WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 10 Эффекты ванье-штарковской локализации в 6H-SiC планарном полевом транзисторе с p-n-переходом в качестве затвора © В.И. Санкин¶, П.П. Шкребий, А.А. Лебедев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 13 февраля 2006 г. Принята к печати 27 февраля 2006 г.) Исследовалась зависимость фототока короткого замыкания от напряжения Vg на затворе 6H-SiC полевого планарного транзистора. При определенном значении Vg возникала отрицательная дифференциальная фотопроводимость, которая по своим параметрам соответствовала режиму ванье-штарковских лестниц в естественной сверхрешетке 6H-SiC. При этом же значении Vg происходило достаточно резкое падение к нулю тока сток–исток Isd, что означало отсечку при напряжении, существенно меньшем ожидаемого напряжения отсечки для этой структуры. Эффект объясняется падением подвижности в режиме ваньештарковских лестниц, уменьшением скорости ионизации донорных атомов и ослаблением экранирования поля.

PACS: 85.30.Tv, 71.70.Ej, 73.40.Lq 1. Введение нополярность ударной ионизации во всем практически значимом диапазоне электрических полей, аномально Хорошо известно, что электронный спектр полу- большие электрические поля лавинного пробоя, отпроводников со сверхрешеткой состоит из узких зон, рицательный температурный коэффициент напряжения или мини-зон. Явление ванье-штарковской локализации лавинного пробоя, расслоение лавинного тока и другие, в большинстве своем, новые эффекты. Отметим, что они (ВШЛ) реализуется в мини-зонном спектре, потому наблюдались только в том случае, когда электрическое что сужение зоны до 100-200 мэВ снижает пороговое поле было направлено вдоль оси C, и отсутствовали электрическое поле процессов ВШЛ на порядок и более, доводя его до значений в 10-100 кВ/см вместо несколь- при ортогональном направлении поля. Здесь же впервые было показано, что влиянию ВШЛ подвержена только ких тысяч кВ/см в обычных полупроводниках. Наиболее электронная подсистема проводимости. Реакции ВШЛ в мощным стимулом к созданию искусственных сверхредырочной подсистеме не проявляются из-за отсутствия шеток являлась возможность генерации микроволнового мини-зон в спектре валентной зоны [2].

излучения благодаря эффекту отрицательной дифференТакие важные явления, как блоховские осцилляции, циальной проводимости (ОДП) в режиме блоховских штарк-фононные резонансы в системе штарковских лестосцилляций и терагерцового излучения собственно блониц, полная локализация первой мини-зоны, резонансное ховских осцилляций.

межмини-зонное туннелирование были обнаружены в Политипы карбида кремния (SiC), за исключением биполярных триодах [2]. Заметим, что эти эффекты двух политипов 3C и 2H, — полупроводники с естереализовались в виде отрицательной дифференциальной ственной сверхрешеткой (ЕСР), которая определяет проводимости на вольт-амперной характеристике (ВАХ) множество физических явлений в кристаллах политипов биполярных триодов.

SiC, в первую очередь электронный транспорт в сильных Интересное следствие ВШЛ было обнаружено в униэлектрических полях, в котором проявляются эффекты полярных n+-n--n+-диодах, разработанных для наблюванье-штарковской локализации [1] при совпадении надения микроволновой генерации в режиме блоховских правлений поля и оси естественной сверхрешетки C.

осцилляций [2]. При пороговом поле режима блоховТаким образом, ЕСР есть неотъемлемое свойство больских осцилляций в 150 кВ, что много меньше прошинства политипов карбида кремния. Конечно, прежде бойного поля, равного 2000-2500 кВ/см, неожиданно всего оно представляет огромный интерес в плане возвозникал ранний пробой. То же самое наблюдалось на можности электромагнитной генерации. Но ВШЛ имеет ВАХ униполярных полевых вертикальных транзисторов многообразные проявления в оптических и, безусловно, с n+-n--n+-каналом, которые по своим потенциальв электрических эффектах. В целом ряде карбидокремным возможностям считаются одними из наиболее эфниевых приборных структур указанные эффекты оказыфективных карбидокремниевых приборов для микроволвают существенное влияние на работу данных структур.

