Исследование гетероэпитаксиального выращивания пленок 3C-SiC на кремнии из твердофазных источников химическим газотранспортным методом и создание термопреобразователей на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГЗ од

2 4 НОВ <<>97

На правах рукописи

Атажанов Шавкат Ражабовнч

Исследование гетероэпитаксиального выращивания пленок ЗС^С на кремнии из твердофазных источников химическим газотранспортным методом и создание термопреобразователей на их основе

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Самара -1997

Работа выполнена в Самарском государственном университете

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Комов А.Н.; кандидат технических наук, старший преподаватель Чепурнов В.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Митлина Л. А.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Растегаев В.П.

Ведущая организация: АООТ ОКБ "Искра" г. Ульяновск

Защита состоится " ^ " 1997 г. в часов на за-

седании диссертационного совета № К 0()3.94.05 при Самарском государственном университете по адресу:

443011, Самара, ул. Академика Павлова д.1, СамГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета.

Автореферат разослан " " //Ci/^'/z^ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук, доцент

Жукова В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Широкозонный полупроводниковый материал карбид кремния ^С) различных модификаций по совокупности электрофизических, физико-химических, технических и технологических свойств является одним из наиболее перспективных материалов электронной техники для изготовления приборов экстремальной электроники.

Процессы управляемого получения и легирования объемных кристаллов карбида кремния стали возможными благодаря сублимационному методу выращивания в вакууме, признанному в мире как "метод ЛЭТИ" и являющемуся доминирующим и в настоящее время. Получаемые этим методом кристаллы БЮ имеют политипы, в основном, гексагональной структуры.

Однако среди политипов БЮ кубический политип (ЗС-Б1С) привлекателен высокими значениями подвижности электронов (1000 см2/Вс) и дрейфовой скорости насыщения (2.5*107см/с). Объемные кристаллы ЗС-БЮ, получаемые вышеуказанным методом, и эпитаксиальные пленки, получаемые сублимационным сэндвич-методом, имеют сравнительно небольшие площади.

Выращивание пленок ЗС-БЮ достаточно больших площадей, пригодных для серийной технологии производства полупроводниковых приборов на их основе, было достигнуто с помощью гетероэпитаксиальной технологии. Основным материалом подложки является кремний из-за сходства типа кристаллической структуры, технологичности и доступности. Преимущественными методами получения ЗС-БЮ на кремнии являются метод молекулярно-лучевой эпитак-сии (МВЕ-метод) [1, 2] и метод газофазного осаждения (СУО-метод) [3, 4] с использованием кремний- и углеродсодержащих газов в потоке газа-носителя водорода. Однако МВЕ-метод является дорогостоящим. Многие исследователи отдают предпочтение СУЭ-методу, так как он не требует дорогостоящего оборудования, прост и доступен. Но для осуществления данного процесса нужны кремнийсодержащие (БШ^ БШ^СЬ, и т.д.) и углеродсодержзщие (СЬЦ, С2Н2, и т.д.) газообразные соединения высокой степени чистоты. В настоящее время практически нет отработанных методов получения пленок ЗС-ЭгС на кремнии с использованием твердофазных источников.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является исследование и разработка гете-роэпитаксиального выращивания пленок ЗС-Б1С на кремниевых подложках химическим газотранспортным методом с использованием твердофазного кремния и углерода и применение их для создания термопреобразователей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В настоящей работе разработан и исследован химический газотранспортный метод из твердофазных источников кремния и углерода и использован для получения структур ЗС-Б1С/Бк

С помощью методов рентгеноструктурного анализа, дифракции быстрых электронов на отражение, электронной микроскопии р отражательной ИК-спектроскопии установлено, что варьированием управляющих параметров: скорости потока водорода, температуры в зоне подложу и температуры в зоне

исходных реагентов можно получить поликристаллические, текстурированные или монокристаллические пленки ЗС-Б1С на кремниевых подложках.

Вышеуказанными методами также установлено, что создание буферного слоя между подложкой и гетероэпитаксиальной пленкой приводит к улучшению структурных свойств последней.

Созданы изотипные р-БЮ/р-Б1, п^С/п-Б^ анизотипные р-БЮ/п-Б^ п-БЮ/р-Б1 гетеропереходные структуры, а также гомопереходная структура n-p-SiC/p-Si и предложены предполагаемые механизмы протекания тока через эти структуры.

Создан чувствительный элемент для датчиков температуры на основе структуры п-р-Б1С/р-Б1, позволяющий измерять температуры в диапазоне 25-250°С с чувствительностью 2.2 мВ/°С при питании током 1 мА.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. В рамках химического газотранспортного метода в открытой системе использование твердофазных источников Б1 и С позволяет получать гетероэпи-таксиальные структуры ЗС-Б1С/Б1.

2. Создание буферного слоя между подложкой и гетероэпитаксиальной пленкой приводит к улучшению структурных свойств последней.

3. Указанный метод позволяет получать гетероэпитаксиальные пленки ЗС-БЮ различных типов проводимости, используя легирующие элементы из твердой и газообразной фазы.

4. На основе структуры п-р-БЮ/р-Б^ полученной указанным методом, можно создать чувствительный элемент датчика температуры, позволяющий измерять температуры в диапазоне 25-250°С с чувствительностью 2.2 мВ/°С при питании током 1 мА.

