Получение и исследование эпитаксиальных пленок твердых растворов (SiC)1-x(AIN)x, и поверхностно-барьерных структур на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Рамазанов Шихгасан Муфтялиевич

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (81С)Ь1(А11Ч)1, И ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ

01.04.Г0 - Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

п 3 АПР 2014

Махачкала — 2014 005546609

005546609

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет»

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук, доцент, Курбанов Маликаждар Курбанович

доктор физико-математических наук, профессор, Билалов Билал Аругович

Кузнецов Геннадий Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»"

Ведущая организация:

Бабаев Ариф Азимович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН «Институт Физики им. Х.И. Амирханова» Дагестанский научный центр Российской академии наук

Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону

Защита состоится «18» апреля 2014 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д.212.053.02 при Дагестанском государственном университете по адресу: 367025, г. Махачкала, ул. Дзержинского, 12, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет» http://science.dgu.ru

Автореферат разослан «/У » марта 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного ^ ,

совета, доктор ф.-м. наук, , f) /

профессор Qjy (г Курбанисмаилов B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время освоение широкозонных материалов: карбида кремния БЮ, нитридов Ш-й группы и их твердых растворов -становится одним из главных направлений развития современной полупроводниковой электроники. Приборы на основе БЮ и его твердых растворах (81С),_ Х(АШКТ)Х, обеспечивают высокую надежность и стабильность параметров при экстремальных условиях эксплуатации в силу удачного сочетания полупроводниковых и физико-химических свойств. Наиболее перспективными в этом плане являются твердые растворы карбида кремния с нитридом алюминия [1]. Благодаря большой ширине запрещенной зоны (от 3 до 6 эВ) твердые растворы (51С),.Х(А1Ы)Х могут быть использованы в полупроводниковых приборах, эксплуатирующихся в экстремальных условиях высоких температур, повышенной радиации и химически агрессивных воздействий.

Среди возможных применений можно назвать: датчики пламени и температуры, диагностика плазмы, детектирования следов от двигателей ракет и т.д.

Псевдобинарные твердые растворы ^¡С^.^АШ)* позволяют существенно расширять диапазон важнейших электрофизических свойств открывают большие возможности при создании новых оптоэлектронных и высокотемпературных приборов. Твердые растворы (81С)).Х(А1М)Х наследуют уникальные механические, химические и тепловые свойства карбида кремния [1]. К тому же, в них путем изменения состава возможно в широких пределах управлять оптическими и электрическими свойствами.

Твердые растворы (81С)1.Х(А1Н)Х также перспективны для применения в структурах с поверхностьными барьерами: в высоковольтных диодах, транзисторах и т. д. К примеру, свойства диода Шоттки на основе структуры (ВЮ^. Х(А1К)Х/81С можно изменять в широких пределах: выбором барьерного металла, концентрации х в твердом растворе, степени легирования подложки и т.д. Применение широкозонного полупроводника в роли подзатворной области значительно уменьшает токи утечки затвора, а также увеличивает предельную рабочую температуру диодов и транзисторов.

Однако в настоящее время проблемы получения структурно совершенных тонких пленок твердого раствора (81С)!.Х(А1Ы)Х с применением ионно-плазменных технологий недостаточно решены. Проблема формирования (БИН)]. Х(А1№Х во всем интервале составов методом ионно-плазменного (магнетронно-го) распыления является актуальной задачей, требующей модернизации технологических процессов с учетом специфики их физико-химических свойств.

Настоящая работа проводилась в соответствии ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013гг «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» 2009-2010 гг., по «Разработка технологии получения и исследование структур с поверхностными барьерами на базе твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия для создания высоковольтных и высокотемпературных диодов Шоттки» (гос. контракт №П2139).

Цель работы: разработка технологии получения структурно совершенных пленок твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x различных составов, исследование их свойств, а также формирование на их основе поверхностно-барьерных структур в системе Mer^W(SiC)i_x(AlN)x/SiC.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Изучение технологических основ формирования структурно совершенных пленок твердого раствора (SiQ^AIN)* методом магнетронного распыления составных мишеней SiC с А1.

- Исследование свойств полученных пленок твердого раствора (SiC)i. X(A1N)*.

- Получение поверхностно-барьерных структур в системе Me/(SiC)|.x(AIN)x и определение высоты потенциального барьера.

- Определение закономерности влияния степени ионности компонентов SiC-A1N на высоту потенциального барьера на контакте MeTaim/(SiC)i.x(AlN)x при изменении концентрации х.

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в разработке технологии получения эпитаксиальных слоев (SiC),.x(AlN)x на базе ион-но-плазменного магнетронного распыления, исследовании их свойств и получении барьерных структур MeraTm/(SiC)i.x(A!N)x.

1. Разработана методика формирования структурно совершенных эпитаксиальных слоев твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x на подложках карбида кремния магнетронным распылением составных мишеней SiC+Al на постоянном токе (патент RU № 2482229).

2. Впервые получены монокристаллические пленки твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x методом магнетронного распыления на постоянном токе составных мишеней SiC, распыляемая поверхность, которой частично покрыта слоем А1, в атмосфере аргона и азота. Показаны преимущества технологии получения пленок (SiC)i_x(AlN)x с применением составных мишеней.

3. По результатам исследований структуры и морфологии методами атомно-силовой микроскопии, сканирующей туннельной микроскопии, методом комбинационного рассеивания света (КРС) определены оптимальные технологические факторы формирования монокристаллических пленок (SiC)i.x(AlN)x.

5. Впервые установлено, что в твердом растворе (SiC)o,36(AlN)o,64 интенсивность коротковолновой полосы спектра фотолюминесценции (>.„,„ = 308 нм) возрастает с по сравнению с длинноволновой полосой (^„=401 нм), при увеличении энергии возбуждения.

6. Впервые теоретически рассчитаны и экспериментально найдены значения высоты потенциального барьера в системе Металл/(5 iC) ,.х( A1N)X в зависимости от концентрации х и природы металла.

7. Экспериментально выявлен дополнительный фактор - степень ионности компонентов SiC и A1N, влияющую на высоту барьера Шотгки в системе Ме-Taiui/(SiC)i_x(AlN)x при изменении содержания компоненты х в пленке.

8. Результаты комплексного исследования барьеров Шоттки в системе Ме-TaJUi/(SiC)|.x(AIN)x рекомендованы для создания на их основе приборных структур экстремальной электроники.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ получгния пленок твердого раствора {StC)1.x(AlN)x ионно-плазменным магнетронным распылением составных мишеней SiC с Al, в заданных соотношениях, на постоянном токе в аргон-азотной среде.

2. Зависимость фазового изменения эпитаксиальных пленок твердого раствора (SiC),_x(AlN)x от температуры Т подложки, при фиксированных других параметрах. При Т — 700°С пленка формируются в аморфной фазе. При температурах подложки CBbiDie 820°С наблюдается переход к поликристаллическому строению. При температурах Т > 1000°С формируется монокристаллическая фаза.

3. Относительно быстрое возрастание интенсивности коротковолновой полосы спектра фотолюминесценции пленок твердого раствора (SiC)i_x(AlN)*, при концентрациях х > С ,6 по отношении к другим полосам с увеличением энергии возбуждения от ~ 4 до ~ 5 эВ, обусловленный увеличением роли переходов зона-зона при данных :оставах.

