Дислокационная структура монокристаллов карбида кремния в связи с условиями их роста тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Введение.

• Кристаллическая структура и дефекты в кристаллах карбида кремния

1.1. Особенности структуры и политипизм кристаллов карбида кремния.

1.1.1. Образование политипных структур карбида кремния

1.1.2. Образование основных политипных структур карбида кремния

1.2. Дефекты структуры и их связь с условиями роста монокристаллов карбида кремния

2. Методы структурного анализа монокристаллов карбида кремния

2.1. Политипный анализ кристаллов карбида кремния

2.1.1. Рентгеновский дифрактометрический анализ политипных структур карбида кремния

2.1.2. Электронно-зовдовый анализ политипных структур карбида кремния

2.2. Рентгеновская дифрактометрия монокристаллов карбида кремния

2.2.1. Прецизионное измерение периодов идентичности кристаллической решетки карбида кремния на однокристальном спектрометре

2.2.2. Двухкристальная дифрактометрия монокристаллов карбида кремния

2.2.3. Анализ толщины исследуемой области при рентгеновской дифрактометрии монокристаллов карбида кремния

2.3. Рентгеновская топография монокристаллов карбида кремния

2.4. Просвечивающая электронная микроскопия монокристаллов карбида кремния.

2.5. Анализ концентрации дефектов упаковки в монокристаллах карбида кремния .••••.

2.5.1. Использование точного выражения уравнения интенсивности для исследования дефектов упаковки в 6H-SiC. (Метод аналитического решения точного уравнения интенсивности)

2.5.2. Гармонический анализ формы дифракционного максимума.

2.5.3. Экспериментальное определение дифракционных эффектов.

3. Особенности структуры монокристаллов карбида кремния, выращенных в условиях спонтанного зарождения

3.1. Дислокационная структура монокристаллов карбида кремния, выращенных в УСЗ.

3.2. Исследование дефектообразования в монокристаллах карбида кремния, выращенных в УСЗ.

3.2.1. Образование дислокаций в базисных плоскостях. Природа разупорядоченных слоев.

3.2.2. Образование дислокаций в призматических плоскостях

3.3. Влияние дефектов структуры на политипизм в кристаллах.

4. Дислокационная структура монокристаллов карбида кремния и ее связь с условиями роста кристаллов на затравках.б

4Л. Природа, характер распределения и классификация дефектов структуры в монокристаллах карбида кремния, выращенных при КЗ в направлении [0001]

4.2. Влияние ориентации подложки и разращивания на формирование дислокационной структуры монокристаллов карбида кремния

4.3. Влияние начальной стадии роста на совершенство структуры и политипизм монокристаллов, выращенных при кристаллизации на затравках

4.3.1. Дефекты структуры в переходных областях затравка - монокристалл карбида кремния . . •

4.3.2. Твердофазные превращения и их роль в формировании структуры при выращивании монокристаллов карбида кремния.

4.3.3. Влияние условий выращивания на дефектообразо-вание в начальной стадии роста монокристаллов карбида кремния.

4.4. Влияние механической обработки на совершенство структуры подложек карбида кремния

4.5. Влияние кинетических условий синтеза на парметры решетки и совершенство структуры монокристаллов карбида кремния

Развитие электронной техники требует применения новых материалов для изготовления полупроводниковых приборов с необходимыми электрофизическими параметрами. Одним из таких перспективных полупроводников для оптоэлектроники, силовой и СВЧ техники является карбид кремния. По сравнению с другими широкозонными полупроводниками карбид кремния обладает рядом преимуществ: значительной температурной стабильностью параметров (вплоть до 1000-1500°С), высокой механической, химической и радиационной стойкостью, хорошей теплопроводностью, временной стабильностью. Способность карбида кремния кристаллизоваться в различных политипных модификациях (которых известно более 150) позволяет получать материалы с близкими физико-химическими свойствами, но с различными электрофизическими параметрами (например, ширина запрещенной зоны в различных политипах изменяется в пределах от 2,3 до 3,3 эВ).