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ. Результаты работы могут быть использованы для выращивания и исследования пленок ЗС-БЮ на кремнии и изготовления на их основе различного рода полупроводниковых приборов, работающих на гомо- и гетеропереходах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы были доложены на Всесоюзной научно-технической конференции «Микроэлектронные датчики в машиностроении» (Ульяновск, 1990); научно-технической конференции «Микроэлектроника в машиностроении» (Ульяновск, 1992); IV Всероссийском совещании «Физика и технология широкозонных полупроводников» (Махачкала, 1993); II Международной тегшофизической школе «Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства» (Тамбов, 1995); Международном научном семинаре «Полупроводниковый карбид кремния и приборы на его основе» (Новгород, 1995); VI Международном симпозиуме «1БМС11-96» (Бельгия, 1996); Международном семинаре ((Полупроводниковый карбид кремния и родственные материалы» (Новгород, 1997).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 4 статей и 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 85 па-именований, содержит 57 рисунков, 9 таблиц. Общий объем диссертации составляет 153 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи, и кратко изложены основные идеи, развитые в диссертации.

ГЛАВА 1 посвящена анализу диаграмм энергетических зон вблизи границы раздела для изотипных и анизотилных гетеропереходных структур ЗС-Б^С/Б! и для гомопереходных структур п-р-Б^С/Б). Эти диаграммы играют важную роль в понимании механизма протекания тока через эти переходы. Исходя из профилей энергетических зон можно оценить величину потенциального барьера для носителей заряда. Величина этого барьера является одним из главных параметров при конструировании полупроводниковых приборов.

В отличие от модели Шокли для гомопереходов ни одна из моделей гетеропереходов, предложенных различными авторами, не способна объяснить все физические явления в них. Это связано с тем, что в гетеропереходах свойства границы раздела сильно изменяются от материала к материалу и в значительной степени зависят от метода изготовления.

В гетеропереходе ЗС-Б^С/Б!, в котором, в связи с тем, что параметры решеток БЮ и Б1 отличаются более чем на 20 %, на границе раздела существует переходный слой, имеющий искаженную решетку и большую скорость поверхностной рекомбинации. Электроны и дырки могут преодолевать границу раздела посредством эмиссии через соответстаующие барьеры. Возможно, эмисси-онно-рекомбинационная модель более пригодна для описания свойств данного гетероперехода, чем другие модели. Однако многочисленные приграничные дефекты могут привести к расхождениям с этой моделью. В таблице 1 приведены данные для построения диаграмм энергетических зон ЗС-БЮ/Бь Расчеты величин изгиба зон (чУц) и ширины ОПЗ (Х=Х„+ХР) проведены при концентрациях легирующей примеси (Ы), полученных в настоящей работе.

Из таблицы 1 видно, что при таких концентрациях легирующей примеси при нулевом смещении и небольших напряжениях, приложенных к гетеропереходам, высота барьера для носителей заряда со стороны Б)'- подложки больше, чем со стороны Б1С- пленки. Для анизотипного гетероперехода п-БЮ/р^ высота барьера для электронов намного меньше, чем для дырок. Поэтому можно ограничиться рассмотрением только электронного тока. Если предположить, что электроны не испытывают рассеяния в области Х„, то величина барьера для электронов из БЮ в Б) при нулевом смещении дУ0-ДЕс, а для электронов, движущихся в противоположном направлении, нет барьеров. В состоянии

равновесия два противоположно направленных потока электронов должны уравновешиваться:

1я-кс= А ехр [-(ЧУв-ДЕс)/кТ]. (1)

Таблица 1

Данные для построения диаграмм энергетических зон ЗОБЮ/Б).

Тип структуры Наименование^^ величины п-Б1С/п-51 р-вЮ/р-й п-8!С/р-51 р-51С/п-51 п-БЮ/р^С

Ширина запрещенной зоны Е8, ЭВ (300К) 2.2/1.1 2.2/1.1 2.2/1.1 2.2/1.1 2.2/2.2

Электронное сродство эВ 4.0/4.05 4.0/4.05 4.0/4.05 4.0/4.05 4.0/4.0

Концентрация легирующей примеси N. см"3 ЗхЮ18/ 1х1015 5х1017/ ЗхЮ'5 ЗхЮ18/ ЗхЮ15 5x10"/ 1х1015 ЗхЮ18/ 5х10п

Работа выхода ф, эВ 4.2/4.25 6.1/4.8 4.2/4.8 6.1/4.25 4.2/6.1

Отн. диэлектрическая проницаемость е 9.72/11.9 9.72/11.9 9.72/11.9 9.72/11.9 11.9/11.9

Постоянная решетки, нм 0.4358 / 0.5430 0.4358/ 0.5430 0.4358 / 0.5430 0,4358/ 0.5430 0.4358 / 0.4358

Величина изгиба зон яУо при нул. смещ., эВ 2.04x10"5/ 4.99x10"2 9.48х10"3 / 1.29 7.34x10"^/ 5.99x10"' 4.5х10"3/ 1.84 0.27/1.63

Ширина ОПЗ X, мкм 1.00x10""/ 2.25x10"' 4.50х10"3 / 7.53x10*' 5.00Х10"4/ 5.13x10"' З.ЮхЮ"3/ 1.56 9.90х10"3/ 5.90х10'2

