Введение к работе
Актуальность темы
Стремительное развитие современной электроники, атомной промышленности, ядерной энергетики, военной и космической техники предъявляет высокие требования к свойствам электронных приборов и устройств, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации - при повышенных температурах, уровне радиации, а также в химически агрессивных средах. Приборы на основе традиционных полупроводниковых материалов (Si, Ge, GaAs и т.д.) не способны удовлетворить комплексу всех этих требований. В связи с чем, интерес исследователей и технологов все больше привлекает перспективный широкозонный материал - карбид кремния (SiC) и устройства на его основе.
Благодаря уникальным свойствам карбида кремния приборы на его основе имеют ряд преимуществ перед традиционными кремниевыми и арсенид-галлиевыми аналогами. Во-первых, это увеличение температурного диапазона эксплуатации SiC приборов (теоретически до 1000 С). Во-вторых, это значительное снижение сопротивления в открытом состоянии и, следовательно, увеличение удельной мощности прибора. В третьих, высокая теплопроводность карбида кремния (на уровне меди при комнатной температуре) в сочетании с меньшим сопротивлением в открытом состоянии и большей плотностью тока позволяют использовать меньшие по размерам кристаллы, что делает SiC приборы, особенно диоды и транзисторы на основе р-п-перехода, перспективными для силовой и экстремальной электроники.
Наиболее важными технологическими операциями при изготовлении карбидокремниевых приборов являются процессы формирования р-п-переходов и низкоомных омических контактов. Чрезвычайно высокие температуры (более 2000 С) сильно затрудняют технологический процесс создания р-п-перехода на SiC методом диффузии. Метод CVD, часто используемый для формирования р-п-перехода на основе SiC, предъявляет высокие требования к чистоте теплоизоляции, газам-носителям, материалу держателей подложки, что значительно увеличивает стоимость готовой продукции. В этой связи особое значение имеют работы по созданию карбидокремниевых приборов на основе р-п-перехода методом ионной имплантации, который позволяет прецизионно управлять концентрацией вводимой примеси и обладает локальностью воздействия.
К началу данной работы практически отсутствовали сведения о влиянии режимов ионной имплантации на свойства и характеристики создаваемых SiC диодных структур. Отсутствовали теоретические модели, позволяющие объяснить и прогнозировать свойства приборов на основе карбида кремния, получаемых методом ионной имплантации. Несмотря на большой объем работ, посвященных исследованию омических контактов к карбиду кремния, в литературных источниках недостаточно сведений по исследованию температурной стабильности омических контактов на основе тугоплавких материалов, а также практически отсутствует сравнительная характеристика
параметров контактов к карбиду кремния на основе разных материалов, сформированных при одинаковых условиях.
Настоящая работа направлена на решение этих важных задач.
Целью диссертационной работы является разработка технологических основ формирования диодных ионно-легированных структур на основе карбида кремния и исследование влияния технологических режимов на величину удельного переходного сопротивления омических контактов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
определялись оптимальные режимы ионной имплантации для формирования диодных ионно-легированных структур по значению напряжения пробоя;
- исследовалось влияние режимов ионной имплантации на свойства и
характеристики диодных ионно-легированных структур;
проводилось исследование влияния технологических режимов формирования на величину удельного переходного сопротивления омических контактов к n-6H-SiC, а также исследование температурной стабильности контактов;
- разрабатывалась физико-топологическая модель диодных ионно-
легированных структур на основе карбида кремния, позволяющая качественно
описывать вольт-амперные характеристики диодных ионно-легированных
структур.
Объекты исследований
Объектами исследований диссертационной работы являлись монокристаллические образцы карбида кремния политипа 6Н, легированные азотом в процессе роста, омические контакты к ним на основе пленок Ni, Ni/Si и Ni/Ti, а также сформированные методом ионной имплантации диодные структуры на основе указанных образцов.
Научная новизна работы
Разработаны технологические основы формирования р-п-переходов методом ионной имплантации на пластинах n-6H-SiC с концентрацией донорной примеси азота ND = 2-Ю17 см"3, позволяющие формировать диодные SiC структуры с напряжением пробоя, близким к максимальному значению.
Предложены технологические основы формирования низкоомных и термостойких омических контактов к n-6H-SiC на основе металлических пленок Ni, Ni/Si и Ni/Ti, позволяющие уменьшить значение удельного переходного сопротивления омических контактов до значений Ryd-< 10"3 Ом см2 и формировать омические контакты к n-6H-SiC, величина удельного переходного сопротивления которых практически не изменяется после 10-часового нагрева при температуре Т = 1000 С.
Разработана физико -топологическая модель диодных ионно-легированных структур, позволяющая качественно описать вольт-амперные характеристики диодных ионно-легированных структур.
Практическая ценность работы
Предложена методика расчета режимов ионной имплантации для формирования диодных ионно-легированных структур с напряжением пробоя, близким к максимальному значению, основанная на определении минимальной энергии ионной имплантации и соответствующей ей дозы для создания р-п-переходов на пластине n-6H-SiC, для которых при обратном смещении ширина области пространственного заряда будет максимальна.
