Формирование тонкопленочных и ионно-имплантированных газосенсорных структур на кристалле n-6H-SiC с применением импульсной лазерной плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Демин Максим Викторович

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ И ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ ГАЗОСЕНСОРНЫХ СТРУКТУР НА КРИСТАЛЛЕ я-6Н-81С С ПРИМЕНЕНИЕМ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ

01.04.07 - «Физика конденсированного состояния»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2013

005538860

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Фоминский Вячеслав Юрьевич, НИЯУ МИФИ

доктор физико-математических наук, г.н.с. Голубков Геннадий Валентинович, Институт химической физики им. H.H. Семенова РАН

доктор физико-математических наук, Ошурко Вадим Борисович, зав. каф. физики МГТУ «СТАНКИ! I»

НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцина МГУ

Защита диссертации состоится «11 » декабря 2013 года в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.130.04 НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ Автореферат разослан «8» ноября 2013 года

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенном печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

И.И.Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Создание новых тонкопленочных материалов с контролируемыми и регулируемыми на наноуровне структурно-фазовыми характеристиками, качественно превосходящих существующие образцы по функциональным свойствам и работоспособных в осложненных условиях — одна из наиболее актуальных проблем современного материаловедения. В частности, такие материалы необходимы для решения проблемы мониторинга взрывоопасных и экологически вредных газов при создании полупроводниковых датчиков, функционирующих при повышенных температурах и давлениях. Для расширения рабочих условий, спектра и концентраций регистрируемых газов необходим переход с кремниевой подложки таких сенсорных устройств на карбидокремниевую, которая существенно превосходит кремниевую по ряду важных физических и механических характеристик.

Успех развития карбидокремниевой технологии во многом зависит от глубины понимания физической картины процессов, протекающих при создании функциональных тонкопленочных и ионно-легированных слоев на монокристаллических 8Ю подложках. Условия формирования таких структур, возможности их получения с применением импульсной лазерной плазмы, электрические свойства в различных газовых средах к настоящему времени практически не изучены. Для эффективного использования лазерных методик представляется важным провести глубокие исследования физической картины процессов, протекающих в нестационарной импульсной лазерной плазме. Экспериментальные исследования должны охватывать как процессы в самой плазме, так и воздействие ускоренной полями плазмы на поверхностные слои подложек.

Целью работы явилось установление механизмов формирования функциональных тонкопленочных и ионно-легированных структур из импульсной лазерной плазмы на монокристаллах карбида кремния и определение зависимости их электрофизических свойств в водородосодержащей воздушной смеси от условий получения, структурного состояния и температуры мониторинга газовой среды.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

1. Разработана комбинированная лазерная методика, обеспечивающая бескапельное нанесения тонкопленочных слоев и имплантацию высокоэнергетических ионов в контролируемых по энергетическим характеристикам атомарных и ионных потоков условиях.

2. Экспериментально исследована и смоделирована динамика лазерно-инициированного потока атомов платины при проведении процессов импульсного лазерного осаждения (ИЛО), в том числе в условиях применения противокапельного экрана (методика ИЛОЭ).

3. Экспериментально исследована и смоделирована динамика импульсной лазерной плазмы при ее разлете от мишени до подложки, определены энергетические характеристики имплантируемых ионов в условиях ре-

гулируемого включения интенсивности импульсных электрических полей.

4. Созданы тонкопленочные и ионно-имплантированные слои на кристаллах и-бН-Б^С и исследована зависимость их морфологии, структурного и химического состояния, а также электрофизических свойств от условий ИЛО, ИЛОЭ и ионной имплантации (ИИ) платины.

5. Выявлены условия получения лазерными методами структур Р1/Р1+/Б1С, проявляющих стабильные и качественные сенсорные свойства на водород при функционировании в условиях высоких температур (до 500 °С) и концентрации водорода (до 8 %).

Научная новизна.

1. Впервые экспериментальными методами определены скоростные распределения атомов и ионов в лазерном факеле из мишени на начальной стадии ее разлета в вакууме, которые определяли энергетические характеристики осаждаемых и имплантируемых частиц при проведении процессов ИЛО, ИЛОЭ и ИИ.

2. Впервые установлены особенности формирования тонкопленочных металлических барьерных и контактных слоев на и-бН-ЗЮ подложках при варьировании условий ИЛО и постобработки структур металл-ЗЮ (\lSiC).

3. Впервые установлены механизмы формирования ионно-имплантированных слоев и глубинных профилей внедряемых элементов при реализации импульсной ИИ из лазерной плазмы.

4. Впервые комбинированным лазерным методом получены структуры Р1ЯЧ+/8Ю и установлена зависимость их электрофизических свойств в водородосодержащей газовой среде от их химического состава, условий получения и температуры среды.

Практическая ценность.

1. Представленные в работе результаты могут быть использованы в научных исследованиях в НИЯУ МИФИ, МГТУ «Станкин», НИТУ МИСиС и других научных организациях, занимающихся исследованиями в области получения современных функциональных, в том числе газосенсорных, структур.

2. Результаты экспериментальных исследований и разработанные математические модели могут быть использованы при создании лазерными методами новых структур с заданными и контролируемыми на наноуровне характеристиками.

3. Результаты экспериментальных исследований электрофизических свойств структур, полученных лазерными методами, выявленные условия, позволяющие формировать стабильные сенсорные структуры, могут быть использованы для создания эффективных датчиков водорода, функционирующих в осложненных условиях эксплуатации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований и математического моде-

лирования атомарных потоков Pt, а также структурных исследований тонких пленок платины при реализации различных конфигураций методики ИЛО, в том числе ИЛОЭ.

2. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования лазерно-инициированных ионных потоков платины, образующихся при разлете импульсной лазерной плазмы от мишени до подложки во внешних импульсных электрических полях, при варьировании условий включения высоковольтных импульсов (ВВ).

3. Результаты экспериментального исследования и разработанные модели формирования глубинных распределений платины при легировании карбида кремния из импульсной лазерной плазмы в импульсном электрическом поле.

4. Результаты экспериментального исследования электрофизических свойств структур Pt/Pt+/w-6H-SiC, полученных лазерными методами, с выявлением условий и факторов, позволяющих формировать структуры с эффективной реакцией на водород в газовой смеси при повышенных температурах и взрывоопасных концентрациях водорода. Достоверность научных положений, результатов и выводов. Полученные экспериментальные и теоретические результаты реализованы

в рамках строгого технического контроля и воспроизводимы. При выполнении работы применялись сертифицированные подложки 6H-SiC достаточно высокого структурного совершенства, позволяющего использовать высокоинформативные аналитические методы для изучения ионно-инициированных структурных и химических изменений под воздействием импульсной лазерной плазмы.

