Введение к работе
-^5Х9ЛЬН0СТЬ_тсмы. Среди технологически разработанных полупроводниковых материалов SIC выделяют большая ширина запрещенной зоны, высокие поля пробе;-:, термическая, химическая it радиационная стойкость. К настоящему времени на осноез 5IC созданы классические приборы полупроводниковой электроники: выпрямитольные диоды на p-n-структурах и барьерах Шоттки, свето- и фотодиода, полевые транзисторы, туннельные диоды, стабилитроны; ігредцришмаются попытки создания биполярных транзисторов, тиристоров, лавинно-пролетных диодов. Большинство изготовленных экспериментальных SJLC приборов содержат p-n-переход, поэтому исследование механизмов тока в p-n-структурах является актуальной задачей как для более полного понимания физики S1C р-п-структур, так и для оптимизации характеристик приборов. Выявление механизмов рекомбинации-генерации в SIC позволяет оценить возможные параметры приборов и в некоторых случаях управлять гаді. Технологические слозкности изготовления качественных р-п-структур долгое время не позволяли реализовать предельные для SIC характеристики приборов и приводили при исследовании р-п-структур к "уникальным'' результатам, плохо поддающимся систематизации и сравнительному анализу. Разработанные в 80-е г г. новые SlC-технологиіі обеспечили достаточно воспроизводимое изготовление энитаксиальных слоев и р-п-структур высокого качества, что позволило исследовать, систематизировать и связать с определенными физическими моделями их электрические свойства.
Целью_работы является исследование механизмов прямого и обратного токов, диффузионных длин и времен кйзісі носителей заряда в т'-п-структурах на основе 6Н и 4H-S1C, изготовленных различными технологическими методами.
Объектами исследования были S1C р-п-'переходы,
изготовленные методами сублимационной эпитаксии (СЭ-структуры), сублимационной эпитаксин и ионного леггровшшя СІЛ-структуры),
_ 4 -бесконтойнерной жидкостной эпитаксии (БЖЭ-структуры), низкотемпературной зкидкостной эпитаксии (НТЖЭ-структуры). Часть исследований проведена на барьерах Шоттки.
Задачи_работы:
исследование прямых и обратных. вольтамперных характеристик S1C р-п-структур в широком диапазоне токов и температур и их модельное описание;
исследование диффузионных длин и времен зкизни носителей заряда;
определение параметров основных рекомбинационных центров;
исследование инкекционной электролюминесценции р-п-структур, фотоэлектрических характеристик р-п-структур и барьеров Шоттки;
исследование влияния нейтронного облучения на вольтамперныэ характеристики р-п-структур.
Ьгзыв_нау_чные_ре зу_льтаты:
в S1C р-п-структурах обнаружены термоинжекционные токи J=JQexp(qU/pKT), J0=J*exp(-Ea/KT), характеризуемые дробными температурно-независнмыми значениями (КЗ/2, 4/3, 6/5; показано, что такие токи описываются в рамках модели, предполагающей рекомбинацию в слое объемного заряда (СОЗ) p-n-перехода через многоуровневый центр (модель - Евстропова-Царенкова (ЕЦ));
показано, что прямой ток в диапазоне плотностей 10" -Ю-" А/см2 при высоких температурах (700-800К) обусловлен рекомбинацией в ССЗ через глубокий уровень и і-ідинвается моделью Саа-Нойса-Шокли (СНШ), однако при этом, в отличие от более низких температур, р*2; определено положение рекомбішацкоішого уровня в запрещенной зоне;
в ЗІС р-п-структурах обнаружен генерационный ток СНШ;
- установлене, что ьрэмя зкизни носителей заряда,
определенное б рз\а<зх моделей ЕЦ и СНШ, растет- при увеличении
температуры, причем в СЭ- и ИЛ- структурах сильнее, чем в БЖЭ-
сіруі:тура::: при ї=200К время зжзни носителей заряда по модели
CHUI е СЪ- и »'Л-структурах примерно на порядок меньше, чем в
ЕЛЗ-стиуктурі:.;
- .с-.-.^уг.иэккья длкка неогнсі<шх посителей заряда (1ШЗ) в
квазинейтральной области p-n-структур растет до 2-3 мкм при увеличении температуры до 800К, причем более сильно в СЭ-структурах (от -О.Змкм ігри 300К), чем в БЖЭ-структурах (от Імкм при 300К);
показано, что время жизни носителей заряда как при рекомбинации в СОЗ (модель ЕЦ), так и при рекомбинации в квазинейтральной области, определяется рекомбинацией через мелкий рекомбинационный уровень (или группу уровней) глубиной Б0-200мэВ;
в нейтронно-облученных SiC p-n-структурах в диапазоне температур 77-700К и при низких температурах (77-200К) в необлученных структурах обнаружены экспоненциально зависящие от напряжения токи J=J0exp(qU/pKT) с температурно - зависимым и растущим при уменьшении температуры коэффициентом р; показано, что такие токи описываются моделью термотуннельного тока;
обнаружена краевая инжекционная электролюминесценция (ЭЛ) в 4H-S1C р-п-структурах; обнаружен рост интенсивности_ краевой ЭЛ в 6Н- и 4H-S1C БЖЭ- и 6H-SIC СЭ-р-п-структурах при увеличении температуры;
в 6Н- и 4H-SIC p-n-структурах при ориентации электрического поля параллельно гексагональной оси кристалла (ЕІ1С) обнаружен знакопеременный температурный коэффициент напряжения (ТКН) микроплазмеиного пробоя (кроме наблюдавшихся ранее только отрицательного или только положительного ТКИ).
