Эпитаксия твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x из газовойфазы и физические свойства гетероструктур на их основе. Курбанов, Маликаждар Курбанович

Введение к работе

Актуальность темы.

Прогресс в развитии электронной техники во многом связан с разработкой и внедрением новых полупроводниковых материалов. К перспективным полупроводниковым материалам, наиболее полно отвечающим современным требованилм. относится карбид кремния л твердые растворы на его основе. В силу удачного сочетания полупроводниковых и физико-химических свойств, приборы на основе карбида кремния обеспечивают высокую надежность и стабильность при экстремальных условиях эксплуатации

В последнее время утвердилось понимание, что в оптоэлсктронике, особенно в приборах, использутоших коротковолновую область видимого диапазона света и ультрафиолетовую область, перспективны твердые растворы карбида кремния с нитридом алюминия, благодаря тому, что при определенных составах они имеют прямозонную структуру и перекрывают интервал энергий от 3 до 6 эВ. Твердые растворы (SiC)_M( A1N\ образуются и получают во всем диапазоне концентраций х Важным свойством этих растворов является то. что в отличие от чистого A1N. они могут обладать как п -. так и р-типом проводимости. К тому же. твердые растворы (SiC)i._x(AlN)„ могут наследовать уникальные механические, химические и тепловые свойства карбида кремния. Особенно перспективны твердые растворы (SiCh._x(AJN)_x в приборах, основанных на гетеропереходах (инжекционные лазеры, евстодиоды. фотоприемники и т.д.). так как близость параметров решеток SiC и i.SiC)i._x(AlN)_x позволяет получить гетеропереходы на их основе с малым числом состояний на гетерограни-це. Таким образом, изучение процессов роста эпнтаксиальных слоев (SiC)j._x(AlN)_x и исследование свойств гетероструктур на их основе имеет важное практическое значение.

Кроме того, в связи со спецификой широкозонных твердых растворов (SiC)i._x(AlN)_x. изучение процессов их гстероэпитаксин и различных электрофизических явлений в n-SiC-p-(SiC)|._x(AlN)_v гетеропереходах представляет самостоятельный научный интерес. Эти исследования направлены на дальнейшее развитие представлений как о процессах роста широкозонных полупроводниковых твердых растворов методом сублимации, так и о механизмах протекания тока, люминесценции и т. д. в р-п-структурах на основе широкозонных полупроводников

Целью работы является совершенствование технологии выращивания гетероэпнтаксиальных слоев твердых растворов (SiC)i._x(AlN)_x на подложках SiC методом сублимации, создание на их основе диодных

структур и комплексное исследование свойств n-SiC-p-(SiC)i.,(AlN)_v - гетеропереходов.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Исследование физико-технологических условий гетероэпитаксии твер
дых растворов (SiC)_bv(AlN)_vc заданным составом на подложках SiC
Создание управляемой технологии получения эпитаксиальных
слоев (SiC)i.,(AlN)_xc заданным типом электропроводности.

3. Исследование структуры и морфологии эпитаксиальных слоев (SiC)i

<(A1N)_X, а также воздействие лазерного излучения на структурные дефекты.

1. Изучение электрических свойств гетсроструктур n-SiC/p-(SiC)i._x(AlN)_x.

2. Исследование фотолюминесценции эпитаксиальных слоев (SiC)i._x (AlN)x и электролюминесценции в H-SiC-p/(SiC)i._v(AlN)_x -гетсрострук-гурах

Научная помігша заключается в том. что впервые: 1. Показано, что сублимационное травление подложек SiC в парах Si и последующее выращивание эпитаксиальных слоев в едином непрерывном процессе с использованием в качестве источника горячепрес-сованных плотных поликристаллических твердых растворов SiC-AIN позволяет получать однородные по объему и поверхности структурно-совершенные эпитаксиальные слои (SiC)i.x_VAlN)_x

2. Определены условия воспроизводимости типа электропроводности эпитаксиальных слоев (SiC),._x(AlN)_K варьированием соотношений парциальных давлений аргона и азота в зоне роста.

3. Исследованы механизмы протекания тока в n-SiC-p-(SiC)i._x(AlN)_x -гетеропереходах (0.05<х< 0.75) при различных плотностях тока

( J =10"* ІОА/см ^:) в диапазоне температур 77К< Т< 450К. Из вольт-амперных характеристик определены основные характеристики п-р-переходов: контактная разность потенциалов, последовательное сопротивление, коэффициент неидеальности, температурный коэффициент напряжения, критическое обратное напряжение, механизм пробоя, характеристики ионизации и диффузионная длина дырок.