Достоверность результатов обеспечена использованием комплекса современных методик исследования функциональных структур, глубокой систематизацией результатов комплексного исследования и сопоставлением результатов экспериментальных и расчетных теоретических исследований; ясной трактовкой новых результатов, непротиворечивостью опубликованным данным. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с применением современных математических моделей.

Личный вклад соискателя заключается в постановке задачи, проведении экспериментальных исследований по созданию новых тонкопленочных слоев и ионно-имплантированных структур на основе карбида кремния, обработке и интерпретации данных комплексных исследований процессов, происходящих в импульсной лазерной плазме и созданных структурах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы. Материалы диссертации изложены на 161 странице, содержат 3 таблицы, 67 рисунков и список цитируемой литературы из 74 наименований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на ежегодных научных сессиях НИЯУ МИФИ в 2010-2012 гг. (г. Москва); International Conference on Lasers, Applications, and Technologies LAT-2010 (Kazan, 2010);

Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (г. Минск, 2009); International Conference «Fundamentals of Laser Assisted Micro&Nanotechnologies» (г. Санкт-Петербург, 2010); Курчатовской молодежной научной школе (г. Москва, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных работ

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, направленных на изучение процессов, протекающих при ИЛО тонкопленочных структур и ИИ в SiC кристаллы, представляющие собой перспективный современный полупроводниковый материал для создания газовых сенсоров, применимых для мониторинга взрывоопасных и экологически вредных газов. Сформулированы цель работы и решаемые задачи, указаны научная новизна и практическая ценность, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ состояния исследований, проводимых в России и за рубежом по формированию тонкопленочных структур методами ИЛО и ионной имплантации из лазерной плазмы, их практической ценности, существующих на сегодняшний день способов усовершенствования и модернизации данных методов с целью получения качественно новых сенсорных структур. Рассмотрены результаты реализации методики ИЛОЭ, функциональные и электрофизические свойства структур, полученных лазерными методами на карбидокремниевых подложках и современные механизмы регистрации газов в существующих сенсорных устройствах и обоснован выбор карбида кремния вследствие его уникальных физических характеристик в качестве перспективного материала для создания сенсорных структур. Проанализированы результаты современных исследований по применению МОП-структур на основе карбида кремния в качестве газовых детекторов.

Выявлено активное развитие исследований в области получения функциональных тонкопленочных, в том числе наноструктурированных, материалов для газовых сенсоров на платформе MSiC и металл-оксид-SiC (MOSiC). Установлены проблемы, принципиально ограничивающие возможности применения структур типа MSiC и MOSiC для создания датчиков, работоспособных при повышенных температурах (выше 500 °С). Выявлено, что количество исследований в области формирования ионно-легированных структур для SiC газовых датчиков сильно ограничено и нет полной ясности в вопросе о целесообразности и эффективности применения таких материалов в газосенсорных структурах.

На основе анализа научных информационных источников обоснована важность проведения исследований по изучению лазерных методов формирования функциональных слоев на карбидокремниевых подложках. Эти методы заметно отличаются от традиционных методов нанесения тонких пле-

нок физическими характеристиками осаждаемых плазменно-паровых пучков и возможностью их регулирования в широких пределах, в том числе возможностью проведения высокоэнергетической ионной имплантации.

Во второй главе приведено описание функционирования экспериментального оборудования, разработанного для получения тонкопленочных и ионно-имплантированных структур. При получении тонкопленочных структур лазерный эрозионный факел из мишени направлялся на БЮ-кристалл по нормали к его поверхности (рис. 1). Использовалось излучение лазера на алюмоиттриевом гранате с длиной волны излучения 1,06 мкм и длительность импульса —10 не. Лазерный флюенс составлял 50 - 100 кДж/м2.

Импульсный

Высоковольтный генератор

Лазерный луч

Вакуумная откачка

Рис. 1. Схема экспериментальной методики для получения тонкопленочных и ионно-имплантированных структур из лазерного факела.

В ряде случаев перед подложкой устанавливался экран, предотвращающий осаждение капельной фракции микронных размеров. При осаждении с экраном полученная пленка платины обладала достаточно гладкой поверхностью без микрочастиц (рис. 2).

(а) (б)

Рис. 2. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) пленки Р1, осажденной на Э1С подложке методами ИЛО (а) и ИЛОЭ (б).

Для повышения эффективности рассеяния лазерного факела в теневую область в камеру напускался буферный газ аргон до заданного давления.

При получении ионно-имплантированных структур во время движения плазмы к держателю мишени (или подложки) подключался ВВ импульс требуемой полярности. Амплитуда импульса составляла 50-70 кВ, длительность —10 мкс. Высоковольтный импульс с помощью системы синхронизации включался через определенное время после лазерного импульса, что оказывало влияние на энергетический спектр имплантируемых ионов и дозу имплантации (в импульсе).

В результате варьирования условий облучения был определен режим, обеспечивающий стабильную работу методики ИИ из лазерной плазмы. Полная энергия лазерного импульса выбиралась из диапазона 5-14 мДж, лазерный флюенс при этом составлял 30-50 кДж/м2.

Экспериментальная установка позволяла проводить исследования лазерного факела, необходимые для установления характеристик нейтральной компоненты и ионного потока. Для измерения скоростного спектра атомов в факеле использовалась методика осаждения лазерного факела на вращающийся диск. Осажденные пленки исследовались методом обратного резер-фордовского рассеяния ионов гелия (ОРРИ), что позволяло определить количество атомов, осаждаемых на диск через определенное время после лазерного облучения мишени. Математическая обработка полученных спектров позволила определить скоростное распределение атомов Р1 в лазерном факеле (рис. 3).

V, Ю* м/с

(в)

80000 еоооо

40000 20000

V, 1С4 м/с (б)

Рис. 3. Скоростное распределение атомов (а), одно- (б) и двухзаряд-ных ионов (в) платины в импульсном лазерном факеле.

(1)

Для исследования ионного потока в импульсной лазерной плазме из 14 мишени использовался многосеточный детектор-анализатор с задерживающим потенциалом. При обработке скоростных спектров предполагалось, что на поздних стадиях разлета в лазерном факеле для атомов, а также для одно-и двухзарядных ионов устанавливаются «смещенные» максвелловские распределения по скоростям V:

ч 3/2 / ,

ч2тгАгТ;) ^ 2кТ: где N1 - плотность частиц (атомов, ионов) с массой т„ а индекс / обозначает сорт частиц, к - постоянная Больцмана, Г, — температура, и, - дрейфовая скорость потока.

