Механизмы тока и процессы рекомбинации носителей заряда в SiC p-n-структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

С 1 ' ; ч V.

—vJ

российская академия наук ордена ленина физико-технический институт имени А.Ф.ИСХЕФЕ

На правах рукописи .СТРЕЛЬЧУК АНАТОЛИЙ МАРКОВИЧ

удк 62,1.315.592

МЕХАНИЗМЫ ТОКА и ПРОЦЕССЫ РЕКОМБИНАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В SIC р-п-СТРУКТУРАХ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 19Э2

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ордена Ленина Физико—техкическом институте имени А.Ф.Иоффе РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профэссор , В.Е.Челноков.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук О.В.Константинов,

кандидат технических наук Г.Н.Виолина.

Ведущая организация - СПб Технический университет.

со

Защита состоится " " к-ъ&^ик 1992 г. в '¡0 часов на заседании специализированного совета К 003.23.01 при Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Отзывы на автрреферат в деух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук Г.О.Куликов

;

i"

i

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди технологически разработанных полупроводниковых материалов SIC выделяют • большая ширина запрещенной зоны, высокие поля пробе;-:, термическая, химическая it радиационная стойкость. К настоящому времени на осноез SIC созданы классические приборы полупроводниковой электроники: выпрямитолыше диоды на р-п-структурах и барьерах Шоттки, свето- и фотодиоды, полевые транзисторы, туннельные диоды, стабилитроны; предпринимаются попытки создания биполярных транзисторов, тиристоров, лавинно-пролетных диодов. Большинство изготовленных экспериментальных SIC приборов содержат р-п-переход, поэтому исследование механизмов тока в р-п-структурах является актуальной задачей как для более полного понимания физики SIC р-п-структур, так и для оптимизации характеристик приборов. Выявление механизмов рекомбинации-генерации в SIC позволяет оценить возможные параметры приборов и в некоторых случаях управлять гага. Технологические слоясности изготовления качественных р-п-структур долгое время не позволяли реализовать предельные для SIC характеристики приборов и приводили при исследовании р-п-структур к "уникальном" результатам, плохо поддающимся систематизации и сравнительному анализу. Разработанные в 80-е г г. новые SlC-технологии обеспечили достаточно воспроизводимое изготовление эгштаксиальных слоев и р-п-структур высокого качества, что позволило исследовать, систематизировать и связать с опредолешшми физическими моделями их электрэтеские свойства.

Целью_работы является исследование механизмов прямого и обратного токов, диффузионных длин и времен кйзш! носителей заряда в л-п-структурах на основе 6Н и 4H-S1C, изготовленных разли'шыми технологическими методами.

Объектами____исследования были SIC р-п-'переходы,

изготовленные методами сублимационной эпитйксии (СЭ-структуры), сублимационной эпитаксии и ионного леггровлппя СЛЛ~структуры),

бесконтойнерной жидкостной эпитаксии (БЖЭ-структуры), низкотемпературной надкостной эпитаксии (НТЖЭ-структуры). Часть исследований проведена на барьерах Шоттки.

Заз§чи_работы:

- исследование прямых и обратных. вольтамперных характеристик SIC р-п-структур в широком диапазоне токов и температур и их модельное описание;

- исследование диффузионных длин и времен зкизни носителей заряда;

- определение параметров основных рекомбинационных центров;

- исследование инфекционной электролюминесценции р-п-структур, фотоэлектрических характеристик р-п-структур и барьеров Шоттки;

- исследование влияния нейтронного облучения на вольтамперные характеристики р-п-структур.

Новые научные результаты;

- в SIC р-п-структурах обнаружены термоишкекционные токи J=JQexp(qU/ßKT)f J0=J*exp(-Ea/KT), характеризуемые дробными температурно-независимыми значениями ß-3/2, 4/3, 6/5; показано, что такие токи описываются в рамках модели, предполагающей рекомбинацию в слое объемного заряда (СОЗ) р-п-перехода через многоуровневый центр (модель - Евстропова-Царонкова (ЕЦ));

- показано, что прямой ток в диапазоне плотностей I0-7-1СГ~ Л/см2 при высоких температурах (700-800К) обусловлен рекомбинацией в ССЗ через глубокий уровень и ^:Ш-ывается моделью Саа-Нойса-Шокли (СНШ), однако при этом, в отличие от Со-пие низких температур, ß#2; определено положение рекомбинацконного уровня в запрещенной зоне;

- в SIC р-п-структурах обнаружен генерационный ток СНШ;

- установлено, что ьрэмя жизни носителей заряда, опродзлешюе б рзш<ах моделей ЕЦ и СНШ, растет- при увеличении температуры, причем в СЭ- и ИЛ- структурах сильнее, чем в БЖЭ-отру^тура::: при ?=200К время ¡жзни носителей заряда пс. модели СН£ е CJ- и "Л-структурах примерно на порядок меньше, чем в Ei3-структур:!:.;

- д-.:;Суг.лэш;£:я длкка неоснсх-ных посителей заряда (1ШЗ) в

квазинейтральной области р-п-структур растет до 2-3 мкм при увеличении температуры до 800К, причем более сильно в СЭ-структурах (от ~0,3мкм при 300К), чем в БЖЭ-структурах (от 1мкм при 300К);

