Влияние условий роста на структуру и свойства эпитаксиальных слоев (SiC)1-x (AlN) x тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

РГБ ОД

■'23 ОПТ 2№ >

АБДЭЛЬ-ВАХХАБ АБДЭЛЬ-КАДЕР БАЗБАЗ ХИЙЯРАТ

Влияние условий роста на структуру и свойства эпитаксиальных слоев ^¡С^.^АНУ)*»

01.04.10 — Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Махачкала 2000

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Дагестанского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Сафаралиев Гаджимет Керимович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Рабаданов Рабадан Абдул кадыров ич.

доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник Зобов Евгений Маратович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

Защита состоится « 10 » ноября 2000 г. в 14°° часов на заседании диссертационного Совета Д.063.61.02. Дагестанского государственного университета по адресу: 368025, г. Махачкала, ул. Гаджиева, 43а.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 367025, г. Махачкала, ул. Гаджиева, 43а, ДГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дагестанского государственного университета.

Автореферат разослан « 9 » октября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Гайдаров Ш.А.

Краткая характеристика работы Актуальность темы. Развитие электронной техники диктует необходи-ость расширения круга материалов, применяемых для создания микроэлек-рониых приборов и устройств. Это вызвано стремлением к расширению об-астей применения этих приборов, возрастанием требований к их надежности, габильности параметров и устойчивости к внешним неблагоприятным воздей-гвиям. Одним из путей решения этой проблемы является создание изовалент-ых и гетеровалентных твердых растворов на основе уже известных полупро-эдников. Подбирая соединения и их относительное содержание в твердых рас-ворах можно создавать материалы с заранее заданными свойствами.

Одним из перспективных материалов для создания гетеровалентных зердых растворов, работающих в экстремальных условиях, является карбид ремния SiC. Это связано, в первую очередь, с высокой химической, механиче-кой, тепловой и радиационной стойкостью этого полупроводникового мате-иала. Кроме того, существование большого числа политипных модификаций, Сергия образования которых мало отличается друг от друга, может облегчить эразование твердых растворов SiC с соединениями, имеющими различную ристаллографическую структуру.

В качестве другого компонента твердых растворов наибольший интерес редставляют нитриды металлов III группы (А11^) периодической системы тементов Д. И. Менделеева. Этот интерес обусловлен высокой вероятностью зразования твердых растворов в этих системах (SiC-AmN), особенно в систе-ах SiC-AlN и SiC-GaN. Кроме того, минимум зонь{ проводимости в BN, AIN и aN находится в центре зоны Бриллюэна, что позволяет прогнозировать суще-гвование твердых растворов SiC с указанными нитридами с эквиваленой зон-эй структурой . Это должно привести к возрастанию эффективности излуча-:льной рекомбинации, что позволяет создать на основе этих твердых раство-эв светодиоды и инжекционные лазеры с большой эффективностью. Одноименно из-за большой ширины запрещенной зоны в соединениях AmN, ши-

рина запрещенной зоны твердых растворов также будет велика, что смести спектральный рабочий диапазон приборов в коротковолновую область.

Получение подобных твердых растворов возможно только на основе пол ного и детального изучения характера взаимодействия компонентов тверды: растиоров и при выяснении связи между составом и их свойствами. Помим< этого процессы получения и исследования твердых растворов на основе карби да кремния представляют и теоретический интерес для развития представлени) о закономерностях образования гетеровалентных твердых растворов, что но к; является малоизученной проблемой. Важным представляется и то, что кри сталлизация карбида кремния с соединениями, имеющими структуру вюрцитг позволит контролируемо получать объемные монокристаллы и эпитаксиальньи слои крайне редко получаемого политипа —2Н.

Цель работы:

• совершенствование технологии выращивания эпитаксиальных слоев твер дых растворов (81С)|.Х(А1Ы)Х на подложках 5!С методом сублимации;

• исследование структуры и морфологии эпитаксиальных слоев (81С),.Х(А1М)Х в за висимости от условий получения и стсхиометрического состава;

• исследование электрофизических и физико-химических свойств образцо] твердых растворов (81С)^Х(А1Н)Х в зависимости от состава;

• исследование люминесцентных свойств твердых растворов (81С)(.Х(А1М)Х

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

• установлена зависимость скорости ионного травления эпитаксиальных слое! (81С)Ьх(А1М)х от их состава. Увеличение содержания АШ в твердых растворах приводит к нелинейному уменьшению скорости травления.

• определено, что во всем диапазоне изменения состава твердых растворо! (81С)|.Х(АНЧ)Х параметры решетки изменяются по линейному закону. Пара

метр а увеличивается от 3,078А° до 3,114А°, а параметр с уменьшается 5,046А° до 4,98А° с увеличением содержания A1N от 0 до 100%мол.

• установлен факт устойчивой стабилизации политипа 2Н твердых растворов (SiC),.x(AlN)x при содержании A1N более 18% мол.

• определены технологические условия воспроизводимого получения эпитак-сиальных слоев (SiC)bx(AlN)x с высоким совершенством.

• примесная электропроводность в твердых растворах (SiC)i.x(AIN)x до 500К обусловлена наличием мелких доноров азота и акцепторов алюминия с энергиями активации соответственно 0,1 и 0,25 эВ.

• показано, что при увеличении содержания A1N в твердых растворах (SiC)i.x(AIN)x от 35% мол. до 73% мол. максимум спектра коротковолновой полосы катодолю-минесценции (2,82 эВ) смешается в УФ область до 3,28 эВ, а её интенсивность увеличивается в четыре раза при уменьшении температуры от 300К до 77К.

Научные положения, выиосимые на защиту:

1. В твердых растворах (SiC)i.x(AlN)x наблюдается линейное изменгние параметров решетки в зависимости от содержания AIN во всем диапазоне изменения состава.

2. В монокристаллических эпитаксиалытых слоях (SiC)|.x(AlN)x, полученных сублимационным методом в атмосфере аргона с азотом при х>0,18, наблюдается стабилизация политипной модификации 2Н.

3. Примесная электропроводность в твердых растворах (SiC)i.x(AlN)x до 500К обусловлена наличием мелких доноров азота и акцепторов алюминия с энергиями активации соответственно 0,1 и 0,25 эВ.

4. Коротковолновый сдвиг полос катодолюминесценции эпитаксиальных слоев (SiC),.x(AIN)x в область высоких энергий с ростом содержания A1N обусловлен увеличением ширины запрещенной зоны. С увеличением температуры наблюдается температурное гашение интенсивности катодолюминесценции.

Практическая ценность:

1. Усовершенствована методика выращивания эпитаксиальных слоев (SiC)|.x(AIN)x на подложках карбида кремния методом сублимации.

2. Экспериментально установлено существенное влияние газовой фазы в зоне роста на формирование твердых растворов. Показано, что оптимальной для получения (SiC)i_x(AlN)x является атмосфера, состоящая из смеси газов аргона и азота. При выращивании (SiC)i.x(AlN)x в атмосфере гелия с азотом не удается получить совершенные образцы с содержанием A1N более чем 5% мол.

3. Определены оптимальные режимы ионного травления твердых растворов (SiC)[.x(AlN)x, облегчающие получение различных приборных структур.

4. Результаты исследования твердых растворов (SiC)|.x(AlN)x могут быть использованы для создания на их основе оптоэлектронных структур.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской конференции по Физической электронике (Махачкала, 1999г.), на III Европейской конференции по высокотемпературной электронике (HITEN) (Берлин, 1999г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-99) (п.Дивноморское, Россия, 1999г.), Международной конференции OS-2000 (г.Ульяновск). Результаты работ также докладывались на ежегодных итоговых научных конференциях Даггосуниверситета (Махачкала, 1996-1999гг.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации 148 страниц, включая 2 таблицы и 74 рисунков. Библиография содержит 108 наименований.

Содержание работы.

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

Первая глава состоит из трех разделов и посвящена теоретическому и спериментальному исследованию процессов эпитаксии твердых растворов ÍC)|.X(A1N)X из газовой фазы.

В первом разделе дается краткий обзор основных теоретических и экспе-[ментальных работ, посвященных полупроводниковым твердым растворам ¡C)i-X(A1N)X. Дан анализ современного состояния получения и исследования их материалов и структур на их основе.