4. Исследованы вольт-фарадные характеристики n-SiC-p-(SiC)i._x(AlN)_x
гетеропереходов (0.05 < х < 0,75) в интервале температур 77К < Т <
450 К. Установлено, что гетеропереходы являются резкими. Опреде
лены значения напряжения емкостной отсечки, концентрации неком
пенсированных акцепторов в эпитакснальном слое (SiC)_Ux(AlN)_x р-
тнпана глубине проникновения области объемного заряда и ширину р-
п- перехода. Рассчитано значение максимального электрического поля
в р-п-гетеропереходе.

5 Установлено, что с увеличением содержания A1N в эпитаксиальном слое !SiCii_K(AINk максимумы полос фотолюминесценции смещаются в коротковолновую область. Аналогичное смешение с одновременным возрастанием интенсивности наблюдается и при лазерном облучении с длиной волны л=137 км

6. Показано, что в гетсроструктурах n-SiC/p-(SiC)i._v(AlNh при комнатных температурах наблюдается эффективная электролюминесценция. Обнаружено, что спектры свечения, как правило, состоят из двух полос. Интенсивность и положение максимума коротковолновой полосы зависит от плотности тока и состава эпитаксиального слоя. Научные положения выносимые на зашиту:

і Существование зависимости типа электропроводности эпитаксиаль-ных слоев (SiC)..„( A1NK от соотношения парциальных давлений аргона и азота в юне роста при определенном составе источника паров.

\ Образование резких переходов в гстероструктурах n-SiC/p-(SiC)i. дA1NJ,. подтверждающее их электрическими характеристиками.

2. Смещение спектров фотолюминесценции (SiC)|._v(AlNK в коротковолновую область в зависимости от концентрации х и параметров лазерного отжига (длина волны, мощность). Быстрый рост интенсивности коротковолновой полосы по сравнению с другими полосами спектра с увеличением уровня возбуждения. 3. Наличие двух полос в спектре электролюминесценции гетерострук-тур n-SiC/p-(SiC)]._x(AlN)_x. Зависимость интенсивности и положения максимума коротковолновой полосы от плотности тока через структуру и состава эпитаксиального слоя p-(SiC)i.„iAlN), Практическая ценность:

1. Усовершенствована методика выращивания гетсроэпитаксиальных слоев (SiC)i._x(AlN)» на подложках SiC методом сублимации.

2. Разработан новый способ получения поликристаллического изделия из SiC (АС N1506843 от 08.05.1989).

3. Рекомендованы технологические режимы выращивания слоев и объемных кристаллов (SiC)i._K(AlN)_x с заданным типом проводимости и составом.

4. Результаты комплексного исследования структурных, электрических и оптических характеристик n-SiC/p-(SiC), ,<(AIN)_X гетероструктур могут быть использованы для создания на их основе приборных структур.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на X Всесоюзной конференции "Конструкция и технология получения изделий из неметаллігческих материалов" (Обнинск. 1986г.), на VII Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Москва. 1988г.). на V Всесоюзной конференции по физический процессам в полупроводниковых ге-

тероструктурах (Калуга. 1990г.). на Международной конференции по аморфному и кристаллическому карбиду кремния (США. Санта-Клара, 1991г.). на IX - теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992г.), на IV Всероссийском совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала, 1993г.), Всероссийской научно-технической конференции "Состоя!.*; и перспективы термоэлектрического приборостроения" (Махачкала, 1995 г.), на II Мс;кдународнон конференции по высокотемпературной электронике (США, Ал4,букерк, 1996г.), на Международном семинаре "Полупроводниковый карбид кремния и приборы на его основе" (Новгород, 1996 г.), на Международном семинаре " Карбид кремния и родственные материалы " (Новгород. 1997 г.), на Международной конференции по карбиду кремния, нитридам III группы и родственным материалам (ICSC III - №97. Швеция, Стокгольм. 1997 г.), на II Европейской конференции по высокотемпературной электронике (Англия, Манчестер. 1997 г.). на IV Международной конференции по высокотемпературной электронике (США, Альбукерк, 1998г.). Они докладывались также на итоговых¹ научных конференциях Даггосуниверситета (1988-1998 гг.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации 132 страниц, включая 2 таблицы и 71 рисунков. Библиография содержит 112 наименований.