В результате математической обработки установлено, что для низкоскоростного потока атомов (V = 7 км/с), (кТ = 5 эВ), для высокоскоростного потока (у = 11 км/с), (кТ = 24 эВ). В скоростном распределении однозарядных ионов присутствовали две компоненты, распространяющиеся с дрейфовой скоростью (V = 5,5 км/с), (кТ = 11 эВ) и (V = 11 км/с), (кТ = 20 эВ). Для двухзарядных ионов было определено (у = 12,5 км/с), (кТ = 25 эВ). Согласно результатам анализа энергетического спектра ионов соотношение количества двух- и однозарядных ионов в потоке оценивалось величиной -0,33. При этом количество низкоскоростных однозарядных ионов примерно в 1,5 раза превышало количество высокоскоростных однозарядных ионов

Архитектура структур, созданных лазерными методами на 8¡С подложках, показана на рис. 4. Использовались пластины электронного 6Н-8\С без эпитаксиального слоя (производство ООО «Полупроводниковые кристаллы»), Для получения омического контакта предварительно на тыльную поверхность в1С подложки методом ИЛО наносилась пленка которая затем отжигалась в вакууме при температуре -900 °С в течение 15 мин. Площадь

тылового №-контакта на пластинах составляла Ю"4 м2.

1

ы л»--. ;н 1М "рУ ш

31с

Ш РЬ/ги/зю '///, Шп/ШЫсШ

т

г

\

О) б) в)

Рис. 4. Схемы структур, сформированных на 81С подложке с омическим контактом: а) тонкая металлическая пленка, б) ионно-имплантированный слой, в) комбинация пленки и ионно-имплантированного слоя.

В конце главы приведены экспериментальная методика измерения воль-тамперных и динамических характеристик сформированных структур и описана методика обработка полученных данных.

В третьей главе приведены основные результаты экспериментальных исследований структурного состояния тонких металлических пленок и контактных слоев, сформированных ИЛО на карбидокремниевые кристаллы с применением экрана и без него. Рассмотрена разработанная компьютерная модель, описывающая процессы ИЛО и ИЛОЭ.

Исследования пленок Р1 методом СЭМ показали, что применение проти-вокапельного экрана позволило получать пленки, имеющие нанокристалли-ческую структуру и не содержащие частиц микронных размеров. При этом согласно данным исследований методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) нанорельеф пленок, сформированных беспрепятственным осаждением лазерного факела и осаждением в тени экрана, различался (рис. 5). Для выявления особенностей рельефа пленки Р1 наносились на полированные подложки кремния. Морфология пленки указывала на то, что при беспрепятственном осаждении лазерного факела формировалась однородно-структурированная пленка, состоящая из нанокристаллов с латеральными размерами -50 нм. В тени экрана возникали области (кристаллы/блоки) субмикронных размеров, которые состояли из нанокристаллов с характерными размерами ~50 нм. В обоих случаях высота неровностей не превышала 2 нм.

нм

Рис. 5. АСМ изображение пленки платины, полученной беспрепятственным осаждением лазерного факела (а, б) и в тени противока-пельного экрана (в).

(в)

Моделирование процессов осаждения лазерного факела из Р1 мишени в тени экрана проводилось по специальной программе, учитывающей физиче-

ские характеристики лазерно-инициированного потока атомов. Модель, основанная на одном из вариантов метода прямого статистического моделирования Монте-Карло, имитировала проникновение атомарного потока в неподвижную инертную газовую среду, сопровождающееся упругими столкновениями атомов и молекул газа. Для задания начальных условий в задаче разлета лазерного факела использовались результаты экспериментальных измерений скоростного спектра атомов.

При описании столкновений рассматривались две модели: модель молекул твердых сфер (ТС или HS - Hard Sphere) и модель молекул изменяемых твердых сфер (ИТС или VHS - Variable Hard Sphere). Модель ИТС описывает изотропное рассеяние с учетом кинетической энергии Е сталкивающихся частиц.

Сравнение экспериментальной зависимости толщины пленки платины от расстояния от центра зоны осаждения с расчетными зависимостями показало (рис. 6), что применение в расчетном эксперименте модели ИТС позволило получить результаты, которые наиболее хорошо совпадали с результатами физического эксперимента. Анализ расчетных энергетических распределений показал (рис. 7), что в теневой области верхняя граница энергетического распределения осаждаемых низкоскоростных атомов составляет 50 эВ, а высокоскоростных атомов, в отличие от осаждения без экрана, не превышает 100 эВ. Большая часть атомов при осаждении обладает энергией не более 20 эВ, что не превышает энергию смещения атомов из узлов кристаллической решетки.

Рис. 6. Сравнение модельного распределения платины по поверхности подложки (1) с результатами эксперимента (2).

На рис. 6 и 7 видно, что в тени экрана существенно понижается скорость осаждения, уменьшается энергетика падающего потока атомов Р1 и уширяется угловая диаграмма, а также отсутствует бомбардировка растущей пленки

высокоскоростными ионами лазерной плазмы. Эти факторы оказывали существенное влияние как на формирование структуры самой пленки, так и межфазной границы с 8!С-подложкой, что проявилось при исследовании электрофизических свойств структуры РЬ^С (глава 5).

Е, эВ

Рис. 7. Расчетные энергетические распределения атомов Р1 при различных условиях осаждения: 1- низкоскоростная компонента в вакууме; 2 - низкоскоростная компонента в тени экрана; 3 - высокоскоростная компонента в вакууме; 4 — высокоскоростная компонента в тени экрана.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований ионных пучков из импульсной лазерной плазмы в зависимости от схемы подключения и времени задержки ВВ импульса относительно лазерного. Согласно экспериментальным данным стабильный ионный сигнал формировался в случае включения ВВ импульса с некоторой задержкой после лазерного импульса. При этом амплитуда сигнала и полный заряд (доза имплантации) возрастали при увеличении задержки до 5 мкс, а затем снижались (рис. 8).

0,8-,

г, мкс

Рис. 8. Осциллограммы импульсов тока, измеренные на подложке при различных условиях подключения ВВ импульса к мишени.