- показано, что время жизни носителей заряда как при рекомбинации в СОЗ (модель ЕЦ), так и при рекомбинации в квазинейтральной области, определяется рекомбинацией через мелкий рекомбинационный уровень (или группу уровней) глубиной Б0-200мэВ;

- в нейтронно-облученных SiC р-п-структурах в диапазоне температур 77-700К и при низких температурах (77-200К) в пеоблученных структурах обнаружены экспоненциально зависящю от напряжения токи J=JQexp(qU/pKT) с температурно - зависимым и растущим при уменьшении температуры коэффициентом (3; показано, что такие токи описываются моделью термотуннельного тока;

- обнаружена краевая инжекционная электролюминесценция (ЭЛ) в 4H-S1C р-п-структурах; обнаружен рост интенсивности_ краевой ЭЛ в 6Н- и 4H-S1C БЖЭ- и 6H-SIC СЭ-р-п-структурах при увеличении температуры;

- в 6Н- и 4H-S1C р-п-структурах при ориентации электрического поля параллельно гексагональной оси кристалла (EI1С) обнаружен знакопеременный температурный коэффициент напряжения (ТКН) микроплазменного пробоя (кроме наблюдавшихся ранее только отрицательного или только положительного ТКИ).

Практическая_ценность:

систематизированы и проанализированы параметры вольтамперных характеристик (ВАХ), результаты исследования времени жизни и диффузионной длины ННЗ в р-п-структурах, изготовленных различными технологическими методам!, что позволяет прогнозировать возможности той или иной технологии при создании различных приборов;

- усовершенствован метод анализа и обработки прямой ВАХ, что важно как с методологической точки зрения, аак и с практической точки зрения, например, для увеличения точности определения температуры при использовании р-п-структур п качестве датчиков температуры;

- предложен и защищен авторским свидетельством способ измерения ТКН пробоя на основе измерения шумовых характеристик микроплазменнэго пробоя;

- исследована чувствительность DAX качественных р-п-структур к нейтронному облучению;

- исследованы электрслюминесцентные и фотоэлектрические характеристики - основные характеристики свето- и фотодиодов.

УЭХ?ЗЧб_положенкк, выносимые на защиту:

1.B SiC р-л-структурах, смещенных в прямом направлении, существуют термошшекционше токи, характеризующиеся экспоненциальной зависимостью от напряжения на р-п-переходе и от- температуры: J=J0exp(qU/ßkT), J0-o*exp(-Ea/Kr), где коэффициент р не зависит от температуры и принимает одно из следующих значений: 3/2, 4/3, 6/5. Указанные токи доминируют в диапазоне тегаератур I50-800K, плотностей тока, по крайней мере,. I0-3-i0 А/см2 и описываются в рамках модели, расс .атривающэЯ рекомбинацию в слое объемного заряда р-п-иерехода через многоуровневый центр.

2.В SIC р-п-структурах при^температу]эах 700-800К прямей ток в диапазоне плотностей Ю^-КГ^А/см*" и обратный, ток в диапазоне плотностей 1СГь-1СГ4А/см~ обусловлены рекомбинацией и генерацией, в слое объемного заряда р-п-перехода через глубокий уровень.

3.В 6H-S1C р-п-структурах диффузионная длина (L) неосновных носителей заряда к время'жизни (и) носите..ei. заряда при рекомбинации в слое объемного заряда р-п-порехода в интервале температур 300-800К растут с температурой и могут быть списаны выражением t,L~exp(-Eg/i:T), где энергия активации Е' для структур, изготовленных сублимацией, на 50-150 мэВ больье, чем для. структур, изготовленных жидкостной опитаксией.

4.Прямые токи к SIC р-п-структурэх при температурах ниже 200К является термотуккелъныж, а при более высоких температурах- Нейтронное облучение р-п-структур (доза f'10"'* см-") приводит к доминированию торкотуэкльнах -.т.ксе е диалогоке те::.йератур Т! -G00K.

5. Тмяэратуршй ко9}ф:имгп г няпряглгнхя шкрэплэгмзшого

пробел в 6Н или 4H-S1C р-п-структуре при . ориентации электрического поля вдоль гексагональной оси кристалла в диапазоне температур 300-700К может быть знакопеременным и изменяться в пределах (-4...+3)'10-4 К"1.

Апробация_работу. Материалы работы докладывались па Всесоюзном семинаре по силовым полупроводниковым приборам (Таллинн,1986,1987), Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития технологического оборудования, новых материалов и технологических процессов для повышения еффективности производства полупроводниковых приборов силовой электроники" (Белая Церковь,1985), III Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала,I98S), V Всесоюзной конференции по флуктуациенным явлениям в физических системах (Паланга,1988), 176 симпозиуме Электрохимического существа (Ш (США, Голливуд, 1989), III Международной конференции по кристаллическому и аморфному SIC и другим материалам группы IV-IV (США, Вашингтон,1990), конференциях Европейского материаловедческого общества (Франция, Страсбург,1990 и 1991), а также на научных семинарах ФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР .

