). Формирование меза-структуры ли решены. Для улучшения качества металлургической границы p-n-перехода использовалось доростовое полирующее сублимационное травление исходного n-слоя in situ за счет смены знака градиента внутри ячейки роста [4].

Толщины выращенных эпитаксиальных слоев определялись с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) по плоскости скола исследуемого образца [6] и составляли 1.1–1.2 мкм. Атомарная концентрация алюминия в слоях измерялась методом ВИМС и составила 1 · 1020 см-3 (рис. 1).

Концентрация и распределение электрически активных примесей в выращенных слоях определялись из вольт-фарадных характеристик (C-V ). Измерения проРис. 3. Поперечное сечение диодной меза-структуры.

водились с помощью ртутного зонда при частоте си1 —омический контакт к 4H-SiC p+-слою, 2 —4H-SiC-эпинусоидального сигнала 1 кГц. Было обнаружено, что на таксиальный слой p+-типа, 3 —4H-SiC-эпитаксиальный слой поверхности выращенных слоев образуется тонкая слабо n-типа, 4 —4H-SiC n+-подложка, 5 —омический контакт к легированная пленка (рис. 2, кривая 1, 3). Увеличение 4H-SiC n+-подложке.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 764 Е.В. Богданова, А.А. Волкова, А.Е. Черенков, А.А. Лебедев, Р.Д. Каканаков, Л.П. Колаклиева...

Pd наносился методом электронно-лучевого испарения в вакууме 1 · 10-6 Topp. Ti и Al осаждали методом магнетронного распыления в атмосфере Ar при давлении 3 · 10-3 Topp. Au наносилось методом термического испарения в вакууме 1 · 10-6 Topp. Контактные площадки формировались при помощи взрывной фотолитографи. Для получения оптимального режима формирования омических контактов исследовалась зависимость удельного сопротивления от температуры отжига в интервале 600-950C. Время отжига при каждой температуре составляло 5 мин. Удельное контактное сопротивление измерялось TLM-методом (transmission line model) на структурах с пятью контактными площадками. В таблице представлена зависимость удельного контактного сопротивления от температуры отжига.

Рис. 4. Зависимость напряжения пробоя p-i-n-структуры от толщины расширенного p+-слоя. Зависимость удельного сопротивления состава контакта от температуры отжига и температуры старения Удельное сопротивление, Ом · см Температура отжига, C осуществлялось методом плазмохимического травления Au/Pd Au/Pd/Al Au/Pd/Ti/Pd в вакуумной установке с седловидным электрическим полем в реакционной камере, возбуждаемым от источ600 7 · 10-4 - ника постоянного тока. В камеру источника вводился 650 5 · 10-4 - газ SF6 с добавлением O2 (20%). Рабочее давление в 700 3 · 10-4 9 · 10-4 3 · 10-750 2 · 10-4 4 · 10-4 9 · 10-вакуумной камере составляло 2 · 10-3 Toрр. Скорость 800 1 · 10-4 2 · 10-4 2 · 10-травления p+-слоя составляла 40 /мин, скорость трав850 4 · 10-5 7 · 10-5 9 · 10-ления слоев n-типа была выше (50 /мин). Травление 900 5 · 10-5 4 · 10-5 2 · 10-p+-слоя образцов осуществлялось поэтапно и после каж950 - 5 · 10-5 6 · 10-дого этапа измерялось напряжение пробоя структуры.

На рис. 4 представлены экспериментальные результа- Температура старения, C ты зависимости напряжения пробоя Ubr от толщины d 20 4 · 10-5 4 · 10-5 3 · 10-двухступенчатой p+-области p-i-n-структуры. Видно, 500 5 · 10-5 3.8 · 10-5 2.7 · 10-что в процессе травления напряжение пробоя диодных 600 1 · 10-4 4 · 10-5 3.2 · 10-700 2 · 10-4 4.2 · 10-5 3.2 · 10-структур увеличивается от 700–900 до 1100–1200 при толщине протравленного p+-слоя 400 нм, а для отдельных образцов — до 1400. Важно отметить, что эти Для успешной работы SiC-приборов также необходирезультаты получены при измерении на воздухе и без мо решить задачу стабильности омических контактов использования диэлектрического покрытия.

при высоких температурах и уровнях коммутируемой мощности. Термическая стабильность полученных кон3.2. Формирование омических контактов тактов исследовалась в температурном диапазоне от к 4H-SiC до 700C (см. таблицу). Как видно из таблицы, оптиОмический контакт к n+-подложке представлял со- мальным контактом к 4H-SiC p-типа является контакт бой композицию металлов: Ni(100 нм)/Au(200 нм). По- Au/Pd/Ti/Pd, который совмещает низкое удельное сопросле напыления образцы отжигались для формирования тивление с высокой термостабильностью.

