Емкостная спектроскопия карбида кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

- " 'Российская Академия наук

Ордена Ленина физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе

На правах рукописи ЛЕБЕДЕВ Александр Александрович

УДК 620.192.63 ЕМКОСТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ

( 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков )

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург

1998

Работа выполнена в Ордена Ленина физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Официальные оппоненты -доктор физико-математических наук

Ведущая организация -Санкт-Петербургский государственный университет.

Защита состоится "II "^и^ 1998 г.в Ю часов на заседании

диссертационного совета Д.003.23.02 при Физико-техническом институте им.А.Ф.Иоффе Российской АН по адресу: 194021, Санкт-

Петербург, Политехническая ул.,26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

профессор Л. Е. Воробьев,

доктор физико-математических наук Ю.А.Водаков,

доктор физико-математических наук профессор А.Н.Пихтин.

Автореферат разослан

.1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат.наук Л.М.Сорокин

Актуальность темы.

Развитие современной энергетики и космической техники требует создания полупроводниковых приборов способных работать при повышенных температурах и высоких уровнях ионизирующего излучения. Эдним из полупроводниковых материалов, на основе которого можно получать подобные приборы, является карбид кремния.

Значительные потенциальные возможности карбида кремния высокие химическая, термическая, радиационная стойкости, а также возможность получения на этом материале светодиодов на весь видимый спектральный диапазон - стимулировали большое число исследовании, посвященных 5Ю, в 50-60ые годы. Кроме того, словосочетание "карбид кремния" обозначает, по сути дела, целый класс полупроводниковых соединений т.к. Б1С обладает возможностью кристаллизоваться в различных модификациях - политипах. Политипы 51С при одинаковом химическом составе могут значительно отличаться по своим электрофизическим свойствам, например, величины запрещенных зон находятся в диапазоне от 2.4 эВ (ЗС до 3.3 эВ (2Н Б ¡С). Все это делает карбид кремния перспективным материалом и с точки зрения создания различных типов петероструктур.

Однако при изготовлении приборных структур термостабильность оборачивалась высокими температурами роста, сложностями при выборе реактора, а химическая стойкость - проблемами при формировании меза-структур и обработке поверхности полупроводника.

Развитие новых технологий позволило к концу 80х годов в значительной степени преодолеть эти трудности . На основе был создан ряд полупроводниковых приборов, в том числе светодиоды, излучающие в синей и фиолетовой областях спектра. Благодаря большой ширине запрещенной зоны эти приборы могли использоваться при высоких температурах и в других экстремальных условиях.

Известно, что глубокие центры (ГЦ) определяют многие важнейшие параметры полупроводниковых приборов. ГЦ в объеме полупроводника оказывают влияние на время жизни и диффузионную длину неосновных носителей заряда, к.п.д. светодиодов и фотоприемников, коэффициент усиления транзисторов, на величину и температурный коэффициент напряжения пробоя р-п-структур. Поскольку в настоящее время заранее невозможно теоретически предсказать значения основных параметров

примесных и дефектных центров в новом полупроводниковом материале, то главным источником информации о ГЦ являются экспериментальные методы, в том числе емкостная спектроскопия.

Известно также, что добавление некоторых примесей при сублимационном росте приводит к гетероэпитаксии пленок ЗС и 4Н на основе подложек 6Н. Таким образом, исследование параметров и свойств ГЦ образующихся при легировании данными примесями может дать

дополнительную информацию позволяющую понять природу политипизма карбида кремния.

Очевидно, что для дальнейшего развития технологии БхС и создания новых приборов, с одной стороны, необходимо исследовать параметры ГЦ в эпитаксиальных слоях и р-п- переходах, полученных по различным технологиям. С другой стороны, исследование параметров уже созданных приборов может дать дополнительную информацию о свойствах имеющихся в них ГЦ. Кроме того, различные методы выращивания эпитаксиальных слоев и создания р-п-структур приводят к образованию различных ГЦ в объеме полупроводника и на его поверхности, которые, в свою очередь, оказывают влияние на характеристики создаваемых приборов. Таким образом, через исследования параметров и распределений ГЦ можно определить оптимальную комбинацию технологических методов для создания данного типа прибора с лучшим сочетанием рабочих характеристик.

К началу настоящей работы (1983 г) на основе БЮ существовали только отдельные приборы, имеющие, как правило, неудовлетворительные рабочие характеристики, многие типы приборов еще не были разработаны. Не были также известны параметры глубоких центров, определяющих процессы излучательной и безызлучательной рекомбинации в 6Н и 4Н . Для исследований параметров ГЦ в Б)С не применялся весьма информативный метод нестационарной емкостной спектроскопии (БЬТБ).

При выполнении данной работы исследования велись по двум основным направлениям - исследование параметров и свойств глубоких центров в БЮ и разработка новых приборов на основе этого материала. Так, с одной стороны, исследования ГЦ в БЮ проводились в диодах Шоттки и р-п- структурах,созданных по уже отработанным технологиям, с другой стороны, результаты исследования ГЦ позволяли объяснить и оптимизировать параметры полученных приборов и в некоторых случаях ГЦ

с уже известными параметрами и профилями распределения использовались для оценки неизвестных характеристик приборной структуры.

Цель работы. Исследование свойств глубоких центров в эпитаксиальных :лоях карбида кремния и изучение влияния обнаруженных ГЦ на параметры сформированных на основе данных слоев полупроводниковых [фиборов.

Объект исследования.

Эбъектом исследования служили эпитаксиальные слои 6Н и 4Н БЮ п- и р-гипа проводимости, полученные различными технологическими методами ; )-п-структуры, диоды Шоттки и полевые транзисторы, сформированные на юнове данных слоев.

1адачи работы.

•Определение параметров, концентраций и профилей распределения ТД в эпитаксиальных слоях и р-п-структурах на основе 6Н и 4Н БЮ, юлученных по различным технологиям.

•Исследование влияния обнаруженных Щ на процессы излучательной [ безызлучательной рекомбинации в Б1С и приборах на его основе.

•Разработка новых измерительных методик, расширяющих озможности нестационарной емкостной спектроскопии (ОЬТБ), рименительно к 51С.

•Сравнительное исследование свойств р-п-структур, сформированых а основе 6Н и 4Н Б]С для разработки высокотемпературных диодных груктур и 6Н 51С полевых транзисторов с затвором Шоттки (МЕ5РЕТ).

[аучная новизна.

Впервые метод нестационарной емкостной спектроскопии (ОЬТ5) рименен для исследования карбида кремния. Показано, что

энаруженные в 6Н глубокие акцепторные центры Б-центр (Еу + 58эВ), 1 центр (Еу + 0.52 эВ) и Ь- центр (Еу +0,24 эВ) имеют аналога в эугих политипах 81С ( в 4Н 81С Б-центр (Еу + 0.52эВ); 1 центр ( Еу + 5эВ), Ь- центр (Еу +0,28 эВ)), которые являются активаторами одних и тех

же процессов пзлучательнои рекомбинации: О-центр - "борной" а \ центр -"дефектной " электролюминесценции.

Показано, что Б (Ее -0.35 эВ) и И(Ес - 1.27 эВ) центры могут быть основными рекомбинационными центрами в 6Н Б1С.

Развита теория анализа 01Л5 спектров ГЦ, перезаряжающихся пру инжекции неосновных носителей заряда.

Для случая излучательной рекомбинации : нейтральный акцептор ■ зона проводимости и донорно-акцепторной рекомбинации ( глубоки? акцептор-мелкий донор) получены выражения, описывающие зависимост! интенсивности электролюминесценции (ЗЛ) от плотности прямого тока I температуры, а также температурную зависимость времени послесвеченш ЭЛ, исходя из параметров ГЦ и концентрации инжектированных носителе* заряда. Дано качественное и количественное описание ране( наблюдавшемуся смещению максимума электролюминесценции 4Н и 61-р-п- структур в коротковолновую область с увеличением пл отност! прямого тока.

Разработана теоретическая модель, позволяющая объяснит) отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя бН-БЮ р-1 структур перезарядкой глубоких акцепторных уровней предпробойнь» током.

Показано, что электростатические параметры ЭЮ р-п - структу] сформированных БЖЭ и СЭ, и их температурные зависимост! соответствуют теории Шокли для резкого асимметричного р-п-перехода.

Впервые проведено исследование электрофизических свойст гетерополитипных р-п - структур р-ЗО-БЮ/п-бН-БЮ, полученны; сублимационной эпитаксией.

Было показано,что изменение соотношения при рост

эпитаксиальных слоев БЮ методом газофазовой эпитаксии, оказывае влияние на концентрацию образующихся фоновых глубоких акцепторны уровнен.

Практическая ценность работы.

Разработана технология МЕБРЕТ полевого транзистор; работоспособного до температур 300 °С.

На основе 6Н 81С разработаны корпусированные диоды на напряжение пробоя 800 В (до 1500 В в некорпусированном варианте) и прямой ток 0,5 - 1 А, работоспособные до температур > 500 °С.

На основе БЬТБ разработаны и защищены авторскими свидетельствами методы измерения диффузионной длины, коэффициента инжекции и концентрации инжектированных носителей в базовой области р-п-перехода.

Показано, что увеличение сопротивления базовых областей р-п-перехода может привести к искажению, исчезновению и перемене знака наблюдаемого ОЬТ5 сигнала.

Было обнаружено что перекомпенсация наиболее слаболегированных слоев п-типа проводимости, получаемых методом сублимационной

эпитаксии, обусловлена фоновыми ГЦ акцепторной природы. Это позволило оптимизировать технологические условия роста, снизить концентрацию данных центров и получить эпнтаксиальные слои со значением 1 1015 см"3.

Апробация работы.

Материалы работы были представлены на 30™ национальных и международных конференциях: " Отраслевом научно-техническом семинаре по быстродействующим полупроводниковым приборам" (Таллинн 1985 и 1987 гг); "Отраслевом семинаре по перспективам развития технологии силовых полупроводниковых приборов" (г.Белая Церковь, 1985 г.); на Зем Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала, 1986); на 176ом Симпозиуме электрохимического общества США (Голливуд, США, 1989); На Зен, 50Н, 6ой и 7 Международных конференциях по кристаллическому и аморфному БЮ (Вашингтон, США, 1990 и 1993 гг, Киото, Япония, 1995г., Стокгольм, Швеция, 1997); на конференциях Европейского матерналоведческого общества ( Страсбург, Франция, 1990, 1991, 1994, 1996 гг.); на 12°" конференции Европейского физического общества (Прага, Чехия, 1992 ); на 1ой национальной конференции "Дефекты в полупроводниках" (С.Петербург, 1992); на 4ой Европейской конференции по алмазу и алмазоподобным полупроводникам (Альбуфейра, Португалия, 1993); на 40М Международном симпозиуме по исследованию и новым

применениям тонких пленок ( Дрезден, Германия, 1994); на 20Н и 3ЕИ конференции по высокотемпературной электронике (Шарлотта, США, 1994, Альбукерка, США, 1996); на 7ой конференции по силовым полупроводниковым приборам (Йокогама, Япония, 1995); на Международном семинаре по исследованию карбида кремния и приборов на его основе ( Новгород, Россия, 1995 и 1997 ); на 3ЕМ Симпоузиме по развитию технологий и исследованию свойств компаундных

полупроводниковых материалов (Фрайбург, Германия , 1996); 3ЕМ Международном семинаре по исследованию алмазоподобных пленок (С-Перербург, Россия, 1996),на первой Европейской конференции по карбиду кремния (Крит, Греция, 1996), на 23 Международном симпозиуме по СаАэ и сопутствующим материалам (С-Петербург, Россия, 1996), на Международном семинаре по фундаментальным аспектам применения сверхтонких диэлектриков (СтПетербург,Россия, 1997), на 19ой Международной конференции "Дефекты в полупроводниках" (Авейро, Португалия 1997), на конференции Инженерного общества США по материалам высокотемпературной электроники и сенсорам (Сан-Диего, США, 1998), на Симпозиуме: " Исследование карбида кремния и приборов на его основе в России" (Вашингтон, США, 1998).

А также на семинарах: Мюнхенского технического университета и Университета Нюренберг-Эрланген (ФРГ, 1992), университета в г.Авейро (Португалия, 1993-1995), Центральной школы электроники (Лион, Франция, 1994-1996) .Университета г.Гераклион (Крит, Греция, 1996), Университета г. Болония (Болония, Италия, 1997) и Технологического института штата Джорджия (Атланта, США, 1998), Государственного СтПетербургского университета и ФТИ им. Иоффе.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 70 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы из320работ. Объем диссертации составляет страницу, включая'¿^рисунков и -// таблиц.

Научные положения выносимые на защиту.

1. В эпитаксиапьных слоях Б ¡С п-типа проводимости всегда существуют фоновые глубокие центры акцепторной природы, общая концентрация которых сильно зависит от использовавшейся технологии роста. Параметры и свойства отдельных центров близки в различных политипах БгС , а концентрации, при прочих равных условиях, снижаются с увеличением степени гексагональности политипа.

2. В Б1С существуют перезаряжающиеся при инжекции неосновных носителей заряда глубокие центры. Наличие таких центров в базовой области полупроводниковой р-п-структуры позволяет с помощью БЬТБ проводить измерения коэффициента инжекции р-п - перехода, концентрации и диффузионной длины инжектированных неосновных носителей заряда, равновесную концентрацию электронов в базовой области, величины обоих сечений захвата носителей на центр, а также профили распределения данных центров.

3. Методом сублимационной эпитаксии в открытой ростовой системе и бесконтейнерной жидкостной эпитаксии возможно создание резких асимметричных БЮ р-п-структур. Вблизи металлургической границы данных р-п- переходов отсутствует образование какой-либо дефектной переходной области протяженностью более О.ОГмкм.Электростатические параметры данных р-п- структур в диапазоне температур 290-900 К соответствуют классическим представлениям физики полупроводников, что показывает возможность создания на их основе различных типов полупроводниковых приборов.