Для широкого применения карбида кремния в электронной технике необходимо решить проблему управляемого получения монокристаллов заданного структурного совершенства и требуемой политипной модификации. В настоящее время монокристаллы карбида кремния выращивают по двум технологиям: в условиях спонтанного зарождения (УСЗ) и при кристаллизации на затравках (КЗ). Первый метод используется в промышленности, но с его помощью практически нельзя решить существующую проблему. Это связано с неуправляемостью процесса зарождения и девд-ритным характером роста пластинчатых кристаллов. Второй метод, разработанный в ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина), позволяет управляемо получать объемные монокристаллы карбида кремния различных политипных модификаций. Для повышения структур ного совершенства монокристаллов £<<£ требуется установить связь дислокационной структуры кристаллов с условиями их выращивания. Для этого, в первую очередь, необходимо исследовать природу дислокаций, закономерности их распределения и причины образования. Имеющиеся в литературе сведения о дефектах структуры в йсС главным образом относятся к кристаллам, полученным в УСЗ, или к поликристаллу. Причем они не систематизированы, а причины дефектообразования практически не анализировались. Поэтому исследование дефектов структуры монокристаллов карбида кремния в связи с условиями их роста является актуальной задачей, решение которой позволит получать кристаллы заданного структурного совершенства и шире использовать карбид кремния в полупроводниковой электронике.

Кроме того, несмотря на управляемое получение основных политипных структур, природа политипизма в ВсС до сих пор полностью не выяснена. Существующие теории не имеют прямого экспериментального подтверждения. Физическое объяснение явления политипизма дало бы возможность улучшить процессы управления ростом нужных политипных структур . Поэтому изучение роли дефектов в процессах образования политипов карбида кремния имеет большое как научное, так и практическое значение.

Целью настоящей работы является исследование дислокационной структуры монокристаллов карбида кремния в связи с условиями их роста для установления основных закономерностей и причин дефектообразования, необходимых для разработки управляемой технологии получения кристаллов карбида кремния заданного структурного совершенства и требуемой политипной модификации.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Разработка новых и реализация применительно к карбиду кремния известных методик анализа структуры монокристаллов. 2. Определение типов дефектов структуры и закономерностей их распределения в кристаллах &СС • 3. Установление основных факторов, влияющих на образование дислокаций в монокристаллах БсС . 4. Определение влияния дефектов структуры на политипизм карбида кремния.

Основными методами исследования структуры монокристаллов карбида кремния служили: рентгеновская однокристальная и двухкристальная дифрактометрия, рентгеновская топография, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, а также методы оптической микроскопии и химического травления. Обработка экспериментальных результатов производилась с использованием математических методов на ЭВМ.

Проведенные исследования позволили получить следующие новые научные результаты:

1. Определены природа, причины образования и закономерности распределения дислокаций в монокристаллах карбида кремния. Обнаружены и идентифицированы ранее не наблюдавшиеся дефекты структуры в карбиде кремния: дислокационные петли в призматических и базисных плоскостях, призматические дефекты упаковки.

2. Установлена структура и природа разупорядоченных слоев в монокристаллах карбида кремния. Экспериментально и теоретически подтверждена дислокационная теория роста поли-типных структур карбида кремния из дефектной матрицы. Показано, что роль дефектной матрицы выполняют разупорядоченные слои.

3. Показано, что на начальной стадии роста происходит твердофазное превращение ЗС- 5бС в разупорядоченную структуру, которое определяет дефектность и политип растущего монокристалла карбида кремния.

4. Установлено, что твердофазное превращение в карбиде кремния происходит путем как кооперативных, так и диффузионных процессов.

5. Установлены закономерности изменения структурных параметров монокристаллов карбида кремния от кинетики их роста. Зависимость параметра решетки с/п и основного состава от скорости роста кристалла и отсутствие таковой для параметра о определяется образованием дефектов в базисных плоскостях карбида кремния, что обусловлено превышением скорости роста над скоростью самодиффузии основных компонентов.

