Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор по вопросам эпитаксии карбида кремния на кремнии 11
1.1. Способы получения и особенности технологии роста гетероэпитаксиальных структур 3C-SiC/Si 12
1.1.1. Методы подготовки подложек 14
1.1.2. Методики формирования буферного слоя 16
1.1.3. Процессы осаждения 3C-SiC на кремниевые подложки 27
1.2. Базовые методы исследования структур 3C-SiC/Si 34
ГЛАВА 2. Разработка технологии газофазного осаждения карбида кремния на кремниевые подложки 45
2.1. Описание установки газофазного осаждения карбида кремния 45
2.2. Разработка конструкции реактора 48
2.2.1. Выбор геометрии реактора 48
2.2.2. Выбор материалов для изготовления оснастки реактора 49
2.2.3. Конструкция реактора 50
2.2.4. Перспективы увеличения площади подложек 53
2.3. Подготовка подложек к процессу осаждения 55
2.4. Методики формирования буферного слоя 56
2.4.1. Карбидизация поверхности монокристаллического кремния 56
2.4.2. Карбидизация нанопористого кремния 61
2.4.3. Использование нанопористого кремния без карбидизации 63
2.5. Методика выращивания эпитаксиальных слоев 63
2.5.1. Влияние технологических параметров на характеристики эпитаксиального слоя 64
2.5.2. Влияние параметров буферного слоя на характеристики эпитаксиального слоя 79
ГЛАВА 3. Использование гетероструктур SIC/SI для создания мембран МЭМС 84
3.1. Перспективы использования структур З С- SiC/Si в качестве мембран в МЭМС ' 84
3.2. Методика изготовления мембран на основе 3C-SiC/Si 85
3.3. Методика исследования и результаты измерения механических напряжений в ЗС-SiC мембранах 86
ГЛАВА 4. Разработка гетероструктур sic/si для микроэлектронных приборов 90
4.1. Перспективы использования гетероперехода n-SiC/p-Si для фотоприемников, фотовольтаических преобразователей и транзисторных структур с широкозонным эмиттером 90
4.2. Методика изготовления экспериментальных образцов диодных структур 91
4.3. Исследование вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик гетероструктур 3C-SiC/Si 94
4.3.1. Структура с изотипным гетеропереходом n-SiC/n-Si 94
4.3.2. Структура с анизотипным гетеропереходом n-SiC/p-Si 95
4.3.3. Определение диффузионного потенциала на основе анализа вольт-амперных и C-V характеристик 97
4.4. Анализ процессов транспорта носителей заряда в гетероструктурах n-SiC/p-Si 100
Заключение 102
Литература
- Методики формирования буферного слоя
- Выбор материалов для изготовления оснастки реактора
- Методика изготовления мембран на основе 3C-SiC/Si
- Исследование вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик гетероструктур 3C-SiC/Si
Введение к работе
Карбид кремния (SiC) является перспективным материалом для создания электронных, оптических приборов и микроэлектромеханических устройств экстремальной электроники. Благодаря высокой критической напряженности поля пробоя, превышающей 2-Ю6 В/см, температуре Дебая 1200 К, механической прочности, устойчивости к температурным, химическим и радиационным воздействиям, потенциальные параметры приборов на его основе в ряде случаев значительно превышают параметры приборов на традиционных материалах [1-3]. Реализация уникальных свойств SiC в значительной степени определяется уровнем развития технологии формирования приборных структур. Одной из проблем получения эпитаксиальных слоев карбида кремния является подложечный материал. Максимальный размер коммерчески доступных подложек карбида кремния гексагональных политипных модификаций 4Н- и 6H-SiC в настоящее время ограничен 4 дюймами, а стоимость их на несколько порядков превышает стоимость кремниевых подложек [4]. Гетероэпитаксия кубического карбида кремния (ЗС-SiC) на кремниевые подложки существенно удешевляет процессы создания приборов на основе этого материала. Однако при эпитаксии ЗС-SiC на Si росту качественных монокристаллических слоев препятствуют рассогласование периодов решеток кремния и карбида кремния, составляющее порядка 20% и различие температурных коэффициентов линейного расширения (-8%). Для минимизации уровня механических напряжений в структурах, вызванных этими факторами, и улучшения кристаллического совершенства растущего слоя на поверхности исходной кремниевой подложки возможно создание тонкого переходного слоя, выполняющего функцию буфера. В большинстве работ, посвященных эпитаксии ЗС-SiC на Si буферный слой получают методом карбидизации. Процесс карбидизации заключается в обработке поверхности подложки кремния углеродсодержащими газообразными компонентами при температуре 1000°С и более. Однако, хотя таким образом и удается получать монокристаллические слои ЗС-SiC, они не свободны от структурных дефектов и механических напряжений. Важной проблемой является исследование возможности использования в качестве буфера нанопористых слоев, пористая структура которых играет роль «мягкой» подложки и способствует эффективной релаксации механических напряжений. В этой связи представляет несомненный интерес исследование зависимостей параметров и характеристик слоев карбида кремния, выращенных на кремниевых подложках, от условий их получения.