новой электроники. Как показал проведенный анализ, Эти данные были опубликованы в целом ряде работ и низковольтный пробой в униполярных n+-n--n+-диокомпактно представлены в обзоре [2].

дах обусловлен генерацией подвижных электрических Впервые такие эффекты наблюдались в диодных биподоменов, в которых электрическое поле превышает пролярных структурах, где были обнаружены дырочная мобойное. Приведенные данные показывают, что процесс ¶ ВШЛ оказывает сильное влияние на работу перечисленE-mail: Sankin@mail.ioffe.ru ных карбидокремниевых приборов и что очень важно Эффекты ванье–штарковской локализации в 6H-SiC планарном полевом транзисторе... учитывать это обстоятельство, принимая решение при составляла около 1 мкм. Затворный n-p+-переход был разработке конкретного карбидокремниевого прибора. резкий и несимметричный, а размеры канала составляли 784 8 1 мкм. Сравнительно низкая концентраВ данной работе предпринято исследование влияния ция Na-Nd обеспечила появление диффузионной длиэффектов ВШЛ на работу такого широко известного SiC-прибора, каким является планарный полевой транзи- ны электронов в p-слое. На рис. 1 показаны общий вид JFET и направление падающего света, который стор с p-n-переходом (junction field effect transistor — возбуждал в p-n-переходе затвора фототок короткого JFET). Этот прибор интересен еще и тем, что сильное замыкания (ФТ). Структура JFET освещалась (рис. 1, b) поле в p-n-переходе 6H-SiC JFET направлено вдоль светом различной длины волны со стороны n-слоя.

оси ЕСР, что соответствует требованиям существования Диффузионные длины электронов и дырок составляли ВШЛ, а рабочий ток течет перпендикулярно оси C, и соответственно Le = 0.8мкм и Lh = 0.3 мкм. Сильно повлияние ВШЛ на него, на первый взгляд, невозможно.

глощаемый свет создавал электронный и дырочный токи Однако, как будет показано в работе, такое влияние примерно в одинаковом соотношении, менее сильно все-таки имеет место.

поглощаемый свет обеспечивал преимущество электронного компонента фототока. С помощью света различной 2. Экспериментальные образцы длины волны мы могли менять соотношение дырочного и электронного компонентов фототока.

и техника эксперимента Технология изготовления JFET была следующей: на 3. Экспериментальные данные подложке n-типа последовательно создавались эпислои и их обсуждение p-типа (затвор) и n-типа (канал) с концентрацией соответственно Na - Nd = 2 1018 см-3 и Nd - Na = Исследовалась характеристика ФТ от напряжения = 1.5 1017 см-3. По металлизации Al/Ni производи(электрического поля) на затворе Vg. Зависимость фотолась многоступенчатая фотолитография, в результате тока короткого замыкания I от напряжения на затворе ph которой формировалась структура JFET. Толщина n-слоя 1/в степени 1/2 (Vg ) показана на рис. 2. Как видно из рис. 2, ФТ начинает падать, когда Vg превышает определенную пороговую величину. Это поведение ФТ отличается от традиционного, когда при некотором напряжении ширина слоя объемного заряда, перекрывая ширину канала, перестает расти в n-слое n-p+-перехода и растет только в p-слое, но более полого. Поэтому и рост ФТ становится более пологим. Падение ФТ нельзя объяснить и влиянием поверхностной рекомбинации, поскольку, как видно из рис. 2, падение ФТ является более глубоким, когда длина волны возрастает и свет проникает на большую толщину от поверхности, что противоречит предположению, связанному с поверхностной рекомбинацией. Спектрально зависимый эффект более глубокого падения ФТ объясняется увеличением электронного компонента ФТ, который как раз подвержен влиянию ванье-штарковского (ВШ) квантования. Аналогичное исследование зависимости ФТ– 1/f (Vg ) на кремниевом промышленном JFET, в котором, как известно, невозможен режим ВШ лестниц, дало тривиальный результат (см. рис. 2, b). Ранее ОДП при исследовании фоточувствительности p-n-переходов на SiC [2] не наблюдалась, что, очевидно, было связано с практическим отсутствием диффузионной длины электронов в p-слое из-за сильного легирования последнего (больше 1020 см-3). Однако в данном случае наличие Le = 0.8 мкм обеспечивало весьма заметное присутствие электронного компонента ФТ. Среднее значение порогового поля в p-n-переходе было порядка 1000 кВ/см.