В настоящее время отработана технология гетероэпитаксиального выра-ивания слоев и объемных кристаллов (SiC)|.x(AlN)x с заданным типом элек-юпроводности на подложках карбида кремния [1,2]. Изучены некоторые руктурные, электрические и люминесцентные свойства и влияние на них яличных внешних воздействий. Исследованы электрические и оптические юйства гетероструктур (ГС) n-SiC-p-(SiC)i_x(AlN)x [3]. Рассчитана зонная руктура твердого раствора (SiC)i.x(AlN)xco структурой вюрцита [4]. Расчеты жазывают, что данные твердые растворы могут иметь прямозонную структу-' в широком интервале концентраций, вплоть до х = 0,4. Рассчитанные значе-1я рассогласования параметров решеток подложки и слоя (SiC)i.x(AlN)„ ic/c) изменяются от-7,8*10"5 до -1,1*10"3 для различных эпитахсиальных юев (ЭС) [5]. Эти исследования дают основание полагать, что в ближайшем 'душем будут созданы фиолетовые и ультрафиолетовые светодиоды и лазеры i их основе.

Во втором разделе главы показано, что из существующих методов полу-:ния монокристаллического карбида кремния наибольшие перспективы для сращивания твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x имеет метод сублимации. Дано шеание технологической установки и кристаллизационных ячеек для гетеро-

эпитаксии (81С),.Х(А1Ы)Х на подложках карбида кремния методом сублимаци в среде смеси аргона и азота. Использование карбид-циркониевых и карбщ титановых тиглей высокой плотности позволило снизить загрязнение поверх ности подложки свободным углеродом, выделяющимся из графитовой армату ры печи. Тем самым достигалась большая замкнутость ячейки роста. Опредслс ны тепловые поля и градиенты температур в зоне роста. По ним определен] оптимальные градиенты температур (10° < ДТ<25° ) и расстояния ( 5мм< Ах . 10мм) между источником паров и подложкой.

Выращивание ЭС (81С)|.Х(А1Ы)Х проводилось в диапазоне температу 2300-2500 К из газовой фазы при давлении смеси азота и аргона от 2*104 д 8*104 Па. В качестве подложек использовались монокристаллические пластиш карбида кремния 6Н.-политипа, выращенные методом Лели. Подложки имел; п-тип проводимости с ^-Ыа=(6*1017 т-3*1018) см"3. Исследования показали, чт использование горячепрессованных поликристаллических твердых растворо (5Ю)1_Х(А1М)Х в виде таблеток в качестве источника паров позволяет получит] однородные по толщине и по поверхности ЭС. Карбид кремния начинает разла гаться при температуре ~1070 К. Это является одной из причин пассивации по верхности подложки углеродом, которая приводит к образованию сильно де фектных переходных слоев на границе пленка- подложка. Избавиться от пасси вации поверхности подложки возможно при использовании сублимационноп травления подложек карбида кремния парами кремния непосредственно пере, эпитаксией. Именно, проводя травление подложек карбида кремния парам! кремния в едином непрерывном процессе, удалось получить структурно совершенные твердые растворы (81С)1_Х(АШ)Х.

Попытки получить ЭС в атмосфере азота с гелием показали, что в это{ среде не удается получить твердые растворы (81С)1.Х(АШ)Х из-за высокой теп лопроводности гелия и, вследствие этого, выравнивания температурного поля ] ростовой зоне. Из-за этого увеличивается время прохождения атомами и моле кулами компонентов растущего слоя расстояния от источника до подложки \

AIN успевает выходить из ростовой зоны, так как при температурах роста упругость паров A1N выше упругости паров SiC.

В третьем разделе приводятся результаты термодинамического анализа процессов роста твердых растворов (SiC)1.x(AlN)>; и зависимости скорости роста и состава эпитаксиальных слоев (ЭС) от технологических параметров. Расчеты показали, что содержание A1N в растущих слоях, при прочих равных условиях, однозначно определяется составом поликристалличесих источников - спеков SiC—AIN. Кроме того, на состав ЭС сильное влияние оказывает соотношение парциальных давлений газов в зоне роста. Экспериментальные результаты, приводимые в работе, показывают хорошее соответствие с выводами расчетов.

С увеличением парциального давления азота PN2 (при постоянном общем дав-лешш ~7* 104 Па) концентрация A1N в ЭС растет, достигая определенного предельного значения при данном составе источника. Скорость роста ЭС (SiC)!.x(AlN)x также зависит от соотношения парциальных давлений азота и аргона в зоне роста. Она уменьшается с увеличением PN2. Заметное влияние на состав слоев оказывает температура роста. С увеличением температуры выращивания обнаружено некоторое увеличение содержания A1N в выращенных слоях. При этом улучшается также структура и морфология слоев. Однако, во избежание эффектов перекрестного легирования и возникновения нежелательных гомопереходов, рост ЭС проводился при возможно низкой температуре (~2350К), совместимой с хорошим качеством наращенного слоя.

Вторая глапа состоит из четырех разделов, где представлены результаты исследований морфологии и структуры ЭС (SiC)].x(AlN)x.

В первом разделе демонстрируется, как морфология ЭС (SiC)bx(AlN)x существенно зависит от условий их получения и состава. На начальной стадии рос-га зарождение происходит в основном на отдельных дислокациях и точечных дефектах. Типы дислокаций также влияют на начальный рост ЭС (SiC),_x(AlN)x. Установлено, что грань подложки влияет на дефектность и морфологию эпитаксиальных слоев (SiC)i_x(AlN)x. На грани (0001)С эпитаксиальные слои получаются более высокого совершенства. С увеличением содержания AIN в слое на поверхности

наблюдается ступеньки роста в виде шестигранников, усеченных конусов и круглых террас, возникает сетка трещин из-за различия коэффициентов термического расширения слоя и подложки. Медленное охлаждение (SiC)].x(AlN)x от температур роста, как правило, помогало избавиться от растрескивания выращенных слоев.

Второй раздел посвящен исследованию процессов травления твердых растворов (SiC),.x(AlN)x. Изучение процессов травления позволяет определить дефектность кристаллов, их кристаллографические грани, создавать мезаструкту-ры в кристаллах. Кроме того, изучая морфологию стравленной поверхности кристаллов, можно судить о кинетике их роста. Определены условия химического и сублимационного травления твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x. Установлены типы дефектов, встречающиеся при травлении. Ионное травление твердых растворов (SiC)!.x(AlN)x проводили в протоке аргона при давлении 9,33 Па при напряжении 1-ьЗ кВ. Эти исследования позволили установить, что скорость травления нелинейно уменьшается с ростом содержания A1N в образцах, что, вероятно, связано с уменьшением электропроводности ЭС с увеличением содержания A1N в твердых растворах. Определено также, что скорость травления материала во всех образцах увеличивается, постепенно достигая насыщения. Подобная зависимость объясняется увеличением степени ионизации аргона с увеличением мощности разряда и, следовательно, концентрации частиц осуществляющих травление. По результатам исследования скорости травления определены коэффициенты распыления твердых растворов (SiC)[.x(AlN)x.

В третьем разделе приводится качественный и количественный анализ состава слоев с применением метода рентгеноспектрального анализа на микроанализаторах ЭММА-2. С ростом содержания A1N в ЭС однородность его распределения уменьшается. Структурное совершенство ЭС с увеличением содержания A1N ухудшалось и уже при х > 0,65 наблюдалось сращивание блочной структуры и сильный разброс состава по поверхности. При составах с концентрацией х < 0,40 совершенство слоев сравнимо с совершенством подложки. Исследование распределения A1N по толщине растущего слоя (SiC)j.x(AlN)x по-

и

казало, что содержание A1N несколько уменьшается на начальных этапах роста и стабилизация состава происходит на расстоянии примерно 1-2 мкм от границы подложки.

В четвертом разделе показывается, как исследование совершенства ЭС (SiC)i_x(AlN)x проводилось по электроннограммам, снятыми при дифракции электронного пучка. Наблюдаемые точечные рефлексы на электроннограммах позволяют говорить о монокристалличности получаемых образцов. Кикучи-линии, наблюдаемые от некоторых образцов, свидетельствуют в пользу того, что ЭС имеют высокое совершенство. Надо отметить, что подобные Кикучи-линии не наблюдались на электронограммах от монокристаллических подложек 6H-SiC. Следовательно, полученные нами эпитаксиальные слои твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x имеют более высокое совершенство, чем даже подложки SiC. Путем индуцирования рефлексов на электроннограммах удалось рассчитать параметры решетки для растущих ЭС. Эти данные позволяют утверждать, что твердые растворы кристаллизуются в политипной модификации 2Н, причем политип 2Н наблюдается при составе ЭС (SiC)i_ X(A1N)X с х>0,18.

Далее исследованы твердые растворы (SiC)i.x(AlN)x методом рентгеновской дифрактометрии. Дифрактограммы образцов получили на дифрактометре ДРОН-1. Дифрактограммы свидетельствуют о том, что происходит сдвиг углов отражения при изменении состава твердых растворов. Рассчитанные по этим дифрактограммам параметры решеток (SiC)i.x(AlN)x свидетельствуют об их линейном изменении в зависимости от состава, то есть, что изменение параметров решеток происходит по закону Вегарда.