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ и получено два авторских свидетельства на изобретения.

00ъем_диссертвции. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения .списка литературы из 191 работы и приложения. Объем диссертации составляет стр., включая 61 рис. и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении показана актуальность темы диссертации, поставлена цель и сформулированы задачи исследования, изложены основные результаты работы и выносимые на зажгу научшо

ПОЛОЕ6НИЯ.

В ürüi!i?§ представлен обзор литературы и Приведена

характеристика объектов исследования. В обзорной части

рассмотрены результаты экспериментального исследования и модельного описания прямого и обратного токов SIC р-11-структур, времени жизни и диффузионной длины носителей заряда в SIC. Также освещено положение с исследованием ВАХ и механизмов тока облученных SIC р-п-структур, охарактеризованы результаты исследования краевой инжекционной ЭЛ SIC р-п-структур. В заключении главы дается краткое описание методов изготовления эпитаксиалышх слоев и р-п-структур, .исследованию которых посвящена оригинальная часть работы, а также приведена характеристика объектов исследования по результатам вольт-парадных измерений.

Вторая глава посвящена исследованию прямого тока в SIC р-п-структурах.

При прямом смещении р-п-структур обнаружены токи с экспоненциальной зависимостью от напряжения: J=J0exp(qU/e). При этом в определенном диапазона температур характеристическая энергия в изменяется пропорционально температуре: £=0кТ ф от температуры не зависит), а температурная зависимость предэкспонен-циального множителя JQ является активационной JQ=J*exp(-Ea/kt), где Е0-энергия активации тока. Т.о..уравнение термоинжекционно-го тока (ТДОГ) можно записать в виде J=J*expt(qU-ßEa)/ßkT], т.е. любой ТИТ задается тремя константами ß,J*,EQ. Указанные токи определяют вид.ВАХ до области влияния остаточного сопротивления (~1 А/см2) и могут наблюдаться в пределах-4-5 порядков.

Обнаружены ТИТ, характеризуемые следующими ß: до токов Ю"5-Ю"3 А/см2 (кикний участок ВА'Х) в диапазоне температур 250-65OK р«2, при больших токах в диапазоне температур I50-800K ß принимает одно из следующих значений: 1,5 1,33 1,2, близких к дробям 3/2 4/3 6/5: погрешность определения ß не более » 0,03 (р-1,2;1,33) или ♦ 0,05 (ß=I,5;2); набор р, задающий все обнаруженные токи, описывается уравнением ß=(ü+2)/(S+I), где 5=0,1,2.4.

Исследование одинаковых ТИТ (токов одного вида, т.е. характеризуемых одним и тем же значением ß ) в р-п-структурах, г.зг070в.чсшщх разными технологическими методам! (разные типы структур) и на основе . различных подитиюв SIC, обнаружило н-^гчис.-'нпз положения ,И>хграктгристк! по шкале напряжений

при одинаковых температурах: при наименьших напряжениях наблюдаются токи в ИЛ-структурах, затем в СЭ, в БЮ; токи

в 4Н-31С структурах наблюдаются при больших напряжениях, чем в бН-БЮ структурах. Кроме того, обнаружены отличия в энергии активации токов одного вида, например, для тока с р=6/5 Еа в ИЛи СЭ-структурах меньше, чем в ЕЮ-структурах, Е в 4Н-31С структурах больше, чем в бН-БЮ (токи с (3=3/2,2). Также обнаружено, что при увеличении -температуры выше 650-700К коэффициент р на нижнем участке ВАХ (в приближении экспоненциальной зависимости тока от напряжения) начинает зависеть от температуры и уменьшается от 2 до 1,6-1,3 при 8ССК.

Исследования краевой инжекциошой ЭЛ в бН-БЮ р-п-структурах (связываемой с аннигиляцией свободного экситона с испусканием фононов) показали, что процессы, обусловливающие ТИТ с дробными р, являются преобладающими и в области влияния на вид ВАХ остаточного сопротивления (до ~103 А/см2 при некоторых температурах ). Кроме того, для интерпретации результатов исследования ВАХ и времени жизни носителей заряда были привлечены следуицие результаты исследования ЗЛ: обнаружено, что спектральное положение и температурный ход максимума краевой ЭЛ в бН-БЮ БЖЭ-и СЭ-р-п-структурах совпадают (1п>шх=2,92-2,ЭЗэВ при Т=300К); интенсивность краевой ЗЛ растет с температурой с энергией активации П0-130мэВ в БлЭ-структурах; обнаружена краевая ЭЛ в 4Н-Б1С ЕЮ- р-п-структурах (1га» ^=3,16-3,17эВ при Т=300К), интенсивность которой увеличивается с ростом температуры; интенсивность краевой ЗЛ при комнатной температуре в БЖЭ-структурах больше, чем в СЭ-структурах, в ИЛ-структурах краевая ЭЛ не зарегистрирована.