Несмотря на очевидность перспектив применения кубического карбида кремния для создания приборов электронной и микросистемной техники, промышленного технологического оборудования для CVD-эпитаксии ЗС-SiC на кремниевые подложки в России не существует. Отсутствие оборудования для эпитаксиального роста, обеспечивающего возможность проведения процесса при высоких температурах (до 1400°С) препятствует развитию производства структур 3C-SiC/Si.
В этой связи, целью настоящей работы является разработка технологических процессов и оборудования для газофазного осаждения кубического карбида кремния на кремниевые подложки, отработка базовых режимов формирования буферных слоев и режимов эпитаксии карбида кремния, исследование морфологических, механических и электрофизических свойств структур для приборов электроники и микросистемной техники.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- Создание методики и аппаратуры для выращивания эпитаксиальных слоев ЗС-SiC на Si, исследование температурных, временных, концентрационных соотношений с целью оптимизации режимов карбидизации и роста эпитаксиальных слоев;
- Отработка режимов роста эпитаксиальных слоев ЗС-SiC на подложках с карбидизированными и некарбидизированными нанопористыми слоями кремния;
- Исследование морфологии, состава, структуры осаждаемых слоев в зависимости от режимов их формирования;
- Исследование механических характеристик структур ЗС-SiC/Si и электрофизических параметров и характеристик анизотипных гетероструктур n-3C-SiC/p-Si.
Для решения поставленных задач реализован комплекс технологических операций, включающий формирование буферных слоев на монокристаллических подложках кремния и подложках кремния с нанопористым слоем, газофазное осаждение слоев ЗС-SiC, изготовление мембран методами анизотропного жидкостного травления, формирование гетероструктур ЗС-SiC/Si, с использованием реактивного ионно-плазменного травления. Для определения свойств и параметров слоев применялись следующие методы исследования: электронная Оже-спектроскопия, ИК Фурье спектроскопия, рентгеноспектральный микроанализ (РСМА), дифракция быстрых электронов, электрофизические измерения, атомно-силовая, растровая электронная (РЭМ) и ионная микроскопия. Подготовка образцов для растровой микроскопии осуществлялась с использованием техники остросфокусированного ионного пучка (FIB-технологии).
Научная новизна работы. В качестве оригинальных можно выделить следующие результаты диссертационной работы:
- Установлено, что в процессах эпитаксии ЗС-SiC на Si с использованием реактора вертикального типа рост пленок определяется не только кинетическими и диффузионными ограничениями, но и процессами гетерогенной и гомогенной кристаллизации.
- Показано, что минимальный уровень механических напряжений в структурах ЗС-SiC/Si может быть достигнут путем использования подложки с нанопористым кремнием при проведении процесса в интервале температур 1350-1370°С.
- Предложен способ создания гетероструктур п-ЗС-SiC/p-Si с улучшенными электрофизическими характеристиками, включающий формирование нанопористого слоя в подложке без использования электрохимического травления и последующую карбидизацию поверхности перед проведением процесса эпитаксии.
