Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие современной энергетики и космической техники требует создания полупроводниковых приборов способных работать при повышенных температурах и высоких уровнях ионизирующего излучения. Эдним из полупроводниковых материалов, на основе которого можно получать подобные приборы, является карбид кремния.
Значительные потенциальные возможности карбида кремния высокие химическая, термическая, радиационная стойкости, а также возможность получения на этом материале светодиодов на весь видимый спектральный диапазон - стимулировали большое число исследований, посвященных SiC, в 50-60ые годы. Кроме того, словосочетание "карбид кремния" обозначает, по сути дела, целый класс полупроводниковых соединений т.к. SiC обладает возможностью кристаллизоваться в различных модификациях - политипах. Политипы SiC при одинаковом химическом составе могут значительно отличаться по своим электрофизическим свойствам, например, величины запрещенных зон находятся в диапазоне от 2.4 эВ (ЗС SiC) до 3.3 эВ (2Н SiC). Все это делает карбид кремния перспективным материалом и с точки зрения создания различных типов ретероструктур.
Однако при изготовлении приборных структур термостабильность оборачивалась высокими температурами роста, сложностями при выборе реактора, а химическая стойкость - проблемами при формировании меза-структур и обработке поверхности полупроводника.
Развитие новых технологий позволило к концу 80х годов в значительной степени преодолеть эти трудности . На основе SiC был создан ряд полупроводниковых приборов, в том числе светодиоды, излучающие в синей и фиолетовой областях спектра. Благодаря большой ширине запрещенной зоны SiC эти приборы могли использоваться при высоких температурах и в других экстремальных условиях.
Известно, что глубокие центры (ГЦ) определяют многие важнейшие параметры полупроводниковых приборов. ГЦ в объеме полупроводника оказывают влияние на время жизни и диффузионную длину неосновных носителей заряда, к.пд. светодиодов и фотоприемников, коэффициент усиления транзисторов, на величину и температурный коэффициент напряжения пробоя р-п-структур. Поскольку в настоящее время заранее невозможно теоретически предсказать значения основных параметров
примесных и дефектных центров в новом полупроводниковом материале, то главным источником информации о ГЦ являются экспериментальные методы, в том числе емкостная спектроскопия.
Известно также, что добавление некоторых примесей при сублимационном росте SiC приводит к гетероэпитаксии пленок ЗС и 4Н на основе подложек 6Н. Таким образом, исследование параметров и свойств ГЦ образующихся при легировании SiC данными примесями может дать дополнительную информацию позволяющую понять природу политипизма карбида кремния.
Очевидно, что для дальнейшего развития технологии SiC и создания новых приборов, с одной стороны, необходимо исследовать параметры ГЦ в эпитаксиальных слоях и р-п- переходах, полученных по различным технологиям. С другой стороны, исследование параметров уже созданных приборов может дать дополнительную информацию о свойствах имеющихся в них ГЦ. Кроме того, различные методы выращивания эпитаксиальных слоев и создания р-п-структур приводят к образованию различных ГЦ в объеме полупроводника и на его поверхности, которые, в свою очередь, оказывают влияние на характеристики создаваемых приборов. Таким образом, через исследования параметров и распределений ГЦ можно определить оптимальную комбинацию технологических методов для создания данного типа прибора с лучшим сочетанием рабочих характеристик.
К началу настоящей работы (1983 г) на основе SiC существовали только отдельные приборы, имеющие, как правило, неудовлетворительные рабочие характеристики, многие типы приборов еще не были разработаны. Не были также известны параметры глубоких центров, определяющих процессы излучательной и безызлучательной рекомбинации в 6Н и 4Н . Для исследований параметров ГЦ в SiC не применялся весьма информативный метод нестационарной емкостной спектроскопии (DLTS).
При выполнении данной работы исследования велись по двум основным направлениям - исследование параметров и свойств глубоких центров в SiC и разработка новых приборов на основе этого материала. Так, с одной стороны, исследования ГЦ в SiC проводились в диодах Шоттки и р-п- структурах,созданных по уже отработанным технологиям, с другой стороны, результаты исследования ГЦ позволяли объяснить и оптимизировать параметры полученных приборов и в некоторых случаях ГЦ
с уже известными параметрами и профилями распределения использовались цля оценки неизвестных характеристик приборной структуры.
Цель работы. Исследование свойств глубоких центров в эпитаксиальиых :лоях карбида кремния и изучение влияния обнаруженных ГЦ на параметры сформированных на основе данных слоев полупроводниковых [іриборов.
Объект исследования.
Эбъектом исследования служили эпитаксиальные слои 6Н и 4Н SiC п- и р-гипа проводимости, полученные различными технологическими методами ; )-п-структуры, диоды Шоттки и полевые транзисторы, сформированные на юнове данных слоев.
Іадачн работы.
Определение параметров, концентраций и профилей распределения *Ц в эпитаксиальиых слоях и р-п-структурах на основе 6Н и 4Н SiC, юлученных по различным технологиям.