Энергетический разрыв в зоне проводимости ДЕС> эВ 0.05 0.05 0.05 0.05 -

Энергетический разрыв в валентной зоне ДЕу, эВ 1.05 1.05 1.05 1.05 -

При прямом смещении величина энергетического барьера составляет (](\Г1)-У)-АЕС. Результирующий ток электронов из БЮ в выражается формулой:

1=Аехр[-^Уп-чУ-ДЕс)/кТ]-Аехр[-(ЧУ0-ДЕс)/кТ]= =Аехр[-(яУс-ДЕс)/кТ]х[ехр(яУ/кТ)-1]. (2)

Для структуры п-БЮ/р-З! выполняется условие яУо»ДЕс (табл.1), поэтому выражение (2) можно переписать в виде:

1=Аехр(-чУ,УкТ)х [ехр(я У/кТ)-1 ], (3)

что совпадает с результатом эмиссионно-рекомбинационной модели [1 ].

Для гетероперехода р-8>С/п-81 высота потенциального барьера для электронов намного больше, чем для дырок. Поэтому при небольших прямых смещениях ток определяется движением дырок. Проведя аналогичные рассуждения, как для предыдущего гетероперехода, выражение для тока через структуру можно представить в следующем виде:

1=Аехр[-(яУо-АЕу)/кТ]х[ехр(яУ/кТ)-1 ]. (4)

В отличие от анизотигшых гетеропереходов, в изотипных гетеропереходах вклад неосновных носителей в электрический ток пренебрежимо мал. В изотипном 11-п- гетеропереходе энергетический барьер в зоне проводимости определяется разностью величин электронного сродства двух полупроводников и уровнями легирования, поскольку они определяют положение краев зон по отношению к общему для обоих полупроводников (при нулевом смещении) уровню Ферми. И этот барьер препятствует движению электронов из одной области в другую. Аналогично, в р-р- гетеропереходах в валентной зоне может существовать барьер, препятствующий движению дырок. Таким образом, оба эти гетероперехода могут действовать как выпрямители.

Для того, чтобы объяснить механизмы прохождения тока через изотип-ные гетеропереходы, сделаем предположение, что дислокации несоответствия и всякого рода дефекты на границе раздела расположены в тонком слое между двумя обедненными областями и действуют как центры с большим сечением захвата. Вольтамперные характеристики таких гетеропереходов подобны вольт-амперным характеристикам системы из двух Шоттки-диодов [5], соединенных последовательно навстречу друг другу. Поскольку соотношение между током и напряжением для отдельного Шотпси-диода имеет вид

1 = 15[ехр(яУ/кТ)-1], (5)

где 15=АТ2ехр(-ф/кТ)- обратный ток насыщения; <р- высота барьера, то вольтамперные характеристики для диодов 1 и 2 можно записать в виде:

^-^[ехрИУ^Т)-!], (6)

Ь= Ыехр(ЧУ2/кТ)-1]. (7)

Приравнивая токи 1( и Ь через два диода току через переход I и полагая полное падение напряжения на переходе V равным VI + У2, получим соотношение между I и V для всего перехода (в пренебрежении последовательным сопротивлением):

1=[215,1й511(ЧУ/2кТ)] / [152ехр(ЧУ/2кТ)+1!,ехр(-ЧУ/2кТ)]. (8)

Теоретически проанализированы также механизмы протекания тока через гомопереходную структуру п-р^С, полученную на кремниевых подложках. Показано, что прямой и обратный токи через ЗС-БЮ р-п- переходы в целом описываются классическими генерационно-рекомбинационными механизмами.

Кроме этого проведен анализ электрофизических свойств ЗС-БЮ и гете-роэпитаксиалышх структур на основе ЗС-БЮ/Б!, полученных с помощью СУО-метода. Представленные нами выше результаты показывают, что на основе ЗС-БЮ/Б! молено получить барьерные структуры с различными Ув, что дает возможность использовать их в качестве чувствительных элементов различных датчиков физических величин.

ГЛАВА 2 охватывает вопросы, связанные с исследованием технологического процесса выращивания ЗС-51С на кремнии.

В разделе 2.1 рассмотрены способы получения и особенности технологии роста гетероэпитаксиальных структур ЗО-БЮ/Бь Сделан критический анализ известных методов выращивания ЗС-БЮ на кремниевых подложках.

Достаточно подробно описан технологический маршрут самого процесса получения гетероэпитаксиальных структур ЗС^С/Б) СУО- методом.

В разделе 2.2 подробно описывается предлагаемая технология получения ЗС-БЮ на кремниевых подложках химическим газотранспортным методом в открытой системе с использованием твердофазного кремния и углерода. Число управляющих технологических параметров в этом процессе снижается до трех: температура в зоне исходных реагентов Т„, температура подложек Т„ и скорость потока водорода Уц. Это позволяет сделать процесс осаждения пленок Б1С более управляемым по сравнению с СУО- методом.

Для получения гетероэпитаксиальных пленок ЗС-БЮ на кремниевых подложках использовался вертикальный водоохлаждаемый диаметром 60 мм реактор с ВЧ-нагревом. Реактор содержит пьедестал, изготовленный из особочи-стого углерода, покрытый карбидом кремния. Пьедестал имеет две температурные зоны: зону исходных реагентов и зону химического разложения гидридов кремния и углерода с последующим их осаждением на подложку. Температурный градиент между двумя зонами обеспечивался тепловыми экранами. Нагрев пьедестала осуществлялся ВЧ-полем, создаваемым генератором типа ВЧГ4-25/0.44.