Анализ формы ионных сигналов не позволял выявить условия, при которых имплантация двухзарядных ионов платины протекала наиболее эффективно. Для определения условий эффективной ИИ Pt2+, а также достаточно точного расчета энергетического спектра имплантируемых ионов была разработана математическая модель, описывающая разлет лазерной плазмы в импульсном электрическом поле. Моделирование проводилось методом «частиц в ячейках» PIC (Particle-in-Cell). При котором совместно решались уравнения движения электронов и ионов и уравнения Пуассона для потенциала самосогласованного электрического поля, рассчитываемого на узлах пространственной сетки. Для задания начальных условий при моделировании использовались результаты экспериментальных исследований ионного потока с помощью детектора-анализатора.

Моделирование позволило получить информацию о временной эволюции и энергетическом распределении имплантируемых ионов, динамике набора дозы имплантируемых ионов, пространственном распределении компонент плазмы и потенциала электрического поля в различные моменты времени при варьировании свойств плазмы и параметров включаемого ВВ импульса. Сравнение экспериментальных и модельных зависимостей импульса тока свидетельствует о корректности созданной математической модели (рис. 9).

/, мкс

Рис. 9. Сравнение экспериментального (1) и модельного (2) импульса тока, возникающего на подложке при включении ВВ импульса через 2 мкс после лазерного импульса.

Математическое моделирование ионного потока показало, что энергетический спектр имплантируемых ионов и имплантируемая доза существенно зависели от времени задержки ВВ импульса (рис. 10 и 11). Наиболее высокие энергии ионов реализуются при задержке 2—3 мкс. На расчетном распределении виден вклад от двух- и однозарядных ионов, а максимальная энергия

ионов достигает 100 кэВ. При увеличении задержки имплантируются в основном однозарядные ионы, и, как следствие, энергетическое распределение сужается до диапазона 1-50 кэВ.

0.4 1)3 0,2 ^

40 60 80 100

Е, эВ

Рис 10. Модельное энергетическое распределение ионов платины при различных временах задержки (указаны над кривыми) включения ВВ импульса после лазерного импульса.

мкс

Рис. 11. Модельная скорость набора дозы ионов платины при различных временах задержки (указаны над кривыми) включения ВВ импульса после лазерного импульса.

Наибольшая доза имплантации должна достигаться при задержке 5 мкс, однако при такой задержке двухзарядные ионы ускоряются полем лишь на стадии его нарастания. Основной модельный поток Р(:2+ достигает подложку до включения поля.

ОРРИ исследования показали, что в случае холодной ИИ на поверхности кристалла формировался слой с полностью разупорядоченной структурой. Максимальная концентрация Р1 на поверхности составляла 15 ат.% и спадала до нулевого значения на глубине 50 нм. Горячая ИИ платины с низкой дозой вызывала увеличение степени дефектности поверхностного слоя монокристалла, однако полной аморфизации не наблюдалось. Увеличение дозы горячей ИИ вызывало увеличение глубины нарушенного слоя, однако степень дефектности его не возрастала. В глубинном распределении выделялось две

области: высоколегированная область толщиной ~50 нм с концентрацией до 20 ат.% и область с характерным диффузионным профилем, простирающимся на глубину более 200 нм (рис. 12).

И 20-1

2SOO-20001500 -tOOü -

■ха п

Каналы (а)

I ,

ил

с-«

м

а. 1с-¿2

Глубина, нм (б)

Рис. 12. Модельный (пунктир) и экспериментальный ОРРИ спектры для SiC, имплантированного ионами Pt до высокой дозы (~ 5- Ю20 м-2) при повышенной температуре (550 °С) подложки (а); рассчитанный концентрационный профиль платины в SiC кристалле (б).

Исследования методом СЭМ показали, что холодная ИИ и горячая ИИ с низкой дозой не вызвали заметных изменений топографии поверхности SiC-пластин, в случае высокодозовой горячей ИИ обнаружены признаки формирования слоя с развитой поверхностью, состоящего из химического соединения на основе Pt и SiC (рис. 13).

(а) (б) (в)

Рис. 13. СЭМ-изображения поверхности кристаллов после холодной (а), низкодозовой горячей (б) и высокодозовой горячей (в) ионной имплантации Р1 из импульсной лазерной плазмы.

Проведено сравнение результатов холодной и горячей высокодозовой ИИ с точки зрения эффективности легирования поверхностного слоя SiC-подложки, указывающее на существенное влияние термостимулирован-ной радиационно-ускоренной диффузии платины при горячей ИИ. Внедрение платины на глубину до 250 нм при концентрации -0,1 ат.% в условиях горячей ИИ не вызывало существенного искажения атомной решетки монокристалла SiC.

Проведенные РФЭС исследования не позволили выявить явных различий не только в химическом состоянии элементов при холодной и горячей ИИ, но и в глубинном распределении внедренной платины. Согласно РФЭС измерениям в ионно-имплантированных слоях в карбидокремниевой подложке атомы платины образовывали фазовые включения, состав которых и структурное состояние аналогичны силициду платины PtSi.

Приведен результат расчета концентрационного распределения ионов платины, внедренных в аморфный SiC из лазерной плазмы, проводившийся с учетом расчетного энергетического распределения (рис. 14).

Глубина, нм

Рис. 14. Модельные глубинные распределения атомов Р1, имплантированных из импульсной лазерной плазмы при варьировании задержки включения ВВ импульса (указано на рисунке).

При задержке 2 мкс может формироваться наиболее «пологий» концентрационный профиль платины и достигается максимальная глубина модифицированного слоя. Модельный профиль простирается до 50 нм. При задержке 3 мкс глубина легирования уменьшается не существенно, при этом заметно возрастет концентрация в максимуме распределения за счет эффективного внедрения всего ионного потока из плазменного импульса. Это обуславлива-

ет резкий рост градиента концентрации в глубоко легированных слоях 81С. При увеличении задержки до 5 мкс и заметно падает глубина легированного слоя.

Сравнение экспериментального глубинного распределения с модельным указало на основное отличие, заключавшееся в высокой концентрации 14 в приповерхностном слое толщиной 20 нм (рис. 15). Для получения реального модельного профиля предполагалось, что поверхностный слой подложки подвергался эффективному легированию атомами отдачи. По этой причине имплантация ионов сопровождалась образованием на поверхности высоколегированного слоя, содержащего —10 ат.% Р1. Модельное распределение затем использовалось в программе моделирования спектров ОРРИ. Модельные ОРРИ спектры сравнивались с экспериментальными спектрами, и результаты указывали на хорошее совпадение модельного и экспериментального ОРРИ спектров.