4. Увеличение концентрации глубоких акцепторных уровней на расстояниях > 1 мкм от металлургической границы р-п-перехода возможно при создании БЮ р+-п-структур методом легирования ионами алюминия, диффузии бора и сублимацией в открытой ростовой системе. Наличие таких центров приводит к частичной компенсации базовой области, образованию встроенного электрического поля, увеличению объемного напряжения пробоя и к появлению отрицательного температурного коэффициента напряжения пробоя.

5. Для различных моделей излучательной рекомбинации получены выражения, связывающие характеристики электролюминесценции с параметрами участвующих в рекомбинации глубоких центров. Проведенный на основе полученных результатов анализ

экспериментальных данных показал, что высокотемпературная борная электролюминесценция в Б1С обусловлена нзлучательным переходом электрона из зоны проводимости на нейтральный акцептор (Э-центр).

6. Основными центрами безызлучательной рекомбинации в эпитаксиальных слоях 6Н ^¡С, полученных бесконтейнерной жидкостной эпитаксией и сублимационной эпитаксией в открытой ростовой системе, являются Б (Ес-0.35 эВ) и ШЕс- 1.27 эВ) центры.

7. На основе 6Н-51С п+ - р+ - п-структур, полученных сублимационной эпитаксией в открытой ростовой системе, созданы полевые транзисторы с затвором в виде диода Шоттки работоспособные до температур 700 К: МЕ8РЕТ, нормально закрытый МЕБРЕТ, комбинированный МЕБРЕТ-,1РЕТ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

показана актуальность темы диссертации, поставлена цель и сформулированы задачи исследования, изложены основные результаты работы и выносимые на защиту научные положения.

ПЕРВАЯ глава посвящена обзору исследований электрофизических и люминесцентных свойств карбида кремния политипов 6Н и 4Н.

В первом параграфе изложена история получения кристаллов полупроводникового качества. Дается краткий обзор, важнейших, по мнению автора, этапов формирования современной технологии 51С. Отмечается, чтс два важнейших для полупроводниковой электроники явления электролюминесценция и выпрямительные свойства р-п-структур были впервые обнаружены на кристаллах ( X Раунд в 1907 г.[1] и О.В. Лосес в 1923-1940 гт. [2], соответственно).

Во втором параграфе рассмотрены особенности зонной структуры карбида кремния. Показано, что наличие нескольких неэкивалентных положений в кристаллической решетке Б1С может привести к тому, чтс каждый атом примеси или тип дефекта будет образовывать несколько глубоких уровней с близкими параметрами.

В третьем параграфе показано,что по своим физико-химические свойствам карбид кремния является перспективным материалом для высокотемпературной силовой электроники. Основными преимуществами карбида кремния по сравнению с и ваАБ являются: в 5-6 раз большие

значения пробивных полей; в 2-3 раза большие значения скорости насыщения носителей; в 3-10 раз большая теплопроводность, максимальные рабочие температуры ~ 1000° С, большая радиационная стойкость.

В четвертом параграфе анализируются результаты исследования дефектных и примесных центров в SiC. Показано, что исследования параметров и концентраций глубоких уровней в карбиде кремния к началу настоящей работы (1983г.) практически отсутствовали.

В пятом параграфе рассмотрены результаты исследования характерных для 6Н SiC полос электролюминесценции. Несмотря на очевидное участие в актах излучательной рекомбинации ГЦ, конкретный механизм люминесценции в большинстве случаев оставался не выясненными. Были неизвестны также параметры ГЦ-активаторов ЭЛ и их связь с характеристиками люминесценции: интенсивностью, временем послесвечения и их температурными зависимостями. Отсутствовали данные об участии ГЦ в процессах безызлучательной рекомбинации в диодных структурах на основе 6Н и 4Н SiC.

Во ВТОРОЙ главе дано описание основных технологических методов, использовавшихся для выращивания образцов SiC.

В первом параграфе приводятся рентгено-дифракционные данные исследования подложек SiC, выращенных методом Лэли [3] и юдифицированным методом Лэли (ЛМ) [4]. Показано, что, хотя подложки Лэли уступают ЛМ подложкам по своим геометрическим размерам, по своему структурному совершенству они имеют ряд преимуществ :

(а) Средняя плотность дислокаций находится в диапазоне значений 102 - 105 см-2 для ЛМ подложек и 101 - 103 для подложек Лэли.

(б) Для ЛМ подложек характерно равномерное распределение дислокаций по площади кристалла; в подложках Лэли максимальная плотность дислокаций наблюдается вблизи "ростовой ножки',' т.е. области с которой начался рост кристалла на стенке графитового тигля. Таким образом, площадь областей, имеющих плотность дислокаций < 10l увеличивается с увеличением общей площади кристалла.

(с) В подложках Лэли дислокации обычно ориентированы в базисной плоскости кристалла. В ЛМ подложках, как правило, имеется большое число дисслокаиий и включений различною размера, которые ориентированы перпендикулярно базисной плоскости кристалла. Подобные

дефекты оказывают влияние на совершенство выращенных на основе данных подложек эпитаксиальных слоев .

Указанные преимущества определили выбор подложек Лэли как основы для получения большей части исследовавшихся в настоящей работе эпитаксиальных структур .

Во втором параграфе дается описание технологии выращивания эпитаксиальных слоев методами сублимационной эпитаксии в открытой ростовой системе и бесконтейнерной жидкостной эпитаксии. Показано, что метод сублимационной эпитаксии в открытой ростовой системе является развитием предложенного в [5] сублимационного сэндвич метода. Рассмотрены параметры получаемых этим методом эпитаксиальных слоев. Показано,что методом сублимационной эпитаксии возможно как получение эпитаксиальных слоев п и р-типа , с концентрациями 1015 - 1018 см"3 и 1016-1019см"3 , соответственно, так и многослойных р-п-и р-п-р-структур.

Одним из преимуществ данного метода является то, что концентрация электрически активных примесей в эпитаксиальных слоях SiC зависит от соотношения Si/C в газовой фазе в процессе CVD роста данных слоев [6]. Авторы [6] назвали этот эффект "Site-competition epitaxy" (SCE). С помощью SCE были получены эпитаксиапьные слои п - SiC с концентрацией Nd-Na~ 1014 см"?

ТРЕТЬЯ глава_посвящена исследованию электрофизических

параметров поверностно-барьерных структур (ПБС) и р-п-переходов на основе карбида кремния. В первом параграфе приводятся результаты измерении C-U- и I-U- характеристик ПБС, сформированных на основе исходных эпитаксиальных слоев с использованием различных типов металлов. Показано, что для эпитаксиальных слоев SiC, полученных методом сублимации в открытой ростовой системе, высота потенциального барьера слабо зависит от типа используемого металла и вида обработки поверхности полупроводника. Рассмотрены СЭ-6Н-Аи барьерные структуры, имеющие обратные токи ~10"8А при Т=570К и обратном напряжении ~70В.

исследовавшихся в работе р-п-структур. В соответствии с методом создания р-п- перехода все исследовавшиеся диоды можно разбить на следующие группы: ИЛ - структуры, полученные ионной имплантацией А1; СЭ -

рассмотрен метод газофазной эпитаксии SiC.

дается краткая характеристика всех

структуры, полученные сублимационным выращиванием последовательно слоев типа п- и р-типа проводимости;- БЖЭ - структуры, полученные бесконтейнерной жидкостной эпитаксией; Б1С<В> - полученные диффузией бора в п - 81С.; СУО - структуры, полученные газовой эпитаксией; СУО -СЭ - структуры, полученные выращиванием р- эмиттера методом сублимационной эпитаксией на основе слаболегированных слоев п-типа проводимости, полученных газотранспортной эпитаксией; эпитаксиально-диффузионные структуры - СЭ структуры, в которые до формирования меза-структур была проведена диффузия бора.

В третьем параграфе приводятся данные по исследованию ИЛ р-п-структур. Рассмотрены вольтамперные характеристики (ВАХ)

исследовавшихся р-п-структур до Показано,что ВАХ ИЛ р-п-структур и их температурные зависимости не противоречат теории рекомбинации носителей в слое объемного заряда (СОЗ). В ИЛ структурах С-11

характеристики не были линейны в координатах 1/с2-и, вблизи металлургической границы р-п-перехода на исследовавшихся зависимостях имелись изломы, что указывало на наличие профиля распределения ионизованных

центров в базе. При больших обратных напряжениях С-и характеристика была линейной и вычисленное на этом участке значение М(]-Ыа совпадало со значением N¿-N3 , измеренным в исходном эпитаксиальном слое (рис.1).

приводятся результаты

исследован ия эле ктростатических свойств БЖЭ и СЭ р-п-структур в

плотностей токов 10 А/см

Рис.1 Вольт-фарадные характеристики р-п-структур, (а) полученных методом сублимации; (б)- ионной имплантацией (+)- бН-БЮ, (•)-4Н-51С.

диапазоне температур 293-800 К. Отмечается, что ранние температурные исследования электростатических параметров проводились только для плавных р-п-структур. Для СЭ и БЖЭ структур измеренные С-и характеристики были линейны в координатах 1/с2-и во всем исследовавшемся диапазоне напряжений. Измеренное значение Г^-Ыа совпадало со значением N(1-1^. ранее полученном на исходном эпитаксиальном слое. Исходя из этого,был сделан вывод, что ЭС и БЖЭ р-п-структуры являются резкими и асимметричными. С-и характеристики данных р-п-структур были линейны в координатах 1/с2-1! и взаимопараллельны во всем интервале температур. Показано, что температурные зависимости таких электростатических параметров, как контактная разность потенциалов, толщина слоя объемного заряда, напряженность электрического поля в СОЗ, соответствуют теории Шокли. Показано, что ВАХ ЭС и БЖЭ р-п-структур и их температурные зависимости также не противоречат теории рекомбинации носителей в СОЗ.

В целом полученные результаты позволяют сделать вывод, что полученные на основе 6Н ЭС и БЖЭ р-п-структуры хорошо

описываются классическими моделями теории полупроводников.

В пятом параграфе представлены результаты исследования эпитаксиально-диффузионных р-п-структур. В ходе настоящей работы для оптимизации рабочих параметров СЭ Б1С р-п-структур, а именно, для увеличения значения (иЬг) пробивного напряжения при минимальном увеличении последовательного сопротивления ( Я ) - в них проводилась импульсная диффузия бора (время диффузии ~ 8 минут ) (т.е. были получены эпитаксиапьно-диффузионные р-п-структуры). В отличие от [7,8] диффузия проводилась в п-базу через слой р-типа проводимости до формирования меза-структур. В результате удавалось одновременно решать две задачи.

1. Увеличить напряжение пробоя диодов при минимальном увеличении сопротивления .

2. Избежать поверхностного пробоя по периферии меза-структуры.

Таким образом, были получены эпитаксиалыю-диффузионные бН-БЮ диоды , в которых отсутствовал поверхностный пробой при обратных напряжениях до 800 В и которые были работоспособны до температур -730 К. Проделанная работа также позволяет предположить, что после диффузионной обработки эпитаксиальных слоев с N(1 - Ыа = 1х10'7 см'З

можно ожидать получения на их основе высоковольтных диодов ( 1_!пр ~ 1 2 кВ) с удовлетворительной прямой ВАХ.

р-п- структур. При исследовании CVD р-n- структур, сформированных на основе эпитаксиальных структур, изготовленных фирмой CREE, было обнаружено, что напряжение пробоя данных структур снижалось с увеличением температуры последующего отжига. В то же время для р-п-структур полученных методом СЭ, подобная зависимость отсутствовала вплоть до температур 1800 °С. С другой стороны, метод CVD позволяет получать эпитаксиальные слои с Nd-Na < 1014 см'3. Таким образом, актуальной исследовательской задачей было получение 6H-SÎC диода с использованием обеих вышеперечисленных технологий и исследование его параметров.

В качестве п-базы использовались 6H-SiC и 4H-SÎC эпитаксиальные той, изготовленные фирмой CREE, Р-тип был выращен методом сублимации в открытой ростовой системе. На основе данных слоев были получены вдоды с напряжением пробоя до 1.5 кВ.

Отметим, что максимум излучения спектра CVD-SE р-п-структур находился в более коротковолновой области, чем у диодов, полностью изготовленных методом CVD. С другой стороны, преобладание экситонной поминесценции в спектре излучения CVD-СЭ диодов наступало при тримерно на поряцок меньших токах, чем в случае диодов, полностью юлученных методом СЭ.

^етероэпитаксиальных сруктур ЗС(р) - 6Н(п). Ранее было показано [9], что, «меняя соотношение в зоне роста, либо добавляя определенные

фимеси, методом сублимационной эпитаксии можно получать тетерополитипные пленки ЗС или 4Н на основе подложек Лэли бН-БЮ.

В нашем случае гетероэпнтаксиальный рост пленок ЗС-51С р-типа фоводимости производился методом сублимационной эпитаксии либо ^посредственно на основе 6Н-81С подложек Лэли, либо на Лэли подложке : предварительно выращенным слаболегированным (~ 2-3 1016 см'3 ) СЭ лоем п-типа проводимости. Слой р-ЗС-51С был легирован алюминием в фоцессе роста и имел толщину 2-5 мкм. Рентгеновские исследования юдтвердили,с одной стороны, наличие гетероэпитаксиальной пленки ЗС-51С [а подложке 6Н-Б1С. С другой стороны, те же исследования показали труктурную неоднородность данной пленки, т.е. было показано, что рост

представлены результаты исследования CVD-CE

анализируются данные исследования

политика ЗС носил "островковын" характер, т.е. не начинался одновременно на всей плоскости подложки. Суммарная площадь "островков" в данном случае составляла ~ 60-70% от общей площади подложки ( ~1 см2). Как показали наши эксперименты, с увеличением времени роста слоя ЗС-БЮ происходило разрастание отдельных "островков" и смыкание их границ при толщине слоя >10 мкм.