Разработан технологический процесс формирования диодных ионно-легированных структур на основе карбида кремния, позволяющий формировать диодные структуры на напряжение пробоя, близкое к максимальному значению при легировании пластины n-6H-SiC с концентрацией донорной примеси азота ND = 2-Ю17 см"3 акцепторной примесью бора энергией Е = 80±5 кэВ, дозой D = 6-1015 -^ 2-Ю16 ион/см2 с последующей термообработкой при температуре Т = 1750 С в течение t = 25 секунд.
- Предложен технологический процесс формирования низкоомных
омических контактов к n-6H-SiC, позволяющий формировать омические контакты
Ni/n-6H-SiC с величиной удельного переходного сопротивления Ryd'= 4-Ю"4
Ом см2, а также контакты Ni/Ti/n-6H-SiC, величина удельного переходного
сопротивления Ryd'= 1,1 Ю-3 Омсм2 которых практически не изменяется после 10-
часового нагрева при температуре Т = 1000 С.
Положения, выносимые на защиту
Методика расчета режимов ионной имплантации для формирования диодных ионно-легированных структур с напряжением пробоя, близким к максимальному значению.
Технологический процесс формирования диодных ионно-легированных структур на основе карбида кремния, оптимизированный по величине напряжения пробоя.
- Технологический процесс формирования термостойкого омического
контакта к n-6H-SiC на основе пленки Ni/Ti, оптимизированный по величине
удельного переходного сопротивления.
- Физико-топологическая модель диодных ионно-легированных структур
на основе карбида кремния, позволяющая качественно описать вольт-амперные
характеристики диодных ионно-легированных структур.
Реализация результатов работы
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом
госбюджетных научно-исследовательских работ в 2007 - 2009гг: «Разработка
макета карбидокремниевого диода, полученного методом ионной имплантации»
(Государственный контракт №5042р/7239 от 03.04.2007г.);
«Многофункциональные гомо- и гетероструктуры на основе соединений AIVBIV и AinBv для перспективных разработок нового поколения приборов силовой и СВЧ-электроники» (Государственный контракт №02.513.12.3019 от 08.08.2008г.); «Многофункциональные материалы на основе твердых растворов (SiC)i_x - (A1N)X
для нового поколения быстродействующих электронных устройств силовой и оптоэлектроники» (Государственный контракт № 02.513.12.3055 от 11.11.2008г.).
Получен патент на изобретение №2340041 «Высоковольтный диод на основе 6Н карбида кремния» от 27 ноября 2008г.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XXXIV научно-технической конференции по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Северо-Кавказского государственного технического университета (Ставрополь, 2004г.); IX региональной научно-технической конференции «Вузовская наука-Северо-Кавказскому Региону» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2005г. ); VI Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, СевКавГТУ, 2006г.); IV Всероссийской конференции по физической электронике ФЭ-2006 (Махачкала, ДГУ, 2006г.); VII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, СевКавГТУ, 2007г.); Proceedings EDS 07 IMAPS CS International Conference (Брно, Чешская республика, сентябрь 2007г.); школе молодых ученых «Современные проблемы микро- и нанотехнологии», состоявшейся в рамках выездной научной сессии Отделения информационных технологий и вычислительных систем (г. Пятигорск, 2007г.); XI региональной научно-технической конференции «ВУЗОВСКАЯ НАУКА - СЕВЕРОКАВКАЗСКОМУ РЕГИОНУ» (Ставрополь, СевКавГТУ, 2007г.); Всероссийской конференции по физической химии и нанотехнологиям «НИФХИ-90» (с международным участием), посвященная 90-летию Карповского института (Москва, 2008г.); VI Международном семинаре «Карбид кремния и родственные материалы» (Великий Новгород, НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2009г.).
Результаты работы отмечены дипломами ряда конференций и конкурсов научных работ: XI региональной конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 2007г.); конкурса инновационных проектов, представленных по программе «Участник молодежного нау но-инновационного конкурса 2007» («У.М.Н.И.К.») в рамках VII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии».
Личный вклад автора
Автором сформулированы цели и задачи работы, обоснованы способы их реализации, предложены алгоритмы расчетов, проведена большая часть экспериментов, а также систематизация и анализ полученных результатов. Часть результатов, вошедших в диссертацию, получена в соавторстве с Н.И. Каргиным, Б.А. Билаловым, Р Machac. Ценная консультативная помощь оказана О.А. Агеевым и В.В. Лучининым, помощь в проведении экспериментов оказана В.А. Гудковым и Ю.Н. Варзаревым, которым автор благодарен за сотрудничество.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе, 2 статьи опубликованы в журналах, входящих Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, 1 статья опубликована в зарубежном издании.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 15 таблиц и 42 формулы и состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложения. В приложении представлены документы о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.
