Высокотемпературные приборы на основе фосфида галлия: эпитаксиальная технология, концепция легирования, электрические свойства тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

Панютин Евгений Анатольевич

Ои347ЭЬЬ 1

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ: ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, КОНЦЕПЦИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

01.04.10 - физика полупроводников АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 5 ОКТ

Санкт-Петербург 2009

003479861

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

проф. Жиляев Юрий Васильевич.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, проф. Константинов Олег Владиславович, ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН;

доктор физико-математических наук, проф. Пихтин Александр Николаевич, СПбГЭТУ (ЛЭТИ).

Ведущая организация -Санкт-Петербургский политехнический университет.

Защита состоится 22 октября 2009 г. в 12.30

на заседании диссертационного совета Д002.205.02 при Учреждении Российской академии наук Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.

Автореферат разослан 21 сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д002.205.02 доктор физико-математических наук

Л. М. Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Разработка и исследование электронных компонентов на основе фосфида галлия является одним из направлений обширной и разветвленной программы, нацеленной на создание элементной базы высокотемпературной электроники, т. е. такой электроники, которая была бы ориентирована на высокотемпературные применения.

Активизация подобных исследований, наблюдаемая в последнее время, обязана дальнейшему развитию таких разноплановых и несмежных областей современной техники, как аэрокосмические технологии и вопросы безопасности ядерных реакторов, глубинное бурение и гелиоэнергетика, мониторинг двигателей внутреннего сгорания и создание робототехнических устройств для работы в экстремальных условиях.

Возможные пути решения означенной проблемы, которые представляются перспективными в настоящее время, связываются либо с созданием вакуумных микросхем, либо основаны на дальнейших разработках в области технологии широкозонных материалов, таких как ваР, Са"Ы, способных обеспечить

работоспособность приборов, по крайней мере при Т > 300°С. Каждый из этих материалов, по-видимому, потенциально пригоден для достижения указанных целей, однако, в силу различных причин, связанных, например, со степенью «продвинутости» технологии или с экономической стороной проведения основных технологических процессов, тот или иной материал представляется оптимальным не только для своего температурного диапазона, но и для своей области использования.

Важнейшими предпосылками для освоения и дальнейшего развития соответствующих технологических аспектов фосфида галлия являются наличие развитой технологии получения подложек большой площади, относительно небольшие энергозатраты на проведение эпитаксиальных процессов и достаточный опыт в области приборов на основе технологически близкого СаАБ. Все это позволяет считать фосфид галлия важным кандидатом на роль базового материала в технологии массового производства приборов

для таких применений, где условия можно квалифицировать как экстремальные, однако максимальная температура рабочей среды не превышает 400°С.

Кроме того, весьма привлекательные значения других основных электрофизических параметров материала (в частности, подвижности носителей ваР - 50-200 см2/В-с, критическое поле начала его ударной ионизации ~ 106 В/см) обеспечивают дополнительные возможности для разработки конкурентоспособных приборов, что должно явиться дополнительным мотивом для дальнейшего продолжения исследований.

Целью настоящей работы было определение возможностей газофазной эпитаксии (ГФЭ) фосфида галлия как основы для создания элементной базы на рабочий диапазон до 400-500°С путем разработки и исследования ряда приборов с />-и-переходом, а также математического моделирования некоторых технологических аспектов их получения.

Объектом разработки и исследования являлись высокотемпературные, диоды (выпрямительные, стабилитронные и эмиссионные), динисторы и полевые транзисторы с управляющим /»-«-переходом, а также высокотемпературные матрицы, содержащие элементарные полевые транзисторы; все приборы были изготовлены на базе многослойных СаР-р-и-структур, полученных методом ГФЭ.

Методом исследования было изучение и анализ электрофизических параметров приборных элементов и структур, а также компьютерное моделирование кинетики диффузионных процессов (в том числе в рамках концепции диффузии со сменой состояний), сопутствующих эпитаксиальному росту этих структур. Исследовались ВАХ и частотные характеристики приборов при различных температурах в диапазоне 25^500°С; анализировалась взаимосвязь их выходных параметров с параметрами подложки, спецификой легирования и технологическими режимами соответствующего технологического процесса.

Метод разработки геометрических параметров транзисторов и транзисторных матриц — компьютерное ЗО-моделирование.

Задачи исследования:

- развитие методов эпитаксиальной и постэпитаксиальной технологии фосфид-галлиевых структур применительно к получению высокотемпературных приборов, содержащих один или несколько р-и-переходов;

-предложение и исследование моделей (в том числе двумерных и нестационарных), адекватно описывающих элементарные механизмы массопереноса в процессе легирования Gai3, способствующих установлению взаимосвязей между исходными технологическими факторами и выходными параметрами структур и приборов;

- исследование электрофизических характеристик полученных приборов, установление их взаимосвязи с параметрами соответствующих технологических режимов и выработка рекомендаций по оптимизации этих параметров;

- исследование влияния температуры в диапазоне от 25 до 500°С на основные характеристики полученных элементов и приборов.