Формирование диодных структур на основе данных образцов было выполнено по обычной технологической схеме. Часть структур имела обычные для СЭ-6Н-Б1С вольтфарадные и вольтамперные характеристики, но со значительным омическим сопротивлением. Также были обнаружены "необычные" диоды С-и, характеристики которых были линейны в

координатах С"2 -и, однако они имели излом при и~0 и емкостное напряжение отсечки ~1В. Полученные экспериментальные результаты, с нашей точки зрения, можно объяснить следующим образом. На всей площади подложки между п-бН и р-ЗС образовывался слаболегированный и сильнодефектный слой 6Н -БЮ р-типа проводимости. В случае "обычных" диодов, находящихся вне "островков" роста, образовавшихся на начальной стадии эпитаксии, эта дефектная область находилась в глубине выращенного эпитаксиального слоя и увеличивала омическое сопротивление диода. При этом непосредственно на п-бН-БЮ образовывался р-6Н-Б1С и характеристики "обычных" диодов практически не отличались от стандартных характеристик СЭ - 6Н -БЮ р-п-структур.

В случае "необычных" диодов буферный дефектный слой рос непосредственно на п-6Н-Б1С и совпадал с металлургической границей р-п перехода. При этом из-за сильной компенсации данного слоя положение уровня Ферми в нем было близко к середине зоны. А с учетом того,что в п-областн глубина уровня Ферми составляет 0.2-0.3 эВ при комнатной температуре, величина контактной разности потенциалов данной р-п-структуры, определяемая как разность положений уровней Ферми в п- и р областях диода, должна составить - 1В, что и наблюдалось на эксперименте. Сильная дефектность этого слоя приводила также и к малым значениям пробоя данных структур.

В работе [10] было показано, что изменение соотношения Б НС в ростовой ячейке и увеличение скорости роста при гетероэпитаксии п-ЗС-Б1С на п -6Н-Б^ приводили к увеличению кристаллического совершенства переходной области между 6Н-Б1С подложкой и выращенным слоем ЗС-БЮ. Таким образом.^ представляется возможным, что после оптимизации

технологических условий роста можно будет уменьшить толщину дефектной области и получать диоды, электрофизические свойства которых будут связаны с гетеропереходом ЗС(р+) - 6Н(п).

В восьмом параграфе описана разработанная технология корпусирования полученных р-п-структур. Корпусирование

производилось в стандартные металло-стеклянные корпуса с никелевой металлизацией (ТО - 66).

ЧНТВЕРТАЯ глава посвящена разработке технологии и исследованию параметров полевых транзисторов с затвором в виде диода Шоттки.

В первом параграфе показано , что, благодаря высоким напряжениям пробивных полей в и большей скорости насыщения, параметры полевых транзисторов будут превосходить параметры аналогичных приборов на основе СаАэ. Основой проводимой работы служили исследования электрофизических свойств СЭ эпитаксиальных слоев, р-п- структур и диодов Шоттки на их основе. Ранее (параграф. 3.1) была продемонстрирована возможность создания ПБС на основе СЭ эпитаксиальных структур с использованием различных типов металлов. В [11] была разработана технология получения 1ЕЕТ на основе СЭ-6Н- с током насыщения ~15мА, крутизной ~2,9тА/В и напряжением пробоя ~90В.

Таким образом, для создания \1ESFET было необходимо

совместить разработанную технологию формирования СЭ р-п-структур и технологию получения качественных диодов Шоттки.

Во втором параграфе описана последовательность технологических операций, необходимых для формирования МЕБИЕТ транзистора на основе эпитаксиальной П+-Р+-П структуры, выращенной методом

сублимационной эпитаксии.

Третий параграф. После выполнения всех технологических операций, описанных в параграфе 4.2, был сформирован комбинированный транзистор, который в зависимости от схемы включения выводов мог работать в трех следующих режимах (рис. 2).

а). 1РЕТ

б). МЕБЕЕТ

»НичМЛМ ^ШВшЛШ

3 шиш

1 ж 11

— 1 Р+ ! ь

п +

Рис.2. Схема подключения комбинированного транзистора а), в режиме ЛТЗТ

2.3- исток; 4- сток; 1-затвор б) в режиме МЕББЕТ 1,2- исток; 4- сток; 3-затвор в).в режиме транзистора с коллектором в виде диода Шоттки 1-эмиттер,

2.4-база, 3- коллектор.

в). Транзистор с коллектором в виде диода Шоттки.

Типичные ВАХ транзистора при работе в режиме .ШЕТ и МЕБРЕТ при комнатной температуре

представлены на рис.3. Полученные приборы при длине канала 15 мкм, имели крутизну 0,5-2мА/В и напряжение пробоя >50В. Проведенные температурные исследования показали, что МЕЯРЕТ сохранял

работоспособность до температур порядка 600 К. При дальнейшем нагреве быстро возрастали токи утечки и при Т- 700 К барьер превращался в высокоомный омический контакт. Охлаждение не приводило к восстановлению выпрямляющих свойств барьера. Удаление металла и вторичное формирование диода Шоттки полностью восстанавливало параметры транзистора (отметим, что это относится только к двум возможным режимам работы транзистора, так как при работе в режиме 1РЕТ прибор сохранял работоспособность и при больших температурах).

В четвертом параграфе приводятся результаты исследования электрофизических параметров СЭ слоев п-типа проводимости, использовавшихся в качестве каналов транзисторов. Для оценки были проведены исследования ВАХ МЕБРЕТ'ов в диапазоне температур 300 -650 К. Ток насыщения транзистора .Ы имел немонотонную температурную зависимость. Сначала до температуры (340-450)К, в зависимости от степени легирования канала наблюдалось увеличение затем проводимость канала

-2 4

уменьшалась так, что ток насыщения изменялся по закону ^ ~Т Наблюдавшаяся экспериментальная зависимость объясняется тем, что проводимость 6Н определяется двумя процессами. Во-первых, из-за значительной энергии ионизации основных донорных уровней в Б1С (0.1 и 0.15 эВ) их полная ионизация не наступает при комнатной температуре.

Рис.З-Вольт-амперные характеристики транзистора с длиной канала 15мкм при 300 К в рабочих режимах: а- МЕБРЕТ, б- МТ.

Т.е пп = В (М-Ма), где В => 1 с ростом температуры. Поэтому нагрев структуры приводит к увеличению концентрации электронов в канале и, следовательно, к увеличению его проводимости. Во-вторых, температурная зависимость определяется температурной зависимостью подвижности электронов р„ . Согласно [12], при температурах больше 250 К величина рп в 6Н Я^С изменяется пропорционально Т1А. Тогда зависимость 2'4)

должна быть линейной в области высоких температур. Т.е. после того, как произошла полная ионизация донорной примеси, температурная зависимость

■15( полностью определяется температурной зависимостью подвижности.

Аппроксимируя полученную линейную зависимость к комнатной температуре, получим значение 151теоР-, т.е. значение, которое имел бы ток насыщения при Т=300 К, если бы все донорные примеси в канале были уже ионизованы. Отсюда легко найти значение коэффициента В , как

отношение экспериментального значения .151экс к значению, полученному

■24

аппроксимацией зависимости ) в область низких температур:

Как и следовало ожидать, величина В зависела от степени легирования эпитаксиального слоя, менялась при Т=300 К от 0.60.7 (Г^-1Ча=4-8х 101бдо 0,3-0,4 (^-Ма=5-7х10псм'3).

С учетом полученного значения В была сделана оценка степени компенсации эпитаксиальных слоев и величин электронной подвижности

Ы-

Величина р." для исследованных слоев была определена в диапазоне 120-180 см2/Вс. Она слабо зависела от степени легирования канала в диапазоне значений N(1- 1Ча 3 1016- 5 1017 см"3. Степень компенсации слоев в диапазоне концентраций составила 20 -40 %. Расчет , выполненный на основе значений К и величин N<1 - Ыа, показал, что концентрация компенсирующих дефектов в слоях была близка к суммарной концентрации обнаруженных в них глубоких акцепторных центров.

Таким образом , основной вклад в компенсацию СЭ эпитаксиальных слоев вносят фоновые ГУ акцепторной природы. В заключении к Главе 4 делаются следующие выводы.

(1).Разработана технология создания транзистора, способного работать в режиме Л^ЕТ. и МЕБР'ЕТ до температур ~ 600К. Показано, что максимальная проводимость смещается в область температур - 450 К при увеличении степени его легирования до 1018 см"? Это обусловлено уменьшением степени ионизации основных донорных уровней при одной и той же температуре с увеличением их концентрации в канале транзистора. (2).При использовании электронной литографии и субмикронных каналов на основе ЭС^С возможно создание униполярных транзисторов, по своим параметрам находящимся на уровне лучших мировых достижений в этой области. А с учетом оптимизации по ширине канала и степени его легирования - существенно превосходящие данный уровень.

ПЯТАЯ глава посвящена описанию теории емкостной спектроскопии, использовавшейся экспериментальной установки, а также разработанных в ходе настоящей работы новых экпериментальных методов.

В первом параграфе изложены физические основы емкостной спектроскопии. Величина барьерной емкости резкого р-п-перехода пропорциональна корню квадратному из. суммарной концентрации ионизованных мелких и глубоких уровней.

При приложении обратного напряжения ( расширение слоя объемного заряда (СОЗ)) ГЦ, попавшие в СОЗ, будут опустошаться с постоянной времени 9, :

е^щ<упгЕт'к\ (1)

где Г^с(у) - плотность состояний в зоне проводимости(валентной), Ут - тепловая скорость носителей заряда, сг П(Р) - сечения захвата электронов (дырок) на ГЦ, К - постоянная Больцмана, Е, - энергия ионизации ГЦ, Т - абсолютная температура.

При уменьшении обратного напряжения ( сужение СОЗ) ГЦ, оказавшиеся в квазинейтральной области базы, будут заполняться с постоянной времени 02

6~1 = п°,Ут, (2)

где п(р) - концентрация электронов ( дырок ) в базе.

Опустошая и заполняя ГЦ, мы можем изменять емкость р-п-перехода, фиксируя скорость изменения емкости, можно определить постоянную времени перезарядки ГЦ - 0 (t), а из амплитуды сигнала - концентрацию ГЦ. Для каждого из атомов примеси одного типа или структурного дефекта в данном полупроводнике имеется своя зависимость 8 (t) . Эти зависимости можно рассматривать как отличительный признак примеси или дефекта и использовать для идентификации вновь обнаруженного ГЦ.

Во втором параграфе изложен основной принцип использовавшегося в настоящей работе метода нестационарной емкостной спектроскопии

фЬТБ). ВЬТБ был предложен в 1974 г. Д.В. Лангом [13] и явился, по сути, весьма удачной попыткой развития прежних емкостных методик. К его достоинствам можно отнести меньшую требовательность к температурной стабильности измерения, наглядность , большую доступность для автоматизации и компьютерной обработке данных.

В третьем параграфе приводится блок-схема использовавшейся измерительной установки. Рабочая частота установки ы=100 кГц, чувствительность по емкости ДС/С « 10"3 -10"4 , амплитуда синусоидального напряжения 100 мВ. Точность измерения энергии ионизации ГЦ ± 0,02 эВ. Рассмотренная измерительная схема может использоваться для регистрации С-Ц характеристик, ЭЬТБ спектров и проведения других емкостных измерений.

В четвертом параграфе рассмотрено влияние последовательного сопротивления диода (г„) на нестационарные емкостные измерения параметров ГЦ. Показано,что нарушение условия <вгЕс<< 1 приводит к искажению наблюдаемого БЬТБ сигнала. Проделанный теоретический анализ подтверждается БЬТ5 измерениями БЮ р-п-структур с высокоомными базами.

В пятом параграфе изложен способ измерения профиля распределения ГЦ , перезаряжающихся при инжекции ННЗ. Для характерных в БЮ 6Н р-п-структурах условий перезарядки ГЦ в нижней половине запрещенной зоны п-базы инжектированными дырками можно записать уравнение :

ёт! Ж = {М - т)арАР - (Ип +АР)а„т- Р,т> (3)

где ш - концентрация ГЦ, заполненных дырками, Др- концентрация инжектированных дырок , п„ - равновесная концентрация электронов в базе, ар= Утстр, а^У^п, р, = Ут ор е"ш /кТ.

Решением этого уравнения при начальных условиях 1= 0, ш= 0

будет :

А/[1 -ехрС-/, ЬЖ^НаЛЬР + и^ + РМа^У')-', (4) где ^ - длительность импульса инжекции.

На основании (4) получено выражение для определения т. Однако даже в случае высокого уровня ннжекции Др»пп и большой длительности импульса инжекции („ » то величина т= арМ/ ар + ар. Полное соответствие измеряемого профиля реальному ( т ~ М) будет только в случае а р » ап •

В шестом параграфе описан новый метод измерения диффузионной длины ННЗ. Способ может быть реализован в р-п-структуре, имеющей ГЦ, перезаряжающиеся при инжекции ННЗ. Способ основан на сопоставлении измерений профиля распределения ГЦ при высоком уровне инжекции , когда т«М ( для а р»а„), и при низком уровне инжекции .когда т~Лр0ехЛ'1\> гае Дро - концентрация ННЗ у металлургической границы (МГ) р-п-перехода, Х- расстояние от МГ р-п-перехода, Ьр - диффузионная длина ННЗ. Измеренная данным способом величина Ьр с точностью « 30 % совпала с величиной Ц , измеренной в тех же Б^С 6Н р-п-структурах другими методами.

инжектированных носителей и сечения захвата на ГЦ основных носителей заряда. Для определения величины Др(Дп) проводят измерения ш в данном объеме СОЗ при 1„»1о ,что соответствует максимальной амплитуде БЬТБ пика (ДСщах). Затем уменьшают продолжительность импульса инжекции, что приводит к уменьшению амплитуды емкостной релаксации. Величину Др(Дп) можно найти из зависимости ДС = Ш„).

Для определения величины второго сечения захвата носителей заряда из БЬТ5 измерений обратное напряжение подается не мгновенно после импульса инжекции, а спустя время 1з, при котором обратное напряжение на р-п-структуре равно нулю. За время 1з происходит перезарядка ГЦ электронами из зоны проводимости и амплитуда ОЬТЯ пика уменьшается. Величину с можно определить из зависимости Д С= { ( 1з ).

Глава ШЕСТЬ посвящена исследованию параметров, концентраций и профилей распределения ГЦ в диодных структурах, изготовленных на основе 6Н и 4Н 51С по различным технологиям.