4. Растущая зависимость высоты поверхностно-потенциального барьера структуры MeTarui/(!3iC)1.x(AlN)I, с ростом содержания компоненты х, от работы выхода металла, обусловленная увеличением степени ионности твердого раствора (SiC)i_x(AIN)x.

Практическая ценность. Усовершенствована методика выращивания эпитаксиальных слоев (SiC)]_x(AlN)x на подложках карбида кремния методом маг-нетронного распыле иия на постоянном токе.

Разработан способ получения эпитаксиальных пленок твердого раствора (SiC)i.x(AlN)x (патент на изобретение № 2482229 приоритет от 26.12. 2011).

Рекомендована технология формирования барьеров Шоттки в системе Ме-талл/(81С)|.х(А1Ы)х. Результаты комплексного исследования барьеров Шоттки в системе МеталлД S i С) i _х( A1N)X могут быть использованы для создания на их основе приборных структур.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007); VII Международной конференции «Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии» (Кисловодск - Ставрополь, 2007); International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (Otsu, Japan, 2007); на V Всероссийской конференции Физической электронике (Махачкала, 2008); VI Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и глюминия: структуры и приборы» (Санкт-Петербург 2008); Международной конференции ИННОВАТИКА (Ульяновск 2011); VIII Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» (Санкт-Петербург 2011); Photonics, Devices, and Systems V; Proc. of SPIE

(Prague, Czech Republic, 2011); New Trends in Physics - NTF (Brno, Czech Republic 2012); Всероссийской конференции Современные проблемы физики плазмы (Махачкала 2013).

Публикации: Материалы диссертации опубликованы в 19 научных работах, в том числе в 5 рецензируемых работах рекомендованных ВАК. Получен патент на изобретение RU №2482229.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации 112 страниц, включая 7 таблиц и 48 рисунков. Библиография содержит 127 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены основные задачи и цели работы, приведены новые научные результаты и на их основе сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор основных экспериментальных и теоретических работ, посвященных твердым растворам (SiC)I.x(AlN)K и поверхностно-барьерным структурам на основе SiC. В ней дан анализ современного состояния получения и исследования этих материалов и структур на их основе.

В настоящее время изучены структурные, электрические и оптические свойства объемных кристаллов (SiC)i.x(AlN)x и гетеропереходов w-SiC-p-(SiC)i_ X(A1N)X, выращенных методом сублимационной эпитаксии на подложках карбида кремния [2,3]. Рассчитана зонная структура твердого раствора (SiC)j. X(A1N)X со структурой вюрцита [4]. Расчеты показывают, что данные твердые растворы могут иметь прямозонную структуру в широком интервале концентраций, вплоть до х = 0.4. Расчеты также показывают, что, несмотря на "родственность" атомов Si и С, замещение при образовании твердого раствора (SiC)[.x(AlN)x происходит по правилу Si <-> AI, С <-> N. Этот результат объясняется с использованием анализа электронной структуры A1N и SiC бездефектных и с примесями Si, С и AI, N соответственно. Рассчитанные значения рассогласования параметров решеток подложки SiC и слоя (SiC)i_x(AlN)x изменяются от- 7.8-10"5 до - 1.1-10"3 для различных составов твердого раствора [3].

В литературе множество работ посвящено поверхностно-барьерным структурам на основе SiC, однако, практически нет работ посвященных барьерам Шотгки в системе Me/(SiC)i_x(AlN)x.

Анализ публикаций в научной литературе показывает, совершенствование существующих и разработка новых методов относительно низкотемпературных ионно-плазменных методов получения твердых растворов (SiC)1.x(AlN)x является одной из важных задач, решение которой позволить получить целый спектр новых полупроводниковых материалов с уникальными электрофизическими свойствами, прежде всего, для целей интегральной микроэлектроники, опто- и силовой электроники.

Вторая глава состоит из четырех разделов и посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию процессов получения пленок (SiC)i_x(AlN)x

методом магнетронного распыления. В первом разделе рассмотрены основные параметры магнетронной распылительной системы (MPC), определяющие эффективность работы MPC, стабильность скорости осаждения и воспроизводимость свойств получаемых пленок. Анализ полученных результатов позволяет оптимизировать технологические параметры получения пленок (SiC)i.x(AlN)x методом магнетроннэго распыления.

Во втором раздел; представлены расчетные модели, позволяющие определять зависимость протяженности зоны термализации распыленных атомов (Si, С, AI, N) из мишени в зависимости от давления рабочего газа. Для расчета применялась модель парных соударений в приближении жестких сфер.

Как известно, процесс магнетронного осаждения пленок является многопараметрическим. Поэтому для оптимизации технологических параметров процесса магнетронного осаждения пленок твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x были рассчитаны зависимости протяженности зоны термализации распыленных атомов мишени от давления аргона при различных режимах распыления. Протяженность зоны термализации - это расстояние от катода до границы термализации распыленных îtomob, на которой частицы потока достигают термодинамического равновесия с рабочим газом.

Полученные результаты расчетов учтены при установлении оптимальных расстояний между мишенью и осаждаемой подложкой.

В третьем разделе рассматриваются технологические аспекты приготовления мишеней и чистота самого процесса осаждения. Описана методика подготовки составной мишени 5!iC со слоем А1 на поверхности (рисунок 1). При магне-тронном распыленна поликристаллических однородных мишеней SiC-AIN было выявлено, что процесс распыления в них ухудшается с увеличением весового содержания A1N '4]. Это связано с тем, что с увеличением A1N возрастает сопротивление мишени, и стабильность разряда ухудшается. Описано преимущество предлагаемого нового способа получения эпитаксиальных пленок (SiC)i.x(AlN)x магнетронным распылением, в котором вместо однородной мишени используется составная мишень. Составная мишень SiC+Al представляет собой диск из поликристаллического SiC диаметром 60 мм и толщиной 4 мм изготовленный из порошка карбида кремния путем прессования и последующего спекания в аргоне при температуре -2100 К определенная часть распыляемой поверхности покрыта слоем химически чистого алюминия, полученного термическим испарением через маску в высоком вакууме. При использовании составной мишени отпадает необходимость включения в состав мишени компоненты A1N и проводимость такой мишени достаточна для магнетронного распыления на постоянном токе. В данном методе составом получаемой пленки твердого раствора (SiC)i.x(AlN)x управляется путем изменения давления напускаемого реактивного газа (азота) и соотношения Sac^Ai (где Ss-,c и SM -площадь поверхности, занимаемая карбидом кремния и алюминием соответственно).

Рисунок 1. Составная мишень с А1 (диаметром 60 мм, толщиной 4 мм)

В данном разделе также описана методика подготовки подложек. Для удаления нарушенных слоев с поверхности подложки, формирующихся при полировке, подложки подвергались травлению к КОН при 750 °С, далее промывались в дистиллированной воде для удаления следов щелочи, перед использованием промывались в этиловом спирте и просушивались. В качестве подложек использовались пластины бН-вЮ полученные методом Лелли с п-типом проводимости (НгН, = 6-1017—3-1018 см "3). Для проведения оптических исследований применялись подложки сапфира.

В четвертом разделе дано описание экспериментальной установки, изложена методика получения пленок твердых растворов (81С)1_Х(А1Ы)Х. Для получения пленок (81С)1.Х(А1К)Х методом магнетронного распыления использовалась вакуумная установка типа УРМ. Данная установка была подвержена глубокой модернизации. Была изготовлена новая магнетронная система на базе магнитов ИсГРеВ, добавлена система напуска реакционного газа (азота), изготовлен новый анод, в разрядный промежуток был добавлен индуктивный узел, питаемый высокочастотным генератором для активации азота. Установка состоит из основных частей: вакуумная система, система напуска и регулирования газов, магнетронный узел и узел нагрева подложки. Типичные режимы осаждения пленок (81С)1.Х(А1К)Х методом магнетронного распыления представлены в таблице 1.