Представляемые к защите научные положения

Положение 1 (о влиянии дислокации на фронт диффузии ионов цинка в фосфиде галлия).

Повышенная концентрация вакансий галлия Vca, сопутствующая формированию винтовой дислокации в процессе эпитаксиального роста цинксодержащей структуры, приводит к локальному аккумулированию ионов цинка, что сопровождается образованием крупномасштабных концентрационных страт и деформированием поверхности /»-»-перехода.

Положение 2 (о двухкомпонентном легировании />слоя

диода).

Дополнительное введение цинка в процессе легирования р-слоя «-«"-¿»-структуры (Mg — основная компонента) приводит к формированию /7-и-переходов, обладающих высокой устойчивостью к работе в режиме лавинного пробоя в широком диапазоне токов; уменьшение доли Zn ведет к увеличению порогового напряжения без изменения значений тока утечки и его температурной зависимости.

Положение 3 (о возможности использования п°-слоя в качестве полуизолятора).

Функцию полуизолирующей подложки для полевого транзистора с /»-каналом в температурном диапазоне до 400°С может выполнять «"-слой, причем толщина этого слоя \уп0 должна быть > 10 мкм.

Положение 4 (о бинарном легировании р-слоя многопереходных /»-л-структур).

Дополнительное введение цинка в процессе легирования /»-слоя «-/»-структуры - основная компонента) приводит к

сглаживанию геометрического микрорельефа /»-«-переходов и снижению уровня технологических флуктуации межпереходных расстояний.

Положение 5 (об эмиссии горячих электронов в вакуум).

Интегральный ток эмиссии электронов с периферии р-п-перехода наиболее резко зависит от двух параметров: плотности дислокаций в плоскости р-и-перехода и концентрации Ъх\-компонента в легировании р-слоя; эта зависимость не монотонная и в обоих случаях имеет максимум.

Основные результаты

1) Выявлена роль винтовых дислокаций с точки зрения их взаимодействия с акцепторным цинком в процессе роста слоя р-типа.

2) Предложена и исследована кинетическая модель диффузии цинка вблизи дислокации в процессе эпитаксиального роста СаР; установлена роль диффузии Хх\ в формировании свойств получаемых /»-«-переходов.

3) Предложена и исследована модель двухкомпонентной (М^ и Ъп) диффузии акцепторов в окрестности дислокации; продемонстрировано влияние дополнительного компонента (гп) на свойства полученных /»-«-переходов и многопереходных структур.

4) Предложено использование дополнительного фактора управления технологическим процессом - изменение соотношения концентраций предоставляющего новые возможности в варьировании свойств приборов.

5) Разработана поэтапная технология получения полевых транзисторов с управляющим ;>я-переходом, а также базовых матриц на их основе. Исследованы характеристики полученных приборов.

6) Разработана технология получения эффективных эмиттеров электронов в газоразрядную среду; предложено их использование для создания эффекта многоэлектронного инициирования сильноточного разряда; разработана конструкция защитного газоразрядного ограничителя тока; изготовлены макетные образцы и исследованы их характеристики.

7) Исследованы характеристики полученных приборов (диод, динистор, транзистор) в диапазоне температур 25+400°С (500°С;.

Приоритет результатов

Представляемые к защите результаты исследований электрофизических свойств ваР-приборов, полученных методами газофазной эпитаксии и ориентированных на высокотемпературное применение, получены впервые.

Значение результатов

Исследование температурной зависимости обратной ветви ВАХ р-и-переходов для случаев различного легирования ¿»-области совместно с последующим анализом позволило установить взаимосвязь между плотностью дислокаций подложки, температурой и временем роста /»-слоя, с одной стороны, и необходимой толщиной буферного слоя - с другой.

Исследование характеристик макетных образцов на базе р-п"-п-структур с использованием 1У^-легирования р-слоя продемонстрировало возможность получения относительно высоковольтных (> 300 В) высокотемпературных (до 500°С) выпрямительных диодов.

Использование бинарного 2п-1У^-легирования позволило получить /?-л-структуры, обратное смещение которых приводит к развитию существенно более однородного лавинного пробоя, имеющего неразрушающий характер в широком диапазоне пороговых напряжений и токов пробоя. На основе этих структур были изготовлены высокотемпературные (до 500°С) стабилитроны с напряжением стабилизации, лежащим в диапазоне 12+80 В.

Обнаружение эмиссионного тока обратносмещенных р-п-переходов, достигающего заметной величины для структур с определенным соотношением Zn- и Mg-компонентов, дало возможность использовать такие структуры для многоэлектронного инициирования газового разряда. Разработка и изготовление соответствующих узлов инициирования позволило сократить время задержки начала развития пробоя в защитных газовых разрядниках в 4-5 раз (до величины 5-8 не).

Анализ процессов коллективной миграции в неоднородных средах, сопровождающей легирование растущего слоя, позволил объяснить особенности микрорельефа GaP-p-и-переходов и качественные различия их свойств в зависимости от характера легирования.