6. Разработан новый метод получения рентгеновских дифракционных топограмм монокристаллов на отражение.

На основе полученных результатов сформулированы следующие научные положения:

1. Разупорядоченные слои в монокристаллах карбида кремния выполняют роль дефектной матрицы при образовании поли-типных структур. Рост политипов БсС происходит по дислокационному механизму из разупорядоченных слоев.

2. Твердофазное превращение в карбиде кремния происходит путем как кооперативных, так и диффузионных процессов по механизму скольжения частичных дислокаций Шокли в плоскостях {0001] II {111} с образованием дефектов упаковки.

3. Твердофазное превращение ЗС- 5бС на начальной стадии роста определяет политипную структуру растущего монокристалла карбида кремния.

1. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Выводы по главе

1. Дефекты структуры в монокристаллах карбида кремния, выращенных при кристаллизации на затравках в направлении [0001] , составляют две основные группы: базисные дефекты,- лежащие в плоскостях {0001^ , и дефекты, расположенные в призматических плоскостях. Типы и природа дислокаций, обнаруженных в монокристаллах БсС , выращенных при КЗ, приведены в табл. 4.1.

Основу дислокационной структуры составляют торчковые дислокации, которые образуются в переходной области"затравка - монокристалл" и прорастают в объем кристалла вдоль направления нормального роста [0001].

Торчковые дислокации играют определяющую роль в образовании и формировании дислокационной структуры в базисных плоскостях объемных монокристаллов карбида кремния.

2. В монокристаллах карбида кремния наиболее благоприятными для образования дислокаций являются плотноупакованные плоскости, параллельные направлению нормального роста кристаллов.

Повысить структурное совершенство кристаллов 5СС можно, выбрав направление роста, не параллельное плотноупакованным плоскостям. Монокристаллы с малой плотностью торчковых дислокаций (порядка единиц на см') можно получать посредством раз-ращивания.

3. Переходная область подложка - монокристалл имеет сложную структуру, которая определяется условиями выращивания на

- 220 начальной стадии роста монокристалла карбида кремния. В ПО имеют место дислокации, ранее не наблюдавшиеся в ЭСС \ призматические петли Франка, петли смешанного типавбазисных и призматических плоскостях, призматические дефекты упаковки.

4. Фазовые превращения в монокристаллах карбида кремния происходят путем как кооперативных, так и диффузионных процессов посредством скольжения частичных дислокаций Шокли в базисных плоскостях, в результате чего образуются дефекты упаковки.

5. Фазовые превращения ЗС- БсС на начальной стадии роста определяют политипную структуру и дефектность растущего монокристалла карбида кремния.

6. Основной причиной дефектообразования в переходной области подложка - монокристалл на начальной стадии роста является рассогласование параметров решетки, подложки и мета-стабильной фазы 30- &С . На образование дефектов в ПО подложка - монокристалл существенное влияние оказывает соотношение скоростей самодиффузии основных компонентов и скорости роста кристалла Ур , определяющее градиент состава на начальной стадии роста при выходе на режим выращивания кристалла. Оптимальными условиями выхода на режим выращивания являются условия, когда Ур/поддерживается меньше 1.

7. В результате установления структуры нарушенного слоя на поверхности (0001)0 монокристаллов &сС , полученных в УСЗ, разработана методика подготовки структурно совершенной поверхности (0001)0 подложек 6Н- £>¿0 .

8. Зависимость параметра решетки С/п и основного состава от скорости роста кристалла и отсутствие таковой для параметра О. определяется образованием дефектов в базисных плоскостях карбида кремния, что обусловлено превышением скорости роста над скоростью самодиффузии основных компонентов. Исключить дефектообразование в процессе выращивания кристаллов ВсС можно, выбрав Ур 4 .