Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Широкозонные полупроводники, такие, как карбид кремния (SiC) и соединения A5N (A1N, GaN, InN), по своим физическим свойствам могут служить материалами для коротковолновой оптоэлектроники (синей, фиолетовой и ультрафиолетовой областей спектра), высокочастотной электроники и высокотемпературной электроники. Фундаментальные физические параметры этих материалов (в первую очередь - ширина запрещенной зоны) определяют потенциально возможные характеристики приборов,, недостижимые на полупроводниках, используемых в полупроводниковом производстве сегодня (германий, кремний, арсенид галлия). Реальное использование указанных широкозонных материалов в приборостроении определяется уровнем развития технологии р-п-структур и понимания физических процессов в них. Настоящая работа, начатая в 1983 году, была направлена на изучение свойств многослойных эпитаксиальных р-п-структур широкозонных полупроводников (SiC, SiC-AIN, 6aN, AlGaN) и исследование физических процессов в этих структурах.
Карбидкремниевые р-п-переходы, по своим характеристикам отвечающие классическим представлениям физики полупроводников, были созданы в начале 80-х годов с использованием сублимационной эпитаксии и ионной имплантации |1*,2*]. Было известно, что SiC р-п-структуры могут работать при высоких температурах. Были изготовлены макеты , некоторых SiC приборов: диодов, полевых транзисторов, светодиодов {3*-5*]. Однако вопрос о разработке технологии многослойных р-п-структур SiC, позволяющей изготавливать структуры с несколькими р-п-переходами в одном эпитаксиальном процессе, управлять в широких пределах параметрами отдельных слоев (толщиной, легированием) и р-п-переходов, оставался открытым. Трудности технологии и недостаточные знания характеристик и физических процессов в приборных структурах ставили под сомнение возможность развития карбидкремниевой электроники.
Для соединений A3N технологические трудности также препятствовали использованию этих материалов ч приборостроении. Было известно, что GaN обладает широкой запрещенной зоной (Eg -3,4 эВ, 300. К), является прямозоиным полупроводником* может образовывать непрерывный ряд твердых растворов GaN-AIN и 3aN-InN, позволяющих, в принципе, изменять ширину запрещенной зоны от 1,9 эВ до 5,2 эВ. Приборы на основе GaN, излучающие в синей области спектра и обладающие зтиосителыю высокой эффективностью излучения, были получены еще в 70-х годах. Эднако, отсутствие подложки для гомоэпитаксни (способ выращивания объемных кристаллов GaN не разработан) требовало развития методов гетёроэпитаксии. Материал с )лектропроводностью р-типа выращивать не умели. Первая проблема была решена в ;ереднне 80-х годов [6*] путем разработки эпитаксии GaN на сапфиропых подложках с
использованием буферных слов A1N. Путе решения второй проблемы был открыт в конце 80-х годов при обработке GaN, легированного Mg, электронным пучком низких энергий [6*]. К началу выполнения этой части диссертационной работы (1991 г.) p-n-переходы на GaN были получены двумя научньїми группами в Японии (см. обзор [7*]). Однако характеристики этих р-п-переходов и физические процессы в них не были изучены. Следует подчеркнуть, что первые GaN p-n-переходы были получены на подложках сапфира, являющегося изолятором. В этом случае возможно изготовление приборов только с пленарной геометрией, в которой электроды расположены на одной стороне приборной структуры. Технология изготовления р-п-структур на проводящих подложках, необходимая для изготовления полупроводниковых приборов с вертикальной геометрией, отсутствовала. Известные результаты по эпитаксни соединений A3N на проводящих подложках, в частности SiC [8*,9*], свидетельствовали о низком качестве получаемых слоев. Механизмы кристаллизации изучены не были.
Таким образом, существовала проблема разработки технологических методов изготовления многослойных лпитаксиальных р-п-структур широкозонных полупроводников и изучения физических свойств таких р-п-структур.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Цель работы заключалась в изучении физических свойств эпитаксиальных многослойных р-п-структур карбида кремния и соединений A3N (в первую очередь GaN и AlGaN) и в выяснении возможности создания на их основе полупроводниковых приборов, в которых были бы реализованы уникальные свойства широкозонных материалов: в первую очередь приборов, излучающих в коротковолновой области видимого спектра, и приборов, работающих при высоких температурах.
Задачі работы состояли в следующем:
разработать технологические методы выращивания многослойных р-п-структур;
изучить свойства слоев и физические процессы в выращенных р-п-структурах;
изготовить прототипы приборов на основе выращенных структур и изучить их характеристики.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Разработан новый технологический процесс - бесконтейнерная жидкостная эпитаксия (БЖЭ) слоев и р-п-структур SiC; изучены закономерности роста, легирования и дефектообразования карбида кремния при БЖЭ. Показана возможность выращивания SiC структур с несколькими р-п переходами в одном эпитаксиальном процессе, в частности, выращены первые p-n-p-n-струхтуры на карбиде кремния.