Таблица 1. Условия осаждения пленок (81С)1_Х(А1М)Х магнетронным распылением

1. Рабочие газы Аг, М2

2. Давление рабочего газа, Па 10-0.1

3. Плотность разрядного тока, мА/см2 5-30

4. Расстояние мишень - подложка, мм 30-50

5. Скорость осаждения, нм/с 0,1-0,7

6. Температура подложки, °С 600-1300

7. Максимальная длительность рабочего цикла, ч. 1-3

-L

В этом же разделе приводится экспериментальные результаты зависимости концентрации .г в пленке твердого раствора ^¡С^.^АИЧ)* при разных соотношениях составной мишени За/^яс и давления напускаемых газов в камеру (где парциальное давление азота, а Рм -давление аргона) (рисунок 2). Использование составных мишеней позволяет дозировать, концентрацию атомов С, А1 в получаемой пленке, путем изменения площади покрытой алюминием на мишени ЭЮ (5А]/551с), концентрацию атомов азота в синтезируемых пленках регулируется изменением соотношения Р^'Р,.,.

1,0-1,0

Рисунок 2. Зависимость концентрации* в пленке (81С)]_Х(АГЫ)Х при разных соотношениях составной мишени и смеси газов (азота и аргона) в камере.

В третьей главе представлены результаты исследований морфологии роста, структуры и оптических свойств пленок (SiC)].x(AlN)x.

В первом разделе дано описание исследования структуры и качества получаемых эпитаксиальных пленок твердого раствора (SiC)i.x(AlN)x. Полученные пленки (SiC)!.x(AlN)x, исследовались рентгенодифракционным методом (XRD) на дифрактометре Shimadzu -7000 с СиКа - излучением длиной волны К, = 1,54051 Â. Из обзорных дифрактограмм было видно, что искажение структуры не наблюдается, то есть не замечено других линий указывающих на смещение кристаллической решетки эпитаксиальной пленки и появление сверхструктурной фазы. Точность определения параметров решетки на данном этапе исследований составляла ~ 0,001 Â. Кристаллическое совершенство подложки и полученной пленки (SiC)!.x(AIN)x оценивали по величине полной ширины на половине высоты (FWHM). На дифрактограмме пики и значения FWHM для слоев (SiC),.x(AIN)x определялись с помощью программного обеспечения Rietveld встроенного в дифрактометр.

Вследствие большой интенсивности пика (006) от подложки на его фоне появляется малый пик, полученные линии располагаются между стандартными значениями монокристаллических SiC и AIN, что говорит об образовании твердых растворов (SiC)1.x(AlN)x в диапазоне концентраций 0 < х < 1. Сравнительный анализ результатов FWHM (таблица 2) показывает, что структурное качество эпитаксиальных пленок схоже со структурой подложки.

Кристаллы в системе SiC-AIN образуют твердые растворы изоморфного замещения. В соответствии с ионными радиусами атомы замещаются по механизму Si <-> Al и С <-» N. При возрастании я кристаллическая решетка эпитак-сиальной пленки перестраивается в вюрцитную структуру с образованием 2Н-(SiC)i_x(AlN)x с отличиями параметров решеток менее 1% (таблица 2).

Таблица 2. Параметры дифракционных максимумов от эпитаксиальных пленок (SiC)i.x (AIN)X> подложки 6H-SiC и 2H-A1N (ICSD:41482)

Образец 2Q, град d, m 0 с, À hkl FWHM, град

6Н- SiC 35,6556 2,5159 100 15,095 [006] 0,0592

(SiC)o,88(AlN)o,i2 35,6784 2,5145 28 15,087 [006] 0,0642

(SiC)o,36(AlN)o,64 35,8900 2,500 12 5,000 [002] 0,1206

2H-A1N 36,041 2,4900 100 4,980 [002] -

Линейная интерполяция параметра с кристаллических решеток исходных соединений SiC и A1N в соответствии с законом Вегарда свидетельствует о наличии (SiC)i_x(AlN)x в пленках (рисунок 3,7). Но для более точного определения концентрации л в эпитаксиальной пленке (SiC)i_x(AlN)x необходимо учесть значение ~ 0,03 Â, полученное при сопоставлении стандартных данных из картотек ICSD: 601178 и 606234 (рисунок 3,2) для (SiC),.x(AlN)x с составами .-с = 0,5 и х = 0,57 соответственно.

Таким образом, была построена зависимость параметров кристаллических решеток от состава в системе SiC-AIN, подчиняющейся закону Вегарда с погрешностью ~ 0,03 А, что подтверждает образование твердых растворов изоморфного замещения (SiC)1.x(AlN)x с концентрациямих = 0,12 их = 0,64 без макроскопических структурных искажений и включений сверхструктурной фазы.

Sic „ AIN

Концентрация X

Рисунок 3. Зависимость параметра решетки от состава для системы SiC-AIN, 1 -экспериментальные данные - лежащие на интерполяционной линии построенная по закону Вегарда, 2 — линия с учетом стандартных значений базы данных ICSD

При исследовании дифрактограмм от структур (SiC)i_x(AiN)x/SiC полученных при разных температурах показали, что пленки при Т ~ 700°С формируются в аморфной фазе. При температурах подложки свыше 820°С наблюдается переход к поликристаллическому строению. При более высоких температурах Т > 1000°С формируется монокристаллическая фаза (SiC)i_x(AIN)x.

Во втором разделы приведены результаты исследования структур (SiC)i_ x(AlN)x/SiC методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) на Ntegra Spectra (NT-MDT). Анализ полученных спектров КРС от пленки твердого раствора (SiC)0,36(AlN)0,64 показало смещение мод относительно пиков 6H-SiC и пиков 2H-A1N. Вероятно, такое смещение было (с учетом результатов изучения структуры) связано с изменением межатомных расстояний в кристаллической решетке с изменением концентрации х, то есть в некоторых узлах атомы Si замещаются атомами А1, а атомы С замещаются атомами N, в зависимости от их ионных радиусов.

В третьем разделе проведен анализ результатов исследований морфологии роста пленок твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x. Для исследования были подобраны образцы полученные при почти одинаковых ростовых условиях кроме температуры подложки которая менялась в интервале от 600°С до 1300°С.

Пленки (SiC)j.x(AlN)x осажденные при температуре ниже 820°С не дали картин рентгеновской дифракции. Это дает основание сделать заключение, что они аморфны. Исследование микрофотографии области поверхности структуры (SiC)1.x(AlN)x/SiC и скола выращенной при Т = 720 °С показали аморфность полученной фазы, что подтверждается округлыми образованиями на поверхности подложки (рисунок 4).

Рисунок 4. Микрофотография области поверхности пленки (81С)1_Х(АКЧ)Х и скола структуры выращенной на Б ¡С при Т = 720°С

С повышением температуры подложки происходит кристаллизация пленки, увеличивается дефектность поверхности. При температуре Т ~ 820°С в пленке

начинают образовываться микрокристаллиты различной формы, т.е. в пленка формируются поликристаллическая фаза (рисунок 5).