В третьей главе, которая состоит из трех разделов, представлены результаты исследования электрофизических свойств твердых растворов (SiC)|_x(AlN)x.

В первом разделе представлены результаты по температурной зависимости электропроводности твердых растворов (SiC),_x(AlN)x. Измерения проводились 4-х зондовым методом в интервале температур 300 — 1000К. Определены энергии активации примесных уровней в твердых растворах.

Во втором разделе приведены результаты экспериментальных исследований вольтамперных характеристик (ВАХ) гетероструктур в диапазоне температур от 77 до 425К и при токах от 10"8 А/см2 до 10 А/см2. Для измерения ВАХ характеристик реактивным ионно-плазменным травлением формировались меза-структуры площадью ~2-10'2см2. Контакты к р-слою создавались термическим напылением или катодным распылением алюминия на подогретую структуру со стороны ЭС, а к n-подложке-термическим втиранием индия после локальной электроискровой обработки поверхности.

В разделе представлены прямые ветви ВАХ n-SiC/p-(SiC)|.x(AlN)x - структур содержащих 9,4 % и 14,8 % A1N, снятые при комнатной температуре. Последовательное сопротивление этих структур составляют соответственно 0,79 Ом и 0,85 Ом. Определенные из этих же ВАХ контактные разности потенциалов составляют соответственно 2,84В и 2,91В. Характерным является, что ВАХ всех исследованных структур при малых плотностях тока описываются выражением, = /о ехр( • где Р " в пределах 3-4 порядков по току постоянно. К

примеру, в этой области для ГС n-SiC/p-(SiC)0 85(AlN)0,l5 р ~ 1,83, что указывает на наличие термоинжекционной компоненты тока, которая соответствует теории Саа-Нойса-Шоклиевской рекомбинации в области объемного заряда. В области больших токов прямой ток описывается выражением /= ¡0 ехр(Л U ), где Л принимает значения 5-И0. Например, для ГС n-SiC/p-(SiC)0j85(AlN)0,i5 при 2,4B<U<3,2B значение А=5,25. На прямых ветвях ВАХ в полулогарифмическом масштабе наблюдаются изломы, вероятно, связанные с изменением величины и формы потенциального барьера на переходе или же с включением других механизмов токопереноса. Подобные изломы наблюдаются и на температурных зависимостях ВАХ. Однако определить границы участков, связанных с различными механизмами токопереноса довольно сложно, так как они плавно переходят от одного к другому. Тем не менее, на ВАХ заметны изломы при напряжениях ~1,5В и (2,5н-2,8)В, причем ток излома с температурой растет, что, вероятно, связано с изменением природы барьера по мере увеличения смещения.

При средних плотностях тока через структуру ( j -1,5А/см2) определены температурные коэффициенты напряжения (ТКН). Они лежат в пределах (1,6-Н5)мВ/град, а сама величина ТКН отрицательна. Анализ прямых ветвей ВАХ ГС с различным содержанием A1N в ЭС показывает, что с увеличением содержания A1N прямой ток через структуру уменьшается. В обратном направлении ток не насыщается, а плавно растет с увеличением напряжения. Пробой обратно-смещенных ГП n-SiC-p-(SiC)i.x(AlN)x до напряжений ~20-=-25 В являются обратимым и носит лавинный характер по дефектам. Наблюдаемая «мягкая» обратная ветвь ВАХ несколько затрудняет его анализ.

В третьем разделе представлены вольтфарадные характеристики (ВФХ) п-SiC-p-(SiC)Ux(AlN)„ - переходов с различным содержанием A1N в координатах С'2 = f(U). Все приведенные зависимости с небольшим разбросом отдельных точек представляют прямые. Путем экстраполяции их до пересечения с осью положительных напряжений найдены емкостные напряжения отсечки U„ которые соответствуют контактным разностям потенциалов Uk в них. Например, для n-SiC-p-(SiC)o,87(AlN)o,n - перехода UC=2,95B, а для n-SiC-p-(SiC)0,44(AlN)0,56 - Uc =3,35В. С увеличением концентрации A1N в ЭС наклон прямой уменьшается, т.е. зависимость емкости от напряжения становится слабой.

Используя найденные из ВФХ значения U^ рассчитана работа выхода (SiC)i_x(AlN)x различных составов. Работу выхода ЭС Ф2 можно определить по выражению: Ф2 =q-Uk +ФЬ зная работу выхода подложки Ф[ и величину потенциального барьера (q-Uk) на переходе. Работа выхода Ф! для 6H-SiC при 300 К составляет 4,5 эВ. Рассчитанное таким образом значение работы выхода для р-(SiC)0,87(AlN)0 и составляет 7,4 эВ, а для p-(SiC)0,44(AIN)oS6- 7,85 эВ.

По этим ВФХ проведены измерения значений концентрации примесей в ГС и толщины областей объемного заряда. Концентрация примесей Nai в р-(SiC)i.x(AlN)x определены из наклона прямых C~2(U) методом конечных приращений используя выражение:

dC-2 2(etN Ai + егЫЛ1)

dV a2qN AN А,е,ег

Значение концентрации акцепторов ^ в ГС n-6H-SiC-p-(SiC)0>87(AlN)0,i3 составляет 9,02-1017см"3, а в n-6H-SiC-p-(SiC)0>44(AlN)o,56 соответственно цл =

=7,98-1016см"3. Аналогично определены концентрации примесей в ГС с различным содержанием A1N в ЭС. Результаты показывают, что с ростом содержания A1N концентрация примесей na в них уменьшается.

Определенные из ВФХ значения контактной разности потенциалов и концентрации примесей были использованы для расчета толщины области объемного заряда гетероструктур по формуле

В разделе представлены зависимости толщины переходного слоя от обратного напряжения. Толщина переходов составляет величину порядка КИ-ИО^см. Ь примеру, для n-SiC-p-(SiC)o S7(ArN)o,i3 при изменении напряжения на переходе от 2 до 8 В толщина перехода увеличивается от 1,6 • 10~4см до 2,47-10"4см, т.е. почт) в 1,5 раза. Толщина перехода, определенная из значения емкости при нулево(

смещении, составляет 1,2 -10"4см.

/

Измерения температурной зависимости емкостных свойств гетероперехо дов проводились в интервале температур 77-И20К. ВФХ, построенные в коор динатах C"2-U, линейны во всем измеренном интервале напряжений и темпера тур. Емкостное напряжение отсечки Uc с ростом температуры сначала нелиней но, затем практически линейно уменьшается. К примеру, для ГС n-SiC-p (SiC)o,87(AlN)o.i3 Uc при 77К составляет 3,2В и с ростом температуры уменыш ется до 2,65В при 418К. Для этой структуры ТКН емкостной отсечки, опредс ленный из линейного участка, равен 2,110"3 В/град.

К сожалению в литературе отсутствуют данные о температурной зависимости ширины запрещенной зоны Eg (SiC)i.x(AlN)x. Поэтому трудно однозначно утверждать, с чем связана наблюдаемая температурная зависимость напряжения отсечки. Тем не менее, можно предположить, что температурная зависимость Uc главным образом определяется температурным ходом химических потенциалов электронов в n-области и дырок в р-области. Определенный вклад вносят и температурные зависимости ширин запрещенных зон гетеропары SiC и (SiC)|.x(AlN)x.

Четвертая глава посвящена исследованию люминесцентных свойств твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x и ГС на их основе.

В первом разделе приведено описание экспериментальных установок и методик измерения люминесцентных свойств твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x. Спектры электро- и фотолюминесценции (ЭЛ, ФЛ) снимались на спектральном комплексе СДЛ-2. В качестве источника возбуждения применялась ксеноновая лампа ДКсШ-150 и азотный лазер ЛГИ-21, а приемником служил охлаждаемый ФЭУ-100. Для измерения катодолюминесценции (КЛ) было произведено переоборудование электронного микроскопа-микроанализатора ЭММА-2. Для возбуждения использовался электронный пучок микроанализатора, а для регистрации спектра использовали монохроматор МДР-2 с ФЭУ-106 с термоэлектрическим холодильником. Регистрацию излучений проводили в режиме счета фотонов.

Во втором разделе представлены спектры ФЛ ЭС (SiC)|.x(AlN)x, с различным содержанием A1N. Установлено, что максимумы полос с увеличением процентного содержания A1N смещаются в коротковолновую область. Диапазон смещения составляет от 1,8 до 3,26 эВ. С ростом температуры подложки спектр ФЛ также смещается в коротковолновую область, при этом интенсивность коротковолнового пика растет. Предполагается, что за длинноволновую полосу ответственны атомы алюминия, а за коротковолновую полосу донорно-акцепторные пары азот-алюминий.

