WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 10 Влияния глубоких уровней на релаксацию тока в 6H-SiC-диодах © Н.И. Кузнецов, J.A Edmond Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Cree Research Inc., 2810 Meridian Parkway, Suite 176, Durham, NC 27713, USA (Получена 30 января 1997 г. Принята к печати 3 апреля 1997 г.) Описаны результаты исследования глубоких уровней в p-базе 6H-SiC-диодов. Глубокий уровень неизвестной природы с энергией ионизации Ec - 1.45 эВ является центром эффективной рекомбинации неосновных носителей, который контролирует рекомбинационные процессы. Уровень с энергией ионизации Ec - 0.16 эВ приписывается к донорной примеси азота. Процессы захвата и термоактивации электронов, связанные с этим уровнем, значительно увеличивают длительность релаксации тока через p-n-переход.

Введение 1. Образцы В настоящее время карбид кремния привлекает к себе В работе исследовались 6H-SiC-диоды. Диодная струкособое внимание как один из наиболее перспективных тура была выращена в едином технологическом процессе широкозонных полупроводников для создания мощных методом газофазной эпитаксии (CVD) [9]. В качестве быстродействующих приборов, способных работать при подложек использовались пластины 6H-SiC n+-типа провысоких температурах. Известно, что ловушки с уровня- водимости с концентрацией примеси порядка 1018 см-3, ми энергии в запрещенной зоне полупроводника влияют коммерчески выпускаемые фирмой Cree Research Inc., на быстродействие приборов. Принято различать два USA. Эпитаксиальные слои осаждались на грань (0001) типа ловушек: уровни рекомбинации и уровни прилипа- Si-подложки. Алюминий и азот использовались как акния. По характеру взаимодействия с зоной проводимости цепторная и донорная примеси соответственно. Сначала уровни прилипания делятся на два типа. Различают уров- выращивали эпитаксиальный слой n+-типа проводимони однократного прилипания (-уровни), для которых сти, сильно легированный азотом, затем эпитаксиальный время установления теплового равновесия с зоной зна- слой p-типа проводимости, легированный алюминием, чительно превосходит время жизни носителей, и уровни и наконец, приконтактный слой p+-типа проводимости, многократного прилипания (-уровни), для которых вре- сильно легированный алюминием. Толщина p-слоя была мя установления теплового равновесия с зоной меньше примерно 5 мкм. Для исследования электрических хавремени жизни носителей. Влияние уровней прилипания рактеристик p-n-переходов были сформированы мезана релаксацию тока в p-n-переходах было рассмотрено структуры диаметром 300 мкм ионно-плазменным трав работах [1,2], где было показано, что -уровни прили- влением [10]. Контакты к p+-слою и n+-подложке пания практически не влияют на релаксацию тока из- были изготовлены осаждением Al и Ni соответственно за малой интенсивности термического опустошения, а с последующим вжиганием.

влияние -уровней прилипания может стать заметным Меза-структуры имели диодную вольт-амперную халишь при высоких концентрациях этих уровней. При рактеристику (ВАХ). Напряжение отсечки на прямой этом постоянная времени релаксации тока увеличивается ВАХ было 2.7 В. Полное падение напряжения на N в 1+ раз по сравнению с величиной времени жизни Nc неосновных носителей. Здесь N — концентрация E уровней прилипания, Nc = Nc exp -, E —энергия kT ионизации -уровней прилипания, Nc — плотность состояний в зоне проводимости.

До настоящего времени очень мало известно о ловушках в 6H-SiC, которые являются центрами эффективной рекомбинации неосновных носителей [3–5]. Влияние уровней прилипания на фотопроводимость в SiC было описано в работах [6–8], где было показано, что уровни прилипания, приписываемые к донорной примеси азота, определяют медленную компоненту кривой спада фотопроводимости.