Рисунок 5. Микрофотография поверхности пленки (81С)1_Х(А1Ы)Х и скола структуры выращенной на БЮ при Т = 830°С

При дальнейшем повышении температурь! подложки до Т = 1000°С возрастает совершенство структуры пленки (рисунок 6). На поверхности пленки появляются центры роста субмикронных размеров, что соответствует монокристалличной фазе роста.

Рисунок 6. Микрофотография поверхности пленки (81С)Ьх(Л1М)х и скола структуры выращенной на Б ¡С при Т = 1000 °С

С физической точки зрения эпитаксиальный рост является фазовым переходом первого рода. Различают четыре стадии образования пленки на подложке: возникновение зародышей, рост зародышей, миграция и срастание зародышей, эпитаксиальный рост пленки. Анализ микрофотографий показал, что повышение температуры подложки приводит к изменениям морфологии поверхности и структуры получаемых пленок. Как известно, многие свойства полупроводниковых структур и приборов сильно зависят от однородности

материала, от совершенства границы перехода между подложкой и выращиваемым материалом.

Таким образом были установлены факторы, определяющие состав и структуру пленок, а также условия формирования монокристаллических пленок (SiC)i_x(AlN); на подложке SiC. Показано, что путем изменения параметров процесса распыления и осаждения, возможно, управлять структурой пленок (SiC)1.x(AlN)x от аморфной до монокристаллической фазы.

В четвертом разделе описаны результаты исследований поверхности методами сканируешь зондовой микросткопии. Из результатов исследования шероховатостей полеченных пленок было замечено, что в аморфной фазе на участке 10x10 мкм Sq = 23 нм, с увеличением температуры на поверхность пленки (SiC),_x(AIN)x принимает форму столбчатых кристаллитов, шероховатость возрастает в 5 раз. При дальнейшем увеличении температуры шероховатость поверхности обратно падает в 3 раза, таким образом, происходит сращивание кристаллитов, образуя монокристаллическую фазу, а также на. поверхности пленки формируются шестигранные ямки, наследуемые от подложки (дефекты роста). В этом же разделе рассмотрен вопрос изучения поверкности вы-сокоомных образцов на примере твердого раствора (SiC)1_x(AlN)>; методом туннельной микроскопии. Для исследования структуры поверхности пленок была использована комплектация сканирующего зондового микроскопа на основе Ntegra Prima (NT-MDT), включающая термостолик с нагревом до 450 К и низкотоковую сканирующую туннельную головку ST020NTF. Анализ результатов показал визуальное сходство полученного изображения структуры с предполагаемой вюрцитной структурой кристалла твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x.

В пятом разделе приводятся результаты измерений коэффициента оптического поглаще яия пленок твердого раствора (SiC)i_x( AlN)x при составах jc = 0,12 их = 0,64 (рисунок 7). Из экспериментальных значений коэффициента поглощения следует, что оптическая ширина запрещенной зоны исследованных образцов составляет 3,1 эВ и 4,24 эВ при составах л = 0,12 их = 0,64 соответственно.

Рисунок 7. Зависимость коэффициента поглощения пленок (31С)).х(А1>0х при х -0,12 (график 1) х = 0,64 (график 2) от энергии падающей волны

2.5 3 3.5 4 4.5 5 Энергия фотона, эВ

При значении х = 0,12 пленка, вероятно, имеет непрямозонную структуру. На спектральных зависимостях края поглощения пленки в области вероятного непрямого перехода (рисунок 7, график 1) наблюдались ¿:ве особенности, заключающиеся в наличии "ступенек" в длинноволновой области и в резком возрастании коэффициента поглощения в коротковолновой области. С увеличением содержания A1N в (SiC)1.x(AlN)x край спектра поглощения закономерно сдвигается в коротковолновую область, при х > 0,6 структура переходов в полупроводниковых пленках твердого раствора (SiC),.x(AlN), вероятно становятся прямозонными (рисунок 7, график 2).

Полученные экспериментальные значения находятся в удовлетворительном согласии с теорией. Край поглощения закономерно сдвигается в коротковолновую область с увеличением содержания A1N и при х > 0,6 твердые растворы (SiC)i.x(AlN)x становятся прямозонными.

В шестом разделе представлены результаты исследований фотолюминисценции (ФЛ) пленок (SiC)i_x(AIN)x. Интенсив онсть и уровни ФЛ изучали при изменении энергии возбуждения от - 4 до ~ 5 эВ (рисунок 8).

энергия возбуждения

Д - 4.96 эВ 4.43 эВ эВ

энергия

возбуждения

\ Д - 4.96 эВ

\ О - 4.43 эВ

5 □ - 4.0 эВ

Я

1

600 675

250 300

б)

353 X, им

400 450

Рисунок 8. Спектры ФЛ от пленок: а - (ЗЮ) о,88(А1Ы)о,12 и б - (81С)о,эб(А1М)0>б4, в зависимости от энергии возбуждения при 300 К

Для пленки (8Ю)0,88(А1К)0Д2 на спектре наблюдается интенсивная полоса с максимумом Х= 401 нм (3.1 эВ) и дополнительный пик в области от 470 до 560 нм. При изменении энергии возбуждения от 4 до 5 эВ происходит рост интенсивности обеих полос. При увеличении энергии возбуждения от 4 до 4,43 эВ длинноволновый пик смещается в область коротких волн. По-видимому, излу-чательная рекомбинация в этом случае не связана с переходами зона-зона, а определяется переходами зона-примесный уровень (азота) (рисунок 8, а). При концентрации х = 0,64 в пленке твердого раствора ^¡С^.^АИЧХ характер ФЛ заметно меняется (рисунок 8, б). При энергии возбуждения Е = 4,96 эВ наряду

с длинноволновой полосой, наблюдается пик в коротковолновой области с максимумом >„= ЗОВ нм (Е= 4,03эВ). То есть с увеличением энергии возбуждающего света возрастает интенсивности обеих полос ФЛ, но коротковолновое излучение растет быстрее. Коротковолновая полоса, видимо, представляет собой краевую люминесценцию в эпитаксиальном слое (81С)0,зб(АШ)с,б4 при 4,03 эВ, что значительно превышает краевой максимум в любой политипной модификации. В спектре ФЛ пленки (8гС)о,зб(АГН)о>64 за длинноволновую полосу с пиком Х= 368 нм можно предположить, ответственны примесные атомы.

Четвертая глава посвящена вопросу получения барьеров Шоттки на поверхности пленок твердого раствора (81С),_Х(А1Ы)Х. Глава состоит из пяти разделов.

В первом разделе описаны методики формирования барьерных и омических контактов к структурам (81С)1.Х(А1Н)Х/81С. Для получения барьерных контактов использовались два метода - метод термического испарения и магнетронного распыления. На рисунке 9 представлена структура с барьерами Шоттки.

Рисунок 9. Барьеры ШотткиШ(81С)о,8(АМ)о,12, площадь контакта ~ 0,8 мм2.