Процесс получения гетероэпитаксиальных пленок ЗС-БЮ на кремниевых подложках состоял из трех этапов: подготовка кремниевых подложек, создание буферного слоя и выращивание гетероэпитаксиальнон пленки. Подготовка подложек заключалась в проводимой последовательно жидкостной (обезжиривание и травление в СР-4А) и сухой (травление в смеси газов Н и СС14) обработке. Поверхность кремниевых подложек после процесса газового травления была зеркальной.

Необходимость создания буферного слоя между подложкой и пленкой обусловлена следующими причинами. Параметры кристаллических решеток Б]

(ао=0.5430 нм) и Б1С (ао=0.4358 им) имеют значительное несоответствие (около 20 %). Оно значительно больше, чем, например, для гетероструктур ваР/Б! (0.4 %) и СаАя/^ (4 %). Это обстоятельство должно приводить к образованию большого количества дислокаций. Следовательно, величина упругих напряжений на границе раздела эпитаксиальная пленка - подложка столь велика, что при любом методе выращивания нарушается кристалличность пленки ЗС-Б1С с ростом толщины.

Для устранения данного эффекта на поверхности исходной кремниевой подложки создавался тонкий буферный слой, который затем подвергался термоудару, т. е. резкому охлаждению до комнатной температуры. Подобный технологический прием применяется и в С VI)- методе. Толщина буферного слоя зависела от времени роста буферного слоя ((П/с) и от скорости потока водорода Уц и составила около 0.02-0.03 мкм и 0.035-0.04 мкм для и,/с=2 мин и 1гл=4 мин соответственно при Уц=0.5 л/мин. В процессе формирования буферного слоя температура в зоне исходных кремниевых подложек поддерживалась в пределах 1300-1350°С.

Рост гетероэпитаксиальных пленок ЗС-БЮ осуществлялся на этом буферном слое при следующих условиях: температура в зоне исходных кремниевых подложек поддерживалась в пределах 1360-1380°С; скорость потока водорода варьировалась в пределах 0.5-1.0 л/мин. При этом скорость роста ЗС-БЮ пленок составляла около 0.8-1.5 мкм/час.

Термодинамический анализ фазовых равновесии выращивания ЗС-БЮ в системе БьС-Н [6] и термодинамическое моделирование условий химического транспорта позволили прогнозировать поведение системы. Варьированием управляющих технологических параметров процесса были получены поликристаллические, текстурированные и монокристаллические пленки ЗС-Б1С.

Гетероэпитаксиальные слои ЗС-БЮ на Б]- подложках были выращены с использованием следующих технологических приемов:

1) сформированный буферный слой подвергался термоудару (резкому охлаждению до комнатной температуры) и выращивался гетероэпитаксиальный слой на нем;

2) исходная Бь подложка подвергалась термоудару (резкому нагреву до температуры 1350-1380°С) и выращивался гетероэпитаксиальный слой на ней.

Температурные программы выращивания монокристаллических слоев ЗС-Б1'С с использованием этих технологических подходов представлены на рис. 1 а) и б) соответственно.

Толщина выращенных гетероэпитаксиальных слоев ЗС-Б1С (1ъ,с) зависела от времени роста 0-,/с) и скорости потока водорода (Ун) (рис. 2). С увеличением 1э/с и V« увеличивается 1ь/с. В то же время увеличение Уц привело к интенсивному росту пленки, то есть увеличению скорости роста гетероэшггаксиальной пленки (Ур) (рис. 3).

Температура

1350-1380°С

1 400°С 1 50°С СО, \ \

Газ-носитель водород

Ьб 1гр+ 1б/с Время

а)

б)

Рис.1 Температурные программы выращивания гетероэпитаксиальных слоев ЗС-БЮ на Б]- подложках: 10б, ^ и 1э/с- времена обезгажи-вания, травления, процессов роста буферного и зпитаксиального слоев соответственно.

Выращенные гетероэпитаксиальные пленки имели зеркальную поверхность. Их толщина, измеренная методом шарового шлифа, для некоторых образцов достигала 5-10 мкм, что достаточно для создания полупроводниковых приборов на основе р-п- перехода.

Рис.3 Зависимость скорости роста гетероэпитаксиального слоя ЗС-БЮ (\'р) от скорости потока водорода (Ун). Т„=]360оС.

Рис.2 Зависимость толщины гетероэпитаксиального слоя 3C-SiC (hj/c) от времени роста (1э/с) при разных скоростях потока водорода (Vji): 1-Ун=60л/час; 2- Vi г 18 л/ч ас.

В разделе 2.3 коротко описан процесс легирования гетероэпитаксиальных слоев 3C-SiC на Si- подложках в процессе роста. Гетероэпитаксиальные пленки имели проводимость как р-типа (легированные галлием, бором и алюминием), так и n-типа (легированные азотом и фосфором).

В ГЛАВЕ 3 приводятся результаты исследований кристаллической структуры, а также количественного состава гетероэпитаксиальных слоев 3C-SiC/Si. Были использованы методы рентгеновской дифрактометрии, дифракции быстрых электронов на отражение, растровой электронной микроскопии, электронной Оже-спектрокопии, отражательной ИК-спектроскопии.

