WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |
Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 2 УДК 621.315.592 Центры с глубокими уровнями в карбиде кремния Обз ор © А.А. Лебедев Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получен 2 марта 1998 г. Принят к печати 26 марта 1998 г.) Анализируются полученные к настоящему времени результаты по исследованию параметров глубоких центров в 6H- 4H- и 3C-SiC. Приведены данные по энергиям ионизации и сечениям захвата центров как образующихся при легировании SiC различными типами примеси или в процессе облучения, так и собственных дефектов. Рассмотрено участие обнаруженных центров в процессах излучательной и безызлучательной рекомбинации. Проведенный анализ литературных источников показывает значительное влияние, которое собственные дефекты кристаллической решетки SiC оказывают как на формирование глубоких центров, так и на свойства самих эпитаксиальных слоев — уровень их легирования и политипную однородность.

Введение можно определить оптимальную комбинацию технологических методов для создания данного типа прибора с Развитие современной энергетики и космической тех- лучшим сочетанием рабочих характеристик.

Цель настоящего обзора — обобщение имеющихся в ники требует создания полупроводниковых приборов, настоящее время данных по параметрам ГЦ в 6H-, 4H- и способных работать при повышенных температурах и 3C-SiC и анализ их свойств с точки зрения возможного высоких уровнях ионизирующего излучения. Одним из влияния на характеристики разрабатываемых на основе полупроводниковых материалов, на основе которого карбида кремния приборных структур.

можно получать подобные приборы, является карбид кремния.

Значительные успехи в развитии технологии SiC за Краткая история исследования последние 10–15 лет позволили к настоящему времени полупроводниковых свойств SiC разработать на основе SiC практически все основные типы полупроводниковых приборов, в том числе и первые В конце прошлого века Е.Г. Ачесоном был предложен интегральные схемы.

и запатентован метод промышленного получения SiC [1].

Известно, что глубокие центры (ГЦ) определяют мноВыращенные этим методом кристаллы были сильно легие важнейшие параметры полупроводниковых прибогированы (до 1021 см-3), не обладали политипной одноров. ГЦ в объеме полупроводника оказывают влияние на родностью и имели небольшие размеры 10103мм[2].

время жизни и диффузионную длину неосновных носиПри исследовании подобных образцов Х. Раунд в 1907 г.

телей заряда, кпд светодиодов и фотоприемников, коэфнаблюдал свечение, связанное с прохождением элекфициент усиления транзисторов, на величину и температрического тока через кристалл [3]. Более подробно турный коэффициент напряжения пробоя p-n-структур.

исследования электролюминесценции карбида кремния Поскольку в настоящее время заранее невозможно тебыли проведены О.В. Лосевым в 1923–1940 гг. [4]. Им оретически предсказать значения основных параметров было установлено, что один из типов свечения связан примесных и дефектных центров в новом полупроводс наличием особого ”активного слоя” на поверхности никовом материале, главным источником информации о кристалла. Позже он показал, что этот слой имеет элекГЦ являются экспериментальные методы.

тронную проводимость, а объем образца — дырочную.

Очевидно, что для дальнейшего развития технологии Лосев также установил существование связи между выSiC и создания новых приборов, с одной стороны, не- прямлением и электролюминесценцией. Таким образом, обходимо исследовать параметры ГЦ в эпитаксиальных два важнейших для полупроводниковой электроники слоях и p-n-переходах, полученных по различным тех- явления — электролюминесценция и выпрямительные нологиям. С другой стороны, исследование параметров свойства p-n-структур были впервые обнаружены на уже созданных приборов может дать дополнительную кристаллах SiC. К сожалению, в то время электронная информацию о свойствах имеющихся в них ГЦ. Кроме промышленность была основана на использовании электого, различные методы выращивания эпитаксиальных тровакуумных ламп и эти открытия остались незамеченслоев и создания p-n-структур приводят к образованию ными.

различных ГЦ в объеме полупроводника и на его поверх- Как известно, промышленный интерес к полупроводности, которые в свою очередь оказывают влияние на никам возник после обнаружения В. Шокли в 1949 г.