)к Приборами с вертикальной геометрией будем называть приборы, в которых электроды расположены из іір>'ішчпіо:к>*нич сторонах приборной структуры, что предполагает протекание тока через подножку.
Исследованы физические свойства слоев и p-n-структур 4H-SiC и 6H-SiC, выращенных методом БЖЭ. Изучены механизмы протекания тока и электролюминесценции (ЭЛ) в этих р-п-переходах. В спектрах ЭЛ 4H-SiC р-п-переходов впервые зарегистрированы полосы излучения, связанные с рекомбинацией на донорно-акцепторных парах алюминий-азот и с экситоннон люминесценцией, исследование которых привело к изготовлению первых фиолетовых светодиодов.
Предложено- использовать легированные слои кубического карбида кремния (3C-SiC) в качестве приконтактных областей для 6H-SiC структур. Разработана технология газотранспортной эпитаксии легированных слоев ЗС-SiC на подложках 6H-SiC. Показано, что использование изотипных гетеропереходов 3C-SiC/6H-SiC дает возможность изготовить низкоомные контакты к 6H-SiC п- и р-типов проводимости.
Разработаны технологии выращивания твердых растворов SiC-AIN методами жидкостной и газотранспортной эпитаксии. Изучены свойства полученных твердых растворов. Показано, что газотранспортной эпитаксией могут быть выращены монокристаллические слои твердых растворов SiC-AIN во всем диапазоне составов. Методом БЖЭ выращены р^-п-переходы в твердых растворах SiC-AIN.
Разработана технология газотранспортной эпитаксии SiC на нитриде алюминия. Изучена политипная структура слоев карбида кремния, выращенных на слоях A1N, предварительно осажденных на подложки кремния и карбида кремния.
Разработана технология газотранспортной эпитаксии A1N, GaN и AlGaN на подложках бИ-SiC. Исследованы физические свойства выращенных слоев. Выращены первые GaN p-n-структуры на подложках SiC. Изучены механизмы протекания тока в GaN р-п-переходах. Определены некоторые фундаментальные параметры GaN р-п-переходов: напряженность поля лавинного пробоя, температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя.
Показана, возможность получения р-п-переходов в твердых растворах AlGaN. Выращены p-n-структуры с гомо- и гетеропереходами AlGaN. Изучена зависимость краевой ЭЛ таких р-п-переходов г.т состава твердого раствора.
Выращены первые двойные гетероструктуры AIGaN/GaN на проводящих подложках (4H-SiC и 6H-SiC), что сдел&чо возможным изготоаіенне приборов с вертикальной геометрией на основе соединений A3N.
Изготовлены прототипы некоторых типов полупроводниковых приборов оптоэлектроники, высокотемпературной и высокочастотной электроники.
На зашиту вынос]
ННЯ:
Положения о бесконтейнерной жидкостной эпитаксии
Разработан процесс жидкостной эпитаксии из раствора-расплава, находящегося во взвешенном состоянии в высокочастотном электромагнитном поле. Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что в условиях БЖЭ справедливо следующее:
Положение 1. Рост карбида кремния из Si-C раствора-расплава может быть осуществлен как при постоянной во времени температуре подложки (рост в градиенте температуры), так и в иеизотермичсских условиях (рост с принудительным охлаждением раствора-расплава).
Положение 2. При эпитаксии SiC из Si-C раствора-расплава в поле температурного градиента в диапазоне температур подложки 1450 - 1700 С лимитирующей стадией роста являются кинетические процессы на поверхности карбида кремния.
Положение 3. Скоростью роста SiC из Si-C раствора-расплава можно управлять в широких пределах: от -0,02 до -3 мкм/мин. В силу кинетического характера лимитирующей стадии роста скорость роста при бесконтейнерной жидкостной эпитаксии выше, чем для обычных "контейнерных" методов жидкостной эпитаксии SiC (при одинаковой температуре подложки).
Положение 4. Примеси могут быть введены и выведены из раствора-расплава во время эпитаксиального роста, что обеспечивает выращивание многослойных структур SiC с одним или несколькими р-п-переходами" в едином эпитаксиальном процессе. Концентрация Nj - Na для слоев п-типа, легированных азотом, может контролироваться как минимум в пределах 1015 - 1020 см"3, а концентрация Na - Nj в слоях р-типа, легированных алюминием, - в пределах 1017 - 1020 см"3.