донорных и акцепторных уровней в 6Н 5¡С. Параметры мелких уровней оценивались из частотной зависимости емкости р-п-перехода и температурной зависимости сопротивления базы. Для донорного уровня азота получено значение энергии ионизации 0,14 эВ, для акцепторного

рассмотрен способ измерения концентрации

представлены результаты исследования мелких

уровня бора -0,35 эВ. Эти результаты находятся в хорошем согласии с

известными литературными данными.

Во втором параграфе изложены результаты исследования ГЦ в

верхней половине запрещенной зоны п-базы диодных структур. При

исследовании ПБС на основе 6Н БЮ были обнаружены два ГЦ (Б-и Я-

центры; см. таблицу). Концентрации этих уровней ^ и N5 во всех

исследовавшихся ПБС совпадали с точностью ~ 10-20 %

Значения величин N(1 и были близки к значениям N15 и N5 в ИЛ и

ЭС р-п-структурах, полученных на основе этих эпитаксиальных слоев.

Можно заключить, что в процессе создания р-п-перехода не происходило

существенного изменения

концентрации Я- и Б-

центров.

В БЖЭ структурах

концентрации этих ГЦ

также совпадали и были

в среднем на порядок

меньше, чем в СЭ

структурах(~1014 см'3).

о « штс си с * /—* г"^ Типичный БЬТБ

Рис.4. ЭЬТ5 спектр 6Н-81С СЭ

р-п-структуры. Регистрация сигнала спектр СЭ р-п-структуры

осуществлялась в моменты времени: представлен на рисунке 4.

11 =5 ме, 12=10 мс.

В третьем параграфе приведены результаты исследования ГЦ в нижней половине запрещенной зоны п-базы р-п-структур на основе 6Н и 4Н БЮ. Были обнаружены три основных ГЦ : Ь, ¡, Э. Близость параметров ¡- и Б-центров приводила к наложению их БЬТЗ пиков. Для анализа ОЬТБ спектров СЭ и ИЛ структур использовалась специальная методика обработки экспериментальных данных, включающая раздельное определение энергии ионизации каждого ГЦ из высокотемпературного и низкотемпературного крыла ОЬТБ пика [14]. Также удалось выделить ОЬТ5 сигнал , обусловленный каждым ГЦ за счет большой разницы в постоянных времени перезарядки (тз) ¡-и О центров электронами из зоны проводимости тз| /тзо ~ 30.

Также было обнаружено , что дополнительная диффузия бора приводит к увеличению концентрации О-центров .

Концентрация ¡-центров была постоянна в СЭ структурах , а в ИЛ структурах она увеличивалась в 3-5 раз вблизи металлургической границы р-п-перехода по сравнению с остальным объемом базы. Аналогичная ситуация наблюдалась в ИЛ структурах на основе 4Н 81С , где был обнаружен аналог ¡-центра.

Параметры обнаруженных ГЦ представлены в таблице.

Таблица. Параметры обнаруженных в SiC глубоких центров.

Пол и тип Тип центра Энергетическое положение, эВ Сечение захвата 2 электронов, см ы Сечение захвата дырок, см2 (аР)

6Н L Ev + 0.24 ю-18 2-4 10"15

SiC I Ev + 0.52 2-6 10"21 1-3 10"17

D Ev + 0.58 1-3 Ю"20 1-3 10"16

4Н SiC аналог L аналог i аналог D Ev + 0.27 Ev + 0.5 Ev + 0.54 < ю-17 < ю-21 1-3 10"21 5-6 10"'5 5 Ю-17 1-3 10"16

В четвертом параграфе обсуждается степень компенсации базовых слоев п-типа проводимости ГЦ акцепторной природы. Общая концентрация глубоких акцепторных уровней в ЭС р-п-структурах, полученных на начальных стадиях данной работы, с Nd-Na~ 1017 см"3 составляла ~ 10%. С изменением величины фоновой концентрации донорных уровней концентрация глубоких акцепторов изменялась слабо. Так, при Nj-Na ~1018 см"3 компенсация составляла ~ 1%, а при Nd -Na < Ю16 см"3 наблюдалась перекомпенсация эпитаксиального слоя.

В эпитаксиальных слоях SiC полученных газофазовой эпитаксией (производство компании CREE, США ) были обнаружены в основном те же глубокие уровни которые были обнаружены в СЭ слоях . Однако, концентрация обнаруженных глубоких акцепторных центров оказалась на 23 порядка меньше , чем в СЭ структурах, с таким же значением N<j - Na.

Также было известно, что при CVD эпитаксии SiC при максимальных значениях C/Si в газовой фазе были получены слои р-типа проводимости [15] без дополнительного введения акцепторных примесей. При исследовании слоев 6Н SiC , выращенных методом CVD (в системе

3 о

метан+силан+Нг ) в нашей лаборатории, также было обнаружено, что с увеличением соотношения С/Б1 в газовой смеси происходит сначала инверсия типа проводимости, а затем рост все более сильно легированных слоев р-типа проводимости. БЬТБ исследования выращенных слоев р-типа проводимости показали, что основной вклад в величину N»-N(1 вносят глубокие акцепторные центры (Еу + 0,2 ± 0.02 эВ), параметры которых близки к параметрам Ь-центров, обычного фонового центра в слоях, выращенных методом сублимации. Концентрация данных центров увеличивалась с ростом величины Ка-Ш (т.е. с ростом значения СЖ, поддерживаемого в'газовой смеси в процессе роста данного слоя).

Все это позволяет сделать вывод, что ограничением по чистоте получаемого материала п-типа проводимости, по крайней мере для двух методик роста

эпитаксиальных слоев , является неконтролируемое легирование растущего 18 слоя ГЦ акцепторной природы. Полученные результаты позволили оптимизировать технологические условия роста сублимационных эпитаксиальных слоев и снизить концентрацию фоновых акцепторов ( в том числе связанного с бором Б-центра более чем на 2 порядка ) и, соответственно, величину N<1 -Ма до значения — 1 10 15см'3 (рис 5).

12 13 14 15 16 17 10 10 10 10 10 10 10

СМ"-

Рис.5. Зависимость суммарной

концентрации глубоких акцепторных центров от величины Ыё-Иа в (+)СЭ и (•)СУО р-п- структурах. Прямая линия соответствует значению № равному 0.5

СЕДЬМАЯ глава посвящена изучению влияния обнаруженных ГЦ на процессы излучательной рекомбинации . Очевидно, что при исследовании

полос примесной люминесценции важно определить механизм излучательной рекомбинации, ответственный за данную рекомбинацию. Хорошо известны [16] отличительные признаки донорно-акцепторной рекомбинации (ДАП): смещения положения максимума с увеличением уровня возбуждения в коротковолновую область: неэкспоненциальный характер релаксации, смещения положения максимума в длинноволновую область с увеличением времени регистрации после окончания импульса возбуждения. Эти признаки, конечно, справедливы и для 51С. Однако существование нескольких неэквивалентных положений в решетке допускает образование одним типом примеси или дефекта нескольких ГЦ с близкими параметрами. Перераспределение интенсивности рекомбинции между этими ГЦ с изменением уровня возбуждения, может привести к тому, что признаки ДАП могут наблюдаться у полос люминесценции, связанными с другими излучательными процессами (например, при излучательном переходе электрона зона проводимости - глубокий акцептор). Поэтому для идентификации механизмов излучения исследуемых полос ЭЛ были получены выражения, описывающие характеристики ЭЛ на основе выбраных моделей и параметров,участвующих в них ГЦ. Затем проводилось сопоставление полученных расчетных и экспериментальных данных.

обусловленной излучательной рекомбинацией дырки, захваченной на ГЦ , и электрона из зоны проводимости. Выражение для интенсивности ЭЛ в единице объема в единицу времени можно записать как

Концентрация заполненных дырками ГЦ, согласно формуле, (4) для случая /„ » го:

получено выражение для интенсивности ЭЛ ,

/,, = а„(«„ + Ли) т.

(5)

М

(6)

т =

а„(АР+ //„) + /?, а, АР

1 +

Для получения выражения , описывающего интенсивность ЭЛ в единицу времени ( 1|) , подставим ( 4 ) в ( 5 ) ( при условии 1и » то ) и

проинтегрируем по оси X ( ось X направлена от МГ р-п-перехода в глубь базовой области ) . С учетом того ,что Др = Дро е"х/Ьр , (IV = 5с1х , получаем

/, = •

МШа „а„

а„ +а„

"„«„-/3, . к», + Р, +(«. +ар)^}

Д г0 +-1 п -

<*,+«» V а„»„ +Д )

(8)

Выражение для постоянной времени послесвечения можно получить из ( 3 ) при условии прекращения инжекции ( Др = 0) : .

' (9)

Во втором параграфе рассмотрена связь между желтой высокотемпературной ЭЛ ( ЬуП1ах ~ 2,14 эВ ) и наличием О-центров в 6Н БЮ. Из сопоставления емкостных и оптческих экспериментов в 6Н р-п-структурах, изготовленных по различным технологиям, установлена взаимосвязь между наличием Б-центров и наличием желтой ЭЛ Соответствие между желтой ЭЛ и наличием каких-либо других ГЦ отсутствовало.

Были проведены измерения зависимости интенсивности желтой ЭЛ от плотности прямого тока ( I 1 = {( .1 ) ), температуры ( 1( = ( Т ) ) и температурной зависимости времени послесвечения ( тп = f ( Т ) ). Зависимость ^ = Г ( .1 ) при 300 К имела сублинейный участок и два участка линейного роста. При Т = 600 К сублинейный участок уменьшался и зависимость становилась практически полностью линейной. Зависимость 1( = f ( Т ) имела максимум, положение которого, зависящее от плотности прямого тока, смещалось от Тм = 300 К ( ] = 1,5.10"2 А/см2 ) до Тм = 450 К (1 = 5 А/см2 ). Величина т„ с увеличением температуры уменьшалась от 270 ( 300 К ) до 6 мкс ( 430 К ).

300

400

Т,К

500

600

Теоретический расчет характеристик желтой ЭЛ по формулам ( б ) - ( 7), исходя из параметров О-центра , позволил объяснить все

экспериментально полученные результаты. Наличие сублинейного участка зависимости (Т)

при 300 К было обусловлено большим различием в сечениях захвата дырки и электрона

на Б-центр ап/ар ~ 6.10"5 (в случае а^ар зависимость 1[= была бы линейной для всех плотностей прямого тока). Появление второго линейного участка начинается при Дро « п„ , так как это приводит к увеличению вероятности перезарядки О-центра электронами из зоны проводимости ( рост а„ (пп + Дро ). С увеличением температуры возрастает вероятность термической ионизации дырки ( Р) велико ), поэтому стационарное заполнение ГЦ наступает при больших значениях Дро ( Д ) , что обусловливает сокращение сублинейного участка .

Начальный рост зависимости 1( = Г ( Т ) вызван дополнительной ионизацией донорных уровней в базе , а последующий спад - ростом вероятности термической ионизации дырки ( Р1 ). Лучшее согласие теории с экспериментом было получено при учете температурного хода Ьр в структурах данного типа ( в указанном диапазоне температур происходило

Рис.6. Температурная зависимость максимальной интенсивности "борной" ЭЛ в бН-БЮ для различных плотностей прямого тока. J , А/см2 = (1) 1.5 10"2 (О), (2) 5 10"2 (+), (3) 1.5 10'1 (Д), (4) 5 10'1 (О), (5) 1.5 10°

(<П (6)

расчет.

1.5 10 (V), сплошные линии-

3(1

увеличение Ьр в 5-7 раз )(рис. 6). Увеличение концентрации инжектированных носителей ( рост J ) компенсирует рост Р) , и максимум зависимости ^ = Г ( Т ) с увеличением 1 смещается в область больших температур.

Анализ температурной зависимости т„ показывает ( 7 ), что в области низких температур основной вклад в тушение ЭЛ вносит рекомбинация дырки , захваченной на О-центр, и электрона в зоне проводимости ( т„ ~ 1/ап п„ ), а при высоких — термическая ионизация дырки с О-центра ( т„ ~ 1/01 )•

С точки зрения энергетического положения уровня в запрещенной зоне, соответствие желтой ЭЛ излучательному переходу электрона из зоны проводимости на О-центр возможно , если сдвиг Франка -Кондона для этого центра будет ~ 0,35 эВ.

В третьем параграфе рассмотрена связь характеристик электролюминесценции с параметрами ГЦ в случае донорно-акцепторной рекомбинации. В случае ДАП интенсивность рекомбинации в единице объема в единицу времени можно записать как Ш Ш

То

где У/а - вероятность заполнения донорного уровня, - вероятность заполнения акцепторного уровня, М - число ДАП, т0 - постоянная времени излучательной рекомбинации. Вообще говоря, величина т0 зависит от расстояния между компонентами донорно-акцепторной пары. Было использовано среднее значение <То> = тг, где значение тг определяется непосредственно из эксперимента.

Для статистики заполнения донорных и акцепторных уровней в базе можно записать:

ш Т0

с1т

= (М0 - >п)сс Ар - тарР -

Гп

гае N0 = Му = М - полная концентрация донорных и акцепторных уровней, п - число заполнения электронами донорных уровней

Для нахождения интенсивности рекомбинации в единицу времени (/, ) решение системы (11), полученное для случая постоянного возбуждения (с{п/Ж = сЬп/Ж = 0), было проинтегрировано по объему базы V. С учетом того, что (IV = Ар = Ар0 схр(-х / 1р), где Др0 - концентрация

инжектированных дырок в п - области у металлургической границы р-п-перехода, Б - площадь р-п-перехода, Ьр - диффузионная длина дырок, х -расстояние до металлургической границы р-п - перехода, для /( было получено выражение для численного интегрирования:

I а„Арп(Ар*у + н„)Ф о К +К2 - 4Цп„ + &рау)&рву

гае

К = п„ + Ар0у(Л +1) + ТооДи, + Др0у + РЛРр+ Ар*),

Х = ар/а„, у = ехр(-х / Ьр).