характеристики создаваемых приборов. Таким образом, транзисторного эффекта на кристаллах Ge. Примерно через исследования параметров и распределений ГЦ в это же время Дж. Лэли предложил новый метод 1 130 А.А. Лебедев выращивания кристаллов SiC [5]. Рост монокристаллов зонным из политипов карбида кремния (Eg 2.4эВ) здесь происходил сублимационным путем в результате и с точки зрения максимальных рабочих температур перегонки SiC через паровую фазу из более горячих в незначительно превосходит GaP. Поэтому вскоре тем более холодные области. же методом CVD были получены пленки 6H-SiC на В первой половине 50-х годов начались поиски по- основе подложек 6H-SiC [10]. Использование технололупроводниковых материалов, способных работать при гической комбинации: модифицированный метод Лели более высоких температурах окружающей среды, чем (подложка)–CVD–эпитаксия (эпитаксиальные слои) на Ge. Поэтому взоры многих исследователей обратились к грани (0001) Si–плазмохимическое травление (формикремнию и карбиду кремния. В последующие 10–15 лет рование мезаструктур) позволило получить на основе было выполнено много работ, посвященных исследо- карбида кремния целый ряд полупроводниковых приванию свойств SiC и разработке полупроводниковых боров — светодиоды в синей области спектра, ульприборов на его основе. трафиолетовые приемники, выпрямительные диоды, поОднако к началу 70-х годов промышленный интерес к левые транзисторы, биполярные транзисторы, тиристокарбиду кремния снова угас. Очевидно, это было вызвано ры [11–13].

несопоставимостью успеха в развитии технологии Si и В настоящее время экспериментальный выпуск приGaAs по сравнению с SiC. Значительные технологические боров на основе карбида кремния, так же как и интрудности при выращивании карбида кремния и фор- тенсивные исследовательские работы, проводится крупмировании приборов на его основе приводили к тому, нейшими компаниями, специализирующимися на произчто параметры получаемых приборов были далеки от водстве полупроводниковой техники: CREE и Вестинтеоретических ожиданий. гауз (США), Томсон и Шнейдер Электрик (Франция), Последующие 15 лет изучение свойств SiC продолжа- АВВ (Швеция), Сименс (Германия), Хитачи (Япония).

лись несколькими исследовательскими группами, боль- К сожалению, из-за общего развала советской науки и шинство из которых находились на территории СССР. В электронной промышленности в последние годы работы 1970 г. Ю.А. Водаковым и Е.И. Моховым для выращива- российских ученых и созданный ими в области физики ния эпитаксиальных слоев SiC был предложен сублима- SiC научный потенциал на их Родине оказался невостреционный ”сэндвич-метод” [6]. Суть метода заключалась бованным.

в том, что процесс выращивания осуществлялся при сближении источника паров и подложки.

1. Некоторые особенности В конце 70-х годов Ю.М. Таировым и В.Ф. Цветковым был также предложен метод выращивания объемных кри- кристаллической структуры SiC сталлов SiC [7] — модифицированный метод Лели. Предложенный метод был основан на конденсации пара на Карбид кремния относится к наиболее ярким предмонокристаллическую подложку. Рост проводился при ставителям политипных соединений. Собственно термин температурах около 2000C. Диаметр выращиваемого ”политипизм” был специально введен для карборунда, слитка определялся размерами подложки (в настоящее вследствие того, что различные кристаллические формы время около 50 мм), а его длина — временем тех- SiC структурно очень близки друг к другу. В настоящее нологического процесса. Политипная структура слитка время известно свыше 140 кристаллических модификаопределялась политипом использовавшейся затравки [8]. ций SiC [14].

На основе данных технологий и их модификаций в Все известные политипы карбида кремния кристаллиФТИ им. А.Ф. Иоффе в лаборатории Ю.А. Водакова и зуются по законам плотной шаровой упаковки и предВ.Е. Челнокова к середине 80-х годов был разработан ставляют собой бинарные структуры, построенные из целый ряд SiC-полупроводниковых устройств, был про- идентичных слоев, отличающихся как порядком расповеден широкий круг исследований электрофизических ложения кубического C или гексагонального H слоя, свойств карбида кремния, в том числе параметров и так и числом этих слоев в элементарной ячейке. Для свойств ГЦ. характеристики политипа часто используют обозначения Окончательно интерес к карбиду кремния как к пер- Рамсдела [15], состоящие из натурального числа, равного спективному материалу для полупроводниковой элек- числу слоев в периоде, в направлении, перпендикуляртроники вернулся после разработки С. Нишино метода ном базовой плоскости, и буквенного символа, характегазотранспортной (CVD) эпитаксии пленок 3C-SiC на ризующего сингонию решетки Браве: C — кубическая, кремниевых подложках [9]. Использование стандартного H — гексагональная, R — ромбоэдрическая. Наиболее технологического оборудования и подложек большой распространенными являются политипы 6H, 4H, 15R, 3C площади открывало возможности для быстрого коммер- (рис. 1). Хотя расположение ближайших из соседних ческого использования полученных результатов. Вскоре атомов одинаково для каждого атома кремния или углена основе подобных пленок были созданы несколько рода во всех политипах, расположение более далеких типов полевых транзисторов. Однако параметры этих соседей отличается, что приводит к наличию кристалприборов, как и качество самих пленок, оставалось лографически неэквивалентных положений в решетке невысоким. Кроме того, 3C-SiC является самым узко- SiC (4H — одно кубическое и одно гексагональное, Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. Центры с глубокими уровнями в карбиде кремния Рис. 1. Расположение атомов Si и C (светлые и темные кружки соответственно) в плоскости (1120) для политипов SiC 3C, 4H и 6H. Обозначения A, B, C соответствуют различным положениям атомов в плотноупакованной гексагональной структуре. Значки h и k отмечают гексагональные и кубические положения атомов в решетке соответственно [135].