Положение 5. Эпитаксиапьные слои и p-n-переходы твердых растворов SiC-AIN могут быть выращены жидкостной эпитаксией. Слои являются монокристаллическими при концентрации A1N менее 10 мол.%. Содержание A1N в твердой фазе в пределах 0 - 10 мол.% пропорционально концентрации алюминия в растворе-расплаве (при фиксированном давлении азота в реакторе). Типом проводимости твердых растворов можно управлять, изменяя соотношение концентраций алюминия и азота в жидкой фазе. Увеличение концентрации алюминия приводит к росту слоев р-типа, а увеличение концентрации азота - к росту слоев п-типа.
Положення о свойствах SIC p-n-структур, выращенных бесконтейнерной жидкостной эпитаксней
Разработка метода БЖЭ предоставила возможность вырастить SiC р-п-структуры различных типов. Результаты проведенных исследований позволяют утверждать следующее:
Положение 6. В р-п-переходах 6H-SiC, выращенных БЖЭ, при напряжении V < Eg/q прямой объемный ток может быть описан теорией Шокли-Нонса-Саа (т.е. рекомбинацией носителей в слое объемного заряда р-п-перехода через глубокий уровень, расположенный вблизи середины запрещенной зоны) или теорией Евстропова-Царенкова (т.е. рекомбинацией носителей в слое объемного заряда p-n-перехода через многоуровневый центр, имеющий, в общем случае, мелкие и глубокие уровни).
Напряженность поля электрического пробоя в выращенных 6H-SiC р-п-структурах при ориентации плоскости p-n-перехода параллельно плоскости (0001), в зависимости от концентрации примеси в базовой области, лежит в пределах 2 - 5 МВ/см, что соответствует значениям напряженности поля однородного лавинного пробоя в 6H-SiC.
Положение 7- Рекомбинационное излучение р-п-перехода (300 К), выращенного БЖЭ при легировании азотом и алюминием, в общем случае состоит из трех основных полос: краевой полосы (для бН-SiC ^^ -425 нм, для 4H-SiC Xmax -398 им); полосы, связанной с рекомбинацией на донорно-акнепторных парах A1-N (для 6H-SiC Xmax -470 нм, 4Н А,,,,,, -423 нм) и, так называемой, "дефектной" полосы (для 6H-SiC Хщад -530 нм, 4Н Х^^ -490 нм). Управление режимами БЖЭ позволяет выращивать р-п-структуры, в спектрах электролюминесценции которых присутствует только одна из перечисленных полос.
Положение 8. Могут быть выращены тиристорные SiC p-n-p-n-структуры. Процессы переключения карбидкремниевых р-п-р-п-структур могут быть описаны в рамках классической модели, разработанной для кремниевых тиристоров.
Положения о газотранспортной эпнтаксни SiC
Разработаны варианты газотранспортной эпитаксии карбида кремния. Результаты проведенных исследований по газотранспортной эпитаксии позволяют утверждать следующее:
Положение 9. Монокристаллическне слои кубического SiC толщиной более 1 мкм могут быть выращены на подложках кремния при температурах менее 1200" С бет
использования буферного слоя. Лимитирующей стадией роста ЗС-SiC на кремнии при исследованных режимах эпитаксии является массоверенос газов-реагентов.
Положение 10. Монокристаллические слои кубического SiC могут быть выращены на подложках 6H-SiC при температуре менее 1200 С. Существует критическая толщина слоя ЗС-SiC, при превышении которой слои становятся поликристаллическнми. Факторами, влияющими на значение критической толщины, являются температура подложки и отношение концентраций атомов Si и С в газовой фазе. При температуре подложки 1150 С и Соотношении Si/C - 1 критическая толщина составляет -0,2 мкм.
Положение 11. Монокристаллические спои SiC могут быть выращены на нитриде алюминия методом газотранспортной эпитаксии. При осаждении SiC на слои A1N, предварительно выращенные на подложках кремния или карбида кремния, политоп слоя SiC зависит от материала исходной подложки, на которую нанесен слой A1N. В случае исходной кремниевой подложки слой SiC имеет политип ЗС, а в случае исходной подложки 6H-SiC слой карбида кремния, осажденный на A1N, имеет политип 6Н.
Положения о газотранспортной эпитаксии соединений A3N на подложках SiC
Разработаны методы газотранспортной эпитаксии соединений A3N на подложках карбида кремния. Результаты проведенных исследований позволяют утверждать следующее:
Положение 12. Лимитирующими стадиями роста A1N на подложках SiC при исследованных режимах эпитаксии являются:
а) массоперенос металлоорганического соединения (триметилалюмииия) - при
температурах подложки 500 - 1200 С;
б) кинетика поверхностных реакций - при температурах подложки 300 - 450 С.
Положение 13. Могут быть выращены монокристаллические слои твердых растворов
SiC-AIN, при этом может быть перекрыт весь диапазон составов твердых растворов.
Положение 14. На подложках 6H-SiC могут быть выращены слои GaN с
характеристиками, сравнимыми или превосходящими характеристики
і стероэпитаксиальных слоев GaN, выращенных на других подложках.