Исследование влияния обнаруженных ГЦ на процессы излучательной і безызлучательной рекомбинации в SiC и приборах на его основе.
Разработка новых измерительных методик, расширяющих озможности нестационарной емкостной спектроскопии (DLTS), рименительно к SiC.
Сравнительное исследование свойств р-п-структур, сформированых а основе 6Н и 4Н SiC для разработки высокотемпературных диодных груктур и 6Н SiC полевых транзисторов с затвором Шоттки (MESFET).
[аучпая новизна.
Впервые метод нестационарной емкостной спектроскопии (DLTS)
рименен для исследования карбида кремния. Показано, что
энаруженные в 6Н SiC глубокие акцепторные центры D-центр (Ev + 58эВ), і центр (Ev + 0.52 эВ) и L- центр (Ev +0,24 эВ) имеют аналога в эугих политипах SiC ( в 4Н SiC D-центр (Ev + 0.52эВ); і центр ( Ev + 5эВ), L- центр (Ev +0,28 эВ)), которые являются активаторами одних и тех
же процессов излучательноіі рекомбинации: D-центр - "борной" а і центр -"дефектной " электролюминесценции.
Показано, что S (Ее -0.35 эВ) и R(Ec - 1.27 эВ) центры могут быть основными рекомбинационными центрами в 6Н SiC.
Развита теория анализа DLTS спектров ГЦ, перезаряжающихся пру инжекции неосновных носителей заряда.
Для случая излучательной рекомбинации : нейтральный акцептор зона проводимости и донорно-акцепторной рекомбинации ( глубоки? акцептор-мелкий донор) получены выражения, описывающие зависимості интенсивности электролюминесценции (ЗЛ) от плотности прямого тока I температуры, а также температурную зависимость времени послесвеченю ЭЛ, исходя из параметров ГЦ и концентрации инжектированных носителе? заряда. Дано качественное и количественное описание ране< наблюдавшемуся смещению максимума электролюминесценции 4Н и 61-SiC р-п- структур в коротковолновую область с увеличением плотності прямого тока.
Разработана теоретическая модель, позволяющая объяснит) отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя 6H-SiC p-i структур перезарядкой глубоких акцепторных уровней предпробойнь» током.
Показано, что электростатические параметры SiC р-п- структуї сформированных БЖЭ и СЭ, и их температурные зависимості соответствуют теории Шокли для резкого асимметричного р-п-перехода.
Впервые проведено исследование электрофизических свойст гетерополитипных р-п - структур p-3C-SiC/n-6H-SiC, полученны; сублимационной эпитаксией.
Было показано.что изменение соотношения C/Si при рост эпитаксиальных слоев SiC методом газофазовой эпитаксии, оказывае влияние на концентрацию образующихся фоновых глубоких акцепторны уровней.
Практическая ценность работы.
Разработана технология MESFET полевого транзистор; работоспособного до температур 300 С.
На основе 6Н SiC разработаны корпуснрованные диоды на напряжение пробоя 800 В (до 1500 В в некорпусированном варианте) и прямой ток 0,5 - 1 А, работоспособные до температур > 500 С.
На основе DLTS разработаны и защищены авторскими свидетельствами методы измерения диффузионной длины, коэффициента инжекции и концентрации инжектированных носителей в базовой области р-п-перехода.
Показано, что увеличение сопротивления базовых областей р-п-перехода может привести к искажению, исчезновению и перемене знака наблюдаемого DLTS сигнала.
Было обнаружено что перекомпенсацня наиболее слаболегированных слоев SiC п-типа проводимости, получаемых методом сублимационной эпитаксии, обусловлена фоновыми ГЦ акцепторной природы. Это позволило оптимизировать технологические условия роста, снизить концентрацию данных центров и получить эпнтаксиальные слои со значением Nd-Na~ 1 1015см3.
Апробация работы.
