WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 11 Радиационная стойкость широкозонных полупроводников (на примере карбида кремния) + © А.А. Лебедев, В.В. Козловский, Н.Б. Строкан, Д.В. Давыдов, А.М. Иванов, А.М. Стрельчук, Р. Якимова Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Университет Линчепинга, S-581 83 Линчепинг, Швеция (Получена 18 апреля 2002 г. Принята к печати 25 апреля 2002 г.) Рассмотрены результаты исследований воздействия ионизирующего излучения на эпитаксиальные слои и приборы на основе карбида кремния (SiC). Показано, что при исследовании широкозонных полупроводников следует учитывать температурную зависимость параметра, стандартного для определения радиационной стойкости материала, — скорости удаления подвижных носителей заряда. Использование данных, полученных только при комнатных температурах, может привести к неправильной оценке радиационной стойкости широкозонных полупроводников. Сделан вывод, что свойства широкозонных полупроводников сочетают в себе, с одной стороны — большую радиационную стойкость высокотемпературных приборов на их основе, с другой — возможность эффективного радиационного легирования (например получения полуизолирующих при комнатной температуре локальных областей материала).

1. Введение Цель настоящей работы — проанализировать, как особенности WBS могут сказаться на их радиационной Исследования широкозонных полупроводников (WBS) стойкости и возможности радиационного легирования являются в последние годы одним из наиболее бы(получении полуизолирующего материала за счет облустро развивающихся разделов физики полупроводников.

чения). В качестве примера был выбран SiC как матеТрадиционно к широкозонным относят полупроводники риал с наиболее развитой к настоящему времени среди с шириной запрещенной зоны Eg > 2.3-2.4эВ (полиWBS технологией, радиационные дефекты в котором типы SiC, алмаз, GaN, AlN, BN и др.). Стремительное наиболее хорошо изучены.

развитие ростовых технологий для ряда WBS (SiC, GaN) позволило получить материалы n- и p-типа проводимости в широком диапазоне концентраций легирующих примесей и создать на их основе аналоги большинства 2. Скорость удаления носителей существующих приборов. При этом характеристикам заряда приборов на основе WBS оказался присущ ряд особенностей, непосредственно вытекающих из увеличения значе2.1. Предварительные замечания ния Eg в 3–4 раза по сравнению с другими материалами.

С точки зрения исследования радиационной стойкости можно выделить две наиболее важные особенности: Под радиационной стойкостью обычно понимают 1) увеличение абсолютного значения многих потен- неизменность параметров полупроводника или полупроциальных барьеров в материале (энергии ионизации водникового прибора при его облучении ядерным излуглубоких центров, контактной разности потенциалов, чением. Чем большая доза облучения необходима для высоты барьеров Шоттки и т. д.);

начала изменения параметров, тем более радиационно 2) расширение диапазона рабочих температур прибостойким считается полупроводник.

ров в несколько раз.

Известно, что облучение полупроводников приводит Второе обстоятельство следует учитывать при сравк образованию в них глубоких центров — радиационных нении радиационной стойкости узкозонных (NBS) и дефектов (РД) акцепторной или донорной природы.

широкозонных материалов. Действительно, сравнивать Здесь и далее для определенности будем рассматрисвойства разных материалов при одной температуре T вать облучение материала n-типа проводимости. В этом не всегда бывает корректно: когда для NBS уже близка случае при облучении происходит переход электронов область собственной проводимости, то для WBS это из зоны проводимости на глубокие РД акцепторной начало рабочего диапазона температур, когда еще не природы. В результате проводимость материала уменьвсе основные легирующие примеси ионизованы. Поэтошается, и при больших дозах облучения полупроводник му использование „изотермического“ сравнения разных может стать изолятором. Для описания этого процесса материалов может оказаться некорректным при оценке радиационной стойкости материала в целом. в различных материалах используется такой параметр, Радиационная стойкость широкозонных полупроводников (на примере карбида кремния) Таблица 1. Вклад в концентрацию носителей, вносимый радиационными дефектами в зависимости от типа и энергетического положения в запрещенной зоне Группы n при Изменение n при TM > Tirr, n = f (T ) Положение РД при TM > Tirr Тип РД уровней TM = Tirr (без учета фактора вырождения) 1 EF - ERD < 0 A 0 Нет EF - ERD < 0 D +ND1 Нет 2 EF - ERD > 0; ERD (1/2)Eg A -NA2 -NA2/{1 + A2 exp[(EA2 - EF)/kT ]} -EF - ERD > 0; ERD (1/2)Eg D 0 +ND2/{1 + D2 exp[(EF - ED2)/kT ]} 3 ERD < (1/2)Eg A -NA3 Нет ERD < (1/2)Eg D 0 Нет Примечание. TM — температура измерения, Tirr — температура облучения, n — вклад в концентрацию носителей.