Положения о свойствах слоев и р-п-переходов соединений A3N, выращенных на подложках SiC газотранспортной эпитаксией
Результаты исследований свойств слоев и р-п-переходов соединений A3N, выращенных на карбиде кремния, позволяют утверждать следующее:
Положение 15. При оптической накачке в слоях GaN, выращенных на карбиде кремния, возникает стимулированное излучение. Пороговая плотность мощности возбуждающего излучения составляет ~1 МВт/см2 (300 К). Стимулированное излучение зарегистрировано при температурах до 450 С.
Положение 16. Выращенные GaN p-n-переходы характеризуются линейным распределением примеси. Величина градиента примеси (а) находится в пределах 2ХІ022 - 2x10*3 см-4. Напряжение отсечки вольт-фарадных характеристик лежит в диапазоне 2.2 - 2,6 В (300 К).
Положение 17. Механизм прямого объемного тока в изготовленных GaN р-п-переходах при напряжении V < Eg/q в диапазоне температур 450 - 600 К может быть описан теорией Шокли-Нойса-Сад.
Положение 18. Напряженность электрического поля лавинного пробоя в GaN р-п-переходах - не менее 1,5 МВ/см при а = 2x1022 см-4 и не менее 3 МВ/см при а = 2ХІ023 см"4. Температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя в GaN положителен и составляет ~1<У* К"1.
Положение 19. Могут быть сформированы p-n-переходы в твердых растворах AlGaN. Энергетическое положение краевого пика электролюминесценции в AlGaN р-п-переходах определяется концентрационной зависимостью ширины запрещенной зоны излучающей области.
ПРИОРИТЕТ РЕЗУЛЬТАТОВ. Разработка и изучение свойств р-п-структур, выращенных БЖЭ, имеет мировой приоритет. Также мировой приоритет имеют результаты разработки технологии выращивания и изучения свойств р-п-структур нитридов А3В5 на проводящих подложках (SiC). Разработка технологии и изготовление прототипов фиолетовых светодиодов, высокотемпературных синих светодиодов, карбидкремниевых р-п-р-п-структур и нормально закрытых полевых транзисторов с р-п-затвором имеют мировой приоритет; разработка высокотемпературных полевых и биполярных SiC транзисторов, ультрафиолетовых иижекционных излучающих диодов имеет отечественный приоритет.
ДОКЛАДЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Автор докладывал материалы диссертационной работы на следующих конференциях и совещаниях: 6-й и 7-й Всесоюзных конференциях по процессам роста и синтеза полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск, 1982 г., 1986 г.); 6-й и 7-й Всесоюзных конференциях по росту кристаллов (Цахкадзор, 1985 г., Москва, 1988 г.); III Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала, 1986 г.); I Всесоюзной конференции но физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989 г.); 176-м Симпозиуме
Электрохимического Общества (Холливуд, 1989 г.); 3-й, 4-й, 5-й и 6-й Международных конференциях по карбиду кремния (Вашингтон, 1990 г., Сайта Клара, 1991 г., Вашингтон, 1993 г.,- Киото, 1995 г.); 1-й Международной конференции по высокотемпературной электронике (Альбукерки, 1991 г.); Международном симпозиуме по исследованиям полупроводников (Шарлотсвиль, 1991 г.); совещаниях по широкозонным нитридам (Сант-Луис, 1992 г., 1994 г.); 7-м Симпозиуме по полупроводникам в Триесте (Триест, 1992 г.); 34-й и 36-й Конференциях по материалам электроники (Бостон, 1992 г., Болдер, 1994 г.); 10-й и 11-й Международных конференциях по росту кристаллов (Сан-Франциско, 1992 г., Гаага, 1995 г.); Совещании по карбидкремниевым приборам и материалам (Вашингтон, 1992 г.); Встрече Общества Исследования Материалов (Бостон, 1995 г.).
Результаты исследований были доложены автором и обсуждены на семинарах в Howard University, Вашингтон, 1989 г.; Brookhaven National Laboratory, Брукхевен, 1990 г.; МІГ, Бостон, 1990 г.; State University of New York at Stony Brook, Стони Брук,
1990 г.; Erlangen. University, Эрлаяген, 1990 г.; Naval Research Laboratory, Вашингтон,
1991 г.; Westinghouse Science and Technology Center Interdepartment Colloquium,
Питсбург, 1991 г.; Linkoping University, Лннчешшг, 1992 г.; Colloquium at Texas
Instruments Incorporated, Даллас, 1992 г.; Hewlett-Packard, Сан-Хосе, 1992 г.; National
Materials Advisory Board, Национальная Академия Наук США, Вашингтон, 1994 г.,
а также на семинарах в ФТИ им. А.Ф. Иоффе.
Результаты работы, представленные в диссертации, опубликованы в 47 статьях.