Цель настоящей работы — определение параметров уровней рекомбинации и прилипания методами емкостной и токовой спектроскопии глубоких уровней, исследование влияния ловушек на релаксацию тока в Рис. 1. Характерная зависимость концентрации Na-Nd = f (x) 6H-SiC-диодах.

в p-слое 6H-SiC-диода, измеренная при комнатной температуре.

Влияния глубоких уровней на релаксацию тока в 6H-SiC-диодах структуре было 4.5 В при постоянном прямом токе величиной 1 А. На обратной ВАХ наблюдался резкий пробой при напряжении 600 В.

Из измерений вольт-фарадных характеристик (ВФХ) был определен профиль концентрации нескомпенсированной акцепторной примеси в p-слое диода. На рис. приведена характерная зависимость Na-Nd как функция расстояния от p-n-перехода, измеренная при комнатной температуре. Как видно из рисунка, концентрация Na-Nd возрастает по мере удаления от границы p-n-перехода и затем выходит на постоянный уровень примерно 3 1016 см-3. Градиент концентрации на возрастающем участке равен 2 1020 см-4. Зависимость барьерной емкости таких диодов от приложенного напряжения, Рис. 2. Фрагменты спектра c-DLTS, снятые при t1 = 100 мс, C-3 U, указывает на наличие плавного p-n-перехода.

t2 = 200 мс. a — спектр, снятый при условии, когда обратное Напряжение емкостной отсечки на ВФХ было 2.6В.

смещение на образце импульсно переключалось на прямой ток Эта величина близка к встроенному потенциалу для величиной 10 мА. b — спектр, снятый при условии, когда обратное смещение импульсно уменьшалось до нуля.

6H-SiC p-n-перехода, p- и n-слои которого легированы алюминием и азотом соответственно.

Диффузионная длина неосновных носителей– электронов в p-слое была определена при комнатной место два пика, обозначенные как HK5 и EK4 сооттемпературе методом измерения тока, индуцированного ветственно. Каждому пику спектра DLTS соответствует электронным зондом, и имела значение 11.5мкм, уровень в запрещенной зоне. Пик, имеющий отрицательчто соответствует величине времени жизни электронов ный знак, обусловлен перезарядкой уровня основными (25)·10-9 с, с учетом того что подвижность электронов носителями, в данном случае дырками, а пик, имеюбыла равна 200 см2/В · с [11].

щий положительный знак, неосновными носителями– электронами.

2. Экспериментальные результаты На рис. 3 представлены фрагменты спектра i-DLTS, из которого видно, что при температурах меньше 200 K и их обсуждение имеют место три пика, обозначенные как HK1, EK2 и Глубокие уровни. Для исследования уровней в за- EK3. Так как направление тока, протекающего через p-n-переход, не зависит от того, каким типом носитепрещенной зоне полупроводника широко используется емкостная спектроскопия глубоких уровней — метод c- лей заряда (электрон, дырка) перезаряжается глубокий уровень, пики спектра i-DLTS имеют один знак [13]. Пик DLTS, предложенный Лангом [12]. Однако емкостные HK1 обусловлен перезарядкой уровня HK1 основными методы имеют ограниченный температурный диапазон измерений при исследовании уровней в SiC p-типа проводимости из-за вымораживания дырок при охлаждении образца ниже 200 K. Поэтому для исследования уровней в области низких температур мы использовали токовую спектроскопию — метод i-DLTS [13].

Измерения DLTS проводились в температурном диапазоне от 77 до 700 К. При этом на меза-структуру подавалось обратное смещение -5 В. Для заполнения ловушек основными носителями–дырками обратное смещение импульсно уменьшалось до нуля. Для заполнения ловушек неосновными носителями–электронами обратное смещение импульсно переключалось на прямой ток величиной 10 мА. Для определения параметров уровней записывалось семейство спектров DLTS при постоянном отношении t2/t1 = 2 для разных t1, которое менялось в пределах от 1 до 500 мс и от 10 мкс до 10 мс при использовании методов c-DLTS и i-DLTS соответственно.