6H — два кубических и одно гексагональное) [16]. В Важной особенностью электронных сверхрешеток настоящее время не существует удовлетворительной во является наличие поляризованных полос поглощения, всех отношениях теории, способной объяснить, почему обусловленных переходами между минизонами [20,21].

SiC кристаллизуется в виде большого количества поли- Такие полосы поглощения наблюдаются в кристаллах типов. Нет полной ясности и в том, какие факторы бла- различных политипов, причем во всех случаях их пологоприятствуют образованию того или иного политипа. жение в спектре и поляризация согласуются с данными Известно, что карбид кремния представляет собой расчета электронных спектров [19,22,23]. Основные полупроводник с непрямой зонной структурой. При этом параметры SiC политипов 6H, 4H и 3C представлены величина запрещенной зоны существенно зависит от по- в табл. 1.

литипа и изменяется от 2.39 эВ для 3C-SiC и до 3.3 эВ для 2H-SiC. Согласно результатам экспериментальных и теоретических работ, максимум валентной зоны находится в Таблица 1. Значение некоторых параметров SiC [135,209] центре зоны Бриллюэна, а минимум зоны проводимости Параметр 4H-SiC 6H-SiC 3C-SiC расположен на ее границе. С этим связывается сильная зависимость ширины запрещенной зоны от структуры Ширина запрещенной 3.2 3.0 2.политипа. Согласно [17] спиноорбитальное расщепление зоны, эВ валентной зоны составляет 10 мэВ.

Постоянная решетки, a = 3.09 a = 3.09 4.В более сложных политипах, чем 2H и 3C, сущеc = 10.48 c = 15.ствует еще одна особенность зонной структуры [18,19].

Теплопроводность 3–5 3–5 При анализе электронных спектров чередование слоев в Вт/см · град длиннопериодных политипах можно рассматривать как Напряженность критического 2–3 2–3 >1.действие на электрон, помещенный в кристалл кубиполя пробоя Ecr, мВ/см ческой модификации, некоего сверхпериодического поПодвижность электронов µn, 800 200–300 тенциала. При таком рассмотрении зона проводимости см2/В · с (300 K) разбивается на серию подзон. На основании таких предСкорость насыщения, 107 см/с 2 2 2.ставлений может быть объяснена анизотропия эффективПодвижность дырок µp 60 50 ных масс в политипах, ее зависимость от конкретной см2/В · с (300 K) структуры кристалла.

1 Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 132 А.А. Лебедев 2. Параметры глубоких центров в SiC электропроводность слабо легированных слоев SiC. Другой особенностью образцов SiC N является образование экситона, связанного на нейтральном донорном уровне 2.1. Основные легирующие примеси в SiC азота. Связанные с рекомбинацией данного экситона Разрешенные состояния в запрещенной зоны полупролинии в спектре люминесценции 6H-SiC имеют длины водников традиционно разделяются на ”мелкие” и ”глуволн (4122, 4142 и 4144 ) [36].

бокие”. Деление это весьма условно и обычно мелкими Алюминий. Для получения карбида кремния p-типа считают уровни с энергией ионизации Ei < 0.1эВ, а проводимости обычно используют Al [37–39], который глубокими — с Ei > 0.1эВ [24]. Для карбида кремния образует наиболее мелкие акцепторные уровни в нижней это деление является еще более условным, так как половине запрещенной зоны и обладает наибольшей даже основные донорные и акцепторные уровни имеют растворимостью (1021 см-3) [40].

энергии ионизации Ei 0.1 эВ. Таким образом, строго В [38] было показано, что с увеличением конценговоря, в карбиде кремния все исследовавшиеся уровни трации Al от 1018 до 1021 см-3 его энергия ионизации являются глубокими. Однако в дальнейшем мы будем уменьшается от 0.27 до 0.1 эВ. В более поздней рабоуровни, определяющие сопротивление базовых областей, те [41] было показано, что энергия ионизации уровней называть мелкими по отношению к более глубоким, Al (Ev + 0.24 эВ) не зависит от его концентрации до не дающим заметного вклада в величину концентрации 5 · 1020 см-3, если степень компенсации эпитаксиальных основных носителей заряда.

слоев k < 0.01. В случае k > 0.01 происходило уменьАзот. Специально не легированные слои SiC имеют шение энергии ионизации до 0.1 эВ (NAl 5 · 1020 см-3).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |



© 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.