Во втором разделе рассматрены модели формирования барьеров Шоттки на контакте металл-полупроводник. Для расчета высоты потенциального барьера в структурах Металл/п-(8 ¡С), _х( АГК')Х была использована модель, обобщающая теории Бардина и Шоттки-Мотта. В рамках этой модели был проведен расчет высоты потенциального барьера в структурах Металл/п-(81С)1^(А1Ы)х в зависимости от плотности поверхностных состояний 133 и концентрации легирующей примеси при различных значениях х в твердом растворе. Согласно данной модели высота барьер а <рв описывается следующим выражением:

¡(р.-х)+Ь-сА—-<рЛ-Ьч>

-*)+(!-сЛ^-ср

V„ +

кТ

где ц - заряд электрона; электронное сродство полу про водника; Ее - ширина запрещенной зоны полупроводника; <рй - энергетический уровень на поверхности;

У„ ■■ расстояние от дна зоны проводимости до уровня Ферми, Ад> - понижение высоты барьера за счет силы изображения:

Л(Р :

<13Мо{<рВ0-кТ/д)

е,еа

.2де ,Ы05г

ВцИ еа - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника на низких и на оптических частотах соответственно; е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума.5-толщина промежуточного слоя между метгишом и полупроводником, е/ - его относительная диэлектрическая проницаемость.

На рисунке 10,а представлены полученные зависимости <ръ от при энергетическом уровне состояний на поверхности ср0 е5 = 0,3Ея, рассчитанная для металлов А1, Т», Сг, и N1. Из рисунка видно, что при увеличении плотности состояний на поверхности от = 10м см"2 эВ"1 высота барьера <ръ для твердого раствора уже не зависит от них, то есть ток начинает протекать через эти поверхностные состояния. На рисунке 10,6 показана зависимость высоты барьера </>в от N0, рассчитанная для металлов А1, "П, Сг, при .с = 0,25.

N. - N. см

а а-

Рисунок 10, а - зависимость высоты барьера от плотности поверхностных состояний и5 в структурах Металл/п-(81С),_х(А11\[)х(где металл: А1, Т1, Сг, N1), при -Н, =1017 см"3, для составов х = 0,25; х := 0,65 б - зависимость высоты барьера (ръ от концентрации нескомпеисированной примеси в структурах Металл/п-(81С),.х(А1Ы)х (где металл: А1, Л, Сг,№), при =

2-1013см"'эВ

Как видно из рисунка 10,6, при М0 > 10 см" высота барьера значительно уменьшается. Таким образом, увеличение диэлектрического слоя усиливает зависимость с/>в = давС^'а-Н,). Это соответствует экспериментальным данным и объясняется тем, что при высоких степенях легирования полупроводника толщина потенциального барьера в полупроводнике уменьшается, и подвиж-

ные носители заряда легко преодолевают его в обоих направлениях за счет туннельного эффекта. Такие структуры обладают омическими свойствами.

В третьем разделе приведены результаты измерения высоты потенциального барьера для структур \4е/(81С)5_х(АГЫ)х методами: вольт-амперной характеристики, вольт фарадной характеристики и фотоэлектрическим методом. Расхождение полученных результатов различными методиками не превышало 0,2 эВ.

В пятом разделе представлены результаты исследования зависимости высоты барьера Шоттки от работы выхода и электроотрицательности металла, контактирующего с твердым раствором (8Ю)1.Х(АГЫ)Х. Установлено, что одним из факторов влияющих на высоту потенциального барьера фв в структурах Ме-талл/(81С)Ьх(АМ)х является тип химической связи в полупроводниковой пленке. Таким образом степень ионности Э = фв/Хм, показывающая влияния химической природы металла на свойства поверхности полупроводника, где Хм -электроотрицательность полупроводника!

При составах л < 0,5 в (81С)1_Х(АГЫ)Х величина 8 мала, что указывает на слабую зависимость высоты барьера от электроотрицательности металла (или его работы выхода). При увеличении х зависимость высоты барьера от электроотрицательности металла (или его работы выхода) возрастает.

На рисунке 11 показана зависимость высоты потенциального барьера от работы выхода из металла для структур Металл/(81С)1.Х(А!К)Х для 8Ю (х = 0); х — 0,2; х = 0,6. Как видно из рисунка при увеличении х наклон к ф,„ уменьшается. Для ЭЮ применялись литературные значения высоты барьера Шоттки.

3,2 2,8 2,4

•Э 2,0

(Т) ' со

1,6 1,2

0,8

4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 фт, эВ

Рисунок 11. Зависимость высоты потенциального барьера от работы выхода металла в структуре Ме1 'алл/(8¡С)]_х(АПЧ)Х для составов: х = 0; х = 0,12; х = 0,64

Этот эффект можно объяснить следующим образом, что многие полупроводники с ковалентно? связью имеют большую плотность поверхностных состояний, которые образуют узкую зону на расстоянии примерно одной трети ширины запрещенной юны от края валентной зоны. Поскольку эти состояния на границе раздела, концентрация которых велика, могут отдавать или принимать заряд, вызывая относительно малое смещение уровня Ферми, то уровень Ферми металла (независимо от природы металла) стремится занять в запре-

щенной зоне положение на расстоянии примерно одной трети ширины зоны от края валентной зоны. Поэтому высота барьера (расстояние от уровня Ферми металла до края зоны проводимости полупроводника) почти не зависит от металла. Это позволяет предположить, что барьер у различных полупроводников должен быть пропорционален ширине запрещенной зоны. Для твердого раствора (SiC)|.x(AlN)x при увеличении х степень ионности S возрастает от 0,4 (для SiC) до 1 (для A1N), при этом высота барьера становится зависимой не только от ширины запрещенной зоны твердого раствора, но также от электроотрицательности металла.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и результаты работы:

1. Разработан новый энерго - и ресурсосберегающий способ получения качественных пленок твердого раствора (SiC)i.x(AlN)x на подложках SiC различных составов, методом магнетронного распыления составных мишеней SiC+Al.

2. Методами рентгеновской дифрактометрии, сканирующей зондовой микроскопией и электронной микроскопии исследована структура, состав и морфология поверхности пленок (SiC),.x(AlN)x. Установлено, что пленки (SiC),. X(A1N)X, полученные методом магнетронного распыления составных мишеней SiC+Al достаточно совершенны и однородны.

3. Показано, что путем изменения температуры подложки Т возможно управлять совершенством структуры пленок (SiC)t.x(AlN)x от аморфной до монокристаллической фазы.

4. Установлено, что с увеличением содержания A1N в пленках спектры поглощения смещаются в коротковолновую область. Сдвиг края поглощения в сторону коротких волн свидетельствует об образовании твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x и связан с ростом ширины запрещенной зоны.

5. Исследования фотолюминесцентных свойств пленок твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x показало относительно быстрое возрастание интенсивности коротковолновой полосы спектра при концентрациях х > 0,6 по отношении с другими полосами с увеличением энергии возбуждения от ~ 4 эВ до ~ 5 эВ обусловленный вкладом прямых переходов.

6. Из расчета высоты потенциального барьера в структурах MeTattn/n-(SiC)i. X(A1N)X с использованием модели обобщающей теории Бардина и Шотгки-Мотта установлено, что при плотности дефектов на поверхности более Ds = 1014 см"2-эВ"' высота потенциального барьера твердого раствора перестает зависеть от поверхностных состояний.

7. Методом вольт-фарадной характеристики и фотоэлектрическим методом определены значения высоты барьера Шотгки на контакте MeTaan/n-(SiC)i. X(A1N)X, для металлов Al, Ni, Cr, Ti.

8. Из экспериментальных исследований высоты барьера Шоттки на контакте MeTarw/n-(SiC)i_x(AlN)x установлено, что с ростом концентрации д: в твердом растворе возрастает степень ионности и при этом высота потенциального барьера на контакте становится зависимой от свойств металла.