Спектры ФЛ существенно зависят от интенсивности возбуждающего света. Представлены спектры (SiC)os2(AlN)o)i8 снятые при разных уровнях возбуждения. Спектры состоят из двух полос: интенсивной широкой длинноволновой и слабой коротковолновой с максимумами hv=2,8 эВ и hv=3,26 эВ. С увеличением интенсивности возбуждения света возрастают интенсивности обеих полос ФЛ, но интенсивность коротковолнового излучения растет быстрее. При этом существенного смещения полос не обнаружено. Полоса с hv=3,26 эВ, вероятно, представляет собой краевую люминесценцию в (SiC)0>s2(AlN)o,i8- Обнаружено существенное влияние скорости роста и температуры выращивания на спектры ФЛ. По ФЛ установлена зависимость дефектности ЭС (SiC)1.x(AlN)x от скорости роста и температуры выращивания.

Третий раздел посвящен катодолюминесценция твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x измеренной при температурах 300 и 77 К для образцов с различными составами. Спектр КЛ состоит из двух полос. Длинноволновая полоса, вероятно, обусловлена рекомбинацией на дефектах структуры (вакансии углерода), в то время как коротковолновая полоса связана с рекомбинацией на донорно-акцепторных парах N-A1. Интенсивность этих полос по-разному зависит от температуры: интенсивность длинноволновой полосы в два раза увеличивается, а интенсивность коротковолновой полосы увеличивается в четыре раза с уменьшением температуры от 300К до 77К

Кроме того, в зависимости от состава твердых растворов, длинноволновая полоса незначительно, а коротковолновая полоса существенно сдвигаются в область высоких энергий с увеличением содержания A1N. Поскольку ширина запрещенной зоны твердых растворов исследованных нами больше, чем энергии самого высокоэнергетического максимума излучения, вероятно, мы имеем дело с примесной люминесценцией.

При долгом воздействии электронного пучка на образцы максимумы полос незначительно сдвигались в длинноволновую область, что, вероятно, связано с увеличением концентрации дефектов под действием электронного пучка,

которые создают дополнительные центры нзлучательной и безызлунательной рекомбинации.

Длинноволновая полоса излучения подобна «дефектной» люминесценции в чистом карбиде кремния 6Н. Она возникает вследствие нзлучательной рекомбинации экситонного типа через точечный комплекс дефектов, в котором одной из компонент, наиболее вероятно, является вакансия углерода.

Что касается коротковолновой полосы излучения, наблюдаемой на спектрах катодолюминесценции, то её возникновение можно объяснить следующим образом. В твердых растворах с (SiC),_x(AlN)x содержатся две группы центров, способных захватывать носители заряда противоположного знака (алюминий и азот). При достаточно больших концентрациях A1N в образцах межпримесные расстояния достаточно малы и излучательная рекомбинация может идти за счет межпримесных переходов. В этом случае излучательная рекомбинация осуществляется через донорно-акцепторные пары азот — алюминий. Вероятно, именно этот процесс и ответственен за возникновение коротковолновой полосы излучения. Сдвиг максимума полосы излучения с увеличением содержания нитрида алюминия в твердых растворах объясняется увеличением ширины запрещенной зоны.

Выводы:

1. Показано, что использование сублимационного травления подложек SiC в парах Si и последующее выращивание эпитаксиальных слоев в едином непрерывном процессе позволяет получать структурно - совершенные эпитак-сиальные слои и гетеропереходы SiC-(SiC),.x(AlN)x с малым числом состояний на гетерогранице.

2. Установлено, что наибольшее влияние на состав и скорость растущих слоев (SiC)i_x(AlN)x оказывает соотношение парциальных давлений азота и аргона в зоне роста. При изменении Аг на Не скорость роста увеличивается, а концентрация A1N в эпитаксиальных слоях уменьшается, и оптимальные

температуры изменяются. Это связано с изменением градиента температур и при этом структура эпитаксиальных слоев получается несовершенной.

3. Установлено, что состав эпитаксиальных слоев (SiC)i_x(A!N)x однозначно определяется составом горячепрессованных источников и соотношением парциальных давлений азота и аргона, что хорошо согласуется с результатами термодинамического расчета. Микроанализ выращенных твердых растворов (SiC)].x(AlN)x позволил установить, что эпитаксиальные слои (SiC)i.x(AlN)x, полученные сублимацией из поликристаллических твердых растворов SiC-AIN, достаточно однородны по площади и объему

4. Исследованы особенности морфологии твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x в зависимости от условий выращивания и от состава. Определены типы дислокаций и их взаимодействие на разных стадиях роста эпитаксиальных слоев. Установлено влияние грани подложки на дефектность и морфологию эпитаксиальных слоев (SiC)Nx(AlN)x. На грани (0001)С эпитаксиальные слои получаются более высокого совершенства.

5. Определены технологические особенности травления твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x. Обнаружено, что параметры травления зависят от состава твердых растворов. Установлено, что при ионном травлении скорость травления образцов (SiC)i_x(AlN)x уменьшается с ростом содержания нитрида алюминия в твердых растворах. Исследование процессов ионного травления позволило рассчитать коэффициенты распыления материала при различном содержании A1N. Определена зависимость скорости травления эпитаксиальных слоев (SiC)!.x(AlN)x от мощности возбуждения разряда.

6. Электроннографические исследования эпитаксиальных слоев (SiC)!.x(AlN)x, полученных при различных условиях и с разными составами показали, что образцы монокристалличны. Кикучи-линии на электронограммах свидетельствуют о том, что эпитаксиальные слои обладают достаточно высоким совершенством структуры. Рассчитаны параметры решеток эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AIN)x по электронограммам и рентгеновским дифрактограм-

мам. Установлено, что при х>0,18, образцы кристаллизуются в политипной модификации 2Н.

7. Обнаружено, что примесная электропроводность в твердых растворах (SiC)i_x(AIN)x до 500К обусловлена наличием мелких доноров азота и акцепторов алюминия с энергиями активации соответственно 0,1 и 0,25 эВ.

8. Исследования вольтамперных и вольтфарадных характеристик гегерострук-тур показали, что в них образуются резкие гетеропереходы, пригодные для практического использования в различных приборных структурах, работающих в экстремальныъх условиях.

9. Исследовано влияние температуры выращивания твердых растворов (SiC)!.x(AlN)x на спектры фотолюминесценции. Обнаружено, что интенсивность коротковолнового пика люминесценции увеличивается, а интенсивность длинноволнового пика уменьшается при повышении температуры выращивания. Вероятно, это связано с деградацией дефектной люминесценции (длинноволновый пик), которая составляет конкуренцию рекомбинации на донорно-акцепторных парах N—А]

10.Установлено, что максимумы полос фото-, катодо- и электролюминесценции твердых растворов (SiC)!.x(AlN)x плавно смещаются в коротковолновую область с увеличением содержания A1N в образцах.

11.Показано, что спектры катодолюминесценции состоят из двух полос излучения. Длинноволновая полоса обусловлена рекомбинацией на дефектах структуры (вакансии углерода), в то время как коротковолновая полоса связана с рекомбинацией на донорно-акцепторных парах N—А1. Инте нсивность этих полос по-разному зависит от температуры: интенсивность длинноволновой полосы в два раза увеличивается, а интенсивность коротковолновой полосы увеличивается в четыре раза с понижением температуры от 300К до 77К.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Сафаралиев Г.К., Курбанов М.К., Нурмагомедов Ш.А., Хийярат.А.А. Проблемы получения и свойства твердых растворов (SiC)t.x(AlN)x.// Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники". -Дивноморская: 1999.

—С.25-26.

2. Сафаралиев Г.К., Курбанов М.К., Нурмагомедов Ш.А., Хийярат.А.А. Гетеропереходы в системе SiC-(SiC)I.x(AlN)x . // Материалы Всероссийской конференции по физической электронике. - Махачкала: 1999. - С.225-228.

3. Safaraliev G.K,Kurbanov.M.K, Nurmagomedov Sh.A, Ofitcerova N. V.Hyirat A.A Problems of obtaining and some property of solid solutions (SiC)[.x(AlN)x .//The Third European Conférence on high Temperature Electronics. (HITEN): -Berlin: 1999. P.12-13.

4. Хийярат A.A., Курбанов M.K., Сафаралиев Г .К., Карадашева Г.Д. Влияние технологических параметров процесса выращивания твердых растворов (SiC)|.x(AlN)x на дефектную структуру.// Вестник ДГУ. Естественные науки. - Махачкала: ИПЦ ДГУ, 1999. - вып.4. - С.4-7.