д!пя описания токов, наблюдаемых на нижнем участке ЕЛХ, привлечена модель СНШ II ], рассматривающая ток, обусловленный рекомбинацией носителей заряда в СОЗ р-п-переходз через центр, образующий глубокий уровень в запрещенной зоне. Численный анализ модели показал, что ток в диапазоне плотностей 10~6-(Ю_3-10"2)А/см" во всем диапазона температур 250-80СХ описывается моделью СНШ, однако, если при Т<оР?Х ВЛХ практически экспоненциальна и р.«2, то при Т>650К ВЛ^ моп.нс описать зкспонентой лишь в некотором приближении (р и ' этом

случае зависит от температуры и уменьшается до 1,6-1,8 при увеличении температуры до 800К). Установлено, что рекомбинационный уровень отстоит от уровня Ферми в собственном полупроводнике не более, чём на 0,1еВ. Показано, что экспериментально наблюдаемые на верхнем участке ВАХ ТИТ с температурно-независимыми дробными значениями 1<р<2 не могут быть описаны переходным участком ВАХ по модели СНШ. Описание да}шых токов осуществлено с помощью модели, являющейся обобщением модели СНШ на случай тока, обусловленного рекомбинацией через многоуровневый центр в СОЗ р-п-перехода 12] (модель или ток ЕЦ). Центр при этом должен иметь один глубокий и 5 мелких уровней. Под мелким (или термализованным) уровнем понимается уровень, носители на котором находятся в тепловом равновесии с зоной,т.е. интенсивность тепловых выбросов (генерационный поток) примерно равна интенсивности захвата (рекомбикационному потоку); глубоким является уровень, интенсивность тепловых выбросов с которого пренебрежимо мала по сравнению с интенсивностью захватов.

.Аналитически исследована ВАХ согласно моделям СНШ и ЕЦ с учетом как сильных, так и слабых зависимостей от температуры таких параметров модели, как собственная концентрация носителей заряда, эффективная ширина области рекомбинации, эффективное стационарное иремя жизни тст, эффективное сечение захвата Одфф, а также с учетом зависимости напряженности электрического поля ст напряжения на р-п-переходе.

Предложен метод описания и' обработки прлмсл ВАХ, обусловленной ТИТ. Механизм тока устанавливается на основании первичной стандартной обработки ВАХ в результате ее графического построения и' определения константы тока р. Две другие константы ТИТ, Еа и Л*, определяются в предположении термоактивациониой (экспоненциальной от обратной температуры) зависимости тока (в частности, Л0 ); однако, на данном этапе предлагается учесть достаточно сильную зависимость ит0 от р в продолах логрешности определения р. Это позволяет не только более корректно лнтерпротирозать результаты определения Еа и Л* на основе приведенного анализа ВАХ, ко и, кроме того, после прег^деп'/л итс^т-шой обраСстки 5 АХ уменьшить погрешность

определения Eg и J*. Вторичная обработка заключается в пошаговом дифференцировании экспериментальной ВАХ с определением на кавдом шаге дифференциального 'наклона* рд и отсечки Jor построении зависимости lgJ^Cß"1) и

сопоставлении параметра ^допределешому (модельному) значению Рдм ' Еа и Jo определяются затем при условии

В результате установлено, что энергия активации ТИТ растет от 1,55-1,72эВ для токов с 0=2 до 2,50-2,65эВ для токов с ß= 6/5; наблюдаются систематические отличия в Ед (и, соответственно, в ßEa) для токов одного вида в структурах различных типов. Например, для тока СНШ (ß=2) константа ßEQ (эВ) составляет 3,14 в ИЛ, 3,18 в СЭ, 3,28 в БЖЭ, 3,35 в НТЖЭ 6H-S1C р-п-структурах и 3,35 в ИЛ, 3,44 в СЭ 4H-S1C р-п-структурах. Значения JQ (А/см2) при Т-293К для тока СНШ составляют -5 ТО"25 для СЭ и ~(2-3) I0"24 для ИЛ 4H-S1C р-п-структур, ~Ю~23для БЖЭ,~(3-8)Ю-23для СЭ и ИЛ. ~Ю-22 для НТЖЭ 6H-S1C р-п-структур; аналогичное отличие в JQ наблюдается и для токов других видов. Константа J* практически не зависит от Timt структуры, а зависит только от вида тока и изменяется от ~105'А/см2 для тока СНШ до ~Ю9А/см2 для тока с ß=6/5. Параметры Еа, <10*опредвлялись по методу наименьших квадратов. Ошибка определения ßEa не превышает ±0,03эВ. Различия в JQ (293К) обусловлены различием только в Еа (за исключением НТЖЭ структур).

Значение константы ßEa ТИТ определяется, главным образом, шириной запрещенной зоны полупроводника Eg (исходя из литературных данных (131), а также из анализа температурных зависимостей положения максимума краевой ЭЛ, для Eg(0) принято значение 3,18эВ в 6H-S1C и З.ЗбэВ в 4H-S1C); различие в ßEa для разных типов структур на основе одного политипа SIC обусловлено различной температурной зависимостью времени жизни.