- Установлено, что разработанная аппаратура и технологические процессы эпитаксии позволяют создавать плоские и гофрированные мембранные структуры на основе ЗС-SiC, характеризующиеся высокой чувствительностью к механическим воздействиям.
- Определены закономерности, связывающие степень структурного совершенства эпитаксиальных слоев ЗС-SiC/Si с температурой процесса, концентрацией ростообразующих компонентов в газовой фазе, а также с расходами газовых потоков.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
1. Разработано оригинальное технологическое оборудование и методика, обеспечивающая получение монокристаллических, текстурированных и поликристаллических пленок карбида кремния кубической политипной модификации на подложках кремния при температурах до 1400°С.
2. Получены экспериментальные образцы плоских и гофрированных мембран размером 1.5x1.5 мм2 и толщиной от 0.6 до 0.8 мкм. Полученные плоские мембраны характеризуется высокой чувствительностью к механическому воздействию (до 14 нм/Па), низкими значениями внутренних напряжений о (порядка 30 МПа) и высокой прочностью (критическое давление до 90кПа).
3. Изготовлены образцы гетероструктур на основе композиции ЗС-SiC/Si. Проведены исследования вольт-амперных характеристик образцов, изготовленных на подложках n-Si и p-Si. Установлено, что для получения диодов на гетеропереходах с высоким коэффициентом выпрямления (более 105) необходимо формировать мезаструктуры методом реактивного ионно-плазменного травления.
4. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно-исследовательских работ ЦМИД-165 «Эпитаксия», ЦМИД-172 «Опасность-РЛ».
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. При газофазном осаждении карбида кремния на подложку кремния в вертикальном реакторе при атмосферном давлении уменьшение скорости роста эпитаксиального слоя с ростом температуры определяется не только кинетическими и диффузионными ограничениями, но и процессами гетерогенной и гомогенной кристаллизации.
2. Величины механических напряжений в эпитаксиальных слоях карбида кремния определяются температурой роста и способом модификации поверхности подложки кремния. Минимальные значения напряжений независимо от метода подготовки буферного слоя соответствуют диапазону температур роста 1350 - 1370°С. Нанопористая структура буферного слоя снижает уровень напряжений но, при этом, увеличивает степень разупорядоченности кристаллической структуры эпислоя 3C-SiC.
3. В области технологических режимов формирования слоев ЗС-SiC на Si, обеспечивающих минимальный уровень остаточных напряжений, возможно создание структур МЭМС для устройств на основе плоских и гофрированных мембран, которые при сопоставимых геометрических размерах с аналогами на традиционных материалах (Si3N4) обеспечивают большую чувствительность к механическому воздействию.
4. Буферные слои на основе нанопористого кремния, подверженного карбидизации, позволяют формировать диодные анизотипные гетероструктуры ЗС-SiC/Si, характеризующиеся эмиссионно-рекомбинационным механизмом транспорта носителей заряда и пробивными напряжениями, превышающими 200 В.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV и VIII международные научные конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии», Кисловодск, 19-24 сентября, 2004 г. и 14-19 сентября 2008 г.; II международная конференция по физике электронных материалов, Калуга, 24-27 мая 2005 г.; 7-я всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, Санкт-Петербург, 5-9 декабря 2005 г.; 9 и 10 Научные молодежные школы по твердотельной электронике, Санкт-Петербург, 27-28 мая 2006 г. и 24-25 мая 2007г.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 7 работах, среди которых одна публикация в ведущем рецензируемом издании, рекомендованном в действующем перечне, ВАК, а также б докладов на конференциях и семинарах различного уровня. Список публикаций приведен в конце автореферата. Основные положения защищены подачей заявки на патент на группу изобретений №2008139737 от 06.10.2008.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения -четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 89 наименований. Основная часть работы изложена на 113 страницах машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 4 таблицы.