Практическая_ценность:
систематизированы и проанализированы параметры вольтамперных характеристик (ВАХ), результаты исследования времени жизни и диффузионной длины ННЗ в р-п-структурах, изготовленных различными технологическими мвтодажі, что позволяет прогнозировать возможности той или иной технологии при создании различных приборов;
- усовершенствован метод анализа и обработки прямой ВАХ,
что важно как с методологической точки зрения, аак и с
практической точки зрения, например, для увеличения точности
определения температуры при использовании p-n-етруктур d
качестве датчиков температуры;
- предложен и защищен авторским свидетельством способ
измерения ТКН пробоя на основе измерения шумовых характеристик
микроплазменного проОоя;
- исследована чувствительность ВАХ качественных р-п-
структур к нейтронному облучению;
- исследованы электрслюминесцентные и фотоэлектрические
характеристики - основные характеристики свето- и фотодиодов.
УЭУЛ^в^толоженкя, выносимые на защиту:
I.B SiC р-л-структурах, смещенных в прямом направлении, существуют термоинжекционшв токи, характеризующиеся экспоненциальной зависимостью от напряжения на p-n-переходе и от- температуры: J=J0exp(qU/pkT),J0=--J*exp(-E /КГ), где коэффициент р не зависит от температуры и принимает одно из следующих значений: 3/2, 4/3, 6/5. Указанные токи доминируют в диапазоне теїсіератур І50-800К, плоткостай тока, по крайней мере,, 10 -10 А/см" и описываются в рамках модели, расе .атривающэи рекомбинацию в слое объемного заряда р-п-лерехода через многоуровневый центр.
2.В SiC р-п-структурах пои температурах 700-800К прямей ток в диапазоне плотностей 10 '-I0 А/см" и обратный, ток в диапазоне плотностей Ю~ь-Ю А/см~ обусловлены рекомбинацией и генерацией, в слое объемного заряда p-n-перехода через глубокий уровень.
З.В 6H-S1C р-п-структурах диффузионная длина (L) неосновных носителей заряда и время'жизни (т) носите..еі. заряда при рекомбинации в слое объемного заряда р-п-порвх.ода в интервале температур 300-800К растут с температурой и могут бкть списаны выражением t,L~exp(-E'/i;T), где энергия активации Е' для структур, изготовленных сублимацией, на 5G-I5Q мэВ больье, чом для. структур, изготовленных жидкостной опитаксией.
4.Прлмые токи в SiC р-п-структурэх при температурах ниже 20СК является термотуккельнымк, а при более высоких температурах- ть-рмозтойк'ноины:.:;:. Нейтронное облучение р-п-структур {доза t'lO1'* сг.Г"') приводит к доминированию T"pj.,.oTy:aj.tJii.!!HX тг.ісе ь дп2ла:соке тс:.й?ратур 77-Є00К.
5. Тимпэрат/ршй KO&j,r"Lu:e; г н.гілряї.гжя микрэплагмзкгаго
- 7 -пробел в 6Н или 4H-S10 р-п-структуре при . ориентации электрического поля вдоль гексагональной оси кристалла в диапазоне температур 300-700К может быть знакопеременным и изменяться в пределах (-4...+3)'Ю-4 К"1.
Апробация_работу. Материалы работы докладывались на Всесоюзном семинаре по силовым полупроводниковый приборам (Таллинн,1986,1987), Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития технологического оборудования, новых материалов и технологических процессов для повышения эффективности производства полупроводниковых приборов силовой электроники" (Белая Церковь,1985), III Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала,1986), V Всесоюзной конференции по флуктуациенным явлениям в физических системах (Паланга,1988), 176 симпозиуме Электрохимического существа (TIIA (США, Голливуд, 1989), III Международной конференции по кристаллическому и аморфному SIC и другим материалам группы IV-IV (США, Вашингтон,1990), конференциях Европейского материаловедческого общества (Франция, Страсбург,1990 и 1991), а также на научных семинарах ФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР .
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ и получено два авторских свидетельства на изобретения.
55бм_диссертации. диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения «списка литературы из 191 работы и приложения. Объем диссертации составляет %5 стр., включая 61 рис. и 2 таблицы.
