WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 7 Глубокие центры и отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя p-n-структур на основе SiC © А.А. Лебедев, С. Ортоланд, К. Реноуд, М.Л. Локателли, Д. Плансон, Ж.П. Шант Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия CEGELY-INSA, Lyon, France (Получена 28 ноября 1996 г. Принята к печати 25 декабря 1996 г. ) Исследован температурный коэффициент напряжения пробоя p-n-структур на основе 6H-SiC. Показано, что температурная зависимость напряжения пробоя может быть объяснена перезарядкой глубоких акцепторных уровней в слое объемного заряда. Результаты проведенных расчетов находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными, полученными для легированных бором p-n-структур на основе 6H-SiC.

Введение двух акцепторных уровней в SiC — мелкий уровень бора и уровень D-центра. Наша модель базируется на учете Известно, что в p-n-структурах на основе 6H-SiC, в перезарядки глубоких акцепторных уровней (D-центров) которых электрическое поле параллельно направлению предпробойным током в слабо легированной прослойке кристаллической оси C, напряжение пробоя имеет, как p-типа проводимости вблизи металлургической границы правило, отрицательный температурный коэффициент p-n-перехода.

(t) [1]. В ряде работ это связывалось с кристаллической Было сделано два предположения: 1) область лавинноструктурой гексагональных политипов SiC, наличием го размножения находится в слабо легированной области естественной сверхрешетки [2,3]. В других работах [4,5] p-типа проводимости около металлургической границы высказывалось предположение, что отрицательное зна- p-n-перехода; 2) концентрация глубоких акцепторов в чение t может быть связано с перезарядкой глубоких этой области сопоставима с концентрацией мелких акцецентров, как это было показано для кремния [6,7]. В на- пторов. Появление такой области может быть обусловлестоящей работе была сделана попытка связать наблюдав- но перекомпенсацией материала n-типа проводимости за шуюся температурную зависимость t в p-n-структурах счет диффузии акцепторных примесей (например, бора).

на основе 6H-SiC с глубокими центрами. Существование подобной области в исследовавшихся образцах было ранее показано экспериментально [9].

Хорошо известно выражение для величины напряжеОбразцы ния пробоя резкого p-n-перехода Ubr = aEcr/2qNi, (1) Были исследованы p-n-структуры на основе 6H-SiC, полученные сублимационной эпитаксией в открытой сигде Ecr — критическая напряженность электрического стеме [8], в которые до формирования меза-структур поля, Ni — концентрация примеси в базе, q —заряд проводилась диффузия бора. Диффузионная обработка электрона, a = 0s, 0 — электрическая постоянная, позволяла решать две технические задачи [9]: 1) увелиs — относительная диэлектрическая проницаемость почение напряжения пробоя относительно сильно легиролупроводника.

ванных слоев SiC за счет компенсации базовой области;

Перепишем выражение (1) с учетом наличия глубоких 2) уменьшение вероятности поверхностного пробоя за акцепторов в слабо легированной p-базе:

счет создания на периферии меза-структур слабо легированных областей.

Ubr = aEcr/2q(Ns + KM) =Ubr 0/(1 + KM/Ns), (2) Исследовавшиеся структуры имели отрицательный где Ns — концентрация мелких акцепторов, температурный коэффициент напряжения пробоя, велиK = (M - m)/M — степень заполнения глубоких чина которого при комнатной температуре составляла акцепторов электронами, M — полная концентрация 2 · 10-3 K-1. Абсолютная величина температурного глубоких акцепторов, m — концентрация глубоких коэффициента напряжения пробоя также зависела от акцепторов, заполненных дырками, Ubr 0 —напряжение температуры и уменьшалась примерно на порядок при пробоя p-n-перехода при отсутствии глубоких нагреве структур до 600 K (рис. 1).

акцепторов.

Когда U Ubr, ток через p-n-переход практически отРасчетная модель сутствует и все глубокие акцепторы в материале p-типа проводимости заполнены электронами (K = 1).

При анализе экспериментальных данных мы вслед за Когда U Ubr, начинается лавинное умножение в авторами [4–7] учли влияние глубоких центров. Как было области пространственного заряда и образующиеся дырпоказано ранее, диффузия бора приводит к образованию ки захватываются глубокими акцепторами. Поскольку Глубокие центры и отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя... Рис. 1. Температурная зависимость обратных вольт-амперных характеристик p-n структур. T, K: 1 — 298, 2 — 323, 3 — 348, 4 — 373, 5 — 398, 6 — 423, 7 — 448, 8 — 473, 9 — 498, 10 — 523.

Рис. 2. Температурная зависимость расчетных (1–3) и экспериментальных (4–5) значений F. Расчетный параметр p, см-3:

1 —1010, 2 —1011, 3 —1012. Экспериментальные значения Ubr соответствуют предпробойным токам 100 (4) и 500 (5) мА.

акцепторы, захватившие дырки, нейтральны, величина K с температурой, т. е. мы имеем отрицательный темперауменьшается и, соответственно, уменьшается напряжен- турный коэффициент напряжения пробоя.