Методики формирования буферного слоя
При эпитаксии ЗС-SiC на подложках кремния основной причиной, препятствующей росту качественных монокристаллических слоев, является рассогласование периодов решеток у кремния и карбида кремния (азю=0.436 нм, aSj=0.543 нм) —20% и различие температурных коэффициентов линейного расширения (порядка 8%) [2,25]. Различия периодов решетки сопрягающихся материалов Аа, вызывают напряжения несоответствия (1.2.): ода = Ef7(l - v), где f = Да/а, (1-2.) здесь Е - модуль упругости, v - коэффициент Пуассона, Аа = аПОДл—асл — разница периодов решетки подложки и наращиваемого слоя, а — среднее значение периода решетки сопрягающихся материалов. Так как напряжения несоответствия возникают непосредственно в процессе наращивания эпитаксиального слоя при температуре кристаллизации, т.е. при максимальной температуре в системе, то достаточно велика вероятность их релаксации в самом процессе осаждения с образованием дислокаций несоответствия и других дефектов [26]. Термические напряжения, обусловленные различием коэффициентов линейного расширения подложки и наращиваемого слоя, возникают в процессе охлаждения эпитаксиальнои структуры от температуры выращивания или в процессе ее нагрева и охлаждения при последующих термообработках. При линейной температурной зависимости периодов решетки выражение для расчета термических напряжений совпадает с выражением для расчета напряжений несоответствия (1.З.): oAa = EAaAT/(l-v), (1.3.) где Аа - разность значений коэффициентов линейного расширения 4 подложки и эпитаксиального слоя в исследуемом интервале температур AT: Чаще всего сгда проявляется в виде остаточных напряжений, вызывая изгиб композиции [26]. Столь высокое рассогласование параметров кристаллических решеток SiC и Si приводит к формированию на границе раздела подложка/слой большого количества дислокаций несоответствия, что, в свою очередь, ухудшает кристаллическую структуру растущего слоя SiC [27,28].
Для устранения изгиба структур и улучшения кристаллического совершенства растущего слоя на поверхности исходной кремниевой подложки создается тонкий сильно дефектный слой карбида кремния, который выполняет функцию буфера.
К буферному слою применяются на первый взгляд противоречивые требования. С одной стороны буферный слой должен обладать высоким кристаллическим совершенством, т.к. структура растущего слоя во многом определяется состоянием поверхности, а именно кристаллическим совершенством подложечного материала. В работе [29] показано, что на поликристаллическом буферном слое растет преимущественно поликристаллический слой SiC, а на монокристаллическом буферном слое возможно выращивание монокристаллического слоя карбида кремния. С другой стороны для релаксации напряжений, возникающих на границе подложка/эпитаксиальный слой, необходимо, чтобы буферный слой был сильно дефектный. Существует несколько возможностей формирования буферного слоя. В работе [28] буферный слой SiC формировался путем магнетронного распыления. Но структурное совершенство полученного таким способом переходного слоя оказалось низким и авторы отмечают низкое качество осажденного впоследствии слоя карбида кремния. В работало] буферный слой создавался методом МВБ, а затем на полученный таким образом слой производилось осаждение слоя SiC методом CVD. Авторы отмечают, что оптимальным с точки зрения последующей эпитаксии буферным слоем является монокристаллический слой толщиной 10 нм. На таком буферном слое авторам удалось вырастить эпитаксиальный слой ЗС- SiC, но при этом наблюдалась высокая плотность дислокаций в эпитаксиальном слое. Основным недостатком данного метода является дороговизна и сложность оборудования для МВЕ.
Наиболее распространенным в настоящий момент является метод создания буферного слоя в реакторе in-situ непосредственно перед эпитаксией [9]. Данный способ получил название карбидизации. Во время процесса карбидизации в транспортный газ (водород или аргон) добавляется какой-либо предельный углеводород, чаще всего пропан. Карбидизация, как правило, проводится при температурах от 1150 до 1400С. Необходимость в столь высокой температуре карбидизации объясняется низкой химической реактивностью пропана (C3Hg). По данным авторов работы [29] пропан (СзН8) не разлагается на составляющие при температурах ниже 1100С.