Материалы работы были представлены на 30 национальных и
международных конференциях: " Отраслевом научно-техническом семинаре
по быстродействующим полупроводниковым приборам" (Таллинн 1985 и
1987 гг); "Отраслевом семинаре по перспективам развития технологии
силовых полупроводниковых приборов" (г.Белая Церковь, 1985 г.); на Зем
Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных
полупроводников" (Махачкала, 1986); на 176ом Симпозиуме
электрохимического общества США (Голливуд, США, 1989); На Зен, 50Н,
6 и 7 Международных конференциях по кристаллическому и
аморфному SiC (Вашингтон, США, 1990 и 1993 гг, Киото, Япония, 1995г., Стокгольм, Швеция, 1997); на конференциях Европейского материаловедческого общества ( Страсбург, Франция, 1990, 1991, 1994, 1996
гг.); на 12ой конференции Европейского физического общества (Прага, Чехия, 1992 ); на 1ой национальной конференции "Дефекты в полупроводниках" (С.Петербург, 1992); на 4ой Европейской конференции по алмазу и алмазоподобным полупроводникам (Альбуфейра, Португалия, 1993); на 40М Международном симпозиуме по исследованию и новым
применениям тонких пленок ( Дрезден, Германия, 1994); на 20Н и 3
конференции по высокотемпературной электронике (Шарлотта, США, 1994,
Альбукерка, США, 1996); на 7ой конференции по силовым
полупроводниковым приборам (Йокогама, Япония, 1995); на
Международном семинаре по исследованию карбида кремния и приборов на
его основе ( Новгород, Россия, 1995 и 1997 ); на 3ЕМ Симпоузиме по
развитию технологий и исследованию свойств компаундных
полупроводниковых материалов (Фрайбург, Германия , 1996); 3 Международном семинаре по исследованию алмазоподобных пленок (&Перербург, Россия, 1996),на первой Европейской конференции по карбиду кремния (Крит, Греция, 1996), на 23 Международном симпозиуме по GaAs и сопутствующим материалам (^Петербург, Россия, 1996), на Международном семинаре по фундаментальным аспектам применения сверхтонких диэлектриков (СтПетербург.Россия, 1997), на 19 Международной конференции "Дефекты в полупроводниках" (Авейро, Португалия 1997), на конференции Инженерного общества США по материалам высокотемпературной электроники и сенсорам (Сан-Диего, США, 1998), на Симпозиуме: " Исследование карбида кремния и приборов на его основе в России" (Вашингтон, США, 1998).
А также на семинарах: Мюнхенского технического университета и Университета Нюренберг-Эрланген (ФРГ, 1992), университета в г.Авейро (Португалия, 1993-1995), Центральной школы электроники (Лион, Франция, 1994-1996) .Университета г.Гераклион (Крит, Греция, 1996), Университета г. Болония (Болония, Италия, 1997) и Технологического института штата Джорджия (Атланта, США, 1998), Государственного СтПетербургского университета и ФТИ им. Иоффе.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 70 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы из520работ. Объем диссертации составляет 2о$ страницу, включая МДрисунков и -// таблиц.
Научные положения выносимые на защиту.
-
В эпитаксиальных слоях SiC п-типа проводимости всегда существуют фоновые глубокие центры акцепторной природы, общая концентрация которых сильно зависит от использовавшейся технологии роста. Параметры и свойства отдельных центров близки в различных политипах SiC , а концентрации, при прочих равных условиях, снижаются с увеличением степени гексагональности политипа.
-
В SiC существуют перезаряжающиеся при инжекции неосновных носителей заряда глубокие центры. Наличие таких центров в базовой области полупроводниковой р-п-структуры позволяет с помощью DLTS проводить измерения коэффициента инжекции р-п - перехода, концентрации и диффузионной длины инжектированных неосновных носителей заряда, равновесную концентрацию электронов в базовой области, величины обоих сечений захвата носителей на центр, а также профили распределения данных центров.
-
Методом сублимационной эпитаксии в открытой ростовой системе и бесконтейнерной жидкостной эпитаксии возможно создание резких асимметричных SiC р-п-структур. Вблизи металлургической границы данных р-п- переходов отсутствует образование какой-либо дефектной переходной области протяженностью более О.ОГмкм.Электростатические параметры данных р-п- структур в диапазоне температур 290-900 К соответствуют классическим представлениям физики полупроводников, что показывает возможность создания на их основе различных типов полупроводниковых приборов.
-
Увеличение концентрации глубоких акцепторных уровней на расстояниях > 1 мкм от металлургической границы р-п-перехода возможно при создании SiC р+-п-структур методом легирования ионами алюминия, диффузии бора и сублимацией в открытой ростовой системе. Наличие таких центров приводит к частичной компенсации базовой области, образованию встроенного электрического поля, увеличению объемного напряжения пробоя и к появлению отрицательного температурного коэффициента напряжения пробоя.
-
Для различных моделей излучательной рекомбинации получены выражения, связывающие характеристики электролюминесценции с параметрами участвующих в рекомбинации глубоких центров. Проведенный на основе полученных результатов анализ
экспериментальных данных показал, что высокотемпературная борная электролюминесценция в SiC обусловлена излучательным переходом электрона из зоны проводимости на нейтральный акцептор (D-центр).
6. Основными центрами безызлучательной рекомбинации в эпитаксиальных
слоях 6Н -SiC, полученных бесконтейнерной жидкостной эпитаксией и
сублимационной эпитаксией в открытой ростовой системе, являются S
(Ес-0.35 эВ) и R(Ec- 1.27 эВ) центры.
7. На основе 6H-SiC п+ - р+ - п-структур, полученных сублимационной
эпитаксией в открытой ростовой системе, созданы полевые транзисторы с
затвором в виде диода Шоттки работоспособные до температур 700 К:
MESFET, нормально закрытый MESFET, комбинированный MESFET-
JFET.