Именно в этом диапазоне полей наблюдались ОДП на вольт-амперных характеристиках SiC специальных биполярных транзисторных структур, обусловленные режиРис. 1. 6H-SiC JFET структура: a —общий вид, b — сечение. мом ванье-штарковских лестниц [2]. Мы предположили, Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1272 В.И. Санкин, П.П. Шкребий, А.А. Лебедев 6H-SiC, что позволяет интерпретировать наблюдаемое ОДП как проявление штарк-фононного резонанса в режиме ВШ лестниц [5,6]. Наблюдаемый разброс полей может быть связан с некоторым различием в энергии фононов, участвующих в реализации эффекта в разных образцах.

Наиболее неожиданным оказалось поведение тока сток–исток Isd от величины нейтральной области в канале d-W, где d — полная длина канала, W — ширина слоя объемного заряда n-p+-перехода в n-канале. Оче1/видно, что d-W f (Vg), поскольку W Vg. Характеристика Isd- f (d-W ) должна быть линейной с началом в 0 координат. Однако мы видим (рис. 3), что при некоторой величине d-W наблюдается резкое отклонение от линейности и Isd оказывается равным 0 при достаточно большом значении d-W, существенно большем 0, причем в этой точке и в максимуме ФТ (рис. 2) значения Vg совпадают, что, по всей вероятности, указывает на физическую связь обоих эффектов. Чтобы избежать случайных совпадений мы исследовали влияние температуры на оба эффекта и обнаружили их полную корреляцию: оба эффекта испытывают сдвиг с повышением температуры в сторону более низких напряжений Vg (рис. 4, a, b). По-видимому, указанный Рис. 2. a — Зависимость фототока от напряжения на затворе 6H-SiC JFET структуры, b — то же для кремниевого промышленного JFET.

что и в нашем случае имеет место аналогичный эффект.

Фундаментальный критерий существования ВШ лестниц выражается как > T = 2h/eFa, (1) где — время рассеяния невозмущенного движения электрона, T — время, за которое электрон (заряда e) проходит в зоне Бриллюэна от -/a до +/a под действием электрического поля F, совпадающим с осью СР, a — период СР. В режиме ВШ лестниц теория дает падение подвижности с полем u 1/F [3,4], что равнозначно возникновению ОДП. Эффект ОДП наблюдался при полях от 850-950 кВ/см, что при a = 7.дает T =(5.2-5.8) · 10-14 с. Это существенно меньше = 5.0 · 10-13 с [2], что удовлетворяет соотношению (3). Кроме того, следует подчеркнуть и то обстоятельство, что режим ВШ лестниц реально возникает при таких значениях полей, когда штарковская энергия электронов eFa становится сравнимой с половиной ширины мини-зоны, оставаясь меньше ее. В нашем случае эти величины составляли 65-70 и 125 мэВ соответственно.