Время жизни носителей заряда в случае тока"" СНШ растет с температурой. Энергия активации в СЭ-и ИЛ-структурах на 50-6ОнэВ больше, чем в БЖЭ- структурах. Температурная зависимость эффективного сечения захвата описывается Функциями Т"3

или оэфГехр(-0,Об/KT) в СЭ-и ИЛТ оэфф-Т"1'5 или о^-ехр(-0,03/кТ)в БЖЭ-структурях; при Т=2ЭЗК tCT~I0 с

-10"9 с . ВГС-с^ и _ с рос™ концентрации нескомпенсированных доноров в базе -Ла .

Время жизни носителей заряда в случае тока ЕЦ также растет о температурой. В СЭ- и ИЛ- структурах энергия активации на 150-200мэВ больше, чем в БЖЭ-структурах; глубина мелких уровней рекомбинационного центра 70-100мэВ в БЖЭ-и 150-200мэВ в СЭ-и ИЛ-структурах в предположении, что Т"1,5 и Одфф- Т~3 в БЖЭ-и

СЭ-структурах, соответственно.

Третья глава посвящена исследованию диффузионной дшны неосновных носителей заряда (ННЗ) в квазинейтральной области р-п-структур, релаксационного времени жизни, а также обобщению результатов исследования времени жизни носителей заряда в Б1С.

Диффузионная длина ННЗ в диапазоне температур 300-800К измерялась из зависимости фототока от ширины СОЗ р-п-перехода при возбуждении носителей собственным светом (метод ФТ). Известно, что при выполнении ряда условий фототок пропорционален сумме ширины СОЗ и диффузионных длин дырок Ьр и электронов. Корректность измерения диффузионной длины методом ФТ во всем диапазоне температур обоснована исследованием модельной зависимости фототока от энергии возбуждающего света и напряжения на диоде, определением критериев квазиоднородности возбуждения и проведением измерений в диапазоне энергии возбуждающего света 3-4 эВ. Кроме того, 1р при комнатной температуре определялась с помощью сигнала тока, индуцированного электронным зондом, в растровом электронном микроскопе (В.А.Соловьевым) и на барьерах Шоттки методом ФГ. Исследования проведены на СЭ-и БЖЭ-р-п-структурах и на барьерах Шоттки к эпитаксиальным слоям, изготовленным сублимацией.

Установлено, что диффузионная длина ННЗ при комнатной температуре составляет в СЭ-структурах 0,06-0,4мкм и с ростом Ый-Ыа уменьшается в среднем от 0,3 мкм при -Ыа~1016 см-3 до 0,06мкм при Ын ~3 Ю18см~3; в БЖЭ-структурах при -Ла= 5"101^ -8*10 см диффузионная длина состааняет 0,4-1,5мкм

4 ¿Г О

(максимальное значение 1,5мкм получено при =540 см );

с ростом температуры диффузионная длина в целом растет и достигает 2-Змкм при 800К как в СЭ; так и в БЖЭ- структурах;• энергия активации диффузионной длины составляет 120моВ в СЭ-

структурах в диапазоне температур 350-800К и 50-60маВ в БЖЭ-структурах в диапазоне температур 300-600К.

Релаксационное время жизни Тр0Л определено из переходных характеристик при переключении диода из прямого направления на обратное. Форма импульса обратного тока позволила выделить две фазы релаксации: фазу сохранения и фазу быстрого спада. Поскольку известна связь между релаксационным временем жизни и длительностью фазы сохранения, то было установлено, что при комнатной температуре в СЭ-структурах Тр0Л «2нс, в БЖЭ-структурах ттоп «20-30нс. В предположении, что релаксация обусловлена рекомбинацией в п-базе, подвижность дырок как в СЭт так и в ЕКЭ-структурах составит ц^ = (5-20)скг/В с, т.е. будет близка подвижности дырок как основных носителей.

Температурная зависимость времени жизни ННЗ установлена из сравнения экспериментальных температурных зависимостей диффузионной длины и расчетных. При расчете был принят во внимание простейший случай рекомбинации в п-базе через однократно заряженный центр, создающий в запрещенной зоне один уровень, при малой концентрации рекомбинационных центров и малом уровне инжекции. В модели учтены температурные зависимости подвижности и сечения захвата (Ор) дырок. Показано, что время жизни ННЗ растет с температурой. В предположении, что Ор~ Т"3 для СЭ- и Ор-Т~1,5 для БЖЭ- структур наилучшее согласование расчетных и экспериментальных зависимостей диффузионной длины от температуры получено при глубине рекомбинационного уровня 100-140 мэВ для СЭ-и около 50 мэВ для БЖЭ-структур. То,что рекомбинационный уровень является мэлким, подтверждается и экспериментальным фактом зависимости диффузионной длины от Ид-Ид.

На основе сравнения рассчитанного диффузионного тока Шокли и экспериментально измеренных токов, обусловленных рекомбинацией в СОЗ, показано, что коэффициент инжекции должен иметь сильную токовую зависимость вплоть до токов Ю^-Ю3А/см г.о. в рабочем для многих приборов диапазоне токов.

В заключении глаЕи подводятся итоги исследования ээкомСинаглонных процессов в бН-ЭЮ, которые свидетельствуют о гом, что вне завис'даости от области рекомбинации и модели тока.