Здесь t1 и t2 — моменты времени измерения амплитуды Рис. 3. Фрагменты спектра i-DLTS, снятые при t1 = 0.1мс, релаксации емкости и тока в методах c-DLTS и i-DLTS t2 = 0.2мс. a — спектр, снятый при условии, когда обратное соответственно.

смещение на образце импульсно переключалось на прямой ток На рис. 2 представлены фрагменты спектра c-DLTS. Из величиной 10 мА. b — спектр, снятый при условии, когда рисунка видно, что при температурах более 400 K имеют обратное смещение импульсно уменьшалось до нуля.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1222 Н.И. Кузнецов, J.A Edmond Параметры обнаруженных уровней Уровень Et, эВ n, см2 p, см2 Nt, см-3 Метод EK2 Ec - 0.16 10-14 – (35) · 1017 i-DLTS EK3 Ec - 0.34 8 · 10-13 – 4 · 1014 i-DLTS EK4 Ec - 1.45 10-13 – 1014 c-DLTS HK1 Ev + 0.24 – 7.4 · 10-13(300/T )3 1016 i-DLTS HK5 Ev + 1.41 – 6 · 10-16 1014 c-DLTS носителями–дырками. Пики EK2 и EK3 обусловлены Измерения на разных меза-структурах показали, перезарядкой уровней EK2 и EK3 соответственно, нео- что концентрация уровня EK2 достаточно высока — сновными носителями–электронами. (35)·1017 см-3. При этом следует отметить, что данный уровень сконцентрирован вблизи границы p-n-перехода.

Параметры обнаруженных уровней определялись из зависимости Аррениуса (рис. 4), которая была постро- Энергия ионизации уровня EK2 близка к энергии ионизации атома азота, занимающего кубическое положение ена из семейства спектров DLTS. Результаты измерений в кристаллической структуре 6H-SiC [14,19]. Поэтому DLTS суммированы в таблице. При вычислении сечемы приписываем уровень EK2 донорной примеси азота.

ний захвата были использованы следующие значения Подчеркнем, что наблюдаемый профиль концентрации эффективных масс электронов и дырок соответственно:

Na-Nd (см. рис. 1) мог быть обусловлен диффузией m = 0.27m0 [14] и m = 1.0m0 [15].

e h азота в p-слой в процессе роста структуры. По харакТак как уровень EK4 лежит вблизи середины запретеру взаимодействия с зоной проводимости уровень EKщенной зоны (см. таблицу) и имеет достаточно большое можно отнести к -уровням прилипания, так как время сечение захвата неосновных носителей–электронов, он установления теплового равновесия этого уровня с зоной может являться центром эффективной рекомбинации проводимости t = 2 · 10-10 с значительно меньше вреносителей. Действительно, время жизни электронов n, мени жизни электронов n. Так как уровень EK2 имеет определяемое этим уровнем, примерно равно 10-8 с.

достаточно высокую концентрацию, он может оказывать Полученное значение n близко к ранее вычисленному из влияние на релаксацию тока через p-n-переход. Дейдиффузионной длины. Небольшое расхождение в значествительно, как указывалось в введении, постоянная врениях n может быть связано с наличием дополнительного N мени релаксации тока должна увеличиваться в 1 + канала рекомбинации через другие глубокие уровни. Nc раз, т. е. в (812) раз при комнатной температуре с Уровень HK1 имеет энергию ионизации, близкую к учетом концентрации уровня EK2. Таким образом, при энергии ионизации примеси алюминия в 6H-SiC [16,17], исследовании кинетики тока через p-n-переход можно и так как p-слой был легирован алюминием, мы приожидать релаксационную кривую тока с постоянной вреписываем уровень HK1 к примеси алюминия. Отметим, мени, значительно превышающей время жизни неосновчто параметры уровня HK1 были определены с учетом ных носителей. С другой строны, процессы прилипания температурной зависимости сечения захвата дырки на не влияют на стационарное распределение свободных заряженный центр [18].