Раздел 3.3 посвящен рентгеноструктурному анализу гетероэпитаксиальных пленок 3C-SiC/Si. Исследование проводилось на рентгеновской дифракто-метре «ДРОН-2» с использованием медной рентгеновской трубки (СиКа).

Установлено, что для серии гетероэпитаксиальных пленок, выращенных на (100)Si- подложках при Тп= 1200-1250°С на дифрактограммах имеются дифракционные линии от плоскостей {111}, {110}, {100} кубического карбида кремния, а также от кремниевой подложки (рефлекс (400) от плоскости {100}). Это обстоятельство указывает на то, что полученные гетероэпитаксиальные пленки имеют поликристаллическую структуру. Увеличение Тп до 1300°С привело к тому, что на дифрактограммах остаются дифракционные линии от пленки: наиболее ярко выраженный рефлекс (200) от плоскости {100} и очень слабый рефлекс (111) от плоскости {111}. Здесь структура пленки становится более упорядоченной с преобладающей ориентацией (100). Дальнейший рост Т„ привел к исчезновению всех дифракционных линий кроме (200)3C-SiC (20=41,40°, 20^6,1=41,24°) и (400)Si (26=69.30°, 20гаВл=69.2О°), а при Т„~1380°С рефлекс (200)3C-SiC разделился на Kai н К^-составляющие, что показывает на

хорошую кристалличность структуры пленки. Для последних образцов измеренная полуширина кривой качания составила 0.4-0.45°.

Анализ рентгеновских дифрактограмм, полученных от пленок 3C-SiC на подложках (lll)Si показал подобные результаты, то есть наблюдалось аналогичное влияние Т„ на кристалличность структуры пленки. Для пленок 3C-SiC, выращенных на подложках (lll)Si при Т„=1360-1380°С выявлены линия 3C-SiC (20=35,75°, 20табл=35,4О°), а также отражения от кремниевых подложек (20=28.54°, 29-габл=28.30°). В данном случае рефлекс 3C-SjC также разделился на Kai и Ко2- составляющие, указывая на хорошую кристалличность структуры гетероэпитаксиальных пленок. Измеренная полуширина кривой качания рефлекса (Ш) для данных образцов составляла 0.4-0.5°. Вышеуказанные значения полуширин кривой качания рефлексов (200) и (111) 3C-SiC хорошо согласуются с данными работы [3] для наиболее совершенных монокристаллических гетероэпитаксиальных пленок 3C-SiC, выращенных на кремнии CVD- методом.

В разделе 3.2 приведены результаты электронографических исследований на электронно-оптической установке "ЭМР-102" в режиме дифракции электронов "на отражение". Электронографические исследования подтвердили результаты рентгеноструюурного анализа. Действительно, для гетероэпитаксиальных пленок 3C-SiC, выращенных на Si-подложках при Т„=1200-1250°С, на электро-нограммах имеются сплошные полукольца, указывающие на поликристалличность структуры гетероэпитаксиальных пленок, С увеличением Т„ до 1300°С получены текстурированные струюуры. С дальнейшим ростом Тп в диапазоне 1350-1380°С структура пленки меняется с текстуры с включением монокристаллических участков до монокристаллической.

В разделе 3.3 представлены морфологические исследования поверхности гетероэпитаксиальных пленок 3C-SiC/Si, выполненные на растровом электроном микроскопе "РЭМ-ЮОУ". Эти исследования подтверждают результаты вышеприведенных структурных исследований.

Раздел 3.4 содержит результаты анализа объемного распределения элементов Si и С в буферных слоях и количественного анализа состава гетероэпитаксиальных пленок 3C-SiC/Si. Результаты были получены с помощью метода электронной Оже-спектроскопии (ЭОС) на Оже-спектрометре 09ИОС-10-005. Проведен послойный количественный анализ буферных слоев р-типа проводимости, легированных Ga и сформированных на различных подложках. Исследованные образцы представляли собой буферные слои, сформированные на подложках (100)Si р-типа при ТП=1300°С в течение t6/c=2 мин {AI) и ТП=1350°С в течение tC/c=4 мин (В1) соответственно, и на подложках (lll)Si n-типа при Т„=1350°С в течение 2 мин (А2) и Т„=1350°С в течение 4 мин (В2) соответственно. Толщина буферных слоев составляла 0.02-0.03 мкм для образцов А1-А2 и 0.035-0.04 мкм для образцов В1-В2.

Исходя из данных Оже-спектров были построены концентрационные профили: зависимость концентрации атомов Si, С и О в весовых процентах (NBec) от времени травления (ц,). Кислород в этих образцах присутствует толь-

ко в тонком приповерхностном слое в виде окисла и адсорбированных СО соединений. Как оказалось, температура и ориентация подложки играют существенную роль при формировании буферных слоев карбида кремния. Действительно, состав образца А1 на всей толщине остается практически неизменлым-85 %, Ь}с»ес~ 15 %, а концентрации атомов углерода и кремния в образце А2 изменяются плавно от этих же знамений до состава монокристаллической подложки кремния. При увеличении времени до 4 мин (образцы В1 и В2) наблюдается более плавное изменение состава буферных слоев. Концентрационные профили буферных слоев, аналогичные полученным нами для образцов В1, А2 и В2, были зафиксированы ранее в работе [7] для буферных слоев, полученных СУО-методом,

Наблюдаемые отличия концентрационных профилей могут быть связаны с тем, что коэффициенты диффузии атомов углерода в кремнии для образца А1 значительно меньше, чем для А2. Это, в свою очередь, может определяться различием как в ориентации подложек, так и их температур (на 50°С) при формировании буферных слоев. Влияние ориентации подложек на коэффициенты диффузии атомов углерода в кремнии наблюдается и для образцов В1 и В2, но это влияние меньше, чем температурное.