5. Нурмагомедов Ш.А., Курбанов М.К., Билалов Б.А., Сафаралиев Г.К., Хийярат А.А. Спектры катодолюминесценции твердых растворов (SiC)i_x(AlN)x. // Тезисы научной конференции OS-2000. —Ульяновск:, 2000. -С.17-18

6. Сафаралиев Г.К., Нурмагомедов Ш.А. Курбанов М.К., Магомедов А.Г., Хийярат А.А. Термодинамический анализ взаимодействия в системе SiC-A1N // Вестник ДНЦ. -Махачкала: 2000. -С. 18-20.

Цитируемая литература:

1. Нурмагомедов Ш.А., Сорокин Н.Д., Сафаралиев Г.К.. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф.// Особенности получения эпитаксиальных слоев твердых растворов (SiC),.x(AlN)x// Изв. АН СССР. Неорг. матер. 1986. Т.22. В.Ю.- С.1872-1874.

2. Курбанов М.К., Сафаралиев Г.К., Разбегаев В.Н., Таиров Ю.М., Цветков

B.Ф. Влияние состава слоев на электролюминесценцию гетезоструктур (SiC),.x(AlN)x/SIC // Электронная техника. Сер. Материалы. В. 4 (258). 1991,-

C. 22-24.

3. Сафаралиев Г.К., Курбанов М.К., Нурмагомедов Ш.А., Офицером Н.В. Гетеропереходы на основе широкозонных твердых растворов (SiC)[. X(A1N)X // Труды 2-й Европейской конференции по высокотемпературной электронике. -Манчестер (Англия), 1997.

4. Дмитриев А.П., Евлахов Н.В., Фурман A.C. Расчет зонной структуры твердых растворов SiC-AlN методом псевдопотенциала // ФТП. Т.ЗО. В.1. 1996. -С.106-116.

5. Дмитриев В.А., Елфимов Л.Б., Линьков И.Ю., Морозенко Я.В., Никитина И.П., Челноков В.Е., Черенков А.Е., Чернов М.А.. Твердые растворы SiC-A1N, выращенные методом бесконтейнерной жидкофазной эпитаксии // Письма в ЖТФ. Т. 17. В.6. 1991.- С. 50-53.

Введение

Глава 1. Особенности получения эпитаксиальных слоев твердых 8 растворов (SiC)i.x(AlN)x

1.1. Широкозонные твердые растворы (SiC)i.x(AlN)x и структуры на 8 их основе.

1.2 Эпитаксия (SiC)i.x(AlN)x на подложках карбида кремния.

1.3 Термодинамический анализ условий кристаллизации твердых 26 растворов (SiC)i.x(AlN)x.

Глава 2. Структура и морфология твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x.

2.1. Влияние условий кристаллизации на морфологию эпитаксиальных 36 слоев твердых растворов (SiC)!.x(AlN)x.

2.2.Травление карбида кремния и эпитаксиальных ^oeB-(SiC)i.x(AlN)x.

2.3. Изучение однородности эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AlN)x.

2.4. Исследование структуры эпитаксиальных слоев (SiC)ix(AlN)x.

Глава 3. Электрические свойства твердых растворов (SiC)ix(AlN)x.

3.1. Электропроводность твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x.

3.2.Вольт-амперные характеристики гетероструктур n-SiC - 88 p-(SiC)i.x(AlN)x

3.3. Вольт-фарадные характеристики гетероструктур.

Глава 4. Оптические свойства твердых растворов (SiC)1.x(AlN)x

4.1. Экспериментальная установка и методика измерения оптических 112 свойств твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x

4.2. Фото - и электролюминесценция SiC и гетероструктур на его 118 основе.

4.3 Катодолюминесценция твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x

Актуальность темы. Развитие электронной техники диктует необходимость расширения круга материалов применяемых для создания микроэлектронных приборов и устройств. Это вызвано стремлением к расширению областей применения этих приборов, возрастанием требований к их надежности, стабильности параметров и устойчивости к внешним неблагоприятным воздействиям. Одним из путей решения этой проблемы является создание изова-лентных и гетеровалентных твердых растворов на основе уже известных полупроводников. Подбирая соединения и их относительное содержание в твердых растворах можно создавать материалы с заранее заданными свойствами.

Одним из перспективных материалов для создания гетеровалентных твердых растворов, работающих в экстремальных условиях, является карбид кремния SiC. Это связано, в первую очередь, с высокой химической, механической, тепловой и радиационной стойкостью этого полупроводникового материала. Кроме того, существование большого числа политипных модификаций, энергия образования которых мало отличается друг от друга, может облегчить образование твердых растворов SiC с соединениями, имеющими различную кристаллографическую структуру.

В качестве другого компонента твердых растворов наибольший интерес представляют нитриды металлов III группы (AniN) периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Этот интерес обусловлен высокой вероятностью образования твердых растворов в этих системах (SiC-AniN), особенно в системах SiC-AIN и SiC-GaN. Кроме того, минимум зоны проводимости в BN, A1N и GaN находится в центре зоны Бриллюэна, что позволяет прогнозировать существование твердых растворов SiC с указанными нитридами с эквивалентой зоной структурой. Это должно привести к возрастанию эффективности излу-чательной рекомбинации, что позволяет создать на основе этих твердых растворов светодиоды и инжекционные лазеры с большой эффективностью. Одновременно из-за большой ширины запрещенной зоны в соединениях AmN, ширина запрещенной зоны твердых растворов также будет велика, что сместит спектральный рабочий диапазон приборов в коротковолновую область.

В последнее время утвердилось понимание, что в оптоэлектронике, особенно в приборах, использующих коротковолновую область видимого диапазона света и ультрафиолетовую область, перспективны твердые растворы карбида кремния с нитридом алюминия, благодаря тому, что при определенных составах они обладают прямой структурой зон и перекрывают интервал энергий от 3 до 6,2 эВ. Твердые растворы (SiC)i.x(AlN)x образуются и получают во всем диапазоне концентраций х. Важным свойством этих растворов является то, что в отличие от чистого A1N они могут обладать как n-типом, так и р-типом проводимости. В дополнение к этому, твердые растворы (SiC)i.x(AlN)x могут наследовать уникальные механические, химические и тепловые свойства карбида кремния. Особенно перспективны твердые растворы (SiC)ix(AlN)x в приборах основанных на гетеропереходах (инжекционные лазеры, светодиоды, фотоприемники и т.д.), так как близость параметров решеток SiC и (SiC)i. X(A1N)X позволяет получить гетеропереходы на их основе с малым числом состояний на гетерогранице.

Получение подобных твердых растворов возможно только на основе полного и детального изучения характера взаимодействия компонентов твердых растворов и при выяснении связи между составом и их свойствами. Помимо этого процессы получения и исследования твердых растворов на основе карбида кремния представляют и теоретический интерес для развития представлений о закономерностях образования гетеровалентных твердых растворов, что пока является малоизученной проблемой. Важным представляется и то, что кристаллизация карбида кремния с соединениями, имеющими структуру вюрцита позволит контролируемо получать объемные монокристаллы и эпитаксиальные слои крайне редко получаемого политипа -2Н.

Цель работы :

• совершенствование технологии выращивания эпитаксиальных слоев твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x на подложках SiC методом сублимации;

• исследование структуры и морфологии эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AlN)x в зависимости от условий получения и стехиометрического состава;

• исследование электрофизических и физико-химических свойств образцов твердых растворов (SiC)i-x(AlN)x в зависимости от состава;

• исследование люминесцентных свойств твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

• установлена зависимость скорости ионного травления эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AlN)x от их состава. Увеличение содержания A1N в твердых растворах приводит к нелинейному уменьшению скорости травления.

• определено, что во всем диапазоне изменения состава твердых растворов (SiC)ix(AlN)x параметры решетки изменяются по линейному закону. Параметр а увеличивается от 3,078А0 до 3,114А°, а параметр с уменьшается 5,046А0 до 4,98А° с увеличением содержания A1N от 0 до 100%мол.

• установлен факт устойчивой стабилизации политипа 2Н твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x при содержании A1N более 18% мол.

• определены технологические условия воспроизводимого получения эпитаксиальных слоев (SiC)j.x(AlN)x с высоким совершенством.

• примесная электропроводность в твердых растворах (SiC)ix(AlN)x до 500К обусловлена наличием мелких доноров азота и акцепторов алюминия с энергиями активации соответственно ОД и 0,25 эВ.

• показано, что при увеличении содержания A1N в твердых растворах (SiC)i. x(AlN)x от 35% мол. до 73% мол. максимум спектра коротковолновой полосы катодолюминесценции (2,82 эВ) смещается в УФ область до 3,28 эВ, а её интенсивность увеличивается в четыре раза при уменьшении температуры от ЗООК до 77К.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В твердых растворах (SiC)ix(AlN)x наблюдается линейное изменение параметров решетки в зависимости от содержания A1N во всем диапазоне изменения состава.