Глубина, нм

Рис. 15. Модельное распределение (сплошная кривая) Р1 в БЮ при низ-кодозовой имплантации, учитывающее внедрение Р1 из пленки (треугольники). Квадратами указаны значения концентрации платины, использованные для построения ОРРИ спектра.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований электрофизических и газосенсорных свойств тонкопленочных, ионно-имплантированных и комбинированных структур. ВАХ образцов, полученных ИЛО и ИЛОЭ, указывали на диодные свойства структур. Прямые ветви имели функциональный вид (2) при У> цкТ/е примерно с одинаковыми коэффициентами идеальности г|= 1,9, но с разными значениями /0 (рис. 16).

/(Ю-/.«Р^, (2)

10 = &4Г2(ехр

(3)

где V— напряжение; п - коэффициент идеальности; к - постоянная Больцма-на; Т — температура; 10 - ток насыщения; 5 - площадь контакта; Л - эффективная постоянная Ричардсона, равная /С/я/й3 (к - постоянная Планка), и при эффективной массе электрона т = 0,7т0 (здесь та - масса свободного электрона) составляющая 10б АУ(мград)2; Ф - высота потенциального барьера; е — заряд электрона.

Изменение условий осаждения лазерного факела оказало влияние на высоту потенциального барьера: при осаждении 14 с экраном высота потенциального барьера со стороны металла составляла 0,73 эВ, а в случае осаждения без экрана - 0,67 эВ. Это связано с изменением поверхностной плотности электронов и концентрации поверхностных состояний акцепторного типа. При обратном смещении ВАХ не выходят на насыщение по току, а нарастают линейно, сублинейно и суперлинейно.

(а) (б)

Рис. 16. Прямые (1, 2) и обратные (Г, 2') ветви ВАХ структуры РЬ^С, представленные в полулогарифмическом (а) и логарифмическом масштабах (б);

1,1' — ИЛО Р1 в вакууме; 2, 2' — ИЛОЭ пленки Р1 в аргоне.

На рис. 17 представлены ВАХ, измеренные для структуры Р^ЭЮ, полученных методом ИЛОЭ, на воздухе и в водородосодержащей смеси при температуре 500 °С. Из графика видно, что структура сохраняла диодность даже при температуре 500 °С и высоких напряжениях смещения. Относительное увеличение тока в присутствии водорода достигала 50%, причем абсолютная величина изменения тока росла с увеличением напряжения смещения и при 4 В составила 8 мА.

Механизм влияния водородосодержащей среды на токопрохождение в структуре Р1/Б1С состоит в том, что осажденный слой металлической каталитической Р1 способствует разложению молекулярного водорода на атомарный, который проникает к интерфейсу с в ¡С, снижая высоту потенциального

барьера.

ш

<

£

г-А. I

."11"."." I

2% ТТ.

Рис. 17. ВАХ для образца Р1У81С, измеренные на воздухе и смеси воздуха с водородом (2%) при 500 °С

-6 -4 -2 0 2 4 6

и, В

ВАХ ионно-имплантированных структур слабо изменялись в водородо-содержащей среде. Заметная реакция проявлялась лишь при высоких концентрациях водорода (~ 8% в азоте) и температуре образца не менее 300 °С. После замены водородосодержащей газовой смеси на азот параметры ВАХ восстанавливались (рис. 18).

/Л

V

м /, с

(а)

(б)

Рис. 18. ВАХ, измеренные в атмосфере азота (1) и смеси азота с водородом (2) при 500 °С для структуры, полученной ИИ Р1 с дозой 1019 м~2(а); изменение тока при подаче и удалении водорода (б).

ВАХ ионно-имплантированных структур симметричны по полярности подаваемого напряжения. Зависимости тока от напряжения близки к линейным, что указывает на слабое влияние на токопрохождение барьера на границе модифицированный слой - в^С по причине внедрения атомов Р1 в глубокие слои кристалла и изменения токопрохождения в этих слоях.

В случае чрезмерно высокой дозы ионов платины (~ 5Ю20 м"2) домини-

ровала твердофазная реакция пленки платины с вЮ-подложкой, в результате чего образовывался неоднородный тонкий слой, состоящий из силицидов платины и графита. Такой образец не проявлял заметной реакции на водород вследствие выведения большей части атомов Р1 на границе с из каталитически активного состояния в химически-связанное с атомами в! состояние.

Для повышения чувствительности ионно-имплантированных структур после ионного легирования до различных доз (Ю20; 4-1019; 1019 м-2) на их поверхность осаждалась пленка Р1. Эта пленка должна была повысить площадь контакта, увеличивая тем самым активную область детектора и, как следствие, повысить величину токов через детекторную структуру. Так же осажденный слой должен был повысить эффективность процессов диссоциации молекул водорода для последующего их проникновения во внутренние слои структуры и взаимодействия с внедренными атомами Ри

Установлено, что структуры, полученные комбинированным методом, имели намного лучшую воспроизводимость результатов измерений, их сенсорные свойства не ухудшались после длительного нагрева и многократного воздействия газовой смеси в отличие от структур Р1/81С, на которых наблюдалось разрушение пленки платины (рис. 19).

(а) (б)

Рис. 19. СЭМ изображения поверхностных структур Р^С (а) и Р^РГ/^СГб) после длительных испытаний в смеси воздуха с водородом при 500 °С.

Наилучшую чувствительность проявил образец, полученный комбинированным методом с дозой имплантации 4-1019 м'2 (рис. 20). Относительное увеличение тока в 2-х процентной смеси водорода с воздухом достигало 3,5.

Установлено, что в реакции комбинированной структуры Р1ЛЧ /вЮ на водород могут быть задействованы следующие механизмы. На поверхности каталитического металла происходит диссоциация водорода. Атомарный водород проникает в Э^С и изменяет величину объемного заряда и, следовательно, высоту потенциального барьера. Помимо этого водород изменяет сопротивление высокоомного слоя при захвате атомарного водорода акцепторными состояниями атомов Р1.

Рис. 20. ВАХ для образца Р1УР1+(4 ■ 1019 м"2)/81, измеренные в воздухе и смеси воздуха с водородом при 500 °С.

и, В

О наличии двойного эффекта, состоящего в изменении высоты потенциального барьера и сопротивления последовательно соединенного высокоом-ного слоя, свидетельствует вид токовой зависимости разности напряжений (А V), измеренных до и после подачи водорода (рис. 21).