Список цитируемой литературы:

1. Сафаралиев Г.К. Закономерности формирования и физические свойства полупроводниковых твердых растворов на основе карбида кремния // Докт. диссертация - 1988. - Баку.

2. Курбанов М.К. Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Нурмагомедов Ш.А. Исследование гетероструктур SiC/(SiC)1.x(AlN)x методом Вольт-фарадных характеристик // ФТП. - 2001.-- Т. 35. Вып.2. - С. 216-218.

3. Нурмагомедов Ш.А. и др. Особенности получения эпитаксиальных слоев твердых растворов (3iC)i.x (A1N)X // Изв. АН СССР. Неорг. Матер. - 1986. -Т.22. Вып.10. - С.1872-1874.

4. Гусейнов М.К., Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К. Магнетрон-ное осаждение тонких пленок твердого раствора (SiC)i.x(AlN)x // ФТП. -2010. -Т.44. Вып.6. - С. 841-844.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Рамазанов Ш. М. Влияние условий выращивания на свойства твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x при сублимационной эпитаксии // Неорганические материалы - 2007. - Т. 43. Вып. 12. -С. 1-3.

2. Курбанов М.К., Билалов Б.А., Гаджиев A.A., Рамазанов Ш.М. Исследование электрических свойсо анизотипных гетероструктур (SiC)i„x(AlN)x/SiC // Материалы электронной техники-2010. - Вып.З.-С. 48-51.

3. Курбанов М.К., Рамазанов Ш.М., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Исаев М.А. Поверхностно-барьерные структуры на базе твердых растворов карбида кремния с нитридом алюминия // Вестник Дагестанского государственного университета - 2011. — Вып.6. - С.47-51.

4. Сафаралиев Г.К., Билалов Б.А., Курбанов М.К., Каргин Н. И., Рамазанов Ш.М., Гусев A.C. Особенности формирования потенциального барьера в структуре Me/(SiC)i-x(AlNySiC // Вестник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» - 2013. - Т. 2. № 3 - С. 273-276.

5. Сафаралиев Г.К., Харгин Н. И., Курбанов М.К., Билалов Б.А., Рамазанов Ш.М., Гусев A.C. Исследование влияния параметров режимов обработки на высоту потенциального барьера структуры Me/(SiC)i.x(AlN)x // Вестник Национального исследовате; ьского ядерного университета «МИФИ» - 2014. - Т.З. № 1.-С. 63-67.

6. Рамазанов Ш.М., Курбанов М.К. и др. Структурные свойства эпитаксиальных пленок твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x, полученных магнетронным распылением составных мишеней SiC с AI // ПЖТФ- 2014. -Т. 40. - Вып.7 - С. 49-55. (в печати)

Патенты:

Патент RU № 2482229, Опубликовано: 20.05.2013. Бюл. №14, Способ получения эпитаксиальных пленок твердого раствора (SiC)1.x(AlN)x, Рамазанов Ш.М., Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К.

Публикации в материалах конференций и другие статьи:

1.Рамазанов Ш.М., Курбанов М.К., Гусейханов М.К, Исаев М.А. Поведение потенциального барьера в области фазового перехода Merami/(SiC)i_x(AIN)x // Труды международной конференции Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах. — Махачкала. - 2007. - С. 534-536.

2. Курбанов М.К., Рамазанов Ш. М., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К. Поверхностно барьерные структуры на основе твердого раствора (SiC)i.x(AlN)x // Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии. VII Международная конференция - Кисловодск, Ставрополь, - 2007. - С. 510-513.

3. Ramazanov Sh.M., Kurbanov М.К., Oficerova N.V., BilalovB.A., Safaraliev G.K. Hight of Schottky barrier on metaI/(SiC)i.x(AlN)x // International Conference on Silicon Carbide and Related Materials. - Otsu, Japan. - 2007. - P. 74-75.

4. Курбанов M.K., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Рамазанов Ш.М. Получение пленок твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x магнетронным распылением составных мишеней // Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы. Тезисы докладов 6-я Всероссийская конференция. - Санкт-Петербург. - 2008. - С. 214215.

5. Рамазанов Ш.М., Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К. Оптические, электрические и структурные свойства твердых растворов (SiC)bx(AlN)x // Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы. Тезисы докладов 6-я Всероссийская конференция. - Санкт-Петербург. - 2008. - С. 216-217.

6. Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Рамазанов Ш.М. Ионно-плазменное осаждение пленок твердого раствора (SiC)i.x(AlN)x из составных мишеней // Материалы V Всероссийской конференции ФЭ. - Махачкала. -2008. - С. 344-346.

7. Рамазанов Ш.М. Светодиоды на основе твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия // В мире научных открытий. - 2010. - Вып.12 - С. 356357.

8. Рамазанов Ш.М., Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К. Получение наноразмерных пленок твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия высокочастотным магнетронным методом // Труды международной конференции ИННОВАТИКА,-Ульяновск.-2011.-Т. 2-С. 122-123.

9. Рамазанов Ш.М., Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Получение тонких пленок твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия методом высокочастотного магнетронного распыления // Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы. Тезисы докладов 8-й Всероссийской конференции. -Санкт-Петербург.-2011.-С. 235-236.

10. Safaraliev G., Bilalov В., Dallaeva D., Ramazanov Sh., Geraev K., Tomanek P. Investigation of optical properties of SiC/(SiC)i_x(AlN)x heterostructures // Photonics, Devices, and Systems V; Proc. of SPIE. - Prague, Czech Republic. — 2011. — Vol. 8306.-P. 83061.

11. Dallaeva D., Tomanek P., Ramazanov Sh. Scanning tunneling microscopy of high-resistance SiC-AIN solid solutions // New Trends in Physics, NTF. Brno, Czech Republic.- 2012,- P. 149-152.

12. Рамазанов Ш.М., Курбанов М.К. Синтез диодных структур на основе твердых растворов карбида кремния с нитридом алюминия магнетронным распылением // Современные проблемы физики плазмы, Материалы Всероссийской конференции, Махачкала. - 2013. - С. 278-282.

13. Рамазанов Ш.М., Рамазанов Г.М. Релаксирующие слои карбида кремния на кремниевой подложке, выращенные магнетронным распылением // ПЖТФ. -2014. - Т. 40. - Вып. I.- С. 88-94.

Формат 60x84.1/16. Печать ризографная. Бумага № 1. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. - 1,5 изд. печ. л. - 1,5. Заказ - 18/03/14. "ираж 100 экз. Отпечатано в «Деловой мир» Махачкала, ул. Коркмасова, 356

ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет»

Рамазанов Шихгасан Муфтялиевич

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (81С)1.Ж(АШ)„ И ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУР НА ИХ ОСНОВЕ

01.04.10 - Физика полупроводников

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент, Курбанов Маликаждар Курбанович

Махачкала - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ В СИСТЕМЕ БЮ-АШ И ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ИХ ОСНОВЕ............................................................9

1.1 Карбид кремния и нитрид алюминия...................................................................9

1.2. Условия образования твердых растворов........................................................13

1.3. Обзор технологий получения твердых растворов (8Ю)1.Х(А11Ч)Х...................18

1.4. Поверхностно-барьерные структуры на основе карбида кремния и его твердого раствора с нитридом алюминия...............................................................23

1.5. Выводы.................................................................................................................25

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ТВЕРДОГО РАСТВОРА (81С)1_Х(АШ)Х...........................27

