Минизонный электронный спектр и транспорт горячих электронов в естественной сверхрешетке политипов карбида кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ОЙ Ъ^' £> * 5 V ^ '

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. А.Ф. Иоффе

щ

/

На правах рукописи

£1

С АНКИН Владимир Ильич

Минизонный электронный спектр и транспорт горячих электронов в естественной сверхрещетке^юшштов карбида

"кремния - " /

.. -г ^

м- ' ' 1 Г!-;1---............. ..,г„т\г) л • '"" /О - '

^ - I " специдльнорр^ -у _ -

\ 01. 04. 10 - филнтаттолуЬроводткОЬ йиЙиэлекгриков

—Г," - 1

:ссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

Санкт- Петербург 1998

Работа выполнена в Физико-техническомИоффе РАН.

• ГОСУДАРСТВЕННАЯ Официальные оппоненты: БИБЛИОТЕКА.

" : ■■ ^ 2 V)

член-корреспонденпгРАН, (Л / «V ^ '

доктор физико-математических наук л А..А. Андронов,

доктор физико-математических наук, профессор Ю.М.Таиров,

доктор физико-математических наук А.Ф. Кардо-Сысоев.

Ведущая организация: Санкт- Петербургский государственный технический университет.

Защита состоится " к ЛрССрТФ-1999 г. в """""" час на заседании диссертационного совета Д. 003.23.02 при Физико-техническом институте им. А.Ф Иоффе РАН (19402!, Санкт-Петербург, Политехническая ул.,26).

Отзывы о диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по выше чцресу ученому секретарю

диссертационного сог

С диссертацией в в ^ в библиотеке

Физико-техническо

Диссертация в виде научно 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 003. 23,и.,

доктор физико-математических наук Сорокиным.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Карбид кремния, как известно , знаменит прежде всего такими физико-химическими свойствами, как твердость, стойкость в химических агрессивных средах, сохранность полупроводниковых свойств при высоких температурах вплоть до 1000°С, высокая теплопроводность, высокие пробивные поля и многое другое.

Но, по-видимому, наибольший интерес вызывает существование полятипов в виде различных кристаллов БЮ с большими и очень большими размерами элементарной ячейки или, так называемых, сверхструктур. Практически во всех политипах, кроме основной периодичности, равной постоянной решетки, можно выделить дополнительную периодичность размером в несколько й даже несколько десятков постоянных решетки. Такая сверхпериодичность получила название естественной сверхрешетки (ЕСР). Кроме вопроса о природе таких сверхструктур, огромный интерес вызывает вопрос о том, какое влияние это явление оказывает на электронные свойства политипов. Безусловно эта проблема является фундаментальной , но несомненно и то, что результаты такого исследования представляют большой практический интерес, поскольку речь идет о свойствах собственно кристаллов 81С, практическая ценность которых не вызывает сомнений.

Интерес к системам со сверхпериодичностью возник в середине 60-х годов после опубликования Л.В. Келдышем работы [I*], в которой предлагалась идея создания с помощью акустической волны сверхрхпериодичности в кристалле, что, в свою очередь, приведет к расщеплению непрерывной н широкой зоны в последовательность узких зон или минизон. Приложение сильного электрического поля к такой системе предполагало возникновение режима брэгговского отражения электронов [2*] и, как следствие, возникновение отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП). Можно утверждать, что эта идея симулировала создание искусственных сверхрешеток [3*] на основе последовательности гетеропереходов, которые и по сей день являются Агентом многочисленных исследований. Но глазной задачей этих работ фапась и является задача обнаружения ОДП, что, к сожалению, на ч одняшний день практически не удалось. Проблема электронного 1:^спорта в сильных электрических полях в системе ЕСР политипов £ Ьбида кремния, которая является предметом внимания настоящей = !;оты, до сих пор не исследовалась. Однако из оптических исследований , _* Iведенных воФТИ им. А.Ф.Иоффе Г.Б.Дубровским, А.А.Лепневой и ,Р ад ова новой,было известно [4*], что некоторые полосы поглощения в ! итипах БЮ могу быть относеиы за счет переходов между