носителей при протекании прямого тока. Это связано с тем, что в стационарных условиях захват неравновесных носителей на уровни прилипания балансируется термическим выбросом носителей с этих уровней. Поэтому прямые ВАХ диодов при стационарных условиях будут определяться процессами рекомбинации носителей, а не прилипания.

Вольт-амперные характеристики. Прямые ветви ВАХ имели экспоненциальную зависимость тока от напряжения. В области низких токов (10-610-3 А/см2) поведение тока может быть описано классической теорией Шокли–Нойса–Саа [20]. Согласно этой теории, протекание тока обусловлено рекомбинацией носителей в слое объемного заряда через уровень рекомбинации, который лежит вблизи середины запрещенной зоны.

Эффективное время жизни носителей, вычисленное из данных измерений ВАХ, было равно 5 · 10-9 с. Эта величина практически совпадает с величиной n, полученной из диффузионной длины. На роль уровня рекомбинации из числа обнаруженных глубоких уровней может Рис. 4. Зависимость Аррениуса для обнаруженных уровней.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Влияния глубоких уровней на релаксацию тока в 6H-SiC-диодах Поэтому измерение длительности ступеньки обратного тока tr (см. рис. 5) при переключении диода с прямого тока на обратный широко используется для определения времени жизни неосновных носителей. При Jr/Jf = длительность фазы постоянного тока составляет примерно 0.3r [23]. Измерения tr при условии Jr/Jf = 1 на разных диодах показали, что tr изменялось в пределах (25) · 10-8 с. Отсюда r = (717) · 10-8 с, что значительно превышает величину n, ранее полученную из диффузионной длины и ВАХ. Полученное различие в величинах r и n связано с различием условий измерений. Диффузионная длина и ВАХ измерялись при стационарных условиях, поэтому на результаты измерений не оказывали влияния уровни прилипания. Исследование кинетики тока через p-n-переход осуществлялось при нестационарных условиях, при этом сказывалось влияние -уровней прилипания на результаты измерений.

Рис. 5. Осциллограмма формы импульса тока, наблюдаемая Процессы захвата и термоактивации неосновных носипри переключении диода с прямого тока Jf на обратный Jr.

телей, связанные с уровнем EK2, контролируют длительность ступеньки tr обратного тока Jr. Действительно, наблюдалась корреляция между концентрацией уровня претендовать уровень EK4. В области средних токов EK2 и временем tr. Чем больше концентрация уровня (10-31А/см2) поведение тока может быть описано EK2, тем больше измеряемая величина tr. Поэтому обобщенной теорией Шокли–Нойса–Саа [21]. Согласно длительность ступеньки tr обратного тока Jr в данном данной теории, протекание тока обусловлено рекомбинаслучае не соответствует времени жизни электронов.

цией носителей через двухзарядный центр. К сожалению, при DLTS измерениях мы не смогли обнаружить такой Заключение двухзарядный центр. Тем не менее отметим, что наличие такого двухзарядного центра могло бы объяснить В работе исследовались 6H-SiC-диоды. Диодная струкрасхождение в значениях времени жизни электронов, тура была выращена в едином технологическом процессе вычисленных из параметров уровня EK4 и из данных методом CVD. Алюминий и азот использовались как измерений диффузионной длины и ВАХ. Имеется в акцепторная и донорная примеси соответственно. Исслевиду, что, помимо канала рекомбинации через уровень дование глубоких уровней в p-слое диода показало, что EK4, дополнительным каналом рекомбинации мог быть уровень с энергией ионизации Ec -1.45 эВ является цендвухзарядный центр, о котором шла речь выше.

тром эффективной рекомбинации неосновных носителей.

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.