При помощи ЭОС также проводился количественный анализ состава эпи-таксиальных пленок ЗС-81С, выращенных на 81- подложках с использованием буферных слоев и без них.

Тот факт, что в составе эпитаксиальных пленок ЗС-Б1С в небольших концентрациях присутствует кислород, совпадает с литературными данными [8]. Для гетероэпитаксиальных пленок, выращенных без буферного слоя были зафиксированы следующие данные. Для гетероэпитаксиальных пленок, полученных при Тп < 1300°С и низких Уц < 18 л/час, в приповерхностном составе ( 10-20 л ) пленки существует избыток углерода и образцы имеют темную окраску. После удаления этого слоя в составе пленки (объемный состав) концентрация атомов увеличивается, а концентрация атомов С, напротив, уменьшается. С увеличением Т„ до 1350°С и Уцдо 30 л/час в составе пленки концентрация атомов уменьшается, а концентрация атомов С увеличивается. Для гетероэпитаксиальных пленок, выращенных с буферным слоем, были зафиксированы следующие данные. Пленки с 2 и 4 минутным буферным слоем имели почти одинаковый состав С и Бг Здесь также как и в случае без буферного слоя увеличение Т„ и Уц приводят к улучшению стехиометрии пленки. При ТП~1380°С и Уц>30 л/час в составе образцов уменьшается концентрация кислорода и концентрация кремния приближается к стехиометрической.

Таким образом, представленные результаты исследования состава гетероэпитаксиальных пленок ЗС-Б1С с помощью ЭОС показывают, что объемный состав получаемых гетероэпитаксиальных пленок ЗС-БЮ близок к стехиометри-ческому: в зависимости от условий формирования весовая концентрация атомов кремния изменялась в пределах 63-72%, углерода 27-33% и кислорода 2-4%. Увеличение температуры подложки в процессе выращивания эпитаксиальной

пленки ЗС-Б)С приводят к улучшению стехиометрического состава одновременно с уменьшением количества кислорода.

В разделе 3.5 приводятся результаты исследования гетероэпитаксиальных структур ЗС-Б^С/Б! методом отражательной ИК-спектроскопии. Были исследованы структуры ЗС-Б1С/Б1, отличающиеся технологическими условиями получения и характеристиками подложек. ИК-спектры регистрировались при угле падения лучей 20° в диапазоне длин волн от 2.5 до 50 мкм (4000-200 см"'). Наибольшее внимание было уделено области остаточных лучей (1000-600 см'1), в которой наиболее ярко проявляются пики отражения.

Различия в ИК-спектрах отражения разных образцов, которые проявляются наиболее заметно в относительном смещении общего уровня коэффициента отражения и ходе спектральной кривой для низкочастотной области спектра, связаны, вероятнее всего, с влиянием на характеристики образцов уровня легирования. Это заключение подтверждается тем, что не удается получить модельный спектр, близкий к экспериментальному, если не учитывать вклад от плаз-монных колебаний.

В зависимости от концентрации свободных носителей заряда изменяется значение плазмонной частоты, которое, кроме того, зависит также от эффективной массы. Найденные значения плазмонной частоты позволяют оценить концентрацию свободных носителей (10,7-Ш18 см"3), что находится в согласии с технологическими условиями.

ГЛАВА 4 посвящена исследованию электрофизических характеристик гетер о структур ЗС-Б1С/Б1 и структур п-р-БЮ/Б1, а также термометрических характеристик структур п-р-Б1С/р-Б1.

В разделе 4.1 приводятся результаты исследования электрофизических свойств гетероструктур ЗС-Б1С/Бг Описывается технологическая цепочка: подготовка образцов; плазмохимическое травление структур п-р-Б1С/р-Б1 (для вскрытия р-п-перехода в пленке); изготовление омических контактов; методика проведения электрических измерений и результаты ВАХ для анизотипных и изотипных гетероструктур ЗС-БЮ/Бг Вид прямой ветви ВАХ анизотипных гетеропереходов хорошо описывается эмиссионно - рекомбинационной моделью с коэффициентом неидеальности р=2.7 для и-Б1С/р-Б1 и р=2.3 для р-БЮ/п-Бг Эти структуры имели коэффициенты выпрямления 400 при У=2 В и 400 при У=1 В соответственно.

Исследованы ВАХ для изотипных (п-Б1С/п-Б1, р-БЮ/р-БО гетеропереходов. Выявлено, что токи 1]гр и I(1(-,г для обеих гетероструктур выходят на насыщение. ВАХ для этих гетероструктур подобны ВАХ системы из двух Шотгки-диодов, соединенных последовательно навстречу друг другу.