В четвертом параграфе приводятся данные по исследованию "дефектной электролюминесценции" в 6Н и 4Н Б1С. Коротковолновая люминесценция в диапазоне энергий 2.6-2.3 эВ была обнаружена В.В.Макаровым в 1966г. [17] в кристаллах п-БЮ (6Н) после их облучения ионами К и 1Л с последующим отжигом. Спектр люминесценции состоял из двух триплетов узких линий (Н- и Ь- линий), расположенных вблизи энергий 2.6 эВ, и широкой бесструктурной полосы с максимумом излучения при 2.35 эВ - дефектной люминесценции ( ДЭЛ ). В работах [18, 19] было установлено, что широкая полоса не является развитием тонкой структуры, и высказано предположение, что она обусловлена нзлучательной рекомбинацией с участием донорного уровня азота и акцепторного центра, возникающего в процессе имплантации.

Проведенные в настоящей работе ЭЬТБ исследования установили однозначную взаимосвязь ДЭЛ р-п-структур с наличием в этих структурах центров. В ИЛ структурах, гае ДЭЛ обладает наибольшей интенсивностью, было обнаружено увеличение концентрации ¡-центров в 3-5 раз вблизи

металлургической границы р-п-перехода по сравнению с остальным объемов базы. При отсутствии ¡-центров максимум в спектре электролюминесценцш: р-п-структур находился в желтой или синей области спектра. Свойства ¡-центров, а именно, значительно большая величина сечения захвата дырок чем электронов, а также компенсация ¡-центрами материала п-типг проводимости указывают на то, что данный ГЦ является акцептором.

Как показали проведенные исследования, характеристики ДЭЛ в 4Н-БЮ полностью совпадают с аналогичными характеристиками ДЭЛ в бН-Б^С а наличие ДЭЛ однозначно соответствует наличию в р-п- структурах ¡-центров.

Анализ характеристик ДЭЛ с позиций различных рекомбинационны> механизмов привел к выводу, что основная рекомбинация идет через ДАП типа ¡-центр-азот. Расчеты, выполненные согласно данной модели с учетов параметров центров и р-п-структур, хорошо согласуются, с экспериментом Отметим также, что наличие трех неэквивалентных положений е кристаллической решетке как для донорных, так и для акцепторных центров может привести к образованию нескольких ДАП с близкими параметрами, каждая из которых будет вносить вклад в суммарный спектр.

В пятом параграфе приводятся данные по исследованию бН-БЮ р-г структур, легированных алюминием в процессе роста. Ранее былс обнаружено, что в коротковолновой части спектра люминесценции р-г структур, легированных алюминием и азотом (бН-БЮ <А1, №>), можнс выделить четыре пика [20, 21], которые авторы связывали с бесфононной рекомбинацией на донорно акцепторной паре (ДАП) А1 - N (Иу = 2.78 эВ) и их одно-, двух-, трехфононными повторениями.

Хотя все авторы при интерпретации спектров БЮ < А1, N > полагали, что рекомбинация идет с участием акцепторных уровней А1, параметры последних не были определены достаточно однозначно. Возможно, что наблюдавшийся разброс экспериментальных данных можнс объяснить тем, что при легировании алюминием происходит

образование нескольких типов ГЦ, имеющих различные значения энергии ионизации. В настоящей работе была сделана попытка интерпретации спектров ЭЛ Б5С < А1, N > р-п-структур с уже известным спектром глубоких центров.

Методом токовой спектроскопии глубоких уровней, в 6Н-81С р-п структурах с п-базой, легированной А1 в процессе роста, было обнаружено два глубоких акцепторных уровня, которые отсутствовали в нелегированных

образцах, полученных по той же технологии: HKj (Ev + 0.22 эВ, стр = 3,6 10'12 см2) и НК2 (Ev + 0.28 эВ, сгр = 1,3 10"'5 см2 В спектре излучения образцов бН-SiC, легированных алюминием, было обнаружено появление двух пиков ЭЛ: С ( 455 нм ) и Д ( 480 нм ), которые отсутствовали в спектре ЭЛ нелешрованных образцов.

Сопоставление DLTS спектров и спектров ЭЛ образцов 6Н SiC < Al, N > показало однозначную связь С и Д пиков с наличием в этих образцах ГЦ HKi и HKî. Связь данных пиков ЭЛ с какими-нибудь другими ГЦ отсутствовала. Таким образом, можно утверждать, что за ЭЛ в диапазоне энергии 2.5 -2.75 эВ в спектре излучения 6Н SiC < Al, N > р-п-структур ответственна излучательная рекомбинация носителей с участием ГЦ НК) и НКг. При этом если Д - пик обладает характерными особенностями ДАП -рекомбинации, то пик С, очевидно, обусловлен другими механизмами рекомбинации - например, излучательной рекомбинации электрона на нейтральном акцепторе.

Из расчета температурной зависимости интенсивности по формуле ( 8) был сделан вывод, что большее соответствие с экспериментом получено для зависимости It = F(T), рассчитанной с учетом параметров центров НК].

Спектры ЭЛ образцов SiC < Al, N > сильно отличались в случае больших и малых плотностей прямого тока. Возможно это, объясняется наличием двух типов спектров, имеющих различные зависимости интенсивности от плотности прямого тока (J). Т.е. на слабо зависящий от J "фоновый спектр" (возможно, связанный с центром НКг) накладывались линейно зависящие от J С н Д пики, связанные с HKj.

Были сделаны следующие выводы.

1.Структура спектров ЭЛ образцов SiC < Al, N > сильно зависит от плотности прямого тока. Очевидно, что при J « 1 А/см2 и при J » 100 А/см2 спектр ЭЛ определяется различными механизмами излучательной рекомбинации.

2.Спектр ЭЛ при J s» 100 А/см2 можно объяснить излучательной рекомбинацией с участием обнаруженного ГЦ HKj (Ev + 0.22 эВ).

В шестом параграфе рассмотрена электролюминесценция 6Н и 4Н SiC р-п-структур при наличии нескольких каналов для излучательной рекомбинации. Достаточно давно отмечалось, что спектр излучения SiC рп-структур с увеличением плотности прямого тока смещается в коротковолновую область спектра.

В настоящей работе были проведены исследования зависимости положения максимума ЭЛ для 4Н-51С ИЛ и СЭ р-п-структур, с различной концентрацией некомпенсированной донорной примеси в базе и различной концентрацией фоновых глубоких акцепторов.

Было обнаружено, что в 4Н и 6Н 51С СЭ р-п - структурах с увеличением плотности прямого тока наблюдается плавное смещение максимума ЭЛ приблизительно в диапазоне 2.14 - 2.35 эВ (6Н) и 2.4 - 2.52 (4Н). Емкостная и токовая спектроскопия СЭ позволила обнаружить в них 1- и О-центры. Как было уже показано, эти ГЦ принимают участие в различных механизмах излучательной рекомбинации, и интенсивности обусловленной ими ЭЛ по-разному зависят от уровня возбуждения. Поэтому в р-п - структурах, полученных сублимационной эпитаксией, спектр ЭЛ является суперпозицией двух полос ЭЛ, соотношение интенсивностей которых (положение максимума результирующей полосы йут) зависит от плотности прямого тока, т.е. существует зависимость /гут = Сделанны расчеты зависимости йу„, = на основе формул (8)и(12)с учетом параметров и концентраций ¡- и Б-центров находились в хорошем соответствии с экспериментом.

Было показано, что если концентрация глубоких акцепторных примесей в базе диода невелика, то при больших плотностях прямого тока появляется пик, связанный с рекомбинацией свободного экситона Ьутах -425 нм. Интенсивность этой полосы (1нх) увеличивается с ростом 3 как, 1Ех = (1)", где п находилась в диапазоне 2.2-2.7 для различных образцов. Такой быстрый рост интенсивности экситонной линии может быть связан с (а) температурным гашением всех полос ЭЛ, кроме экситонной; (б) увеличением диффузионной длины дырок с ростом температуры .

Таким образом, наблюдавшаяся в некоторых Б1С рп - структурах зависимость ¡IV „, = Щ) может быть объяснена суперпозицией нескольких независимых полос ЭЛ, насыщение которых происходит при различных плотностях прямого - тока (различной концентрации инжектированных дырок). Полученное соответствие экспериментальных и теоретических зависимостей для = С(1) подтверждает правильность определения

центров активаторов и рекомбинационых моделей для ДЭЛ и борной ЭЛ в БЮ.

В ВОСЬМОЙ главе рассмотрено влияние ГЦ на процессы безызлучательной рекомбинации в 6Н БЮ.

Ю-'

10 _

10

Л

10

11111114 I ии111|—1 1111Н1|—I 11 ))1П]

10

10

10

10

10

Концентрация К-цснтра, см"

эм папа исходя из параметров обнаруженных ГЦ, был сделан расчет

предполагаемого времени жизни дырок (тр) в исследовавшихся р-п-структурах.

Единственными уровнями, параметры и концентрация которых

удовлетворительно объясняют наблюдавшееся значение тр 10"8 -10"9 с ( Т = 300 К ), является 5 и Я ГЦ.

Исследование зависимости величин тр и Ь2Р при комнатной температуре от

концентрации Б- и II-центров показало, что эти величины находятся в обратнопропорциональной зависимости.

С учетом параметров и концентрации 5 центра в СЭ и БЖЭ р-п-структурах был сделан теоретический расчет температурного хода Ьр и сопоставлен с экспериментальным. Наблюдалось хорошее совпадение экспериментальных и теоретических зависимостей для СЭ - р-п-структур. Цля БЖЭ р-п-структур увеличение энергии активации ( ЕаКт) зависимости Ц, = ( Т ) в области высоких температур и приближение ее к значениям Еакт в СЭ структурах , а также наличие Б и Я ГЦ в обоих типах образцов позволяют предположить , что эти ГЦ оказывают влияние на рекомбинационные процессы и в БЖЭ структурах при высоких температурах. Исследования СУЭ р-п-структур подтвердили определяющую роль Я-центра в процессах безызлучательной рекомбинации и для структур аанного типа. Полученное на заключительным стадиях работы снижение

Рис.7. Зависимость квадрата диффузионной длины дырок от концентрации К-цснтра в эпитаксиальных слоях 6Н-Б1С, выращенных методами: (•) СЭ, (+) БЖЭ, (Д) СУО.

концентрации фоновых акцепторных ГЦ в эпитаксиальных слоях полученных методом СЭ сопровождалось и снижением концентрации Р центров. Это привело к увеличениию диффузионной длины дырок дс значеннй ~ 1,5 микрона, что находится на уровне эпитаксиальных слоев полученных методом СУО.

Во втором параграфе рассмотрено влияние глубоких центров к; отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя р-г структур.

Известно, что в бН-БЮ р-п-структурах,в которых электрическое поле параллельно направлению кристаллической оси С, напряжение пробо? имеет, как правило, отрицательный температурный коэффициент (ТКН) [7] В ряде работ это связывалось с кристаллической структурой гексагональных политипов БЮ, с наличием естественной сверхрешетки [22, 23]. В других работах [24, 25] высказывалось предположение, что отрицательное значение ТКН может быть связан с перезарядкой глубоких центров, как это былс показано для кремния [26]. В настоящей работе отрицательный ТКН Б^С был объяснен влиянием глубоких центров.

Предложенная модель базируется на учете перезарядки глубоких акцепторных уровней предпробойным током в слаболегированно!! прослойке р-типа проводимости вблизи металлургической границы р-г перехода.Было сделано два предложения: 1.Область лавинного размножения находится в слаболегированной области р-типа проводимости околс металлургической границы р-п - перехода. 2.Концентрация глубоких акцепторных уровней в этой области сопоставима с концентрацией мелких акцепторов. Появление такой области может быть обусловлено перекомпенсацией материала п- типа за счет диффузии акцепторных примесей (например , бора). Существование подобной области £ исследовавшихся эпитаксиально-диффузионных диодах образцах былс показано экспериментально.

Таким образом отрицательная величина ТКН может быть связана с перезарядкой Б-центра (Еу+0.58эВ), наиболее глубокого уровш возникающего в БЮ, легированным бором. Сделанные на основе этогс предложения и параметров И-центра расчеты температурной зависимости ТКН находятся в хорошем согласии с экспериментом.

Поскольку диффузия бора часто используется для защиты периферии Б1С меза-структур от поверхностного пробоя, а сам бор (Э-центр) является характерной фоновой примесью в 51С, полученным по различные

технологиям, то,с нашей точки зрения,вопрос о знаке ТКН может-быть окончательно решен только при учете или исключении влияния перезарядки Б-центров на исследования пробивного напряжения р-п-структур

В третьем параграфе рассмотрена возможная структура обнаруженных глубоких центров. Какой же собственный дефект может быть основным элементом при формировании дефектных комплексов, образующих ГЦ в БЮ?

На рисунке 8 представлена средняя концентрация 3х собственных дефектов (¡, Э и Ь - центров) в эпитаксиальных слоях 6Н и 4Н БЮ, полученных сублимационной эпитаксией. Как видно из рисунка, имеется достаточно хорошая корреляция между уменьшением концентрации углеродных вакансий (Ус) с увеличением процента гексагональности политипа [27] и уменьшением концентрации данных центров.

В пользу того, что основным комплексо-образующим дефектом в является вакансия углерода, говорят и данные различных авторов,

которые предполагали участие Ус в образовании различных центров, а также слияние отдельных вакансий в устойчивые кластеры [28,29].

л,%

2 16

Рис.8.Зависимость концентрации углереодных (Му ) и кремниевых вакансии [27] и концентрации обнаруженных глубоких

акцепторных уровней ( Э, • и Ь центров) от степени гексагональности политнпа БЮ (Д).

перечислены основные выводы работы* 1. Методом сублимационной эпитаксии в открытой ростовой системе возможно получение резких асимметричных р-п- структур, которые но своим свойствам (напряжения пробоя, рабочие

температуры и плотности прямого тока) соответствуют ранее сделанным теоретическим оценкам.

2. На основе 6Н эпитаксиальных слоев и р-п - структур, полученных методом сублимационной эпитаксии в открытой ростовой системе, возможно создание диодов Шоггки, выпрямительных диодов, а также различных модификаций МЕЭРЕТ полевых транзисторов.

3. Наличие перезаряжающихся при инжекции ГЦ в базовой области р-п-

структуры позволяет с помощью БЬТБ определять диффузионную длину неосновных носителей заряда, коэффициент инжекции р-п-перехода и профиль распределения данных ГЦ.