2. В монокристаллических эпитаксиальных слоях (SiC)ix(AlN)x, полученных сублимационным методом в атмосфере аргона с азотом при х>0,18, наблюдается стабилизация политипной модификации 2Н.

3. Примесная электропроводность в твердых растворах (SiC)i.x(AlN)x до 500К обусловлена наличием мелких доноров азота и акцепторов алюминия с энергиями активации соответственно 0,1 и 0,25 эВ.

4. Коротковолновый сдвиг полос катодолюминесценции эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AlN)x в область высоких энергий с ростом содержания A1N обусловлен увеличением ширины запрещенной зоны. С увеличением температуры наблюдается температурное гашение интенсивности катодолюминесценции.

Практическая ценность:

1. Усовершенствована методика выращивания эпитаксиальных слоев (SiC)i. X(A1N)X на подложках карбида кремния методом сублимации.

2. Экспериментально установлено существенное влияние газовой фазы в зоне роста на формирование твердых растворов. Показано, что оптимальной для получения (SiC)i.x(AlN)x является атмосфера, состоящая из смеси газов аргона и азота. При выращивании (SiC)ix(AlN)x в атмосфере гелия с азотом не удается получить совершенные образцы с содержанием A1N более чем 5% мол.

3. Определены оптимальные режимы ионного травления твердых растворов (SiC)i-x(AlN)x, облегчающие получение различных приборных структур.

4. Результаты исследования твердых растворов (SiC)ix(AlN)x могут быть использованы для создания на их основе оптоэлектронных структур.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийской конференции по Физической электронике (Махачкала, 1999г.), на III Европейской конференции по высокотемпературной электронике (HITEN) (Берлин, 1999г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-99) (п.Дивноморское, Россия, 1999г.). Результаты работ также докладывались на ежегодных итоговых научных конференциях Даггоуниверситета (Махачкала, 1996-1999гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы автором было опубликовано 6 работ.

Выводы к главе 4.

1. Исследовано влияние температуры выращивания твердых растворов (SiC)ix(AlN)x на спектры фотолюминесценции. Обнаружено, что интенсивность коротковолнового пика люминесценции увеличивается, а интенсивность длинноволнового пика уменьшается при повышении температуры выращивания. Это связано с деградацией дефектной люминесценции (длинноволновый пик), которая составляет конкуренцию рекомбинации на донорно-акцепторных парах N- А1.

2. Показано, что гетероструктуры SiC/(SiC)ix(AlN)x обладают эффективной электролюминесценцией при комнатной температуре. Спектры электролюминесценции, как правило, состоят из двух полос, интенсивность и положение максимумов которых зависят от плотности тока и от состава эпитаксиальных слоев.

3. Установлено, что максимумы полос фото-, катодо- и электролюминесценции твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x плавно смещаются в коротковолновую область с увеличением содержания A1N в образцах.

4. Показано, что спектры катодолюминесценции состоят из двух полос излучения. Длинноволновая полоса, вероятно, обусловлена рекомбинацией на дефектах, в то время как коротковолновая полоса связана с донорно-акцепторных парах N-A1 . Интенсивность этих полос по разному зависит от температуры: интенсивность длинноволновой полосы в два раза уменьшается, а интенсивность коротковолновой полосы увеличвается в четыре раза с понижением температуры от 300К до 77К.

заключение.

В итоге проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Показано, что использование сублимационного травления подложек SiC в парах Si и последующее выращивание эпитаксиальных слоев в едином непрерывном процессе позволяет получать структурно - совершенные эпитаксиальные слои и гетеропереходы SiC-(SiC)ix(AlN)x с малым числом состояний на гетерогранице.

2. Установлено, что наибольшее влияние на состав и скорость растущих слоев (SiC)i.x(AlN)x оказывает соотношение парциальных давлений азота и аргона в зоне роста. При изменении Аг на Не скорость роста увеличивается, а концентрация A1N в эпитаксиальных слоях уменьшается, и оптимальные температуры изменяются. Это связано с изменением градиента температур и при этом структура эпитаксиальных слоев получается несовершенной.

3. Установлено, что состав эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AlN)x однозначно определяется составом горячепрессованных источников и соотношением парциальных давлений азота и аргона, что хорошо согласуется с результатами термодинамического расчета. Микроанализ выращенных твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x позволил установить, что эпитаксиальные слои (SiC)i.x(AlN)x, полученные сублимацией из поликристаллических твердых растворов SiC-AIN, достаточно однородны по площади и объему

4. Исследованы особенности морфологии твердых растворов (SiC)i.x(AlN)x в зависимости от условий выращивания и от состава. Определены типы дислокаций и их взаимодействие на разных стадиях роста эпитаксиальных слоев. Установлено влияние грани подложки на дефектность и морфологию эпитаксиальных слоев (SiC)ix(AlN)x. На грани (0001)С эпитаксиальные слои получаются более высокого совершенства.

5. Определены технологические особенности травления твердых растворов (SiC)ix(AlN)x. Обнаружено, что параметры травления зависят от состава твердых растворов. Установлено, что при ионном травлении скорость травления образцов (SiC)i.x(AlN)x уменьшается с ростом содержания нитрида алюминия в твердых растворах. Исследование процессов ионного травления позволило рассчитать коэффициенты распыления материала при различном содержании A1N. Определена зависимость скорости травления эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AlN)x от мощности возбуждения разряда.

6. Электроннографические исследования эпитаксиальных слоев (SiC)i.x(AlN)x, полученных при различных условиях и с разными составами показали, что образцы монокристалличны. Кикучи-линии на электронограммах свидетельствуют о том, что эпитаксиальные слои обладают достаточно высоким совершенством структуры. Рассчитаны параметры решеток эпитаксиальных слоев (SiC)ix(AlN)x по электронограммам и рентгеновским дифракто-граммам. Установлено, что при х>0,18, образцы кристаллизуются в поли-типной модификации 2Н.

7. Обнаружено, что примесная электропроводность в твердых растворах (SiC)i.x(AlN)x до 500К обусловлена наличием мелких доноров азота и акцепторов алюминия с энергиями активации соответственно 0,1 и 0,25 эВ.

8. Исследования вольтамперных и вольтфарадных характеристик гетероструктур показали, что в них образуются резкие гетеропереходы, пригодные для практического использования в различных приборных структурах, работающих в экстремальныъх условиях.

9. Исследовано влияние температуры выращивания твердых растворов (SiC)i-x(AlN)x на спектры фотолюминесценции. Обнаружено, что интенсивность коротковолнового пика люминесценции увеличивается, а интенсивность длинноволнового пика уменьшается при повышении температуры выращивания. Вероятно, это связано с деградацией дефектной люминесценции (длинноволновый пик), которая составляет конкуренцию рекомбинации на донорно-акцепторных парах N-A1

10.Установлено, что максимумы полос фото-, катодо- и электролюминесценции твердых растворов (SiC)ix(AlN)x плавно смещаются в коротковолновую область с увеличением содержания A1N в образцах.

11 .Показано, что спектры катодолюминесценции состоят из двух полос излучения. Длинноволновая полоса обусловлена рекомбинацией на дефектах структуры (вакансии углерода), в то время как коротковолновая полоса связана с рекомбинацией на донорно-акцепторных парах N-A1. Интенсивность этих полос по-разному зависит от температуры: интенсивность длинноволновой полосы в два раза увеличивается, а интенсивность коротковолновой полосы увеличивается в четыре раза с понижением температуры от 300К до 77К.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность научному руководителю профессору Сафаралиеву Г.К., доденту Нурмагомедову Ш.А., доценту Курбанову М.К., науч. сотрудникам Арсланбекову А.Х., Хамидову М.М, на-уч.сотрудникам Исмаилову.М.А и Шахшаеву Ш.М. за ценную помощь оказанную при выполнении данной работы.

1. .Таиров.Ю.М. Прогресс в технологии карбида кремния: современное состояние разработок и направления дальнейших исследований. В кн.: Широкозонные полупроводники Махачкала, 1988 , С.4 .

2. Таиров Ю.М.,Цветков В.Ф. Проблемы физики и технологии широкозонных полупроводников: Сб. ЛИЯФ. Ленинград, 1979. С. 122.

3. Сафаралиев Т.К., Суханек Г.К., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Критерии образования твердых растворов на основе карбида кремния. Изв.АН СССР. Сер. Неорганические материалы. 1986, Т.22. № 11. С.1839

4. Cutler I.B., Miller P.D., Rafaniello W., Thompson D.P., Jack H.K. New materials in the Si-C-Al-0 -N and releted systems. Nature ( London), 1978, v.275, p. 434-435.