2.1. Основные параметры систем ионно-плазменного магнетронного распыления..................................................................................................................27

2.2. Расчет границы зоны термализации методом парных соударений в приближении жестких сфер......................................................................................32

2.3. Технологические аспекты приготовления мишеней и очистки подложек для магнетронного распыления.......................................................................................36

2.4. Получение пленок твердого раствора (8Ю)1.Х(АШ)Х методом магнетронного распыления..................................................................................................................39

2.5. Выводы.................................................................................................................49

ГЛАВА 3. МОРФОЛОГИЯ РОСТА, СТРУКТУРА И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК ТВЕРДОГО РАСТВОРА (8Ю)1.Х(А1К)Х.....................................................51

3.1. Исследование структурных свойств пленок (8Ю)1.Х(АМ)Х методом рентгеновской дифрактометрии...............................................................................51

3.2. Спектроскопия комбинационного рассеяния света пленок (8Ю)1_Х(АШ)Х... 56

3.3. Морфология роста и поверхность пленок (81С)1.Х(АШ)Х................................58

3.4. Атомно-силовая и туннельная микроскопия пленок (81С)1.Х(АШ)Х..............63

3.5. Оптическое поглощение пленок (81С)их(АШ)х................................................69

3.6. Фотолюминесценция эпитаксиальных пленок (81С)1_Х(АШ)Х........................75

3.7. Выводы.................................................................................................................79

ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУР В СИСТЕМЕ МЕТАЛЛ/^СЫАШ^...................................................80

4.1. Формирование омических и барьерных контактов к (8Ю)1_Х(АШ)Х/81С структурам..................................................................................................................80

4.2. Расчет высоты потенциального барьера Металл/(81С)!.Х(АШ)Х.....................83

4.3. Определение высоты потенциального барьера Металл/(81С)]_Х(АПЧ)Х..........88

4.4. Влияние степени ионности компонентов 8Ю-АПЧ на высоту потенциального барьера на контакте Металл/(81С)1_Х(АПЧ)Х.............................................................95

4.5. Выводы.................................................................................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................101

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время освоение широкозонных материалов: карбида кремния БЮ, нитридов Ш-й группы и их твердых растворов становится одним из главных направлений развития современной полупроводниковой электроники. Приборы на основе БЮ и его твердых растворах (81С)1_Х(АШМ)Х, обеспечивают высокую надежность и стабильность параметров при экстремальных условиях эксплуатации в силу удачного сочетания полупроводниковых и физико-химических свойств. Наиболее перспективными в этом плане являются твердые растворы карбида кремния с нитридом алюминия (8Ю)1_Х(АШ)Х [1]. Благодаря большой ширине запрещенной зоны (от 3 до 6 эВ) твердые растворы (8Ю)1_Х(АШ)Х могут быть использованы в полупроводниковых приборах, эксплуатирующихся в экстремальных условиях высоких температур, повышенной радиации и химически агрессивных воздействий. Среди возможных применений можно назвать: датчики пламени и температуры, диагностика плазмы, детектирования следов от двигателей ракет и т.д.

Псевдобинарные твердые растворы (81С)].Х(АШ)Х позволяют существенно расширять диапазон важнейших электрофизических свойств БЮ, открывают большие возможности при создании новых оптоэлектронных и высокотемпературных приборов. Твердые растворы (81С)1.Х(А1Ы)Х наследуют уникальные механические, химические и тепловые свойства карбида кремния [1]. К тому же, в них путем изменения состава возможно в широких пределах управлять оптическими и электрическими свойствами.

Твердые растворы (81С)их(АШ)х также перспективны для применения в структурах с поверхностными барьерами: в высоковольтных диодах, транзисторах и т. д. К примеру, свойства диода Шоттки на основе структуры (81С)1.Х(АШ)Х/81С можно изменять в широких пределах: выбором барьерного металла, концентрации д: в твердом растворе, степени легирования подложки и т.д. Применение широкозонного полупроводника в роли подзатворной области

значительно уменьшает токи утечки затвора, а также увеличивает предельную рабочую температуру диодов и транзисторов.

Однако в настоящее время проблемы получения структурно совершенных тонких пленок твердого раствора (81С)1_Х(А1]Ч)Х с применением ионно-плазменных технологий недостаточно решены. Проблема формирования (8Ю)1_Х(А11\Г)Х во всем интервале составов методом ионно-плазменного (магнетронного) распыления является актуальной задачей, требующей модернизации технологических процессов с учетом специфики их физико-химических свойств.

Настоящая работа проводилась в соответствии ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013гг., «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» 2009-2010 гг., по «Разработка технологии получения и исследование структур с поверхностными барьерами на базе твердого раствора карбида кремния с нитридом алюминия для создания высоковольтных и высокотемпературных диодов Шоттки» (гос. контракт №П2139).

Цель работы: разработка технологии получения структурно совершенных пленок твердого раствора (81Сух(АШ)х различных составов, исследование их свойств, а также формирование на их основе поверхностно-барьерных структур в системе Металл/(81С)1.Х(АШ)Х/8Ю.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Изучение технологических основ формирования структурно совершенных пленок твердого раствора (81С)1_Х(А1>Г)Х методом магнетронного распыления составных мишеней 8Ю с А1.

- Исследование свойств полученных пленок твердого раствора (81С)1_Х(А1К)Х.

- Получение поверхностно-барьерных структур в системе Ме/(81С)[_Х(А11М)Х и определение высоты потенциального барьера.

- Определение закономерности влияния степени ионности компонентов 81С-АМ на высоту потенциального барьера на контакте Металл/(81С) ].х(АШ)Х при изменении концентрации х.

Научная новизна и практическая значимость работы состоит в разработке технологии получения эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AlN)x на базе ионно-плазменного магнетронного распыления, исследовании их свойств и получении барьерных структур Металл/(SiС) i _х( Al N)x.

1. Разработана методика формирования структурно совершенных эпитаксиальных слоев твердого раствора (SiC)i_x(AlN)x на подложках карбида кремния магнетронным распылением составных мишеней SiC+Al на постоянном токе (патент RU № 2482229).

2. Впервые получены монокристаллические пленки твердого раствора (SiC)i. X(A1N)X методом магнетронного распыления на постоянном токе составных мишеней SiC, распыляемая поверхность, которой частично покрыта слоем А1, в атмосфере аргона и азота. Показаны преимущества технологии получения пленок (SiC)i.x(AlN)x с применением составных мишеней.

3. По результатам исследований структуры и морфологии методами атомно-силовой микроскопии, сканирующей туннельной микроскопии, методом комбинационного рассеивания света (КРС) определены оптимальные технологические факторы формирования монокристаллических пленок (SiC)i. x(A1N)x.

5. Впервые установлено, что в твердом растворе (SiC)o,36(AlN)o,64 интенсивность коротковолновой полосы спектра фотолюминесценции (Imax =308 нм) возрастает по сравнению с длинноволновой полосой (Хтах =401 нм), при увеличении энергии возбуждения.

6. Впервые теоретически рассчитаны и экспериментально найдены значения высоты потенциального барьера в системе Металл/^С)i_х(A1N)X в зависимости от концентрации х и природы металла.

7. Экспериментально выявлен дополнительный фактор - степень ионности компонентов SiC и A1N, влияющую на высоту барьера Шоттки в системе Металл/(8Ю)1_Х(АШ)Х при изменении содержания компоненты х в пленке.