В разделе 4.2 представлены результаты экспериментальных исследований ВАХ гомопереходной структуры. п-р-БЮ, полученной вскрытием р-п- перехода в пленке. Коэффициент неидеальности, определенный по прямой ветви ВАХ, оказался больше двух (р=2.1), что подтверждает рекомбинационный механизм прямого тока. Для таких структур, выращенных с помощью СУО- метода, зна-

чение Р меняется в пределах 2.5-4 [3]. Коэффициент выпрямления при У=1 В составлял ~ 4x103. При повышении значения прямого напряжения У„р потенциальный барьер р-п- перехода настолько снижается, что практически перестает влиять на прямой ток диода. В этой области значение прямого тока диода в основном определяется сопротивлением р- области. Следовательно, ток диода линейно зависит от напряжения. Для данной структуры прямая ветвь близка к линейной при Упр> 1.7 В.

На кривой обратной ветви диода отсутствует насыщение обратного тока 1обР, характерное для идеального р-п- перехода. Возрастание 1(*-,р при увеличении Уобр обусловлено эффектами генерации и лавинного размножения носителей заряда в объеме р-п- перехода, а также влиянием токов поверхностных утечек. Предпробойное состояние для данного р-п- перехода начинается при УобР~11-1ЗВ. С дальнейшим ростом У(йр происходит "мягкий" пробой структуры р-п- перехода, что характеризует наличие локальных участков с повышенным тепловым сопротивлением и неравномерным пробоем. При У^1р= 15 В обратный ток через р-п- переход составлял 1^=170 мкА.

Раздел 4.3 посвящен результатам экспериментальных исследований термометрических характеристик гомопереходной структуры п-р-БЮ.

Термометрические характеристики данной структуры были сняты в диффузионной печи в диапазоне температур Т= 25-270°С. Зависимость падения напряжения прямосмещенного р-п- перехода от температуры исследовалась при разных значениях тока: I = 1, 2, 5 и 10 мА. Эта зависимость для двух структур п-р-51С/р-81 из одной пластины изображена на рисунке 4. Видно, что при значениях тока 1=1 мА и 1=2 мА температурная характеристика имеет линейную зависимость практически во всем диапазоне температур (линии 1 и 2). При увеличении тока на характеристиках участок с линейной зависимости сужается (линии 3 и 4). Это, по-видимому, связано с дополнительным разогревом диодной структуры за счет увеличения тока.

Вычисленный во всем диапазоне температур температурный коэффициент напряжение (ТКН) двух диодных структур при токе 1 мА составила 2.18 и 2.21 мВ/°С. С увеличением тока питания ТКН диодных структур падает за счет дополнительного разогрева диодной структуры: 2.02 и 2.06 мВ/°С при 1=2 мА; 1.69 и 1.73 при 1=5 мА; 1.16 и 1.21 при 1=10 мА (рис.5).

ТКН диодных структур зависит и от температуры. В диапазоне температур 25-250°С ТКН исследуемых диодных структур лежит в пределах 1.9-2.3 мВЛС при 1ШП==1 мА и 1.8-2.4 мВЛС при 1тп=2мА.

Заметим, что в диапазоне температур от - 40°С до + 100°С ТКН диодных термодатчиков лежит в пределах 1.8-2.0 мВ/°С для германиевых и 2.2-2.4 мВ/°С для кремниевых структур. Расширение температурного диапазона для п-Б^С/р-БЮ структур объясняется более высоким значением ширины запрещенной зоны ЗС-БЮ по сравнению с Б) и ве.

Рис.4. Зависимость падения напряжения прямосмещенного р-п-Б1С-перехода от температуры при разных значениях тока: 1 - 1 мА; 2- 2мА; 3- 5м А и 4- Юм А.

Рис.5. Зависимость ТКН диодной структуры на основе р-п-БЮ от тока питания.

Таким образом, структура п-БЮ/р-БтС является перспективной для использования в качестве термопреобразователя. Она позволяет расширить диапазон измеряемых температур по сравнению с кремниевыми диодными термопреобразователями и обладает хорошей чувствительностью.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Разработан и исследован метод получения гетероэпитаксиальных структур ЗС-Б^С^ с использованием твердофазных источников кремния и углерода.

2. С помощью методов рентгеноструктурного анализа, дифракции быстрых электронов на отражение, электронной микроскопии и отражательной ИК-спектроскопии установлено, что варьированием управляющих технологических параметров: скорости потока водорода, температуры в зоне подложек и температуры в зоне исходных реагентов можно получить поликристаллические, тек-стурированные или монокристаллические пленки ЗС-Б1С на кремниевых подложках.

3. Показано, что создание буферного слоя между подложкой и гетероэпи-таксиальной пленкой приводит к улучшению структурных свойств последней.

4. С помощью метода Оже-спектроскопии выполнен послойный анализ объемного распределения Б1 и С в буферном слое и количественного состава гетероэпитаксиальной пленки.

5. Разработанный метод позволяет также получать гетерозпитаксиальные пленки ЗС-БгС различных типов проводимости, используя легирующие элементы из твердой и газообразной фазы.

6. Вышеуказанным методом созданы изотипные р-Б1С/р-Б1, п-Б1С/п-Б», автотипные р-БЮ/п-Бь п-Б]С/р-Б1 гетеропереходные структуры, а также гомо-переходная структура п-р-БЮ/р-Бь

7. Исходя из теоретического анализа диаграмм энергетических зон и из результатов электрофизических измерений предложены механизмы протекания тока через эти структуры.