Выбор материалов для изготовления оснастки реактора
Характеристики осаждаемых из газовой фазы слоев во многом определяются конструкцией реактора, поэтому выбор его геометрии является одной из важных задач при конструировании технологического оборудования для газофазной эпитаксии. Известно, что в процессе осаждения эпитаксиальных слоев возможны потери ростообразующих компонентов из-за их гетерогенного осаждения на холодных элементах оснастки реактора. Метод горячей стенки подразумевает наличие стенок, окружающих подложкодержатель, которые разогреты до температуры большей, чем температура подложки. В результате при проведении процесса роста температура стенок оказывается выше температуры подложкодержателя и эпитаксиальный рост происходит преимущественно на поверхности подложки. Использование конструкции реактора с реализацией механизма горячей стенки позволяет существенно сократить данный вид потерь. Необходимость разработки оригинального генератора объясняется тем, что для реализации конструкции реактора с горячей стенкой требуется рабочая частота ВЧ излучения порядка 30 кГц. При такой частоте глубина проникновения излучения в графит составляет 6 мм [61]. В данном случае большая часть излучения поглощается экраном. Благодаря этому экран разогревается до более высокой, чем подложкодержатель, температуры и выполняет функцию нагревательного элемента. Реактор вертикального типа характеризуется как более производительный и позволяет довольно легко реализовать вращение подложкодержателя с целью обеспечения более равномерного нагрева подложек. Исходя из этих соображений, при разработке конструкции был выбран реактор вертикального типа с механизмом роста горячая стенка.
В связи с тем, что процесс эпитаксии карбида кремния предусматривает использование высоких рабочих температур (порядка 1400С и более), особое внимание было уделено выбору конструкционных материалов для изготовления оснастки реактора и подложкодержателя. Реактор представляет собой кварцевую трубу диаметром 102 мм, в центре которого расположен графитовый подложкодержатель диаметром 40 мм. Подложкодержатель окружен экраном, который необходим для реализации метода горячей стенки. Для защиты кварца от перегрева, а также для уменьшения тепловых потерь в реакционной зоне возникла необходимость создания защитных приспособлений.
Для этих целей использовались в различных комбинациях экраны из пористого AI2O3, графита и графитовой ваты. В первую очередь был опробован пористый АЬОз, т.к. он обладает хорошими теплоизолирующими свойствами. Но от данного материала мы вынуждены были отказаться из-за того, что AI2O3 под воздействием восстанавливающей водородной среды и высокой температуры подвергся разрушению. Также были попытки использовать в качестве экрана цилиндр из молибденовой фольги толщиной 1 мм, обернутый графитовой ватой. Но как показала практика и данный вариант не является приемлемым, т.к. молибден после проведения нескольких процессов становился хрупким и подвергался разрушению.
В настоящее время в качестве экрана используется стакан, изготовленный из графита с толщиной стенки 3 мм. Графитовый экран снаружи покрыт оболочкой из графитового войлока «Карбопон-5», выполняющего функцию теплоизолятора.
В процессе конструирования оснастки реактора были опробованы различные варианты размещения подложек на подложкодержателе. Изначально подложки размещались на верхней грани подложкодержателя с -подачей реакционных газов сверху через отверстие в центральной части экрана (рис. 2.4.). После проведения нескольких экспериментов было установлено, что скорость роста при тех расходах, которые может обеспечить данная газораспределительная система, близка к нулю. Столь низкое значение скорости роста объясняется следующим образом. Характер течения газового потока в реакторе в данном случае определяется конкуренцией вынужденного движения поступающего сверху холодного газа и естественно-конвективного восходящего движения над нагретой поверхностью подложкодержателя. В зависимости от расхода газа наблюдается режим течения с преобладанием вынужденной или естественной конвекции. В первом режиме струя подающегося газа подавляет восходящее естественно-конвективное течение от нагретой поверхности, газ из входного отверстия попадает прямо на подложку. Это приводит к значительным градиентам газодинамических величин вблизи поверхности и существенной зависимости скорости роста от радиальной переменной.