4. В 6Н §¡0, полученном по различным ростовым, технологиям, обнаружено 5 типов фоновых глубоких центров Б-центр (Еу + 0.58эВ), 1 центр (Еу + 0.52 эВ), Ь- центр (Еу +0,24 эВ), 8-центр (Ее -0.35 эВ) и Я-центр (Ее - 1.27 эВ); три из которых имеют аналоги в других политипах ( в 4Н Э-центр (Еу + 0.52эВ); i центр (Еу + 0.5эВ), Ь- центр (Еу +0,28 эВ)), которые обладают близкими параметрами и являются активаторами тех же процессов излучательной рекомбинации: Б-центр - "борной') а 1 центр -"дефектной " электролюминесценции.

5. В 6Н БЮ. выращенном по различным технологиям, основным центром безызлучательной рекомбинации является К-центр.

6. Характеристики "борной" электролюминесценции в 6Н и 4Н могут быть объяснены на основе излучательной модели рекомбинации электрона из зоны проводимости и дырки, захваченной на И-центр.

7. Отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя БЮ р-п-структур может быть объяснен изменением напряженности электрического поля вблизи металлургической границы р-п-перехода за счет перезарядки глубоких акцепторных центров фили 1 ГЦ) предпробойным током.

к. Обнаружено, что лимитирующим фактором при росте слаболегированных слоев п- 51С методом сублимационной эпитаксии, является концентрация образующихся фоновых ГЦ акцепторной природы. Показано, что за счет оптимизации технологических условий роста возможно снижение концентрации

глубоких акцепторов на 1-2 порядка. Это позволяет получать СЭ слои бН-SiC с концентрацией Nd-Na ~ 1х1015 см"3 и диффузионной длиной неосновных носителей заряда -1,5-2 мкм.

_Основные результаты диссертации изложены в следующих работах.

1. Anikin М.М. Ivanov P.A.,Lebedev А.А. Pyatko S.N. Strel'chuk A.M. Syrkin A.L. High temperature discrète devices in 6H-SiC: sublimation epitaxial growth, device technology and electrical performance, in book "Semiconductor interfaces and microstructures" ed. by Z.C.Feng, (review) World Scientific, 1992, p.280-311.

2. Лебедев А.А. Центры с глубокими уровнями в карбиде кремния (обзор), ФТП.1998.

3. Аникин М.М. Лебедев А.А., Попов И.В. Севастьянов В.Е. Сыркин АЛ. Суворов А.В. Шпынев Г.П. Челноков В.Е. Выпрямительный диод на основе карбида кремния.- Письма в ЖЭТФ, 1984, т. 10, в. 17, стр 1053 -1056.

4. Аникин М.М. Лебедев А.А., Сыркин А.Л. Суворов А.В. Исследование глубоких уровней в SiC методами емкостной спектроскопии. - ФТП, 1985, т.19, в.1, стр 114 - 117.

5. Аникин М.М. Лебедев А.А., Попов И.В. Стрельчук А.М. Суворов А.В. Сыркин А.Л. Челноков В.Е.Исследование вольтамперных характеристик диодных структур на основе карбида кремния. ФТП, 1986 , т.20, в.5, стр. 844 - 848.

6. Аникин М.М. Лебедев А.А., Сыркин А.Л. Суворов А.В. Емкостная спектроскопия р-п - переходов на основе эпитаксиального 4H-SiC, полученных ионной имплантацией А1. ФТП, 1986 , т 20, в 12, стр 2169 -2172.

7. Аникин М.М. Лебедев А.А., Суворов А.В. Сыркин АЛ. Попов И.В..Стрельчук А.М., Челноков В.Е. Структуры с ионно-имплантированным р-п-переходом на основе 4Н SiC с " S " - образной В АХ. ФТП, 1986 , т.20, в 9, стр Л654 - 1657.

8. Аникин М.М. Лебедев А.А., Растегаев В.П. Сыркин АЛ. Царенков Б.В. Челноков В.Е. Электростатические свойства SiC 6Н структур с резким р-п-переходом. - ФТП,т.22, в.1, 1988, с. 133 -136.

9. Аникин М.М. Лебедев A.A., Растегаев В.П. Сыркнн А.Л. Стрельчук A.M. Царенков Б.В. Челноков В.Е., Цветков В.Ф. Таиров В.М. Вольгамперные характеристики эпитакснальных р+-п-п+- структур на основе карбида кремния. - ФТП,т.22, в.2, 1988, с. 298 -30010. Аникин М.М., Кузнецов Н.И., Лебедев A.A., Сыркин А.Л., Стрельчук A.M. Связь желтой электролюминесценции в 6Н SiC р-п-структурах с глубокими центрами. - ФТП,т.24, в.8, 1990, с. 1384 -1390.

П.Аникин М.М. Андреев А.Н. Лебедев A.A., Пятко С.Н. Растегаев M.I Сыркин А.Л. Стрельчук A.M.. Челноков В.Е. Высокотемпературный дио Шоттки Au-SiC-бН - ФТП,т.25, в.2, 1991, с. 328 -333.

12. Аникин М.М., Зубрилов A.C., Лебедев A.A., Черенков А.Е.,Стрельчу A.M. Рекомбинационные процессы в 6Н SiC р-п-структурах и влияние н них глубоких центров. - ФТП,т.25, в.З, 1991, с.479-489.

13. Аникин М.М., Кузнецов Н.И., Лебедев A.A., Полетаев Н.К., Стрельну A.M., Сыркин АЛ., Челноков В.Е. О зависимости положения максимум электролюминесценции в бН-SiC диодах от плотности прямого тока. ФТП, 1994, т.28, в.З, стр. 444-448.

14. Аникин М.М., Кузнецов Н.И., Лебедев A.A., Савкина Н.С., Сырки1 АЛ., Челноков В.Е. Токовая спектроскопия глубоких центров в 6H-Si( р-п структурах со встроенным полем. - ФТП, 1994, т. 28, в 3, стр. 457 461.

15. Аникин М.М., Лебедев A.A., Полетаев Н.К., Стрельчук A.M., Сыркин А.Л., Челноков В.Е. Глубокие центры и сине-зеленая электролюминесценция в 4H-SÍC. - ФТП, 1994, т.28, в.З, стр. 473-478.

16. Андреев А.Н., Аникин М.М., Лебедев A.A., Полетаев Н.К., Стрельчук A.M., Сыркин А.Л., Челноков В.Е. Связь дефектной электролюминесценции в 6Н - SiC с глубокими центрами. - ФТП, 1994, т.28, В.5, стр. 729-738.

17. Аникин М.М., Лебедев A.A., Растегаева М.Г., Стрельчук A.M., Сыркин А.Л., Челноков В.Е. Эпитаксиальные слои и р-п-переходы, полученные методом сублимации в системе с электронным наргревом. - ФТП, 1994,

т.28, в.7, стр. 1231- 1234. •

18. Lebedev A.A.,Chelnokov V.E. Measurement of electro- physical properties of silicon carbide epitaxial films. - Diamond and Related Materials.3, 1994.

p.1394-1397.

19. Андреев A.H., Лебедев A.A., Зеленин В.В., Мальцев A.A., Растегаева М.Г., Савкина U.C., Соколова Т.В., Челноков В.Е. Корпусированныи

эпитаксналыю диффузионный диод на основе 6H-SiC - Письма в ЖТФ, т,21,в.4.,1995, с. 60-64.

!0. Lebedev А.А., Andreev A.N. Anikin M. M., Rastegaeva M.G., Savkina S.N., StrePchuk A.M., Syrkin A.L., V.E.Chelnokov. Power silicon carbide devices based on Lely grown substrates - Proc.7lh Inter. Sym. Power Sem. Devices (ISPSD'95) May 23-25,1995 Yokohama, Japan, p90-95. >1. Лебедев A.A, Аникин M.M., Растегаева М.Г.. Савкина H.C., Сыркин

A.Л., Челноков В.Е. Полевой транзистор на основе 6H-SiC с затвором в виде диода Шотгки. - ФТП,т.29,в.7.,1995, с. 1231-1236.

22. Лебедев А.А., Аникин М.М., Растегаева М.Г.. Савкина Н.С., Челноков

B.Е. Получение и исследование эпитаксиально-диффузионных 6H-SiC р-п-структур. - ФТП,т. 29,в.9.,1995, с. 1635-163923. Лебедев А.А.,Лебедев А.А., Рудь Ю.В. Спектры фотолюминесценции

пористого 6Н SiC - Письма в ЖТФ,т.21,в.З.,1995, с. 64-67. >4. Лебедев А.А., Щеглов М.П., Соколова Т.В. К вопросу о связи зеленой электролюминесценции 6Н -SiC р-п- структур с наличием в них кристаллических включений политипа ЗС. - Письма в ЖТФ, т. 21, в.16.,1995, с. 48-51.

25. Лебедев А.А., Щеглов М.П., Рогачев Н.А., Теруков Е.И. Гетероэпитаксиальный рост пленок SiC на основе подложек AIN/AI2O3. . ФТП, т.29, в.8, 1995, с.1425-1429.

26. Андреев А.Н., Лебедев А.А., Растегаева М.Г., Снегов Ф.М., Сыркин А.Л., Шестопалова Л.Н., Челноков В.Е. Высота барьера в диодах Шоттки, сформированных на основе n-6H-SiC - ФТП, т.29, в.10, 1995, с.1828-1832.

27. Andreev A.N., Lebedev A.A., Rastegaeva M.G., Syrkin A.L., V.E.Chelnokov MetalI-n-6H-SiC surface barrier height - Experimental data and description in the traditional terms. J Appl.Phys. V.78 N9, 1995, p,5511-5514.

28. Лебедев A.A., Полетаев H.K. Глубокие центры и электролюминесценция легированных бором 4Н SiC р-п-структур. - ФТП, т.30, в.З, 1996, с.55-59.

29. Лебедев А.А., Применение нестационарной емкостной спектроскопии для исследования р-п-структур на основе SiC - ФТП, т.30, в.6, 1996, с.39-45.

50. Lebedev А.А., StrePchuk A.M., Ortolland S., Raynaud C., Locatelli M.L., Planson D., Chante J.P. The negative temp. coef. of breakdown voltage of SiC

pn structures and deep centers in SiC - Inst. Pliys. Conf. N142, Chapter 4, 1996, IOP publihing Ltd, p.701-704.

31. Lebedev A.A., Rastegaeva M.G., Savkina S.N., Strel'chuk A.M., Mal'tsev A.A Chelnokov V.E.,Poletaev N.K. 6H SiC pn structures fabricated by sublimation growth of p+ layer on CVD epilayers of n type conductivity. Inst. Phys. Conf. N142, Chapter 3,1996, IOP publihing Ltd, p.501-504.

32. Лебедев А.А., Давыдов Д.В., Игнатьев К.И. Исследование контактной разности потенциалов 6Н- SiC р-п - структур, сформированных по различным технологиям. ФТП, 1996 т.ЗО в.10 с. 1865-1870.

33. Лебедев А.А., Мальцев А.А., Растегаева М.Г., Савкина Н.С., Стрельчук А.М, Полетаев Н.К., Челноков В.Е. Диоды на 6H-SiC, полученные совмещением газотранспортной и сублимационной эпитаксии. - ФТП, 1996,т.ЗО в.10 с.1805-1808.

34. Лебедев А.А., Лебедев А.А., Рудь Ю.В., Рудь В.Ю., Стрельчук A.M. Фоточувствительность анодицированных слоев карбида кремния. Письма в ЖТФ/1996,т22/К9,с.59-63.

35. Ortolland S., Raynaunld С., Chante LP., Locatelli M.L., Andreev A.N., Lebedev A.A., Rastegaeva M.G., Syrkin A.L., Savkina N.S., V.E.Chelnokov Effect of boron diffusion on high-voltage behaiour of 6H-SiC p+ n- n+ structures. J.Appl.Phys. 1996.V.80 N9,p.5464-5468.

36. Lebedev A.A., Rastegaeva M.G., Syrkin A.L., Savkina N.S., Tregubova A.S., V.E.Chelnokov, Scheglov M.P. High Temperature SiC based rectified diodes: new results and prospects Inst. Phys.Conf. SerN 155 Chapter 8,p.605-608 IOP, publishing Ltd.1997.

37. Астрова E.B. Лебедев A.A. Влияние последовательного сопротивлени: диода на нестационарное емкостное измерение параметров глубоки: уровней. - ФТП, 1985 ,т 19, в.8, стр.1382 - 1385.

38. Аннкин М.М. Лебедев А.А.,Попов И.В. Стрельчук A.M. Суворов А.В Сыркин А.Л. Получение и исследование выпрямительных диодов н; основе SiC.В сборнике статей "Силовые полупроводниковые приборы " Таллин,"Валгус" стр. 29-33,1986.

39. Аникин М.М. Лебедев А.А..Попов И.В. Севастьянов В.Е. Сыркин А.Л Суворов А.В. Шпынев Г.П. Исследование уровней А1 и В в диодны; структурах методами емкостной спектроскопии., В сборнике стате! "Технология силовых полупроводниковых приборов Таллин,"Валгус' стр. 19-24,1987.

40. Anikin M.M. Lebedev A.A., Pyatko S.N. Soloviev V.A. Strel'chuk A.M. Minority Carrier Diffusion Lendth in epitaxially grown SiC(6H) pn diodes. Springer Proc. in phisics, 1992,v .56 ,p.269-273.

41. Аникин M.M..Лебедев А.А..Суворов А.В., Сыркин А.Л..,Попов И.В., Стрельчук A.M., Челноков В.Е. Высокотемпературные диоды на основе карбида кремния. Материалы 2го Всесоюзного научно-технического совещания, Белая Церковь,стр 123, 1985.

42. Аникин М.М. Лебедев А.А.,Попов И.В. Севастьянов В.Е. Сыркин А.Л. Суворов А.В. Плазмо-химнческое травление карбида кремния. В сборнике статен "Технология силовых полупроводниковых приборов ", Таллин,"Валгус" стр. 14-19,1987.

43. Anikin М.М. Lebedev A.A., Strel'chuk A.M. Radiative and Radiation-less recombination processes in 6H and 4H SiC diodes and the effect of Deep Centers. Defect and Diffusion Forum, 1993,vol.l03-105,p.673-678.