в рамках которой определяется время жизни, I) время жизни носителей заряда при комнатной температуре в БЖЭ- структурах примерно на порядок больше, чем в СЭ- структурах; 2) при увеличении температуры время жизни растет вследствие уменьшения эффективного сечения захвата или (и) рекомбинации через мелкий уровень. При этом разница во времени жизни в СЭ- и БЖЭ-структурах уменьшается, что объясняется различием температурных зависимостей сечений захвата и различием глубины мелких уровней. Указашше эффекты находят соответствие в результатах исследования краевой ЭЛ.

Зависимости диффузионной длины и времени жизни носителей заряда от технологии изготовления р'-п-структуры позволяют искать связь . указанных параметров с одной из главных характеристик технологического процесса - температурой роста эпитаксиального слоя (или с другой характерной температурой; при этом отмечается обнаруженная ранее другими исследователями связь диффузионной длины при комнатной температуре с процессами отжига и закалки). Время жизни больше, а его рост с температурой слабее в структурах, изготовленных при более низких температурах. Безызлучательный рекомбинационный центр, определяющий время жизни носителей заряда, предположительно связывается с собственным структурным дефектом кристаллической рошетки полупроводника.

Четвертая глава посвящена исследованию пробоя и обратного тока в SIC р-п-структурах.

Напряженность поля пробоя в исследовавшихся 6H-S1C СЭ-, БЖЭ-и ИЛ-р-п-структурах при Е| |С изменялась от З'Ю6 до б'Ш^/см

tfi тя ч

при изменении Nfl-Na от 5*10 до 4'1Сга см , т.е. была близка к максимальным наблюдавшимся в SIC полям пробоя.

На основании визуального наблюдения ЭЛ и исследования ВАХ при пробое выделено четыре типа пробойных явлений, из них три первых характеризуют пробой в широком диапазоне токов, начиная с самых малых, а четвертый наблюдался лишь при относительно больших токах: I) пробой по одиночным микроплазмам (МП); 2) пробой по макрообластям с характерным размером 10-20мкм; 3) пробой по микрообластям плотностью до 106см~2; 4)' 'однородный' пробой на части или всей площади структур«.

- 15 -

Детальное исследование пробоя по одиночным Ш в низковольтных 6Н и 4H-S1C р-п-структурах с Е||С показало идентичность параметров №1 в S1C р-п-структурах и параметров МП, наблюдаемых в Si, GaAs р-п-структурах (в частности, амплитуда импульсов тока - около IOO мкА, последовательное сопротивление- 10-20к0м). Наряду с наблюдавшимся ранее отрицательным и положительным ТКН пробоя, обнаружен знакопеременный ТКН (изменяющийся в пределах от *-4'10~4" до "3 Ю~4"К ). В р-п-структурах с EiC ТКН МП пробоя положительный. Второй и третий тип пробоя характеризуется отрицательным ТКН (Е||С). Однородный пробой детально не исследовался, однако особый интерес вызывает обнаружение положительного ТКН пробоя ((2-3)"Ю~4К-1) при измерениях на импульсах (длительностью 70нс, в диапазоне токов 0,2-2А) в 6H-S1C ИЛ .р-п-структурах с Е||С при напряжении пробоя «230В. При обсуждении результатов подчеркивается, что при Е||С более сложные типы пробоя (второй и третий) характеризуются отрицательным ТКН, а результаты изучения МП и "однородного" пробоя не однозначны и требуют дальней эго исследования.

Исследование обратного допробойного тока в р-п-структурах с напряжениями пробоя, большими 200-300В, показало, что при температурах 700-800К абсолютная величина обратных токов (10 -Ю'^А/см2), тенденция изменения и вид обратной ВАХ, энергия активации тока свидетельствуют о наличии тока, обусловленного тепловой генерацией носителей в СОЗ р-п-перехода по модели СНП1. Стационарное время жизни при этих температурах - около 10~8с.

Пятая глава посвящена исследованию влияния нейтронного облучения на ток S1C р-п-структур.

Исследовались прямые и обратные ВАХ бН-SiC БЖЭ-р-п-структур до облучения и после каждого из двух этапов облучения нейтронами с энергией 1МэВ; доза облучения перЕого

ТЧ -? Т4 -9

этапа - 5" 10 см , второго - 5-Ю1Чсм .

Отмечаются следующие тенденции изменения ВАХ, вызванные облучением (Т=300К): в прямой ВАХ до области влияния остаточного сопротивления, где наблюдались два экспоненциальных участка, происходит монотонное увеличение р на обеих участках с тенденцией к образованию моноэкспоненциального участка во всей

области токов; обратные токи в структурах с малым уровнем утечек до облучения возрастают на один-два порядка после каждой дозы облучения; в области лавинного пробоя наблюдается незначительное монотонное уменьшение напряжения при данном токе (~1% после второй дозы облучения); в области больших прямых токов значительных эффектов не обнаружено. Кроме того, наблюдается заметное уменьшение интенсивности ЭЛ. Также обнаружены эффекты, связанные с отжигом радиационных дефектов (приближение ВАХ к первоначальному виду).