При уменьшении расхода газа через реактор происходит переход течения в режим с преобладанием естественной конвекции. Интенсивное восходящее движение над нагретой поверхностью оттесняет поступающий газ от поверхности подложки. Реализация того или иного режима определяется не только отношением характерных скоростей естественно
Методика изготовления мембран на основе 3C-SiC/Si
Развитие микромеханики, ориентированной на создание миниатюрных сенсорных и исполнительных устройств, в том числе и для экстремальных условий эксплуатации, стимулировало поиск материалов, способных обеспечивать работу приборов в условиях повышенных температур, агрессивной химической среде и при повышенных уровнях ионизирующего излучения. Перспективным материалом, отвечающим всем этим требованиям, является карбид кремния.
Среди микроэлектромеханических приборов значительную долю занимают устройства мембранного типа. На основе мембран создаются миниатюрные датчики постоянных и переменных давлений, микрофоны, виброметры, клапаны, насосы, переключатели и другие устройства. Значительно место среди них занимают сенсоры и актюаторы мембранного типа. Классическая мембрана представляет собой тонкую пленку, нанесенную на поверхность кремниевой подложки с последующим стравливанием кремния с обратной стороны вплоть до освобождения мембраны. В результате мембрана оказывается закрепленной по периметру на кремниевой рамке-основании [83]. В работе показана возможность применения структур ЗС-SiC/Si для изготовления мембран и использование их в качестве активного элемента датчика давления.
Преимущества ЗС-SiC/Si мембран определяются следующими факторами: 1) высокая химическая стойкость позволяет эксплуатировать приборы с мембранами ЗС-SiC/Si в условиях агрессивной среды. Также появляется возможность вытравливать мембраны в стандартных травителях для кремния без использования стоп-слоев и защитных маскирующих покрытий. 2) возможность локально изменять проводимость материала мембраны позволяет формировать в мембране активные приборы. 3) в SiC наблюдается тензоэффект. Использование материалов с пьезоэлектрическими свойствами позволяет создавать на основе мембраны не только сенсорных, но и актюаторных устройств. 4) теплопроводность SiC близка к теплопроводности меди, что определяет высокую однородность теплового поля в мембране. 5) малые коэффициенты поглощения позволяют создавать рентгеновские окна на основе мембран из 3C-SiC.
В миниатюрных пьезоэлектрических преобразователях активный элемент традиционно изготавливается из пьезокерамики ЦТС. Применение в качестве активного слоя пьезоэлектрических пленок широкозонного материала карбида кремния позволяет повысить рабочую температуру, химическую и радиационную стойкость устройств на его основе.
Основными этапами технологического процесса изготовления гофрированной мембраны на основе структуры ЗС-SiC/Si являются: - создание в кремниевой подложке рельефа, на основе которого впоследствии формируется гофр; - газофазное осаждение слоя ЗС-SiC на лицевой стороне подложки; - газофазное осаждение слоя ЗС-SiC, выполняющего функцию маски, на обратную сторону подложки; - вскрытие окон в защитном слое ЗС-SiC с обратной стороны методом реактивного ионно-плазменного травления; - жидкостное анизотропное травление мембраны; - разделение пластины на кристаллы.
В данной работе методом анизотропного травления были получены SiC мембраны трех типов: деформированные, плоские и гофрированные. На рис. 3.1. приведены фотографии изготовленных в ходе данного исследования мембран. Размер плоских мембран 1,5x1,5мм2. Диаметр гофрированной мембраны 1,5 мм.