44. Anikin M.M. Lebedev A.A., Rastegaeva M.G. Savkina N.S. Strel'chukA.M. Chelnokov V.E. Electrophisical properties and device application of the SiC Thin films. In "Thin Films" ed. by G.Hecht F.Richtek,1994,Verlag,Germany,p.594-597.

45. Аникин M.M. Лебедев А.А.,Расстегаева М.Г. Савкина Н.С. Стрельчук A.M. Сыркин А.Л. Челноков В.Е. SiC-6H полевой транзистор с низким пороговым напряжением.Письма в ЖЭТФ, 1994,т.20,в. 10,стр.16-19-

46. Anikin М.М. Lebedev A.A., Rastegaeva M.G.Strel'chuk A.M. Syrian A.L. Chelnokov V.E. Epitaxial layers of n-and p-type 6H-SiC grown by the sublimation "sandwich" method in an electronheated cell Proc. of 5-th ICSCRM,ed. by M.G.Spencer, R.P. Devaty, J.A.Edmond, M. Asif Khan,R. Kaplan., Inst. Phisics Conf. Ser.N.137, p.99-100-

47. Andreev A.N. Anikin M.M. Lebedev A.A., Poletaev N.K. Strel'chuk A.M. Syrkin A.L. Chelnokov V.E. A relationship between defect electroluminescence and deep centers in 6H-SiC, Inst. Phisics Conf. Ser.N.137, p.271-274.

48. Anikin M.M. Lebedev A.A., Rastegaeva M.G. Savkina N.S. Strel'ohuk A.M. SyrkinA.L. Chelnokov V.E. Low pinch-off voltage JFETs in SiC. Inst. Phisics Conf. Ser.N.137, p.597-599-

49. Anikin M.M. Lebedev A.A., Poletaev N.K. Strel'chuk A.M. Syrkin A.L. ChelnokovV.E. Deep centers and blue-green electroluminescence in 4H-SiC, Inst. Phisics Conf. Ser.N137, стр.605-607-

50. Рогачев H.A. Кузнецов A.H.,Лебедев А.А., Теруков Е.И. Челноков В.Е. Особенности роста эпитаксиальных слоев карбида кремния из газовой

фазы, создаваемой магнетронным реактивным напылением . Письма с ЖТФ,т. 20, 67, 1994, стр. 51-54 .

51. Andreev А. N. Anikin М.М Lebedev А.А., Zelenin V.V. Ivanov P.A. Rastegaeva M.G. Savkina N.S. Strel'chuk A.M. SyrkinA.L. Chelnokov V.E High Temperature silicon carbide stabilitrons for the voltage range 4 to 5C Materials Science and Engineering B29, 1995; p. 190-193.

52. Andreev A.N. Lebedev A.A., Rastegaeva M.G. Syrkin A.L. Chelnokov V.E. Surface barrier hegth in metal-n 6H SiC structures, Material science and EngeneeringB 29,1995, p.198-201.

53. Lebedev A.A. and N.A. Sobolev Capacitance spectroscopy of deep centres in SiC Mat. Science Forum, v.258-263, 1997, 715-720.

54. Lebedev A.A., Rastegaeva M.G. Savkina N.S. Tregubova A.S. Chelnokov V.E. Scheglov M.P. New results and prospects in the developing of the High Powei and High Temperature SiC based diodes Trans. Of the 3-rd Inter High temp. Electr. Conf. Albuquerque,New Mexico USA,June 9-14,1996,v.2, p.161-166.

55. Lebedev A.A., Poletaev N.K. High Temperature "boron" electoluminescence in 4H-SiC and Deep centers Inst. Phys. Conf., 1996, IOP Publishing Ltd ,Chaptei 2,p.349-352.

56. Аверкиев И.С. Капитонова JI.M. Лебедев A.A. Лебедев A.A. Частотная зависимость емкости структур на основе пористого 6H-SiC Письма в ЖТФ, 1996 ,т.22/стр.43-46.

57. Агенян В.Ф. Степанов Ю.А. Лебедев А.А. Лебедев А.А. Рудь Ю.В. Фотолюминесценция анодизированых слоев карбида кремния ФТП, 1997, т.31 ,N2,стр.315-317.

58. Lebedev А.А. Savkina N.S. Strel'chuk A.M. Tregubova A.S. Scheglov M.P. 6H-3C SiC structures grown by sublimation epitaxy Mat.Science and Eng B46

1997, pl68-170.

59. Lebedev A.A., M.C. do Carmo 6H-SiC P-N structures with predominate exciton electroluminescence, obtained by sublimation epitaxy Mat.Science and Eng B46

1997, p.275-277.

60. Zelenin V.V. Lebedev A.A. Starobinets S.M. Chelnokov V.E. Grown and investigation of epitaxial 6H-SiC layers obtained by CVD on Lely substanse Mat.Science and Eng B46, 1997 , p.300-303.

61. Lebedev A.A. Davydov D.V. A study of the contact potential difference in p-n 6H-SiC structures grown by various techniques Mat.Science and Eng B46, p. 271274.

62. Давыдов С.Ю. Лебедев A.A. Тихонов C.H. О барьере Шоттки на контакте металл-карбид кремния ФТП,t31,N 5, 1997, р.597-599 .

63. Lebedev A.A. Tregubova A.S. ChelnokovV.E. Scheglov M.P. Glagovskii A.A. Growth and investigation of big area Lely-grown substrates Mat. Sei and Eng. B46, 1997, p.291-295.

64. Kuznetsov A.N. Lebedev A.A. Bogdanova E.V. Rastegaeva M.G. Temkov E.I. Epitaxial and Heteroepitaxial Grown of Silicon Carbide on SiC and AIN/АЬОз Substrates , J Chemical Vapor Deposition , v 5 , N 4 ( 1997 ) , p 310-317.

65. Лебедев A.A., Ортоланд С., Реноуд С., Локателли МЛ., Плансон Д., Шант Ж.П. Глубокие центры и отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя SiC р-п-стуктур ФТП/г 31.N7,p 866-868,

1997 .

66. Лебедев A.A. .Савкина Н,С.. Трегубова A.C. Щеглов М.П. Исследования гетероэпитаксиальных стуктур (3C(p)-6H(n))SiC ФТП т 31 в 9, 1997 , стр. 1083-1086

67. Данишевский A.M.,Трегубова A.C. Лебедев A.A. Характеризация макродефектов в пленках карбида кремния из данных рентгеновской топографии и комбинационного рассеянья. ФТП ,т.31, в. 10, 1997 , стр. 1192-1197.

68. С.Ю.Давыдов, А.АЛебедев, С.К.Тихонов К расчету высоты барьера Шоттки на начальной стадии формирования контакта карбид кремния -субмонослойная прослойка металла.ФТП,т.32(в.1> 1998 ,стр 68-71.

69. Лебедев A.A., Н.К.Полетаев, М.Ц. до Кармо , Экситонная электролюминесценция бН-SiC р-п-структур, полученных сублимационной эпитаксией.ФТП,т.31,в 11, 1997 ,стр.1343-1349.

70. Лебедев A.A., Давыдов Д.В. Исследование параметров глубоких центров в эпитаксиальных слоях n-SiC, полученных газофазной эпитаксией, ФТП, т.31,в 9, 1997, стр.1049-1051.

Цитируемая литература

[1]. N.J. Round, Electrical World. 30 (1907), 309.

[2] O.B. Лосев ЖТФ,1 (1931), 718.

[3] J.A. Lely, Ber. Dt. Keram. Ges 32 (1955), 229.

[4]Yu.M. Tairov and V.F. Tsvetkov J.Crystal Growth 43 (1978), 209.

[5]Yu. A Vodakov., E.N Mokhov., M.G Ramm., A.O. Roenkov, Krist and Tecnik. 14 (1979) 729.

[6]D.J.Larkin, P.G.Neudeck, J.A.Powell, L.G.Matus Appl.Phys.Lett.65 (1994), 1661.

[7]А.О. Константинов, Д.П. Литвин, В.И. Санкин.Письма в ЖТФ, 7 (19S1) 1335.

[8] А.О. Константинов ФТП, 17 (1983) 2124.

[9]Ю.А. Водаков, Г.А.Ломакина, Е.Н.Мохов ФТП,24 (1982) 1377.

[10] A.N.Andreev, A.S.Tregubova, М.Р. Scheglov, A.L.Syrkin, V.E.Chelnokov Mat. Science and Eng. В 46 (1997) 141.

[И] М.М.Аникин, П.А.Иванов, АЛ.Сыркин, Б.В.Царенков, В.Е.Челноков, Письма в ЖТФ, 15 (1989) 36.

[12] D.L. Barret, R.B.Campbell J.Appl.Phys. 38 (1967) 53.

[13] D.V.Lang J.Appl.Phys,45 (1974) 3023.

[14] А.Г.Кечек, Н.И.Кузнецов, А.АЛебедев препринт ФТИ (1987) 26 с.

[15] E.Janzen, O.Kordina Inst.Phys.Conf.Ser, п.142, 653 (1996).

[16] А. Берг, П.Дин Светодиоды. М.Мир,1973.

[17] В.В.Макаров, Н.Н.Петров, ФТТ, 8 1602 (1966).

[18] В.В.Макаров, ФТТ, 9,596 (1967).

[19] Н.В.Кодрау, В.В.Макаров, ФТП,15,1408 (1981).

[20] 1 Ikeda., H.Matsunami, Т Tanaka. Phys.Rev. 22 ,2842(1980).

[21] В.И.Соколов в сб. "Проблемы физики и технологии широкозонных полупроводников" Л., 1979,с.301-308.

[22] Ю.А.Водаков, А.О.Константинов, Д.П.Литвин.В.И.Санкин Письма в ЖТФ, 7,705 (1981).

[23] А.П.Дмитриев, А.О.Константинов, Д.П.Литвин.В.И.Санкин ФТП, 17 1093 (1983).

[24] М.М.Аникин, С.Н.Вайнштейн, А.М.Стрельчук, АЛ.Сыркин, ФТП, 22 545 (1988).

[25] М.М.Аникин, М.ЕЛевинштейн, И.В.Попов, В.П.Растегаев, А.М.Стрельчук, АЛ.Сыркин, ФТП,22,1574 (1988).

[26] А.С.Кюрегян.П.Н.Шлыгин ФТП,23,1164 (1989).

[27] Н.Д.Сорокин, Ю.М.Таиров, В.Ф.Цветков,М.А.Чернов Кристаллография 28, 910 (1983).

[28] Р.Н.Кютт, А.А.Лепенева,Г.А.Ломакина и др.,ФТТ, 30, 2606 (1988).

[29] А.И.Гирка, В.А.Кулешин, А.Д.Мокрушин и др., ФТП, 23, 1270 (1989).

/

44 ^

О

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО - ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им А.Ф.Иоффе

правах рукописи

Л

ТС 'V - " 1

_(-------

ЛЕБЕДЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 621.382.323.

ЕМКОСТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ.

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

С.Петербург 1998 г.

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ. 2

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. 15

1.1. История развития технологии получения карбида кремния и приборов на его основе. 15

1.2. . Политипизм и зонная структура карбида кремния. 19

1.3. Карбид кремния как материал для полупроводниковой электроники. ^3

1.4. Мелкие и глубокие уровни в 6Н и 4Н БЮ. ^

1.5. Глубокие центры и рекомбинационные процессы в карбиде кремния. ^2

1.6. Заключение к Главе 1 45

ГЛАВА 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗОВАВШИХСЯ В

РАБОТЕ РОСТОВЫХ МЕТОДОВ. 47

2.1. Рентгено-диффракционный анализ использовавшихся подложек. ^

2.2. Получение эпитаксиальных слоев ЭЮ методом сублимации в открытой

52

ростовой системе. .

2.3. Получение эпитаксиальных слоев БЮ методом газофазовой эпитаксии (ОТ)). 58

2.4. Заключение к Главе 2.

63

ГЛАВА 3 . ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИОДОВ ШОТТКИ

И Р-Н ПЕРЕХОДОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ. 65

3.1 Параметры исследовавшихся в работе диодов Шоттки. 65

3.2 Краткая характеристика исследовавшихся в работе р-п структур. ^2

3.3 Исследование р-п структур полученных ионной имплантацией А1. ^

3.4 Исследования р-п структур полученных сублимационной эпитаксией и бесконтейнерной жидкостной эпитаксией. 78

3.5 Получение и исследование эпитаксиально-диффузионных бН-БЮ р-п структур. 84

3.6 Диоды на основе бН-ЭЮ, полученные совмещением газофазной и сублимационной эпитаксии . 95

3.7 Исследование гетероэпитаксиальных структур ЗС (р) - бН(п). 101

3.8 Корпусирование полученных диодных структур. 107

3.9 Заключение к главе 3. 110

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

ЗАТВОРОМ В ВИДЕ ДИОДА ШОТТКИ НА ОСНОВЕ 6Н-81С. 113

4.1. Постановка задачи. 113

4.2. Технология формирования МЕЗБЕТ. 116

4.3. Параметры полученных транзисторов. 123

4.4. Исследование температурных зависимостей параметров полученных транзисторов. 134

4.5. Заключение к Главе 4. 142

ГЛАВА 5. НЕСТАЦИОНАРНАЯ ЕМКОСТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ:

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, НОВЫЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ. 143

5.1. Физические основы емкостной спектроскопии. 143

5.2. Нестационарная емкостная спектроскопия глубоких уровней. 145

5.3. Блок схема установки. 149

5.4. Влияние последовательного сопротивления диода на нестационарные емкостные измерения параметров глубоких уровней. 152

5.5. Метод определения профиля залегания ГЦ, перезаряжающихся при инжекции неосновных носителей заряда. 161

5.6. Измерение диффузионных длин неосновных носителей тока методом нестационарной емкостной спектроскопии. 165

5.7. Методы измерения концентрации инжектированных носителей, коэффициента инжекции р-n перехода и сечений захвата на ГЦ носителей заряда обоих типов. 168

5.8. Заключение к Главе 5. 171

ГЛАВА 6. ПАРАМЕТРЫ И КОНЦЕНТРАЦИИ ОБНАРУЖЕННЫХ В 6Н И

4Н SiC ГЛУБОКИХ ЦЕНТРОВ. 172

6.1. Исследование параметов основных донорных и акцепторных уровней в

SiC. , . . 172

6.2. Исследование глубоких центров верхней половине запрещенной зоны п-базы диодных структур на основе 6H-SiC. 178

6.3. Исследование ГЦ в нижней половине запрещенной зоны n-базы р-п структуры на основе 6Н и 4Н SiC. 181

6.4. Компенсация базовых слоев п-типа проводимости ГЦ акцепторной природы. 190

6.5. Заключение к Главе 6. 197

ГЛАВА 7. ГЛУБОКИЕ ЦЕНТРЫ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ В

6Н И 4H-SiC. 198

7.1. Связь характеристики и электролюминесценции с параметрами ГЦ в случае излучательного перехода: зона проводимости - глубокий акцептор. 198

7.2. Связь "борной" электролюминесценции и D-центров в 6Н и 4H-SiC. 201

7.3. Связь характеристик электролюминесценции с параметрами ГЦ в случае донорно-акцепторной излучатеяьной рекомбинации. 213

7.4. Связь "дефектной" электролюминесценции в 6Н и 4H-SiC с глубокими центрами. 216

7.5. Электролюминесценция бН-SiC р-n структур, легированных алюминием. 235

7.6. Электролюминесценция 6Н и 4Н SiC р-n структур при наличии нескольких каналов для излучательной рекомбинации. 244

7.7. Заключение к Главе 7. 254

ГЛАВА 8. ГЛУБОКИЕ ЦЕНТРЫ И БЕЗЫЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ

РЕКОМБИНАЦИЯ 256

8.1 Влияние глубоких центров на величину диффузионной длины и времени жизни в 6Н - ЭЮ р-п структурах. 256

8.2 Глубокие центры и отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя БЮ р-п структур. 266

8.3 Возможная структура обнаруженных глубоких центров. 271

8.4 Заключение к Главе 8. 278 ЗАКЛЮЧЕНИЕ , 279 ЛИТЕРАТУРА 289

Введение.