Рис. 21. Токовые зависимости разности напряжений до и после подачи водорода для образцов Р^С (1) и Р1ЛЧ+(4-1019 м^^С (2)-

0 1 2 3 4 5 6 7

I, мА

Основные выводы

1. Показано, что усовершенствование методики ИЛО путем использования теневого экрана позволяет получать не содержащие капель пленки Р1, изменяет распределение толщины пленок по поверхности подложки и их морфологию. Происходит уменьшение размеров нанокристашгов до 20 нм и их агломерация в субмикронные блоки.

2. Показано, что изменение структуры карбида кремния при ИЛОЭ обусловлено изменением энергетического распределения и угловой диаграммы осаждающихся атомов Р1. Эти изменения обеспечивают повышение качества интерфейса в диодной структуре Р1/81С.

3. Установлено, что наложение интенсивных импульсных электрических

_1-1—,—,—,—,—,—,—.—,—,—,—,—, -6 -4 -2 0 2 4 6

полей на стадии движения лазерной плазмы от К мишени к в ¡С подложке позволяет реализовать высокоэнергетическую имплантацию ионов Р1. Показано, что энергетическое распределение имплантируемых ионов зависит от начальных характеристик плазмы (динамики разлета и зарядового состава), а также времени включения ВВ импульсов. Включение ВВ импульсов с амплитудой 50 кВ и задержкой ~1 мкс позволяет провести имплантацию двухзарядных ионов платины и повысить верхнюю границу их энергетического распределения в нестационарной плазме до 100 кэВ.

Показано, что глубинное распределение ионов платины в БЮ кристалле формируется под влиянием процессов внедрения, которые хорошо описываются моделью торможения ионов в твердых телах, а также ионного перемешивания осаждаемой пленки Р1 с подложкой. Пленка образуется из нейтральной компоненты лазерного факела.

Установлено, что имплантация Р1 при комнатной температуре вызывает формирование поверхностного аморфного слоя карбида кремния. При повышении температуры до 500 °С упорядоченная структура 8'[С частично сохраняется, а Р1 проявляет склонность к кластеризации. При повышении дозы высокотемпературной имплантации формируется слой силицида платины.

Установлено, что электрофизические свойства структуры Р1/Э1С проявляют выраженную реакцию на водород при температурах до 500 °С, однако быстро деградируют со временем из-за разрушения пленки Р1 и выключения механизм детектирования на барьерном эффекте. Показано, что нарушение сплошности пленки Р1 не оказывает негативного влияния на сенсорные свойства структуры, полученной комбинированным методом, сочетающим ИЛОЭ с ИИ. Структура Р^^Ю изменяет электрофизические характеристики вследствие влияния водорода на токопрохождение в имплантированном слое.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В.Ю. Фоминский, Р.И. Романов, А.Г. Гнедовец, В.В. Зуев, М.В. Демин, В.В. Григорьев. Ионная имплантация платины из импульсной лазерной плазмы для формирования детектора водорода на кристалле и-6Н-81С // Физика и техника полупроводников, 2011, т. 45, вып. 5, с. 694-701.

В.Ю. Фоминский, Р.И. Романов, А.Г. Гнедовец, В.В. Зуев, М.В. Демин Влияние энергетических параметров осаждаемого лазерно-инициированного потока атомов платины на характеристики тонкопленочной структуры Р^п-бН^С // Физика и техника полупроводников, 2010, т. 44, вып. 4, с. 556-563.

Р.И. Романов, В.В. Зуев, В.Ю. Фоминский, М.В. Демин, В.В. Григорьев. Электрофизические характеристики тонкопленочных структур, создан-

ных импульсным лазерным осаждением металлов Au, Ag, Си, Pd, Pt, W, Zr на кристалл и-бЯ-SiC // Физика и техника полупроводников. 2010, т. 44, вып. 9, с. 1229-1235.

4. Р.И. Романов, В.В. Зуев, В.Ю. Фоминский, М.В. Демин, В.В. Григорьев. Электрофизические свойства диодных структур, полученных импульсным лазерным осаждением на кристаллы бН-SiC // В сб.: Докл. Межд. конф. «Актуальные проблемы физики твердого тела». - Минск, 2009, т. 2, с. 148-150.

5. V. Yu. Fominski, A. G. Gnedovets, R. I. Romanov, M. V. Demin. Reactive pulsed laser deposition of WOx layers for SiC-based hydrogen sensor fabrication// Proc. SPIE 7994,799410 (2010).

6. V. Yu. Fominski, A. G. Gnedovets, R. I. Romanov, M. V. Demin. Laser-based processes of ion implantation for Pt+/SiC gas sensor formation// Proc. SPIE 7994, 799411 (2010).

7. М.В. Демин, Р.И. Романов, Д.В. Фоминский, В.В. Зуев. Влияние условий импульсного лазерного осаждения на электрофизические свойства структуры Pt/«-6H-SiC // Анн. докладов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010», т. 2, с. 171.

8. В.В. Зуев, М.В. Демин, В.Ю. Фоминский. Электрофизические свойства диодных структур, созданных импульсным лазерным осаждением металлов на кристаллы SiC // Анн. докладов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010», т. 2, с. 176.

9. A. G. Gnedovets, V. Yu. Fominski, R. I. Romanov, M. V. Demin. Electrical Characteristics of Metal-Semiconductor Structures Formed on SiC Crystal by Pulsed Laser Deposition of Pt at Varied Conditions // In.: Proc. of Intern. Conf. «Fundamentals of Laser Assisted Micro- and Nanotechnologies», St. Petersburg, 2010, p. 84).

10. М.В Демин, В.Ю. Фоминский, В.В. Зуев. Структура и газосенсорные свойства ионно-имплантированных слоев на кристалле SiC, формируемых из импульсной лазерной плазмы // В сб.: Анн. докладов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011», т .2, с .74.

11. М.В Демин, В.Ю. Фоминский, В.В. Зуев. Химическое состояние водоро-до-чувствительных слоев, полученных ионной имплантацией Pt в SiC // Анн. докладов «Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012», т .2, с. 74.