5. Rutz R.F. Epitaxial crystal fabrication of SiC-AIN. US pat. 4382837, 1983.

6. Суханек Г., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Письма в ЖТФ. 1983.Т.9. В.12. С.737.

7. Rafaniello .W., Plichta M.R., Vircar A.V., Investigation of phasa stabiliti in the SiC- A1N J. Amer. Ceram. Soc., 1983, v. 66, N4, p. 272 -276.

8. Ervin G., Jr. Silicon carbide- aluminum nitride refractory composite. US pat. 3492153, North American Rockwell Corp., Jan. 27, 1970.

9. Cutler I.B., Miller P.D. Solid solution and process for production a solid solution. US pat. 4141740, Feb. 27, 1979.

10. Zangvil A., Ruh R. Phase relatiohoships in the silicon carbide-aluminum nitride system. J. Amer. Ceram. Soc., 1988, v. 71, N10, p. 884-890.

11. Czekaj C.L., Hackeney M.L.J., Hurley W. J., Jr., Interrante L.V., Sidel G.A., Scheilds P.J., Slack G.A. Preparation of silicon carbide/ aluminum nitrideceramics using organometallic precursors. J. Am. Ceram. Soc., 1990, v.73, N 2 p. 352-357.

12. Сафаралиев Г.К., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф., Шабанов Ш.Ш., Пащук Е.Г., Офицерова Н.В. Авров Д.Д., Садыков С. А. Получение и свойства поликристаллических твердых растворов SiC-AlN. ФТПД993, Т,27, Вып.З, С. 402-408.

13. Нурмагомедов Ш.А., Сорокин Н.Д., Сафаралиев Г.К. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Особенности получения эпитаксиальных слоев твердых растворов (SIC)ix(ALN)x . Изв. АН СССР, Неорг. матер., 1986, Т.22, Вып. 10, С. 1872-1874.

14. Нурмагомедов Ш.А., Пихтин А.Н., Разбегаев В.Н., Сафаралиев Г.К., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Получение и исследование эпитаксиальных слоев широкозонных твердых растворов (SIC)i.x(AlN)x . Письма в ЖТФ, 1986, т. 12, вып 17, с. 1043-1045.

15. Сафаралиев Г.К., Курбанов М.К., Офицерова Н.В., Таиров Ю.М. Влияние параметров роста на электропроводность твердых растворов (SIC)i.x(AlN)x . Изв. РАН, Неорг. мат-лы, т.6, 1995, с. 1-4.

16. Абдуев А.Х., Атаев Б.М., Ашурбеков С.А., Курбанов М.К., Нурмагомедов Ш.А., Сафаралиев Г.К., Управляемое изменение люминесцентных свойств твердых растворов на основе SiC. Письма в ЖТФ, т. 14, в. 12, 1988, с. 10951098.

17. Safaraliev G.K, Kurbanov М.К, Ofitcerova N.V. Luminescence of heterojunc-tions (SIC)i.x(AlN)x / SIC.// Trans. International Amorphous and Crystalline Silicon Carbide, Santa-Clara, USA, 1991, p. 114-119.

18. Safaraliev G., Kurbanov M., Isabecova Т., Magomedov A., Ofitcerova N. The growth and electrical properties of heteroepitaxial layers (SiC)ix(AlN)x.// Trans.3.th International High Temperature Electronic Conference, Albuquerque, USA, 1996,v.2,p.251-256

19. Сафаралиев Г.К., Разбегаев B.H., Курбанов M.K. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Влияние состава слоев на электролюминесценцию гетероструктур (SiC)iAlN)x / (SIC). Электронная техника. Сер. Материалы, вып. 4 (258), 1991, с. 22-24.

20. Safaraliev G.K, Kurbanov M.K, Nurmagomedov Sh.A., Ofitcerova N.V. Het-erojunctions on basis wide-gap solid solutions (SiC)ix(AlN)x. // 2-nd European High Temperature Electronic Conference, Manchester (England), 1997

21. Дмитриев А.П., Евлахов H.B., Фурман. A.C., Расчет зонной структуры твердых растворов SiC-AIN методом псевдопотенциала. ФТП, т.ЗО, в.1, 1996, с. 106-116.

22. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Корицкого Ю.В., ПасынковаВ.В., ТарееваБ.М. Т.З, Д., Энергоатомиздат. 1988. 726 с.

23. Дмитриев В.А., Иванов П.А., Корнев И.В., Морозенко Я.В., Попов И.В., Сидорова Г.А., Стрельчук A.M., Челноков В.Е., Письма в ЖТФ. 1985, т. 11, N4, с.238.

24. Таиров Ю.М., Левин В.И., Траваджян М.Г., Цветков В.Ф., Чернов М.А., изв. АН СССР. сер. Неорганические материалы 1978. т. 14., стр. 1062-1066.

25. Vodakov Yu.A., Mokhov E.N., Ramm M.G., Roenkov A.D., Cryst. and Techn. 1979. v 14,N6, p. 729.

26. Mokhov E.N., Shulpina J.I., Tregubova A.S., Vodakov Yu.A. Ciyst. Res. and Techn., 1981, v.16, N8, p.879-886.

27. Нурмагомедов Ш.А,.Сафаралиев Г.К., Исследование процесса кристаллизации эпитаксиальных слоев твердых растворов (SiC)ix(AlN)x в книге:

28. Тез. докл. 6 Всесоюзной конференции по росту кристаллов. Цахкад-зор. 1985, стр.116-117.

29. Нурмагомедов Ш.А. Твердые растворы нитрид алюминия карбид кремния.: Диссерт. на соиск. уч.степени канд. физ.-мат. наук - Д., ЛЭТИ, 1986.

30. Ильин В.А., Карачинов В.А., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф., Упрочнение кристаллической решетки 6H-SiC при легировании изовалентными примесями Письма в ЖТФ, 1985, т. 11, вып. 12, с.749-752.

31. Лилов С.К., Сафаралиев Г.К., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Способ определения градиента и распределения температуры в высокотемпературных печах для выращивания кристаллов карбида кремния Авт. свидетельство N 758831, 1980.

32. Мохов Е.Н., Водаков Ю.А., Ломакина Г.А. Проблемы управляемого получения легированных структур на базе карбида кремния. В кн.: Проблемы физики и технологии широкозонных полупроводников, Ленинград 1979 г. стр. 136-149.

33. Adachi S., Mokhri М., Yomashima Т. // Surt. Sci, 1985. v. 165 N2-3, p.479.

34. Цветков В.Ф. Термодинамический анализ фазовых равновесий при диссо-тиативном испарении политипов карбида кремния. -Изв.ЛЭТИ. Научн. тр Ленингр. электротехн. ин-та им.В.И.Ульянова(Ленина), 1983, вып.322, с.39-46.

35. Чепмен .С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М., «Мир», 1968.

36. Мохов Е.Н. Получение гомо- и гетероэпитаксиальных слоев SiC: состояние и перспективы. //В кн. "Широкозонные полупроводники", Махачкала, 1988, с.44-53.

37. Мохов Е.Н., Усманов М.М., Юлдашев Г.Ф., Махмудов Б.С. Легирование карбида кремния элементами третьей подгруппы при росте кристаллов из паровой фазы. // Изв. АН СССР., сер. Неорганические материалы, т.20 N8, 1984, с.1383-1386.

38. Енохович .А .С.Справочник по физике Москва «просвещение» .1990.

39. Forty A.J., Phil.Mag.43,481.(1952).

40. Варма А. Рост кристаллов и дислокации. Пер. с англ. под ред.ШефталяН.Н. // М., «Иностранная литература», 1958, 216с.

41. Tolansky S. Wilcock W.L, Nature, 157, 583,(1946) M.A.10-135.

42. Tolansky S. Wilcock W.L, Proc.Roy.Soc. A 191, 182, (1947) 10-325.

43. Edit by Gullan G.W., Wang C.C. Heteroepitaxial semiconductors for electronic devise//New-York. Springer-Verlag, 1971,30, P.301.

44. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б., Столяров О.Г., Шифрин С.С. Дефекты в полупроводниках.// сб.статьей . Из-во институт физики полупроводников СО АН СССР. Новосибирск. 1973. с.42.

45. Карклина М.И., Саидбеков Д.Т. Травление карбида кремния. Неорганические материалы, том 8, 1972г.

46. Vakimova R., Hylon A.L., M.Syvajarvi М., E.Janzen. Preferential etching of SiC crystals. Vol.6. № 10, August 1997, p.1456-1458.

47. Horn F.H, Fullam E.F., Kasper J.S. Nature, 169,927,1952.

48. Gevers R.,Amulinckx S., Dekeyser W. Naturwiss 39, 448,1952.

49. Gatos H.C., Lavine M.C. Journ. Electro Chem. Soc., 107,427, 1960.

50. Madar R., Anikin M., Milita S., J.Baruchel. Defects formation in sublimation groun 6H-SiC single crystal boules. Vol.6. № 10, August 1997, p. 1249-1261.