Актуальность темы.

Развитие современной энергетики и космической техники требует создания полупроводниковых приборов способных работать, при повышенных температурах и высоких уровнях ионизирующего излучения. Одним из полупроводниковых материалов, на основе которого можно получать подобные приборы, является карбид кремния.

Значительные потенциальные возможности карбида кремния - высокие химическая, термическая, радиационная стойкости а также возможность получения на этом материале светодиодов на весь видимый спектральный диапазон - стимулировали большое число исследований, посвященных 8Ю, в 50-60ые годы. Кроме того словосочетание "карбид кремния" обозначает, по сути дела, целый класс полупроводниковых соединений т.к. БЮ обладает возможностью кристаллизоваться в различных модификациях - политипах. Политипы БЮ при одинаковом химическом составе могут значительно отличатся по своим электрофизическим свойствам, например величины запрещенных зон находятся в диапазоне от 2.4 эВ (ЗС БЮ) до 3.3 эВ (2Н 81С). Все это делает карбид кремния перспективным материалом и с точки зрения создания различных типов гетероструктур.

Однако при изготовлении приборных структур термостабильность оборачивалась высокими температурами роста, сложностями при выборе реактора а химическая стойкость - проблемами при формировании меза-структур и обработке поверхности полупроводника.

Развитие новых технологий позволило к концу 80х годов в значительной степени преодолеть эти трудности . На основе БЮ был создан ряд полупроводниковых приборов, в том числе светодиоды, излучающие4 в синей и фиолетовой областях спектра. Благодаря большой ширине запрещенной зоны Б1С эти приборы могли использоваться при высоких температурах и в других экстремальных условиях.

Известно, что глубокие центры (ГЦ) определяют многие важнейшие параметры полупроводниковых приборов. ГЦ в объеме полупроводника оказывают влияние на время жизни и диффузионную длину неосновных носителей заряда, к.п.д. светодиодов и фотоприемников, коэффициент усиления транзисторов, на величину и температурный коэффициент напряжения пробоя р-п структур. Поскольку в настоящее время заранее не возможно теоретически предсказать значения основных параметров примесных и дефектных центров в новом полупроводниковом материале, то главным источником информации о ГЦ являются экспериментальные методы, в том числе емкостная спектроскопия.

Известно также, что добавление некоторых примесей при сублимационном росте приводит к гетероэпитаксии пленок ЗС и 4Н на основе подложек 6Н. Таким образом исследование параметров и свойств ГЦ образующихся при легировании БЮ данными примесями может дать дополнительную информацию позволяющую понять природу политипизма карбида кремния.

Очевидно, что для дальнейшего развития технологии 8Ю и создания новых приборов, с одной стороны необходимо исследовать параметры ГЦ в эпитаксиальных слоях и р-п переходах, полученных по различным технологиям. С другой стороны, исследование параметров уже созданных приборов может дать дополнительную информацию о свойствах имеющихся в них ГЦ. Кроме того, различные методы выращивания эпитаксиальных слоев и создания р-п структур приводят к образованию различных ГЦ в объеме полупроводника и на его поверхности, которые в свою очередь оказывают влияние на характеристики создаваемых приборов. Таким образом, через исследования параметров и распределений ГЦ можно определить оптимальную комбинацию технологических методов для создания данного типа прибора с лучшим сочетанием рабочих характеристик.

К началу настоящей работы (1983 г) на основе существовали

только отдельные приборы, имеющие, как правило, неудовлетворительные

рабочие характеристики, многие типы приборов еще не были разработаны. Не были также известны параметры глубоких центров, определяющих процессы излучательной и безизлучательной рекомбинации в 6Н и 4Н . Для исследований параметров ГЦ в не применялся весьма информативный метод нестационарной емкостной спектроскопии (БЬТБ).

При выполнении данной работы исследования велись по двум основным направлениям - исследование параметров и свойств глубоких центров в 81С и разработка новых приборов на основе этого материала. Так с одной стороны исследования ГЦ в БЮ проводились в диодах Шоттки и р-п структурах, созданных по уже отработанным технологиям, с другой стороны результаты исследования ГЦ позволяли объяснить и оптимизировать параметры полученных приборов и в некоторых случаях ГЦ с уже известными параметрами и профилями распределения использовались для оценки неизвестных характеристик приборной структуры.

Цель работы .Исследование свойств глубоких центров в эпитаксиальных слоях карбида кремния, и изучение влияния обнаруженных ГЦ на параметры сформированных на основе данных слоев полупроводниковых приборов.

Объект исследования.

Объектом исследования служили эпитаксиальные слои 6Н и 4Н БЮ пир типа проводимости полученные различными технологическими методами ; р-п структуры, диоды Шоттки и полевые транзисторы сформированные на основе данных слоев.

Задачи работы.

•Определение параметров, концентраций и профилей распределения ГЦ в эпитаксиальных слоях и р-п структурах на основе 6Н и 4Н 8Ю, полученных по различным технологиям.

•Исследование влияние обнаруженных ГЦ на процессы излучательной и безызлучательной рекомбинации в БЮ и приборах на его основе

•Разработка новых измерительных методик, расширяющих возможности нестационарной емкостной спектроскопии (ОЬТ8) применительно к БЮ.

•Сравнительное исследование свойств р-п структур, сформированых на основе 6Н и 4Н БЮ для разработки высокотемпературных диодных структур и 6Н 8 ¡С полевых транзисторов с затвором Шоттки (МЕЗНЕТ).

Научная новизна.

Показано, что электростатические параметры БЮ р-п структур сформированных БЖЭ и СЭ ,и их температурные зависимости соответствуют теории Шокли для резкого ассимметричного р-п перехода.

Показано что обнаруженные в 6Н ЭЮ глубокие акцепторные центры Б-центр (Еу + 0.58эВ), 1 центр (Еу + 0.52 эВ) и Ь- центр (Еу +0,24 эВ) имеют аналоги в других политипах 8Ю ( в 4Н БЮ Б-центр (Еу + 0.52эВ); 1 центр ( Еу + 0.5эВ), Ь- центр (Еу +0,28 эВ)), которые являются активаторами одних и тех же процессов излучательной рекомбинации: О-центр - "борной" а 1 центр -"дефектной " электролюминесценции.

Показано, что Б (Ее -0.35 эВ) и ЩЕс - 1.27 эВ) центры могут быть основными рекомбинационными центрами в 6Н Б1С.

Развита теория анализа ОЬТБ спектров ГЦ, перезаряжающихся при инжекции неосновных носителей заряда.

Для случая излучательной рекомбинации : нейтральный акцептор - с-зона и донорно-акцепторной рекомбинации ( глубокий акцептор-мелкий донор) получены выражения описывающие зависимость интенсивности электролюминесценции (ЭЛ) от плотности прямого тока и температуры, а также температурную зависимость времени послесвечения ЭЛ исходя из параметров ГЦ и концентрации инжектированных носителей заряда. Дано качественное и количественное описание ранее наблюдавшемуся смещению

максимума электролюминесценции 4Н и 6Н ЗЮ р-п структур в коротковолновую область с увеличением плотности прямого тока.

Разработана теоретическая модель, позволяющая объяснить отрицательный температурный коэффициент напряжения пробоя бН-БЮ р-п структур перезарядкой глубоких акцепторных уровней предпробойным током.

Впервые проведено исследование электрофизических свойств гетерополитипных р-п структур р-ЗОБЮ/п-бН-БЮ, полученных сублимационной эпитаксией.

Было показано,что изменение соотношения С/Б! при росте эпитаксиальных слоев методом газофазовой эпитаксии, оказывает влияние на концентрацию образующихся фоновых глубоких акцепторных уровней.

Практическая ценность работы.

Разработана технология МЕББЕТ полевого транзистора, работоспособного до температур 300 °С.

На основе 6Н 81С разработаны корпусированные диоды на напряжение пробоя 800 В (до 1500 В в некорпусированном варианте) и прямой ток 0,5 - 1 А, работоспособные до температур > 500 °С.

На основе БЬТБ разработаны и защищены авторскими свидетельствами методы измерения диффузионной длины, коэфициента инжекции и концентрации инжектированных носителей в базовой области р-п перехода.

Показано, что увеличение сопротивления базовых областей р-п перехода может привести к искажению, исчезновению и перемене знака наблюдаемого БЬТБ сигнала.

Было обнаружено что перекомпенсация наиболее слаболегированных слоев БЮ п типа проводимости, получаемых методом сублимационной , эпитаксии обусловлена фоновыми ГЦ акцепторной природы. Это позволило оптимизировать технологические условия роста, снизить концентрацию данных центров и получить эпитаксиальные слои со значением Ш-Ка ~ 1 1015 см0.

Апробация работы.

Материалы работы были представлены на 30™ национальных и международных конференциях: " Отраслевом научно-техническом семинаре по быстродействующим полупроводниковым приборам" (Таллинн 1985 и 1987 гг); "Отраслевом семинаре по перспективам развития технологии силовых

полупроводниковых приборов" (г.Белая Церковь 1985 г.); на Зем Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников"

(Махачкала, 1986); на 176ом симпозиуме Электрохимического общества США

(Голливуд, США, 1989); На Зей, 5ой, 6ой и 7 ой Международных конференциях по кристаллическому и аморфному БЮ (Вашингтон, США, 1990 и 1993 гг, Киото, Япония, 1995г., Стокгольм, Швеция, 1997); на конферециях Европейского материаловедческого общества ( Страсбург, Франция, 1990, 1991, 1994, 1996 гг.); на 12ой конференции Европейского физического общества (Прага, Чехия, 1992 ); на 1ой национальной конференции "Дефекты в полупроводниках" (С.Петербург, 1992); на 4ой Европейской конференции по алмазу и алмазоподобным полупроводникам (Апьбуфейра, Португалия, 1993); на 4ом международном симпозиуме по

исследованию и новым применениям тонких пленок ( Дрезден, Германия, •" рЙ

1994); на 20И и 3 конференции по высокотемпературной электронике (Шарлотта, США, 1994, Альбукерка, США, 1996); на 7ой конференции по силовым полупроводниковым приборам (Йокогама, Япония, 1995); на Международном семинаре по исследованию карбида кремния и приборов на его основе ( Новгород, Россия, 1995 и 1997 ); на 3ЕМ Симпоузиме по развитию технологий и исследованию свойств компаундных полупроводниковых материалов (Фрайбург, Германия , 1996); 3ЕМ Международном семинаре по исследованию алмазоподобных пленок (С.Перербург, Россия, 1996),на первой Европейской конференции по Карбиду Кремния (Крит, Греция, 1996), на 23 Международном симпозиуме по ваАэ и сопутсвтующим материалам

(С.Петербург, Россия, 1996), на Международном семинаре по фундаментальным аспектам применения сверхтонких диэлектриков (С.Петербург,Россия, 1997), на 19ой Международной конференции "Дефекты в полупроводниках" (Авейро, Португалия

1997), на коференции Инженерного общества США по материалам высокотемпературной электронике и сенсорам (Сан-Диего, США, 1998), на Симпоузиуме " Исследование карбида кремния и приборов на его основе в России" (Вашингтон, США, 1998).

А также на семинарах: Мюнхенского Технического университета и Университета Нюренберг-Эрланген (ФРГ, 1992), университета в г.Авейро (Португалия, 1993-1995), Центральной школы электронике (Лион, Франция, 1994-1996) ,Университета г.Гераклион (Крит, Греция, 1996), Университета г. Болония (Болония, Италия, 1997) и Технологического Института штата Джорджия (Атланта, США,

1998), Государственного С.Петербургского университета и ФТИ им. Иоффе.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 70 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы из 319 работ. Объем диссертации составляет 310 страниц, включая 112 рисунков и 11 таблиц.

Научные положения выносимые на защиту.

1. В эпитаксиальных слоях Б ¡С п-типа проводимости всегда существуют фоновые глубокие центры акцепторной природы, общая концентрация которых сильно зависит от использовавшейся технологии роста. Параметры и свойства отдельных центров близки в различных политипах , а концентрации, при прочих равных условиях, снижаются с увеличением степени гексагональности политипа.

2. В SiC существуют перезаряжающиеся при инжекции неосновных носителей заряда �