Подписано в печать: 06.11.2013

Заказ № 8955 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

на правах рукописи

Демин Максим Викторович

04201455668

Формирование тонкопленочных и ионно-имплантированных газосенсорных структур на кристалле я-6Н-81С с применением импульсной

лазерной плазмы

01.04.07 - «Физика конденсированного состояния»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Доктор физико-математических наук, профессор Фоминский Вячеслав Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................4

ГЛАВА I СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ И ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ ГАЗО-СЕНСОРНЫХ УСТРОЙСТВ...................17

1.1 Формирование тонкопленочных структур методами импульсного лазерного осаждения и ионной имплантации из лазерной плазмы.......................17

1.2 Физико-химические свойства карбида кремния, как перспективного материала для создания приборов силовой электроники........................................27

1.3 Механизмы регистрации газов полупроводниковыми тонкопленочными структурами.......................................................................................................................30

1.4 Особенности получения и функционирования МОП-структур на основе

карбида кремния в качестве газовых детекторов.....................................................34

1.7 Выводы к главе I. Постановка цели и задач исследования...............................37

ГЛАВА II ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ И ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР НА КРИСТАЛЛАХ SIC...................................................................................................................41

2.1 Методики импульсного лазерного осаждения металлических пленок...........41

2.2 Методика ионной имплантации из импульсной лазерной плазмы.................45

2.3 Методика измерения скоростного спектра атомов в лазерно-инициированном факеле.................................................................................................48

2.4 Методика измерения скоростных спектров ионов в импульсной лазерной плазме.................................................................................................................................53

2.5 Экспериментальная методика создания функциональных тонкопленочных и ионно-имплантированных структур на SiC подложках. Методика исследования их электрофизических свойств.........................................56

2.6 Методика обработки результатов измерения электрофизических характеристик...................................................................................................................61

2.7 Выводы к главе II:.....................................................................................................62

ГЛАВА III ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ОСАЖДЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОТИВОКАПЕЛЬНОГО ЭКРАНА....................................................................................64

3.1 Структура и поверхностное распределение тонких пленок, формируемых импульсным лазерным осаждением с применением экрана...................................64

3.2 Математическое моделирование процессов осаиедения тонкопленочных металлических слоев из импульсного лазерного факела с применением экрана.................................................................................................................................69

3.3 Исследования твердофазных реакций лазерно-осанзденных металлических пленок с поверхностью 8КГ подложек.............................................84

3.4 Выводы к Главе III:...................................................................................................89

ГЛАВА IV СТРУКТУРНОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ РТ+/81С, ФОРМИРУЕМЫХ ИЗ ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ.............................................................................91

4.1 Экспериментальное исследование ионных пучков из импульсной лазерной плазмы...............................................................................................................91

4.2 Математическое моделирование ионного потока из импульсной лазерной плазмы в импульсном электрическом поле................................................................93

4.3 Структурное состояние и топография поверхности ионно-легированных слоев в монокристаллах бН-БЮ..................................................................................107

4.4 Химическое состояние ионно-легированных слоев в монокристаллах бН^С...............................................................................................................................115

4.5 Механизмы формирования глубинного профиля платины при ионной имплантации из лазерной плазмы..............................................................................120

4.6 Выводы к Главе IV..................................................................................................127

ГЛАВА V ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ГАЗОСЕНСОРНЫЕ СВОЙСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ И ИОННО-ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ НА КАРБИДЕ КРЕМНИЯ............................................................................................................130

5.1 Электрофизические свойства тонкопленочных структур Р^БЮ, полученных импульсным лазерным осаждением...................................................130

5.2 Вольтамперные характеристики ионно-имплантированных структур Р^/БЮ в Нг-содержащей газовой среде......................................................................134

5.3 Электрофизические характеристики и газосенсорные свойства структур, полученных на карбиде кремния комбинированным методом имплантации и осаждения.........................................................................................................................139

5.4 Выводы к Главе V:...................................................................................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................154

ВВЕДЕНИЕ

Разработка и получение новых материалов, в том числе тонкопленочных, качественно превосходящих существующие образцы по функциональным свойствам, является наиболее актуальной проблемой современного материаловедения. Особая потребность в таких материалах существует в высокотехнологических отраслях, таких как точное машиностроение (например, при создании микромеханических устройств), аэронавтика, микро- и наноэлектроника, спинтроника. Следует также выделить актуальную проблему мониторинга взрывоопасных и экологически вредных газов, которая также может решаться созданием новых тонкопленочных или ионно-легированных структур на основе новых полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния. Водород и углеводороды активно используются и производятся в различных современных технологических процессах/аппаратах/топливных элементах. Мониторинг должен осуществляться при различных, в том числе повышенных температурах, а также в широком г .интервале концентраций регистрируемых газов.

Основной и доминирующий подход к решению проблемы получения альтернативных материалов заключается в формировании нового наноструктурированного состояния, т.е. создании наноразмерных многослойных и/или нанокомпозитных материалов с контролируемыми и регулируемыми на наноуровне структурно-фазовыми характеристиками. Эти характеристики должны обеспечивать требуемые механические, трибологические, электронные и другие функциональные свойства материалов. Для получения таких материалов в настоящее время широко используются традиционные методы физического и химического осаждения из паровой фазы, такие как электронно-лучевое испарение, ионно-плазменное (магнетронное) и плазмохимическое осаждение, атомное наслаивание и пр. Лазерные методы получения новых

наноматериалов используются в гораздо меньшей степени, хотя они обладают рядом принципиальных преимуществ по сравнению с более традиционными. Следует выделить:

1. Универсальность, с точки зрения широких возможностей получения/осаждения самых различных по химическому составу тонкопленочных материалов.

2. Высокая степень контролируемости и воспроизводимости требуемых (в том числе высоковакуумных) условий осаждения атомарных потоков при создании наноразмерных слоев.

3. Возможность гибкого и программируемого изменения технологических режимов получения новых материалов, оказывающих существенное влияние на их свойства.

4. Возможность получения многослойных и композитных наноструктурированных материалов, в том числе в сочетании с высокоэнергетической ионной имплантацией из импульсной лазерной плазмы.

5. Возможность комбинирования/объединения с другими методами осаждения и исследования тонкопленочных слоев.

Импульсное лазерное осаждение позволяет создавать самые различные по природе тонкопленочные материалы, что в комбинации с импульсным ускорением ионов из лазерной плазмы открывают интересные возможности в создании новых наноструктурированных и градиентных покрытий с улучшенными свойствами. С целью получения тонкопленочных структур с улучшенными свойствами и характеристиками специалисты применяют различные усовершенствования лазерных методов: реализация процессов осаждения и имплантации в буферном газе, подключение магнитных и электрических полей, последующий отжиг полученных структур и прочее.

Для эффективного использования лазерных методик при создании новых нано-структурированных и градиентных покрытий с заданными

свойствами представляется важным провести глубокие исследования физической картины процессов, протекающих в нестационарной импульсной лазерной плазме. Экспериментальные исследования должны охватывать как процессы в самой импульсной плазме, так и воздействие ускоренной полями плазмы (пучков) на поверхность покрытий.