51. Matsui S., Misuki S., Yamato Т., Aritome H., Namba S. Reactive ion-beametching of Silicon Carbide, -Jpn. J. Appl.Phys., 1981,v.20,Nl, p.L38-L40

52. Попов И.В., Сыркин A.Jl., Челноков B.E. Реактивное ионно-плазменное травление карбида кремния. Письма в ЖТФ, т.12,вып.4,с.240-243

53. Гудков В.А., Крысов Г.А. Плазменное травление карбида кремния. Электронная техника, сер.1, Электроника СВЧ, 1984,вып.7(367), с.60-61

54. Winters H.F.,Cjburn J.W., Chuang T.J. Surface processes in plasma assisted eatching environments. J.Vac. Sci. and Technol. B,1983,v.l,Nl, p.469-480

55. Ponce F.A., Van de Walfe C.G., Northrup G.E. Atomic arrangment at the AIN/SiC interface.// Physical Review B, v.53.,№l 1, 7473-7478,1996.

56. Данилин B.C., Киреев В.Ю., Назаров Д.А. Реактивное ионное травление. -Обзоры по электронной технике, сер.З, Микроэлектроника, 1984, вып.1 (1010),71с.

57. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М: Ф-М. .Л, 1961,863с

58. Эндрюс К. , Дайсон Д., Киоун С. Электронограммы и их интерпретация . перевод с англ. языка из-во Мир, Москва, 1971г.

59. Хирш П., Хови А., Николсон Р., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов, перевод с англ. языка, из-во Мир, Москва, 1968г.

60. Франк Каменецкий В.А. Руководство по рентгеновскому исследованию минералов . Ленинград, из-во "Недра" , 1975г.

61. Сафаралиев Г.К., Курбанов М.К., Разбегаев В.Н., Таиров Ю.М. , Цветков. В.Ф. Влияние состава слоев на электролюминесценцию гетероструктур (SiC)/ (SiC)i.x(AlN)x. Электронная техника. Сер. Материалы, вып. 4 (258), 1991, с. 22-24.

62. Pawrich. L., J. Appl. Phys., 28, 765 (1957).

63. Greebe. С.A.A., J. Phil. Res. Rep. Suppl., 1,1,(1963).

64. Павличенко В.И., Рыжиков. И.В. , В сб: "Физика электронно- дырочных переходов и полупроводниковых приборов. Л., 1969, с. 326.

65. Калинина Е.В., Суворов А .В., Холуянов Г.Ф., Проблемы физики широкозонных полупроводников. Л., 1979. С. 333-339.

66. Стрельчук.А,М., Времена жизни и диффузионные длины неравновесных носителей заряда в SiC р-п-структурах. ФТП, Т.29. В.7. 1995. С. 1190-1204.

67. Веленчикова Р.Г., Водаков Ю.А., Литвин Э.П., Мохов Е.Н. , Рамм М.Г., Санкин В.И.,.Остроумов А.Г,.Соколов В.И. Электрофизические характеристики 6H-SiC р-n- переходов с эпитаксиальным р+(А1) слоем. ФТП, Т16, В11, 1982, С.2029-2032.

68. Newman Р.С., Electron lett. 1, 265 (1965).

69. Евстропов В.В., Петрович И.Л., Царенков. Б.В. , ФТП, 1981, Т.15, Вып.11, с. 2152-2158.

70. Вуль А .Я., Каряев В.Н., Петросян П.Г., Полянская Т. А., Сайдашев И.И., Шмарцев Ю.В., Р-n- переходы в твердых растворах GaAs GaSb. ФТП, Т.16,В.Ю, 1982, С.1838-1842.

71. Muench W.V., Pfaffender J., j. Appl. Phys. 1977, v.48, N11, p. 4831-4833.82.1keda M., Hayakawa Т., Yamagiwas S., Matsunami H., Tanaka T. j. Appl.,

72. Phys., 1979. V.50, N112, p. 8215-8225.

73. Константинов A.O., Литвин Д.П., Санкин В.И., Резкие структурно-совершенные карбидокремниевые р п - переходы. - Письма в ЖТФ. 1981, т.7, в.21, с.1335-1337.

74. Аникин М.М., Лебедев А.А., Попов И.В., Растегаев В.П., Сыркин А.Л., Царенков Б.В., Челноков В.Е. Электростатические свойства 6Н SiC структур с резким р - п - переходом - ФТП, 1987, т. 22, в.1, с. 133-136.

75. Веренчиков Р.Г,. Водаков Ю.А, Литвин Д.П., Мохов Е.Н., Рашт М.Г., Санкин В.И. , Остроумов А.Г., Соколов В.И., Электрофизические характеристики 6H-SiC р-п-переходов с эпитаксиальным р+ (А1) слоем. ФТП, 1982 , т. 16, в. 11, с. 2029-2032.

76. Лебедев А.А., Давыдов Д.В., Игнатьев К.И. Исследование контактной разности потенциалов 6Н SiC р-n - структур, сформированных по различным технологиям. ФТП, 1996, т.30, в.10, с. 1865-1869.

77. Gray P.E., Adler R.B. A simple method for determining the impurity distribution near a p n - junction. IEEE Transact on Electron Devices, 1965, ED - 12, 8, p. 475 -477.

78. Meyer N.J., Guldbransen T. Method for measuring impurity distribution in semiconductor crystals. Proc. IEEE, 1963, 51,11, p. 1631 1637.

79. Павлов Л.П., Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М., "Высшая школа", 1987, с. 239.

80. Милнс. А., Фойхт. Д , Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник, М., "Мир", 1975, с. 53.

81. Пихтин А.Н., Яськов Д.А., Край основной полосы поглощения SiC-6H. //ФТП, 1986, т. 12, В. 6, с. 1597-1604.

82. James J.F. On the use of aphotomultiplier as aphoton counter. Mot.Not R.Astor Soc. 1967, v. 137,p.l5.

83. Totnill A.A., W. Measurement of very low spectral intensities. EMI. Ltd. Document. Ref. R/P029Z70.

84. Макаров B.B. //ФТП. 1977. T.13. N8. -C. 2357-2363.

85. Tairov Y.M., Vodakov Y.A. //Topics in Appl. Phys. 1977. V.17. Elektroluminiscense. -P.31-61.

86. Балландович B.C., Виолин Г.И. Распределение эффективности фотолюминесценции по глубине диффузионных слоев карбида кремния легированных бором // Изд. ЛЭТП. Научные труды. 1984. В.338. -С. 12-15.

87. Аникин М.М., Кузнецов Н.И., Лебедев А.А., Полетаев Н.К., Стрельчук A.M., Сыркин А.Л., Челноков В.Е. О зависимости положения максимума электролюминесценции в диодах на основе 6H-SiC от плотности прямого тока//ФТП. 1994. Т.28. В.З. -С.443-448.

88. Авраменко С.Ф., Бойко С.И.Гусева О.А., Кисилев B.C.// ФТП. 1985.

89. Brander R.W., Sutton R.P. // J. Phys. D. 2.

90. Ikeda M., Yayakawa T. Yamagiwa S. Matsunami H., Tanaka T. //J.Appl. Phys. 50. 8215. 1979.

91. Muench W., Kuzzinger W. // Sol.St.Electron. 21. 1129 (1978).

92. Nishino S., Ibakari A., Matsunami H. //Japan. J.Appl. Phys. 19 L353 . 1980.

93. Дмитриев B.A.,.Иванов П.А, Морозенко Я.В., Попов И.В., Челноков В.Е. Письма в ЖТФ, 11, 246 (1985).

94. Аникин М.М., Стрельчук A.M., Сыркин А.Д., Челноков В.Е., Черенков А.Е. Характер температурной и тепловой зависимости интенсивности краевой инжекционной электролюминесценции SiC р-п-структур // ФТП. 1994. Т.22. В.2. -С.284-289.

95. Сафаралиев Г.К., Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Широкозонные твердые растворы (SiC)ix(AlN)x //ФТП. 1991. Т. 25. В. 8. -С.1437-1446.

96. Сафаралиев Г.К., Таиров Ю.М., Офицерова Н.В., Морозенко Я.В., Абилова Н.А.// Физика и техника полупроводников, 1996, Т. 30, В.З, с. 493496.

97. Шалимова. К.В, Физика полупроводников. М. Энергоатомиздат, 1985,392с.

98. Водаков Ю.А., Ломакина Г.А., Мохов Е.Н. В сб.; Широкозонные полупроводники (Махачкала, Изд-во ДГУ,1988) с.23.1. РСССККСКрЯfOC УДА:-', Г,4-{,*