Рис. 3. a — зависимость тока исток-сток Isd от толщины Значения штарковской энергии соответствуют энергиям нейтральной части канала; b — то же для кремниевого продольных акустических фотонов в ЕСР политипа промышленного JFET.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Эффекты ванье–штарковской локализации в 6H-SiC планарном полевом транзисторе... ем поля, при этом скорость ионизации донорных атомов в канале должна уменьшаться по мере роста напряжения, поскольку время ухода электрона из атомной сферы увеличивается. Вследствие этого падает плотность ионизированных атомов, благодаря чему электрическое поле продвигается в толщу канала на большую ширину, чем при обычной зависимости от концентрации Nd - Na при отсутствии ВШ лестниц, что и обеспечивает ранную осечку тока Isd. Этот эффект ослабления экранирования поля находит отражение на характеристике емкости затворного p-n-перехода от Vg. Отклонение от линейности на характеристике C-2- f (Vg) происходит при Vg > 1.2Vgt, где Vgt — напряжение, при котором начинается отклонение от линейности на характеристике Isd- f (d - W ) (рис. 3); 1.2Vgt — экспериментальная величина.

4. Заключение 1. Показано, что процесс ВШЛ оказывает весьма существенное влияние на работу карбидокремниевого JFET, вызывая аномалию в поведении рабочего тока.

2. Обнаруженный отрицательный фототранскондактанс в затворном p-n-переходе непротиворечиво объясняется на базе современной теории электронного транспорта в режиме ванье–штарковских лестниц.

3. Высказано обоснованное предположение о механизме ранней отсечки рабочего тока карбидокремниевого Рис. 4. Зависимости: a — фототока от напряжения на затворе JFET. В основе действия этого механизма лежит па6H-SiC JFET структуры, b — тока исток–сток Isd от толщины нейтральной части канала при различных температурах. дение подвижности электронов с увеличением поля в режиме ВШ-лестниц. Обусловленное этим подавление естественной ионизации донорных атомов приводит к ослаблению экранировки электрического поля и ранней сдвиг связан с фононной подсистемой, в частности отсечке рабочего тока.

с температурным изменением в структуре плотности 4. Ослабление экранировки электрического поля в фононов. Описанный эффект убедительно показывает, обратно смещенном p-n-переходе в режиме ваньечто ВШЛ в затворе 6H-SiC JFET радикально меняет штарковских лестниц представляет собой новый эффект, основную характеристику прибора Isd- f (Vg). Весьма имеющий очевидное практическое значение.

вероятно, что подобный эффект может наблюдаться и в Авторы выражают благодарность П.А. Иванову за других приборах 6H-SiC с такой же конфигурацией тока стимулирующие дискуссии.

и поля. Отметим, что влиянием поверхностных ловушек на ток Isd нельзя объяснить аномальное поведение Работа выполнена при поддержке РФФИ (прохарактеристики Isd- f (d - W ), поскольку с этом случае ект № 03-02-17617).

прямая линия превращалась бы в кривую, которая все равно устремлялась бы в начало координат. Для Список литературы сравнения мы провели аналогичные исследования на кремниевых промышленных JFET КП103е и КП303и [1] G.N. Wannier. Phys. Rev., 11, 432 (1960).

(см. рис. 3, b) и не обнаружили какой-либо аномалии.

[2] V.I. Sankin. ФТП, 36, 769 (2002). [Semiconductors, 36, Это без сомнения указывает на специфический для 717 (2002)].

6H-SiC характер обнаруженных эффектов, обусловлен[3] R. Kmmel, H. Rauh, E. Bangert. Phys. Status Solidi B, 87, ных, с нашей точки зрения, наличием сверхрешеточных 99 (1978).

особенностей в структуре 6H-SiC. При всей необыч[4] Р.А. Сурис, Б.С. Щамхалова. ФТП, 18, 178 (1984).

ности этого эффекта отсечка Isd все-таки происходит [5] V.V. Bryksin, Yu.A. Firsov, S.A. Ktitorov. Sol. St. Commun., 39, обычным образом, а именно перекрытием канала, но при 385 (1982).

меньших напряжениях Vg. Этому эффекту может быть [6] D.Emin, C.F. Hart. Phys. Rev. B, 36, 2530 (1987).

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.