Определение встроенных механических напряжений слоев мембранных элементов проведено по методике, разработанной в Центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» [84]. Измерения выполнены на экспериментальной установке, включающей в себя датчик интерферометрического типа, чувствительный механический элемент, воздушную систему с устройством задания давления и датчиком давления, персональный компьютер с платой ввода-вывода и программным обеспечением. В качестве чувствительного элемента были использованы изготовленные в ходе исследования плоские, деформированные и гофрированные мембраны на основе карбида кремния кубической политипной модификации. Регистрация прогиба в центре мембраны проводилась с помощью волоконно-оптического датчика на основе интерферометра Фабри-Перо, образованного частично отражающим торцом волокна и отражающей поверхностью мембраны, расстояние между которыми изменялось в соответствии с изменением подаваемого на мембрану давления (рис. 3.2.). При помощи данной методики выполнены измерения прогиба центра мембраны в зависимости от приложенного давления и по линейному участку полученной зависимости с использованием приближенного решения уравнения Кармана для пластины (мембраны) жестко защемленной по контуру (З.1.), вычислены значения напряжений:
Исследование вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик гетероструктур 3C-SiC/Si
Одним из перспективных способов производства электрической энергии является преобразование солнечной энергии в электрическую с использованием солнечных батарей [85,86]. Основным материалом, используемом в производстве фотоэлектрических преобразователей, является кремний. Главными преимуществами кремния являются высокая распространенность в природе, нетоксичность и относительная дешевизна. Кроме того кремний является одним из наиболее подходящих материалов, с точки зрения наибольших значений КПД преобразования. Для увеличения КПД фотоэлектрических преобразователей перспективным является использование структур на гетеропереходах. Преимущества солнечных элементов с гетеропереходами по сравнению с обычными солнечными элементами с р-п переходами заключаются: 1) в увеличении спектрального отклика в коротковолновом диапазоне; 2) в понижении последовательного сопротивления при условии, что первый полупроводник можно сильно легировать, не ухудшая при этом условия прохождения света через него; 3) в высокой радиационной стойкости, при условии, что первый слой полупроводника достаточно толстый и имеет широкую запрещенную зону; 4) в увеличении температурного интервала использования фотоэлектрического преобразователя в сторону высоких температур; 5) в уменьшении поверхностной рекомбинации в солнечных элементах с прямозонными полупроводниками.
Использование гетеропереходных структур при изготовлении фотовольтаических элементов позволяет реализовать идею широкозонного окна и уменьшить потери, связанные с поверхностной рекомбинацией и сопротивлением поверхностного слоя. Достигается это благодаря тому, что р-n переход в гетероструктурах располагается дальше от поверхности, чем в гомопереходном элементе. Таким образом, представляет интерес использование структуры ЗС-SiC/Si для создания фотовольтаических преобразователей, в том числе и для концентрированного солнечного излучения.
Благодаря наличию барьера для дырок на границе ЗС-SiC/Si возможно использование гетероструктур n-SiC/p-Si для изготовления широкозонного эмиттера в биполярном транзисторе [87].
Таким образом, в связи с перспективностью использования структур ЗС-SiC/Si в качестве фотовольтаических преобразователей, фотоприемников и биполярных транзисторов представляет интерес исследование диодных свойств подобных гетероструктур.
Для исследования диодных свойств гетероструктур ЗС-SiC/Si были использованы изотипные и анизотипные гетеропереходы с буферным слоем, изготовленным методом карбидизации монокристаллического кремния и карбидизации нанопористого кремния. Основные параметры полученных типичных структур ЗС-SiC/Si представлены в таблице 3. Для измерения вольтамперных характеристик полученных образцов на поверхности структур были изготовлены алюминиевые омические контакты. Методика изготовления контактных площадок подобна методике, описанной в работе [88].
Было установлено, что на всех структурах отсутствует эффект выпрямления. Вероятно, существенный вклад в токоперенос вносят токи утечки по поверхности. Поэтому на завершающем этапе изготовления структур проводилась операция реактивного ионно-плазменного травления SiC и Si на глубину 10-14 мкм, для формирования меза-структур (рис. 4.3.). В качестве маски использовались сформированные алюминиевые контакты. Травление проводилось в плазме смеси гексафторида серы (SF6) и аргона.
В работе были исследованы образцы диодных структур на основе анизотипных гетеропереходов, полученных на подложках монокристаллического кремния КДБ 7.5 с использованием в качестве буферного слоя карбидизированного монокристаллического кремния и карбидизированного нанопористого кремния. Фотографии типичных вольт-амперных характеристик, полученных для структур, приведены на рис.4.6. и 4.7. С помощью регистрации вольт-амперных характеристик при высоких напряжениях установлено, что полученные структуры способны выдерживать обратное напряжение до 200 В. Типичные зависимости приведены на рисунках 4.6. и 4.7.