как скорость удаления носителей Vd [1], 3. РД, расположенные в нижней половине запрещенной зоны. В случае, если данные РД — акцепторы (A3), Vd = n/D =(n0 - n)/D, (1) они дадут вклад в уменьшение концентрации носителей в зоне, равный их концентрации NA3. В случае, если где n0 и n — концентрации носителей в зоне проводи- данные РД — доноры (D3), их образование не повлияет мости до и после облучения, D — доза облучения. на концентрацию носителей в зоне. С увеличением температуры измерения вклад обоих типов РД в измеБудем считать, что уровень Ферми в зоне находится ряемую величину Vd изменяться не будет.

на несколько kT (T — температура, k — постоянная Величина вклада и его температурная зависимость Больцмана) ниже основных донорных уровней, а сумдля каждого из перечисленных типов РД представлены марная концентрация вводимых РД много меньше разв табл. 1. (Здесь и далее положение уровня Ферми отсчиностной концентрации доноров и акцепторов ND - NA, тывается от потолка валентной зоны.) Соответственно т. е. при малых дозах облучения (а именно при таких можно записать формулу для Vd с учетом температурной дозах обычно и определяется скорость удаления носитезависимости заполнения РД:

лей заряда) можно считать, что облучение не приводит к сильному изменению положения уровня Ферми (EF).

Рассмотрим теперь, какой вклад в величину Vd внесут n = n0 + D KD1 - KA3 + KD2 -1 + D2 exp [(EF-ED2)/kT] образовавшиеся РД в зависимости от их типа (донор D или акцептор A) и положения в запрещенной зоне. Все - KA2, (2) образующиеся РД в зависимости от их энергетического 1 + A2 exp [(EA2 - EF)/kT] положения (ERD) можно условно разбить на три группы.

1. РД, расположенные выше уровня основных доноргде Kj — суммарная скорость введения дефектов j-го ных уровней. В случае, если данные РД — доноры (D1), типа, N = KjD — концентрация дефектов j-го типа, j они дадут вклад в увеличение концентрации носителей j — фактор вырождения уровней соответствующих РД.

в зоне, равный их концентрации ND1. Если данные Формулу (2) можно упрощенно записать как РД — акцепторы (A1), их образование не повлияет на n = n0 - [ n1 + n(TM)], (3) концентрацию носителей в зоне проводимости. С увеличением температуры измерения вклад обоих типов РД где n1 — величина изменения концентрации носителей, в измеряемую величину Vd изменяться не будет.

не зависящая от температуры; n(TM) — величина 2. РД, расположенные в верхней половине запрещенизменения концентрации носителей, зависящая от темной зоны ниже уровня основных донорных уровней и пературы измерения TM.

ниже уровня Ферми. В случае, если данные РД — Соответственно для скорости удаления носителей акцепторы (A2), их введение уменьшит концентрацию заряда можно написать электронов в зоне на величину их концентрации NA2.

В случае, если данные РД — доноры (D2), они не Vd = Vd + Vd(TM), (4) внесут вклада в концентрацию свободных электронов.

При повышении температуры (или при понижении уров- Vd — не зависящее от температуры слагаемое.

ня Ферми в результате облучения) данные РД будут Из формул (1)–(4) следует важный вывод: если взять оказываться в пределах нескольких kT от уровня Ферми;

две температуры TM1 < TM2, то Vd(TM1) Vd(TM2), т. е.

степень ионизации этих РД будет увеличиваться и, соот- с увеличением температуры измерения величина Vd ветственно, вклад акцепторных уровней в величину Vd может только уменьшаться. Поэтому в области пребудет уменьшаться, а донорных — расти. дельных рабочих температур (уровень Ферми вблиФизика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1356 А.А. Лебедев, В.В. Козловский, Н.Б. Строкан, Д.В. Давыдов, А.М. Иванов, А.М. Стрельчук, Р. Якимова зи середины запрещенной зоны данного полупровод- Таблица 2. Расчетные значения пороговой энергии дефектообразования для некоторых полупроводников ника (EF (1/2)Eg)) Vd(TM) 0, если при облучении происходило образование только акцепторных РД, 6H-SiC, и Vd(TM) < 0, если облучение привело к образованию Параметр GaAs Si 3C-SiC Алмаз 4H-SiC и донорных РД. В случае, если общая концентрация образовавшихся при облучении доноров оказалась больПостоянная 5.65 5.431 4.36 3.57 3.ше, чем концентрация образовавшихся акцепторов, то решетки a0, и общая величина Vd при высоких температурах может Пороговая 9 12.8 37 80 быть отрицательна, Vd + Vd(TM) < 0. В этом случае энергия Ed, эВ более уместно было бы говорить о скорости введения носителей заряда в полупроводник (а не удаления носителей) под действием облучения.