I ' 3

электронными минизонами , которые обусловлены ЕСР. Таким образом, весьма актуальная проблема, не разрешенная на искусственных СР, обязательно должна была стать предметом исследования на ЕСР политипов З^С хотя бы потому, что в структурном совершенстве такие ЕСР имеют неоспоримые преимущества перед искусственными СР, в частности, благодаря отсутствию интерфейсов. Технологически задача создания экспериментальных структур на БЮ в своей основе сводится к росту качественных эпитаксиалъных не гетеро, а гомослоев, положительный опыт в решении ее был накоплен, и в России, и за рубежом. Результатами данной работы должны были стать ответы на весьма принципиальные физические вопросы : существует ли ванье- штарковская локализация (ВШЛ) в кристаллах, реализуется ли экспериментально режим блоховских осшшшшй (БО) или брэгговского отражения , а также многочисленные другие явления, вытекающие из теории, является ли ЕСР в БГС сулественным фактором или некой уникальностью дальнего порядка, не оказывающей сушестченного влияния на электронные свойства. Естественно ожидаемым результатом этой работы должны были стать и новые данные , важные для принятия приборных решений.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью настоящей работы являлось всестороннее изучение особенностей электронного транспорта в ЕСР политипов карбида кремния в сильных электрических полях. Задачи настоящей работы состояли в следующем:

-разработать методику исследования зонной и экситонной структуры политипов карбида кремния;

-провести исследование на предмет определения основных параметров , зонной и экситонной структуры политипов карбида кремния; -разработать методику создания совершенных р-п-переходов для изучения ударной ионизации и лавинного электрического пробоя; -провести исследования для получения основных характеристик ударной ионизации и лавинного пробоя для двух основных направлений поля параллельно $ | С и перпендикулярно Г1С оси ЕСР полнтипсгв 51С; -разработать методику исследования ванье -штарковской локализации в широком диапазоне электрических полей;

-провести исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) ЕСР политипов карбида кремния р сильных электрических полях по обнаружению ОДП , обусловленного ЕЮ;

- провести исследования вольт-амперных характеристик ЕСР политипов карбида кремния в сильных электрических полях по обнаружению ОДП ,

обусловленного электро-фононным резонансом в режиме ванье-штарковских лестниц;

-провести исследования, вольт-амперных характеристик ЕСР политипов карбида кремния в сильных электрических полях по обнаружению ОДП , обусловленного режимом полной локализации нижней минизоны; -провести исследования вольт-амперных характеристик ЕСР политипов карбида кремния в сильных электрических полях по обнаружению ОДП , обусловленного режимом межминизонного резонансного туннелирования; -разработать методику исследования ударной ионизации в режиме чисто электронного возбуждения;

-исследовать специфику ударной ионизации в режиме чисто электронного возбуждения;

-разработать методику 'измерения насыщенных скоростей вертикального дрейфа электронов; .

- провести исследования насыщенных скоростей вертикального дрейфа электронов в ЕСР политипов карбида кремния.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Проведено систематическое исследование экситоцного электропоглощения (ЭЭП) в политипах 4Н-И 6H-SiC. Получены спектры непрямых оптических переходов. Определены основные энергетические параметры зкситона, спин- орбитальное и кристаллическое расщепление валентной зоны, ширина запрещенной зоны, энергии основных фононов, формирующих непрямые экситонные переходы, получена структура фононного спектра для переходов с .различной поляризацией света Е !! С и Е 1 С. Теоретико-групповой анализ симметрии фононного спектра позволил произвести локализацию минимума зоны проводимости в зоне Бриллюэна. -

Проведено исследование ударной ионизации и лавинного пробоя в ряде политипов 4Н-, 6Н-, 10Н-. 15R-, 21R-SiC, Показано резкое различие в характере ударной ионизации для направлений электрического поля Fl | С и F1C.

Установлена монополярность ударной .'.ионизации для Fi I С и биполярность для Fi. С. В результате проведенного анализа показана определяющая роль ВШЛ в депрессии электронного компонента ударной ионизации для Fl I С.

Поведение дырочного компонента ударной ионизации для FÜO четко показало отсутствие влиянья на него ВШЛ, что однозначно

доказывает отсутствие реального минизонного расщепления в спектре валентной зоны политипов карбида кремния.