Исследована прямая ВАХ после облучения в диапазоне температур 77-700К. Установлено, что экспоненциальный вид ВАХ сохраняется во всем диапазоне температур, однако, если при высоких температурах р от температуры практически не зависит, то при понижении температуры р увеличивается и наблюдается постепенный переход к параллельному сдвигу ВАХ, т.е. характеристическая энергия е=ркТ перестает зависеть от температуры, а параметр «Г0 теряет- термоактивационную зависимость и слабо изменяется с температурой.

Исследование обратных ВАХ облученных р-п-структур показало их качественное' соответствие ВАХ необлученных дефектных р-п-структур.

При обсуждении результатов указывается, что особенности ВАХ при высоких температурах характерны для ТИТ, а при низких -для туннельных механизмов тока. Показано качественное соответствие прямой ВАХ модели С41, учитывающей возможность как активационного, так и туннельного преодоления носителями потенциальных барьеров в переходе. Делается вывод о реализации механизма термотуннельного тока (ТТТ). • Также обращается внимание на то, что и в необлученных р-п-структурах при охлаждении ниже 150К на верхнем участке ВАХ и ниже 250К на никнем, появляются признаки ТТТ. Величина ТТТ, кроме того, может определяться технологическими факторами при изготовлении р-п-структур.

В Заключении дается характеристика результатов работы, обсуждаются направления дальнейших исследований.

В частности, е заключении говорится, что в работе проведено исследование прямого и обратного токов, диффузионных

длин и времен жизни носителей заряда в р-п-структурах на основе 6Н и 4H-S1C, изготовленных различными технологическими методами;

а)по результатам исследования прямого тока сделаны следующие выводы:

-термоинжекционный ток доминирует при "высоких" температурах, термотуннельный- при "низких"; положение нижней границы диапазона "высоких" температур характеризует качество полупроводника и определяется степенью его дефектности; нейтронное облучение смещает нижнюю границу от I50-250K в качественных необлученных структурах к 600-700К; . -в необлученных р-п-структурах обнаружен ранее неизвестный в SIC механизм прямого тока, обусловленный рекомбинацией в СОЗ через многоуровневый центр; также получили объяснение особенности прямой ВАХ на участке, описываемом моделью СНШ; -произведен количественный анализ параметров моделей СНШ и ЕЦ для прямого тока, что позволило судить о времени жизни носителей заряда при рекомбинации в СОЗ р-п-перехода и о глубине рекомбинационных уровней;

3 Исследование диффузионной длины и времени жизни носителей заряда показало, что:

-время жизни растет с температурой как при рекомбинации в СОЗ, гак и при рекомбинации в квазинейтральной области р-п-структурщ -существует связь величины времени жизни и степени его температурной зависимости с технологией изготовления р-п-:труктур;

1 Исследование обратного тока позволило обнаружить: -генерационный ток СНШ,

•особенности лавинного пробоя в 6Н и 4H-S1C р-п-структурах при >риентации электрического поля параллельно гексагональной оси гристалла (знакопеременный ТКН микроплазменного пробоя, юложительный ТКН пробоя при измерении на импульсах); 1 Исследование краевой инжекционной электролюминесценции оказало, что наблюдается соответствие ее интенсивности и «личины времени жизни; •

^усовершенствован метод анализа и обработки прямой ВАХ, бусловленной термэинжекционнкми токами, что позволяет более

корректно интерпретировать результаты измерений и более точно определять параметры моделей, описывающих ВАХ.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Аникин М.М.,Лебедев А.А.,Попов И.В..Стрельчук A.M., Суворов А.В.,Сыркин А.Л..Челноков В.Е. Исследование вольтамперных характеристик диодных структур на основе карбида кремния.//ФТП,1986,Т.20,В.Б,с.844-848.

2.Дмитриев В.А..Иванов П.А.,Коркин И.В..Морозенко Я.В., Попов И.В.,Сидорова Т.А..Стрельчук А.М^,Челноков В.Е. Карбид-кремниевые р-п-структуры, полученные жидкостной апитаксией.// Письма в ЖТФ,1985,ТЛ1,В.4,с'.238-241.

3.Аникин М.М.,Грессеров Б.Н..Дмитриев В.А..Евстропов В.В., Киселев К.В.,Попов И.В..Стрельчук A.M. Неклассический термо-инжекционный ток в SIC р-п-структурах.//Тез. докл. III-го Всес. совещания "Физика и технология широкозонных полупроводников", Махачкала,1986,с.64.

4.Аникин М.М.,Лебедев А.А.,Попов И.В.,Стрельчук A.M., Суворов А.В.,Сыркин А.Л..Челноков В.Е. Особенности протекания тока в диодных структурах на основе эпитаксиального карбида кремния с р-п-переходом, сформированным имплантацией ионов алшшшя.//Тез. докл. III-го Всес. совещания "Физика и технология широкозонных полупроводников", Махачкала,1986,с.93.'