8. Результаты комплексного исследования барьеров Шоттки в системе Металл/(81С)1.Х(АШ)Х рекомендованы для создания на их основе приборных структур экстремальной электроники.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Способ получения пленок твердого раствора (81С)1.Х(АШ)Х ионно-плазменным магнетронным распылением составных мишеней БЮ с А1, в заданных соотношениях, на постоянном токе в аргон-азотной среде.

2. Зависимость фазового изменения эпитаксиальных пленок твердого раствора (81С)!_Х(АШ)Х от температуры Т подложки, при фиксированных других параметрах. При Т ~ 700°С пленка формируются в аморфной фазе. При температурах подложки свыше 820°С наблюдается переход к поликристаллическому строению. При температурах Т > 1000°С формируется монокристаллическая фаза.

3. Относительно быстрое возрастание интенсивности коротковолновой полосы спектра фотолюминесценции пленок твердого раствора (81С)1.Х(АШ)Х, при концентрациях х > 0,6 по отношении к другим полосам с увеличением энергии возбуждения от ~ 4 до ~ 5 эВ, обусловленный увеличением роли переходов зона-зона при данных составах.

4. Растущая зависимость высоты поверхностно-потенциального барьера структуры Металл/(81С)1.Х(АШ)Х, с ростом содержания компоненты х, от работы выхода металла, обусловленная увеличением степени ионности твердого раствора (81С)1.Х(АШ)Х.

Практическая ценность. Усовершенствована методика выращивания эпитаксиальных слоев (81С)1.Х(АШ)Х на подложках карбида кремния методом магнетронного распыления на постоянном токе.

Разработан способ получения эпитаксиальных пленок твердого раствора (81С)1_ Х(АШ)Х (патент на изобретение № 2482229 приоритет от 26.12. 2011).

Рекомендована технология формирования барьеров Шоттки в системе Металл/(81С)1.Х(АШ)Х. Результаты комплексного исследования барьеров Шоттки в системе Металл/(SiC) i _х( A1N)X могут быть использованы для создания на их основе приборных структур.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2007); VII Международной конференции «Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии» (Кисловодск - Ставрополь, 2007); International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (Otsu, Japan, 2007); на V Всероссийской конференции Физической электронике (Махачкала, 2008); VI Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» (Санкт-Петербург 2008); Международной конференции ИННОВАТИКА (Ульяновск 2011); VIII Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» (Санкт-Петербург 2011); Photonics, Devices, and Systems V; Proc. of SPIE (Prague, Czech Republic, 2011); New Trends in Physics - NTF (Brno, Czech Republic 2012); Всероссийской конференции Современные проблемы физики плазмы (Махачкала 2013).

Публикации: Материалы диссертации опубликованы в 19 научных работах, в том числе в 5 рецензируемых работах рекомендованных ВАК. Получен патент на изобретение RU №2482229.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации 112 страниц, включая 7 таблиц и 48 рисунков. Библиография содержит 127 наименований.

ГЛАВА 1. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ В СИСТЕМЕ SiC-AIN И ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

1.1 Карбид кремния и нитрид алюминия

В ведущих электронных державах мира среди материалов полупроводниковой электроники по объемам экономических вложений в процессы роста кристаллов, получения эпитаксиальных структур и создания приборов силовой электроники, СВЧ электроники и оптоэлектроники доминируют широкозонные материалы нитрид галлия (GaN), нитрид алюминия (A1N) и карбид кремния (SiC). Наряду с широкой запрещённой зоной, для них характерна достаточно высокая температура Дебая, которая определяет стойкость материала к внешним воздействиям.

Карбид кремния - широкозонный полупроводник с уникальным сочетанием физико-химических свойств, позволяющим реализовать на его основе практически все известные типы полупроводниковых приборов, сохраняющие при этом функциональные свойства в экстремальных условиях (высокие температуры, повышенная радиация, агрессивные среды и т.п.). Этим объясняется повышенный интерес к разработкам приборов на основе карбида кремния по всему мире.

На сегодня известно порядка 200 политипов SiC, но механизм формирования той или иной модификации неясен. Наиболее важными являются: кубическая модификация: 3C-SiC (кубическая элементарная ячейка, цинковая обманка); 2Н-SiC; 4H-SiC; 6H-SiC (гексагональная элементарная ячейка, вюртцит); 15R-SiC (ромбоэдрическая элементарная ячейка). Другие политипы с ромбоэдрической элементарной ячейкой: 21R-SiC, 24R-SiC, 27R-SiC и т.д. Во всех политипах, за исключением ЗС- SiC и 2H-SiC атомные слои с кубической (С) и гексагональной (Н) симметрией следуют в строгом порядке в направлении с - оси. Это можно рассматривать как естественную одноразмерную сверхрешетку, наложенную на

«чистый» т.е. Ь-слой свободного ЗС- период сверхрешетки будет различным для различных политипов

Разница в энергиях кристаллической решетки различных модификаций незначительна. Главные факторы, оказывающие влияние на формирование политипов и полиморфные превращения это температура и давление. Однако построение фазовой диаграммы для политипных систем затруднено, т.к. при постоянном давлении и одинаковой температуре возможно формирование разных политипов в зависимости от различных малозначительных внешних воздействий - изменения соотношения компонент, типа синтеза (жидкофазный либо твердофазный). При атмосферном давлении кубический карбид кремния ЗС -БЮ превращается в гексагональные модификации при температурах 2200 °С -2600 °С Наиболее очевидное влияние температуры на кристаллическую структуру твердых тел это тепловое расширение, приводящее к увеличению межатомных расстояний. Таким образом, область термодинамической устойчивости политипов, по-видимому, определяется соответствующим интервалом межатомных расстояний. Действительно, для Б ¿С при нормальных условиях наблюдается линейная зависимость межслоевых расстояний от степени гексагональности. Наименьшее межслоевое расстояние 0,2517 нм наблюдается для политипа ЗС, а наибольшее для модификации 2Н - 0,2524 нм. Степень гексагональности меняется от 0 для кубического политипа ЗС до 100% у гексагональной модификации 2Н. В результате компьютерных расчетов было установлено, что степень гексагональности других политипов варьируется в диапазоне от 0 до 100% и может быть вычислена по формуле \У = (Уп)-100%, где п - число слоев в направлении оси с, составляющих элементарную ячейку; 1=2, 4, ..., п-2 для четного п; \=2, 4, ..., п-3 для нечетного п.

Тот или иной политип должен формироваться в условиях, когда межатомные расстояния соответствуют степени гексагональности политипа. Следовательно, при низких температурах должен формироваться политип с самой низкой степенью гексагональноси - кубический 81С, затем политипы с более высокой

степенью гексагональности. Кроме того, как следует из приведенной формулы, с увеличением количества слоев степень гексагональности политипов может сильно варьироваться (например, для 8Н степень гексагональность может быть 25%, 50% и 75%). В результате становится возможным перекрытие температурных интервалов устойчивости разных модификаций. Формирование кубического БЮ не только при низких температурах, но и при температурах выше 2200 °С в начальные моменты карбидообразования, может быть объяснено тем, что межатомные расстояния в кристаллах нанометрического размера, при ковалентном типе связи меньше, чем кристаллах размером более 10 нм. Это вызвано зависимостью межатомных расстояний от степени ковалентности связей. Как показывают модельные расчеты межатомные расстояния в кристаллах карбида кремния нанометрического размера таковы, что вплоть до температуры 2500 °С их структура должна быть кубической. Формирование же других политипов при в