ность электрического поля. Это приводит к увеличению На основе статистики Шокли–Рида можно записать наблюдаемого значения Ubr. Следует отметить, что для скорости перезарядки глубоких акцепторов в нашем степень заполнения уровней (при постоянной концен- случае трации дырок) зависит от температуры и уменьшается с нагревом. По этой причине величина Ubr уменьшается dm/dt =(M-m)pp - mnn - pim, (3) 7 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 868 А.А. Лебедев, С. Ортоланд, К. Реноуд, М.Л. Локателли, Д. Плансон, Ж.П. Шант где n = p — концентрация носителей в слое объ- Поскольку диффузия бора часто используется для заемного заряда; n(p) = n(p)vt; n(p) — сечение захвата щиты периферии меза-структур на основе SiC от поверхэлектронов (дырок) на центр; i = Nv exp(-Ei/kT ); vt — ностного пробоя, а сам бор (D-центр) является характертепловая скорость носителей; Nv — плотность состояний ной фоновой примесью в SiC, полученном по различным в валентной зоне; Ei — энергия ионизации уровня; k — технологиям [10], то, с нашей точки зрения, вопрос о постоянная Больцмана; T — абсолютная температура. знаке t может быть окончательно решен только при Для равновесного случая (dm/dt = 0) с учетом того, учете или исключении влияния перезарядки D-центров что p n, мы получаем из (3) выражение для K: на величину напряжения пробоя p-n-структур на основе SiC.

K = i(p + i)-1. (4) Часть работы была выполенена при поддержке Arizona Uneversity (США) и Исследовательского Центра Теперь из (4) и (2) получаем выражение для Ubr:

Schneider Electric S.A. (Франция).

Ubr = Ubr 0[1 + Mi/Ns(p + i)]. (5) Список литературы Проанализируем выражение (5) для области больших и малых температур.

[1] А.О. Константинов, Д.П. Литвин, В.И. Санкин. Письма в В случае, если T 0, i 0 и Ubr Ubr 0. В случае, ЖТФ, 7, 1335 (1981).

если T, i 1, а поскольку Nv p, получаем [2] Ю.А. Водаков, А.О. Константинов, Д.П. Литвин, В.И. СанUbr/Ubr 0 - 1 = M/Ns.

кин. Письма ЖТФ, 7, 705 (1981).

[3] А.П. Дмитриев, А.О. Константинов, Д.П. Литвин. ФТП, 17, 1093 (1983).

Обсуждение результатов [4] М.М. Аникин, С.Н. Вайнштейн, М.Е. Левинштейн, А.М. Стрельчук, А.Л. Сыркин. ФТП, 22, 545 (1988).

Таким образом, для исследовавшихся p-n-структур [5] М.М. Аникин, М.Е. Левинштейн, И.В. Попов, В.П. Растевеличины Ubr 0 и M/Ns (рис. 1) оказались следующигаев, А.М. Стрельчук, А.Л. Сыркин. ФТП, 22, 1574 (1988).

ми: Ubr 0 = 800 В; M/Ns = 0.65. С учетом этих [6] А.С. Кюрегян, П.Н. Шлыгин. ФТП, 23, 1164 (1989).

значений, а также литературных данных для Nv и па[7] Е.В. Астрова, В.М. Волле, В.Б. Воронков, В.А. Козлов, раметров D-центра (Ev + 0.58 эВ; n = 10-20 см2;

А.А. Лебедев. ФТП, 20, 2122 (1986).

p = 3 · 10-16 см-2) был сделан расчет температурной [8] M.M. Anikin, A.A. Lebedev, S.N. Pyatko, A.M. Strel’chuk, A.L. Syrkin. Mater. Sci. Eng., 11, 113 (1992).

зависимости F = {Ubr 0/Ubr - 1}.

[9] А.А. Лебедев, А.Н. Андреев, А.А. Мальцев, М.Г. РастегаеРасчетные и экспериментальные значения F предва, Н.С. Савкина, В.Е. Челноков. ФТП, 29, 1635 (1995).

ставлены на рис. 2. Как видно из рисунка, лучшее [10] M.S. Mazzola, S.E. Saddow, P.G.Neudeck, V.K. Lakdawala, соответствие расчета и эксперимента было получено для S. We. Appl. Phys. Lett., 64, 2730 (1994).

значений p порядка 1011 1012 см-3. Однако величина p, определенная из значения предпробойного тока как Редактор Л.В. Шаронова p = J/vsq (где J — плотность тока через p-n-переход и vs — скорость насыщения), составила 1010 1011 см-3.

The deep centers and negative Такое расхождение может быть объяснено, с нашей точки temperature coefficient of the breakdown зрения, если учесть, что пробой в SiC обычно имеет voltage of SiC p-n structures место в локальных областях (микроплазменный пробой), площадь которых более чем на порядок меньше общей A.A. Lebedev, S. Ortolland, C. Raynaud, площади p-n-перехода. Однако при расчете плотности M.L. Locatelli, D. Planson, J.P. Chante тока через p-n-переход мы используем значение всей A.F. Ioffe Physicotechnical Institution, площади структуры. Другими словами, в областях, где Russian Academy of Sciences, имеет место микроплазменный пробой, будет существен194021 St. Petersburg, Russia но большая плотность тока и большое значение p, как CEGELY-INSA–Bat. 401–20, это и требуется согласно предложенной модели.

av. A. Einstein–F. 69621 Villerbanne Cedex, France Заключение

Abstract

Negative temperature coefficient of the breakdown voltage is considered. It is shown that the temperature dependence Таким образом, отрицательная величина температурof the breakdown voltage can be explained in terms of recharging of ного коэффициента напряжения пробоя может быть свяdeep centers in the space charge region of the diode. Experimental зана с перезарядкой D-центров, образующих наиболее results obtained on boron doped 6H-SiC diodes are in good глубокие уровни в SiC, легированном бором. Сделанные agreement with calculation.

на основе этого предположения и параметров D-центра расчеты температурной зависимости t находятся в хорошем согласии с экспериментом.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, №




© 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.