Следует также отметить, что экспериментальная ве2.2. Экспериментальные данные личина Vd может зависеть от использовавшейся метопо величине Vd дики измерения. Например, наличие в полупроводнике глубоких центров (ГЦ) до облучения приведет к допол- Предварительно можно отметить, что величина Vd нительному росту n с увеличением температуры, т. е. должна зависеть от параметра Ed — пороговой энергии n0 = f (T ). Такая ситуация, когда n0 = (ND - NA), дефектообразования. Чем больше величина Ed, тем, как где < 1 и приближается к 1 с ростом T, является правило, меньше значение Vd. В известной нам литерахарактерной для WBS вообще и для SiC в частности. туре отсутствует экспериментальное значение величины Чтобы избежать влияния температурной зависимости n0 Ed для SiC. В работе [2] отмечается связь между велина результаты измерения Vd, необходимо измерять эту чиной Ed и постоянной решетки (a0) данного полупрозависимость в исследуемом образце до облучения. водника, которая удовлетворяет феноменологическому Указанные сложности вынуждают искать другие пути соотношению сравнения радиационных воздействий. Например, для 1.117Ed =(10/a0)4.363. (6) определения Vd во всем диапазоне значений дозы облучения нет необходимости нагревать образец до преВ табл. 2 представлен расчет значений Ed для ряда дельных рабочих температур и проводить измерения полупроводников, сделанный по формуле (6). Формуконцентрации носителей тока n0. Мерой оценки n0 мола (6), по-видимому, не является достаточно строгой, жет служить величина разностной концентрации иони+ особенно для полупроводников с малыми значениями зованных доноров и акцепторов |ND - NA | в области постоянной решетки, однако она позволяет сделать выобъемного заряда. В этом случае достаточно провевод, что величина Ed для 4H- и 6H-SiC примерно на сти измерения вольт-фарадных характеристик (C-V порядок превосходит эту величину для Si и в 2 раза для характеристик), причем при меньших температурах.

алмаза (табл. 2). Таким образом, можно ожидать, что и Вносит ли конкретный уровень вклад в измеряемую при + величина Vd для SiC будет меньше, чем для Si.

данной температуре величину |ND - NA |, будет зависеть от соотношения между постоянной времени его иониза- Рассмотрим теперь экспериментальные работы, где была определена величина Vd при облучении политипов ции ( ) и временем измерения C-V -характеристики (t), t/ > 1, т. е. t = ( <1). Для каждого полупроводни- SiC различными типами ионов. Результаты данных работ, а также известные из литературы значения Vd для ка будет свое значение температуры TCV, при котором емкостным методом можно оценить предельное значе- кремния в тех же условиях облучения представлены в табл. 3.

ние Vd. Известно, что По данным большинства работ [3–9] при T = 300 K - = VT NNc exp(-Ei/kT), Vd(Si) Vd(SiC). Из общего числа выпадают значения где VT — тепловая скорость носителей, N — сечение за- работ [3,4], где эти величины имеют обратное соотношение, причем Vd(SiC)/Vd(Si) 10. В упомянутых хвата электрона на уровень, Nc — плотность состояний работах облучение проводили -частицами с энергией в зоне проводимости, Ei — энергия ионизации центра.

Отсюда получаем 1.7 МэВ дозой 2 · 109 см-2. Пробеги составляли: 3.8 мкм в SiC, 5.9 мкм в Si. Следует отметить, что авторы работы TCV = Ei/k ln(VT NNct). (5) следили за эффектами только в конце пробега частиц, и, значит, эффект мог быть обусловлен не столько Полагая Ei = (1/2)Eg, N = 10-16 cм-3, t = 600 c, радиационными дефектами, сколько образовавшимся на = 0.2, можно оценить значение TCV для Si и 4H-SiC как 230 и 630 K соответственно. Эта оценка пока- этой глубине гелием.

зывает, что при комнатной температуре C-V -методом Кроме того, результаты работ [3–9] были получены можно получить предельное значение Vd для кремния. для комнатных температур, где для SiC величина Vd(TM) Эта температура является не достаточной для определе- еще велика. Измерения, выполненные при высоких темния Vd для WBS. пературах, подтвердили, что для SiC либо Vd Vd(TM) Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Радиационная стойкость широкозонных полупроводников (на примере карбида кремния) Таблица 3. Величины Vd для SiC и Si по данным различных авторов SiC Частицы H+ Нейтроны Нейтроны Электроны Протоны Энергии частиц 1.7 МэВ 350 кэВ 5.5 МэВ 1МэВ 1МэВ 8МэВ D, см-2 2 · 109 1 · 1014 2 · 1011 1014 6 · Политип SiC 4H 4H 6H 3C 6H 3C 6H 4H ND - NA, см-3 1 · 1015 2 · 1018 1016 4 · TM, K 300 300 300 300 300 300 300 650 300 Vd, см-1 4 · 105 2 · 104 7.8 · 104 7.2 4.5 0.014 17 –45 130 Литература [3,4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Si Частицы Нейтроны Электроны Протоны Vd, см-1 5 · 104 7.8 0.01–0.1 200–Литература [3,4] [7] [1] [12,12] (4H-SiC), либо Vd Vd(TM) (6H-SiC) [10]. Очевидно, нием, необходимых для создания конкретного прибора.

что при облучении n-6H-SiC происходит образование Обычно считают, что радиационная стойкость и возРД как донорной, так и акцепторной природы, причем можность радиационного легирования являются протидоноры преобладают. По-видимому, такой же механизм воположными характеристиками материала, т. е. если имеет место и в случае p-6H-SiC, при облучении полупроводник является радиационно стойким, то он не которого наблюдалось изменение типа проводимости считается перспективным для его компенсации методом p n [13]. радиационного легирования.

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.