Для формирования новых наноструктурированных и нанокомпозитных материалов достаточно эффективным инструментом является ионная имплантация из импульсной лазерной плазмы. Повышение интенсивности лазерного воздействия на мишень в вакуумных условиях вызывает образование плазмы вещества мишени, содержащей ионы различной зарядности, а затем ионная компонента лазерной плазмы ускоряется до высоких энергий импульсным электрическим полем, создаваемым между мишенью и подложкой.

Известно, что использование высокоэнергетического ионного облучения одновременно с осаждением плазменно-паровых потоков позволяет реализовать эффективные изменения в структурно-фазовом состоянии формируемых покрытий и межфазных границ. Для внедрения ионно-имплантационной обработки в реальные технологические процессы необходимо существенно упростить методы получения и формирования высокоэнергетических ионных пучков. Наиболее интенсивно в последнее время развивается методика иммерсионной ионной имплантации, позволяющая получать высокоэнергетические ионные пучки из газоразрядной или электродуговой плазмы.

Многие современные исследования направлены на совершенствование лазерных методов, обеспечивающих получение качественных функциональных слоев, а также ионно-легированных структур на карбиде кремния. Для расширения возможностей лазерной технологии необходимо постоянное совершенствование процессов импульсного лазерного осаждения в инертной и реактивной газовой среде, бескапельного осаждения рассеянным потоком атомов из лазерного

факела, процессов высокоэнергетической ионной имплантации из импульсной лазерной плазмы. Современная методология работы по развитию лазерных методов получения тонкопленочных слоев заключается в проведении экспериментальных и теоретических исследований направленных на выявление основных механизмов, позволяющих управлять важными характеристиками осаждаемого лазерно-инициированного потока атомов и ионов, на установлении важных корреляционных зависимостей реальных структурно-фазовых и функциональных свойств создаваемых материалов и слоев и режимов их получения.

Одним из перспективных способов контроля газосодержащей среды являются полупроводниковые датчики на основе тонких поверхностных слоев, электрофизические свойства которых зависят от состава окружающей газовой среды. К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт по разработке «архитектуры» полупроводниковых датчиков и имеются необходимые технологические методы для формирования функциональных слоев. Однако в большинстве случаев базовым элементом таких датчиков является кремний, что существенно ограничивает температурный диапазон их функционирования. В предлагаемой работе была поставлена задача разработки новой высокоэффективной лазерной технологии, позволяющей создавать различные полупроводниковые сенсорные устройства нового типа на основе карбида кремния. Использование монокристаллов карбида кремния раскрывает большие возможности создания детекторов нового поколения, обладающих такими функциональными характеристиками, которые невозможно реализовать на кремниевых подложках. Предполагается, что в случае решения проблемы разработки «архитектуры» датчика и технологии создания функциональных слоев сенсорные устройства на карбиде кремния позволят регистрировать водород и другие газы при

температуре до 1000°С, давлении до 20 МПа. При этом концентрация водорода в атмосфере может достигать несколько десятков процентов.

Газовые сенсоры на основе полупроводниковых материалов легко

интегрируются с другими электронными компонентами, что открывает

/

реальные возможности создания многофункциональных интеллектуальных сенсорных устройств. В проблеме детектирования водорода наибольший успех достигнут к настоящему времени в создании полупроводниковых сенсорных структур типа барьера Шоттки между каталитическим металлом и кремнием. Создаются также тонкопленочные МОП-структуры, состоящие из каталитического металла и диэлектрика на подложках кремния. Для мониторинга газовой среды при повышенных температурах разрабатываются полупроводниковые структуры такого же типа, но на основе карбида кремния. Одной из целью данной работы было исследование возможности формирования сенсорных структур на кристаллах карбида кремния лазерными методами в условиях прецизионного контроля важных параметров лазерно-инициированного потока атомов и ионов.

Карбид кремния является уникальным материалом электроники с точки зрения комплекса электрофизических, химических, механических и других свойств. Такое сочетание свойств обеспечивает возможность создания новых приборов силовой электроники, которые могут использоваться в авиационно-космической технике, в ядерной энергетике, в разведке и добыче полезных ископаемых, в экологическом мониторинге.

Первыми промышленно выпускаемыми приборами на основе Б1С были светодиоды. Большая ширина запрещенной зоны БЮ позволила получать на его основе светоизлучающие приборы практически на всю спектральную область видимого света. При этом один и тот же механизм излучательной рекомбинации (одна и та же технология изготовления светодиода) соответствует в различных политипах разным энергиям в максимуме излучения. Затем БЮ нашел свое место в приборах СВЧ-

диапазона. Они работают либо на основных носителях тока (диоды Шоттки, полевые транзисторы), либо для снижения паразитных емкостей имеют очень маленькие рабочие площади, диаметром около 100 микрон (pin-диоды, лавинно-пролетные диоды). Вторым промышленно выпускаемым SiC-прибором, оказался диод Шоттки. Фирма «Сименс» сейчас наладила производство таких приборов на прямые токи до 20 А и рабочие напряжения до 600В. В настоящее время высоковольтные (300-1200 В) 4H-SiC диоды Шоттки выпускаются на коммерческой основе несколькими западными фирмами под маркой „zero recovery diodes" (см., например, http://www.cree.com/products/power.asp). Они предназначаются для применения в схемах импульсных преобразователей напряжения для увеличения частоты коммутации, выходной мощности и повышения кпд устройств.

Одной из основных ветвей применения SiC является радиационная и химическая безопасность на предприятиях и атомных станциях.

Интерес к SiC в качестве исходного материала для детекторов ядерных излучений связан с его высокой радиационной стойкостью и возможностью работы приборов при повышенных температурах. Детекторы выполняются на основе (р+ - п) структур или диодов Шоттки и представляют по сути дела реализованную в твердом теле ионизационную камеру.

Реализация экологических требований, а также эффективное и безопасное функционирование различных энергетических установок, в том числе, атомных, во многом зависит от оперативности и точности контроля состава рабочих и вредных газов, образующихся в технологических процессах. Разработка газовых датчиков, функционирующих при достаточно высоких температурах и давлениях, а также способных регистрировать требуемые элементы в широком диапазоне концентраций, является важной задачей для энергетики и энергосбережения.

Тонкопленочные структуры на кремнии и карбиде кремния используют в принципе общий механизм детектирования водорода, который заключается в адсорбции молекул водорода на поверхности каталитической пленки, диссоциации молекул на атомы, диффузии атомов водорода к границам раздела металл-полупроводник и/или диэлектрик-полупроводник, форми