8. Изготовлен чувствительный элемент датчика температуры на основе структуры n-p-SiC/p-Si, позволяющий измерять температуры в диапазоне 25-250°С с чувствительностью 2.2 мВ/°С при питании током 1 мА.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Yoshinobu Т., Nakayama М., Shiomi Н., Fuyiiki Т., Matsunami Н. Atomic level control in gas source MBE growth of cubic SiC // J. Cryst. Growth. - 1990. - V.99. - P. 520 - 524.

2. Yoshinobu Т., Fuyuki Т., Matsunami H. Interface modification by hydrocarbon gas molecular beams in heteroepitaxy of SiC on Si // Jpn. J. Appl. Phys. -1991, № 6 B. - P. L1086 - L1088.

3. Nishino S., Suhara H., Ono H., Matsunami H. Epitaxial growth and electrical characteristics of cubic SiC on silicon // J. Appl. Phys., - 1987. - V.61, № 10. -P. 4889-4893.

4. Furumura Y., Doki M., Mieno F., Eshita Т., Suzuki Т., Maeda M. Heteroepitaxial p-SiC on Si // J. Electrochem. Soc. - 1988. - V.135, №5. . p. 1255 -1260.

5. Милне А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. - М.: Мир.-1975.-462с.

6. Комов А.Н., Чепурнов В.И. Термодинамическое моделирование газового транспорта в системе кремний-углерод-водород и идентификации фазовых диаграмм состояния этой системы // Тез. докл. IV Всесоюз. конф. по термодинамике и материаловедению полупроводников. - Москва, 1989. - 4.2. - С. 387.

7. Harris G.L., Jackson К.Н., Felton G.J. Low-pressure growth of singl-crystal silicon carbide //Materials Letters. - 1986. - V.4, № 2. - P. 77-80.

8. Shar J.S., Zhang X.G., Osgood R.M. Laser-assisted photoelecrtochemical etching of n- type beta- SiC // J. Electrochem. Soc. - 1992. - V.139, №4. - P. 12131216.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Комов А.Н., Чепурнов В.И., Садыков P.P., Лосевская С.Г., Кочетков В.Ю., Рыбаков О.Е., Атажанов Ш.Р. Полупроводниковый датчик температуры на карбиде кремния // Микроэлектронные датчики в машиностроении. Всесоюз. конф.: тез. докл. -Ульяновск, 1990. - С. 50.

2. Атажанов Ш.Р., Комов А.Н., Чепурнов В.И., Рыбаков О.Е., Садыков P.P., Рагозин Ю.Н. Термометр сопротивления на карбиде кремния, технологические и метрологические исследования // Микроэлектроника в машиностроении. Науч. -техн. конф.: тез. докл. - Ульяновск, 1992. - С. 10.

3. Комов А.Н., Чепурнов В.И., Покоева В.А., Атажанов Ш.Р., Лосевская С.Г., Дорофеева Л.Л. Получение и исследование гетероструктур карбида кремния на кремнии с целыо разработки высокотемпературных полупроводниковых датчиков //В сб. "Технические средства исследования мирового океана" - Владивосток, 1994. - С. 43 - 46.

4. Атажанов Ш.Р., Чепурнов В.И., Комов А.Н. Полупроводниковый термопреобразователь на основе р- п- перехода с расширенным диапазоном температуры // Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения. Вторая междунар. теплофиз. школа: тез. докл. - Тамбов, 1995. - С. 155.

5. Атажанов Ш.Р., Комов А.Н., Чепурнов В.И., Лосевская С.Г. Гетероэпи-таксиальные слои 3C-SiC на кремнии, полученные с использованием твердофазного кремния и углерода // Полупроводниковый карбид кремния и приборы па его основе. Междунар. семинар: тез. докл. - Новгород, 1995. - С. 25 - 26.

6. Komov A.N., Chepumov V.l., Atazhanov Sh. R., Karchevskaya G.N. The semiconductor sensors for measurements in robotics at high temperature // ISMCR-96, VI Intern, symp.: Abstracts. - Brussels, 1996. - P.15.

7. Атажанов Ш.Р., Костишко Б.М., Миков C.H. Структура, состав и оптические свойства гетероэпитаксиальных слоев 3C-SiC/Si, полученных методом химических транспортных реакций // Карбид кремния и родственные материалы. Междунар. семинар: тез. докл. - Новгород, 1997. - С. 17 - 18.

8. Атажанов Ш.Р., Костишко Б.М. Исследование структуры и состава пленок ЗС-SiC на кремнии, полученных методом химических транспортных реакций с использованием твердофазного кремния и углерода // Уч. Записки Ульяновского гос. ун-та, сер. физ. - 1997. - Вып. 1(3). - С. 67 - 71.

9. Миков С.Н., Атажанов Ш.Р., Пузов И.П. Исследование гетероэпитаксиальных структур 3C-SiC/Si методом отражательной ИК- спектроскопии // Уч. Записки Ульяновского гос. ун-та, сер. физ. - 1997. - Вып.1(3). - С. 35 - 39.

10. Атажанов Ш.Р., Костишко Б.М., Комов А.Н., Чепурнов В.И. Структура и состав пленок кубического карбида кремния, полученных методом химических транспортных реакций с использованием твердофазного свободного кремния и углерода // Поверхность. - 1997. (принята к опубликованию).