омического контакта. Отжиг проводился в реакторе с резистивным нагревом при температуре 900C в тече3.3. Корпусирование 4H-SiC p-i-n-структур ние 5 мин. Величина удельного контактного сопротивления составила 1.8 · 10-6 Ом · см2. После формирования диодных структур пластина Ранее было показано, что при получении низкоом- разрезалась на отдельные кристаллы (чипы) разменых контактов к 4H-SiC p+-типа хорошие результаты ром 0.6 0.6 мм. Предварительно измеренные диодные дает использование Pd в составе контактной металли- структуры припаивались в корпус M15 с использовазации [10,11]. нием припоя Au 88%Ge 12% при температуре 360C Для формирования низкоомных контактов к p+-слою в атмосфере чистого азота. Контакт между корпусом были исследованы три типа контактных систем на осно- диода и p+-областью осуществлялся Au-проволокой толве Pd: Au (100 нм)/Pd (80 нм); Au (100 нм)/Pd (80 нм)/ щиной 25 мкм методом термокомпрессии. Контрольные Ti (20 нм)/Pd (10 нм); Au (100 нм)/Pd (67 нм)/Al (33 нм). измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) диодов Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 4H-SiC p-i-n-диод, полученный совмещением сублимационной и газофазной эпитаксии после монтажа не показали каких-либо изменений в Полученные корпусные SiC p-i-n-диоды были исслепараметрах приборов. дованы в волноводном переключателе X-диапазона. При этом были получены потери запирания 24 дБ (рис. 6) Обратные характеристики p-i-n-диодов в корпусах, при величине потерь пропускания 1.2 дБ (рис. 6, вставизмеренные при комнатной температуре, представлены ка) в случае применения диода с диаметром мезана рис. 5. Обратные токи большей части исследованструктуры 130 мкм и 20 дБ и 0.9 дБ соответственно для ных диодов находятся в области, заключенной между диодов с диаметром меза-структуры 80 мкм. Проверка двумя кривыми, представленными на рисунке. Различие работоспособности образцов переключателей на высов ходе кривых не оказывает влияния на напряжение ком уровне мощности показала их устойчивость при пробоя диодов, при 1100 В обратные токи не превышают входной мощности до 1.0–1.5 кВт в импульсном режиме.

1 мкА. При напряжении 1100–1200 В наблюдается поверхностный электрический пробой, величина которого несколько меньше, чем величина расчетного объемного 4. Заключение пробивного напряжения.

В результате проделанной работы показана возможНа вставке рис. 5 представлены типичные ВАХ изность получения 4H-SiC p-n-структур выращиванием готовленных p-i-n-диодов в прямом направлении для p+-эмиттеров методом SEV на основе предварительно двух диаметров мезы — 130 и 80 мкм, измерямые при выращенного методом CVD слабо легированного слоя комнатной температуре.

n-типа проводимости. За счет оптимизации послеростовой технологии на основе данных структур были изготовлены 4H-SiC p-i-n-диоды с напряжением пробоя до 1400 В, на базе которых были созданы экспериментальные образцы переключателей на импульсную мощность 1–1.5 кВт в X-диапазоне. Дальнейшее улучшение параметров разработанных приборов может быть достигнуто за счет разработки эффективной защиты периферии меза-структуры диэлектрическими пленками.

Данная работа была выполнена при частичной поддержке гранта ИНТАС–01-603.

Список литературы [1] А.С. Тагер. Изв. вузов СССР, 22 (10), 6 (1979).

[2] J. Crofton, P.A. Barnes, J.R. Williams. Appl. Phys. Lett., 62, 384 (1993).

Рис. 5. Вольт-амперные характеристики 4H-SiC p-i-n-дио[3] Ю.А. Водаков, Е.Н. Мохов. ФТТ, 41 (5), 822 (1999).

дов с различным диаметром мезы, мкм: 1 — 130, 2 — 80.

[4] N.S. Savkina, A.A. Lebedev, D.V. Davidov, A.M. Strel’chuk, A.S. Tregubova, M.A. Yagovkina. Mater. Sci. Eng., B61–62, 165 (1999).

[5] А.А. Лебедев, А.А. Мальцев, Н.К. Полетаев, М.Г. Растегаева, Н.С. Савкина, А.М. Стрельчук, В.Е. Челноков. ФТП, 30, 1805 (1996).

[6] В.А. Соловьев, М.П. Михайлова, К.Д. Моисеев, М.В. Степанов, В.В. Шерстнев, Ю.П. Яковлев. ФТП, 32, (1998).

[7] D.J. Larkin, P.G. Neudeck, J.A. Powell, L.G. Matus. Appl.

Phys. Lett., 65, 1659, (1994).

[8] X. Li, K.Tone, L. Hui, P. Alexandrov, L. Fursin, J.H. Zhao.

Mater. Sci. Forum, 338–342, 1375 (2000).

[9] G. Sarov, T. Cholakova, R. Kakanakov. Mater. Sci. Forum, 457–460, 1005 (2004).

[10] L. Kassamakova, R. Kakanakov, I. Kassamakov, N. Nordel, S. Savage, B. Hjorvarsson, E. Svedberg, L. Abom, L. Madsen.

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.