В силу нетривиальности механизма разогрева электронов, характеры лавинного пробоя для IIIС и Р1 С коренным образом отличаются друг от друга. Это, в частности, касается величин пробойных полей, пространственной однородности распределения электронно-дырочной плазмы, температурных коэффициентов напряжения лавинного пробоя, аномальной зависимости напряжения пробоя от ширины запрещенной зоны.

Предложена методика и разработана экспериментальная триодная структура для наблюдения ВШЛ в широком диапазоне электрических полей.

Показано, что в 4Н-, 6Н- и в 8Н-5Ю наблюдаются особенности ВАХ в виде сильной ОДП, обусловленной БО электронов в первой минизоне.

Рост внешнего электрического поля приводит к дискретности до того квазинепрерывного электронного спектра , что позволило наблюдать в туннельных перескоках электронов между соседними ячейками электро-фононные резонансы.

Обнаружено падение туннельного тока , обусловленное полной локализацией первой минизоны.

Делокализация электрона происходит путем резонансного туннелировакия в вышележащую минизону, свидетельством чему явился резкий рост тока.

Небольшое увеличение поля приводит к началу процесса локализации во второй минизоне, что выражалось в последующем за всплеском тока достаточно сильном его падении .

Разработана методика прямого наблюдения электронного компонента ударной ионизации.

Установлено, что электронный компонент ударной ионизации для И 1-е вплоть до Р=0.9 Р), практически равен 0. Здесь -поле лавинного пробоя.

Показана возможность измерения насыщенных скоростей вертикального дрейфа с помощью специальной экспериментальной структуры.

Определены значения насыщенных скоростей электронов 4Н-, 6Н-, 8Н~ и 21 {^¡С. Показана их корреляция со степенью локализации в самой ЕСР.

Полученные результаты имеют большое практическое значение. Такие данные, как зависимость напряжения пробоя от ориентации базовой плоскости р-п-перехода, от концентрации донорной примеси, зависимость напряжения пробоя от температуры, связь микроплазменного пробоя с кластерами углеродных вакансий , особенности шнурования лавинного тока и другие данные являются важным материалом для практических разработок. Полученные ВАХ с падающими ветками создают основу для уникальных генераторов СВЧ-сигнала. Среди созданных в процессе выполнения данной работы новых приборов такие, как высоковольтные до 1800 В диоды и лавинные фотодиоды на основе полупроводника с ЕСР, солнечнослепые фотоэлементы, аналоги pin диодов. Предложенные приборы и приборные структуры защищены восьмью авторскими свидетельствами.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Структура зкситонных переходов в 6H-SÍC и в 4H-SÍC: спектр фононов, участвующих в непрямых оптических переходах, спин-орбитальное и кристаллическое расщепление валентной зоны, спектр возбужденных состояний экситона.

2. Локализация минимума зоны проводимости в зоне Бриллгоэна 4Н-и бН-SiC: теоретико- групповой анализ симметрии фононов. формирующих непрямые оптические переходы, сравнение с экспериментом, определение точки минимума зоны проводимости в зон? \ Бриллюэна. 1 '

3. Для широкого диапазона электрических полей , направленных ч параллельно оси ЕСР FÍ! С, ударная ионизация монополярна, ионизирующие носители - дырки. Предложена и теоретически проанализирована модель дырочной ионизации.

4. Электронный компонент ударной ионизаичи для F| I С подавлен. Прямым экспериментом установлено, что вплоть до 0.9 от величины пробойного поля процессы, связанные с разогревом электронов, не наблюдаются и напротив наблюдаются эффекты, указывающие на доминирование процессов ванье-штарковской локализации ( ВШЛ) в этой области полей. Делокапизаиия электрона происходит в результате резонансного туниелирования электрона во вторую минизону, где возможен более эффективный разогрев за счет существенно более широкой {примерно а 4 раза) минизоны.

5. Ударная ионизация для РХС биполярна. Отношение дырочного к электронному коэффициентов ударной ионизации Р /а < 2. Это доказывает факт отсутствия локализации электрона в этом кристаллографическом направлении.