Б.Аникин М.М.,Лебедев А.А.,Попов И.В..Растегаев В.П., Стрельчук A.M.,Сыркин А.Л..Таиров D.M.,Цветков В.Ф..Челноков В.Е. Электрические характеристики эпитаксиальных р+-п-п+-структур на основе карбида кремния политипа '6Н.//ФТП,1988,Т.22, В.2,с.298-300.

б'.Аникин М.М..Евстропов В.В.,Попов И.В..Растегаев В.П., Стрельчук A.M..Сыркин А.Л. Неклассический термоинжекционный ток в карбидкремниевых р-п-структурах.//ФТП,1989,Т.23,В.4, с.647-651.

7.Аникин М.М.,Евстропов В.В.,Попов И.В..Стрельчук A.M., Сыркин А.Л. Разновидность неклассического термоин?,¡опционного тока в карбидкремниевых р-п-структурах.//ФТП,I989,Т.23,В.10, с.1813-1818.

- 19 -

8.Аникин М.М..Зубрилов А.С..Лебедев А.А..Стрельчук A.M., Черенков А.Е. Рекомбинационные процессы в 6H-S1C р-п-структу-рах и влияние на них глубоких центров.//ФТП,1991,Т.25,В.З, с.479-486.

9.Anikln M.M.,Lebedev A.A.,Pyatko S.N..Solovlev V.A., Strel'chuk A.M.. Minority carrier diffusion lengths An epltaxlally grovm S1C(6H) pn diodes.//Abstr. of 3-rd Int. Conf.

' on amorphous and crystalline S10 and other group IV-IV materials. Washington,USA,1990,p.VI.6.

Ю.Аникин M.M. .Вайнштейн C.H..Лезинштейн M.E. »Стрзльчух А.М.,Сыркин А.Л. Об отрицательном температурном коэффициенте напряжения пробоя в карбидкрешшевых р-п-переходах.//Письма в ЖТФ,1988,Т.14,В.6,с.545-547.

11.Аникин М.М..Левиштейн М.Е.,Попев И.В..Растегаев В.П., Стрельчук A.M..Сыргаш А.Л. Температурная зависимость напряжения лавинного пробоя в карбидкремниевых р-п-переходах.// ЕГП,1988,Т.22,В.9,с.1574-1579.

12.Кондратьев Б.С.,Попов И.В..Стрельчук A.M.,Тиранов М.Л. Электрические характеристики и ' температурный коэффициент напряжения пробоя микроплазм в низковольтных карбид-кремниевых р-п-структурах.//ФТП,1990,Т.24,В.4,с.647-652.

13.Аникин М.М..Левин В.И..Стрельчук A.M. Высокотемпературный диод на п+-подложках из объемных монокристаллов карбида кремния.//Изв. ЛЭТИ,I990,3.420,С.80-84.

14.Дмитриев В.А.,Иванов П.А..Левин В.И..Попов И.В., Стрельчук A.M.,Таиров Ю.М.,Цеотков В.Ф..Челноков В.Е. Создание S1C эпитаксиалышх р-п-структур на подлозжах, полученных из объемных кристаллов S1C.//Письма в ВТФ,1987,ТЛЗ,В.19,с.П68-II7I.

15.Аникин М.М.,Лебедев А.А.,Попов И.В..Стрельчук A.M., Суворов А.В..Сыргаш А.Л..Челноков В.Е. Структуры с ионно-имплантированшм р-п-переходом на основе эпитаксиального 4H-S1C с S-оСразной вольтамперной характеристикой.//ФТП,I98S,Т.20,В.9, с.1654-1657.

16.Дмитриев В.А..Иванов П.А.,Попов И.В..Стрельчук A.M., Снгл'лн А.Л. .Челноков В.Е. Ограниченно напряжения с помощью карбидг.реиниоЕЫх р-п-структур.//Письма в ЖГФ.1936.Т .12,13 .13,

С.773-776.

37.Anikin М.К..Lebedev А.А..Strel'chuk A.M..Cherenkov A.E. Radiative and radiatlonless recombination processes in 6H-SiC p-n stCTicture3 and the affect of deep centres.//Abstr. of European materials research conf.. Strasbourg, France,1990, Р.С-Ш.-2.

Цитируемая литература.

I.Sah С.-Т.,Noyce R.N..Shockiey W. Carrier generation and recombination in p-n Junctions and p-n Junction characteristics //Proc. of the I.R.E.,1957,V.45,N.9,p. 1228-1243.

2.Евстропов В.В..Киселев К.В..Петрович И.Л..Царанков Б.В. Ток, обусловленный рекомбинацией через многоуровневый центр в слое объемного заряда ■ р-n-структуры.//ФТП, 1934, Т Л 8, В. IО. с.1852-1858.

З.Чойк У.Дх. Оптические свойства политипов S1C: менду-зошюе поглощение и люминесценция азотно-экситонных комплексов. // "Карбид кремния" под ред. Хениша Г.,Роя P..M..I972, с.166-179.

4.'Лик А.Я. Тункелько-рекомбинационные токи в неидеальных ге теропере^одах.//ФТП,1983,Т.17,В.7,с.1295-1299.

PTII ПИЯФ, зак.736, тир.100, уч.-изд.л.1; 9/Х-19Э2г. Бесплатно