6. Лавинный пробой для IIIС обнаруживает , несколько особенностей. Аномально большая величина пробойного поля (в 2-3 раза . больше ожидаемого для Е§= 3.065эВ), отрицательный температурный коэффициент лавинного пробоя и аномальная зависимость пробойного поля от Ей, обусловлены нетривиальным механизмом разогрева электронов в минизонном спектре зоны проводимости политипов БхС.

7. Характер лавинного пробоя для Р±С не имеет особенностей и. развивается по традиционному для полупроводников сценарию. Величина поля лавинного пробоя более чем в 2 раза меньше, чем для ИI С.

8. Электронно-дырочная плазма (ЭДП)» возникающая при лавинном пробое с Р[| С в виде однородно светящегося пятна , с увеличением тока эволюционирует, превращаясь в набор дискретных точек (диссипативных структур). Эффект обусловлен нетривиальным механизмом разогрева электронов, в котором некоторую, хотя и небольшую роль, играет элехтрон-электрои рассеяние. .Не оказывая практического влияния на интенсивность генерации ЭДП, оно при этом радикально меняет ее пространственное распределение. Предложен и теоретически проанализирован новый механизм образования днссипативных структур в ЭДП. Подчеркнем, что ничего подобного не происходит, когда Р1С.

9. Шнурование лавинного тока является результатом тепловой неустойчивости распределения диссипативных структур, чем и объясняется поведение шнура, не характерное для теплового шнура.

10. Отрицательная дифференциальная проводимость электронов (ОДП) з режиме блоховских осцилляций (БО) в 6Н-51С.

Н. ОДП электронов в режиме БО в 4Н-51С. •

12. ОДП электронов в режиме БО в Ш-БЮ.

13. ОДП электронов в режиме электрофононных резонансов в 6Н-и 4Н~51'С. Штарковская энергия совпадает с энергиями фононсз .

14. ОДП электронов в режиме полной локализации первой минизоны в бН-ЗЮ. Определение ширины первой минизоны Е| «256мэВ.

15.Резонансное туннелирование электронов и определение энергетического зазора между первой и второй мииизонамй «175мэВ

16. ОДП электронов во второй минизоне. Начало процесса локализации во второй мишпоне.

р0гтм$СКйЯ

госу/. ■ / я Л''¿ел

17. Насыщенные скорости вертикального дрейфа политипов 4Н-, 6Н-, 8Н-и 2 IR-SiC. Корреляция между параметрами естественной сверхрешетки (ЕСР) и величинами скоростей как иллюстрация зависимости степени локализации от периода ЕСР.

18. Высоковольтные р-п~ переходы и лавинные фотодиоды на основе полупроводника с ЕСР карбида кремния, солиечнослепые карбидкремниевые фотоприемники для УФ - спектрального диапазона и аналоги pin диодов с высокой степенью модуляции проводимости.

Полученные в работе результаты способствуют формированию нового научного направления: осцилляционный транспорт в полупроводниковых сверхрешетках.

ПРИОРИТЕТ РЕЗУЛЬТАТОВ. Все полученные в работе результаты имеют мировой приоритет. Структура экситона, параметры расщепления валентной зоны, локализация минимума зоны проводимости по сей день являются единственными экспериментальными данными, которы" широко цитируются в литературе. Данные по ударной ионизации, монополярность ударной ионизации для Fj|C, характеристики лавинного пробоя, определяющее влияние ВШЛ на указанные процессы являются новыми результатами и не только для политипов SiC. Большой резонанс и признание получили результаты по всестороннему исследованию процесса ВШЛ. Впервые полученные эффекты* ОДП для различных режимов ВШЛ являются давно ожидаемым экспериментальным подтверждением теоретических предсказаний. Данные этого исследования активно формируют новые взгляды на различные аспекты практического использования SiC.

ДОКЛАДЫ И ПУБЛИКАЦИИ . Автором сделано 19 докладов'на международных и 21. на Всесоюзных и Российских конференциях. По материалам Диссертации опубливано 75 работ в материалах конференций и таких периодических журналах, как Письма в ЖЭТФ, ФТТ, ФТП, ЖТФ, Письма в ЖТФ, Superlattices and Microstructures. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях: !1 и Ш В