Подход, основанный на использовании «"-слоя в качестве полуизолирующего, позволил осуществить разработку, получение и исследование высокотемпературных (до 400°С) полевых транзисторов с /^-каналом и управляющим ^-«-переходом.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения (всего 132 страницы) и содержит 37 рисунков; список литературы включает в себя 125 наименований.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на 7-й Всесоюзной конференции по процессам синтеза и роста полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск, 1986), Всесоюзной научно-технической конференции «Создание комплексов высоковольтной преобразовательной и сильноточной техники» (Москва, 1986), 4-й Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Махачкала, 1987), Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Звенигород, 1994), 2-й Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск (СПб.), 1996), на 23-м международном конгрессе (3-ed Int. Symp. of Compound Semicond. St. Petersburg, Sempt., 1996), на конференции "MRS meeting-99".

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 14 работ (5 из которых в реферируемых изданиях).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ дано обоснование актуальности темы диссертации, определена цель и сформулированы задачи исследования, приведены основные результаты работы и выносимые на защиту научные положения.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена обзору литературы и постановке задач исследования.

В частности, в параграфе 1.1 приводятся краткие сведения, касающиеся истории открытия фосфида галлия и первых исследований, способствующих созданию технологии монокристаллического ваР.

В параграфе 1.2 дан обзор наиболее заметных работ экспериментального и теоретического характера, направленных на установление основных свойств СаР как полупроводникового материала.

Параграф 1.3 посвящен сравнительному анализу ряда эпитаксиальных методов, потенциально пригодных в качестве основы для создания широкого класса электронных приборов - от высоковольтных и сильноточных преобразователей до микросхем.

В параграфе 1.4 приводится краткое изложение (применительно к фосфиду галлия) принципов основного технологического процесса - газофазной эпитаксии в хлоридной системе, используемого в качестве базовой технологии, а также определяется класс структур, перспективных для получения приборов высокотемпературного применения.

В параграфе 1.5 излагаются некоторые данные, относящиеся к собственным дефектам и фоновым примесям, типичным для эпитаксиального СаР, получаемого хлоридным методом.

. В параграфе 1.6 представлены основные концепции, объясняющие особенности диффузии ионов Ъ\\ и К-^ в материалах А'^В3 с учетом таких факторов, как зарядовое состояние иона и различный характер взаимодействия с собственными дефектами. В частности, рассматривается механизм миграции Г^ с участием собственных межузельных атомов Саь а также вводится представление диссоциативной диффузии ионов Ъ\л.

Параграф 1.7 содержит сведения, относящиеся к структуре и методам получения высокотемпературных омических контактов.

В заключительном параграфе 1.8 представлен обзор опубликованных примеров ваР-приборов, полученных с использованием различных технологий (в основном это различные модификации эпитаксиального выращивания из жидкой фазы).

ГЛАВА 2 отражает в основном технологический аспект работы. В ней прослеживаются наиболее значимые этапы применяемого эпитаксиального процесса, приводится подробное описание установки и основных процедур, формулируются требования к исходным материалам и компонентам, излагаются некоторые специфические особенности получения многослойных /»-«-структур и выявляются ограничения хлоридного метода. В этой же главе приведены результаты предварительного исследования некоторых морфологических и электрофизических параметров структур, наиболее важных в плане их дальнейшего использования как основы для получения высокотемпературных приборов.

Параграфы 2.1-2.3. Здесь дается общая характеристика хлоридного ГФЭ-процесса с точки зрения возможности получения многослойных/ыз-структур в широком диапазоне параметров слоев -их толщины, уровня легирования, и последовательности выращивания. Приводятся основные реакции процесса, формулируются термодинамические условия, соответствующие режиму роста и режиму травления. В рамках концепций неравновесной термодинамики формулируется понятие об основных режимах роста (застройки поверхности) - диффузионных и кинетических. Приводятся данные относительно требований, предъявляемых к расходным материалам (подложки, источник фосфора, водород), используемым в хлоридном процессе.

В параграфах 2.4-2.5 дано описание и представлена блок-схема использованной технологической установки. Кроме того, на основе предварительных экспериментов и с учетом опыта технологии СаАэ устанавливается - на качественном уровне -взаимосвязь между задаваемыми режимами - парциальным давлением трихлорида, температурным градиентом между зонами источника и роста и т. д., с одной стороны, и визуально

наблюдаемой морфологией получаемых слоев - с другой. Это дает дополнительные возможности для выработки предварительных рекомендаций, в частности, для установления температурного диапазона нагрева зоны расположения подложек (750-850°С) и задания расходов газопаровых компонентов, обеспечивающих скорость роста слоя в пределах 8-10 мкм/ч.

Параграф 2.6. Здесь излагаются общие представления относительно нижнего значения температуры кристаллизации, определяемого кинетическими соображениями; это позволяет отметить ряд некоторых специфических для ваР ограничений, накладываемых на способ и уровень легирования слоев, их толщины и их взаимную комбинацию. Эти ограничения связаны со временем пребывания сформированных в процессе роста /»-»-переходов непосредственно в высокотемпературной фазе и возникают вследствие учета диффузионных процессов, сопутствующих эпитаксиальному росту и могущих привести к нежелательному изменению свойств /»-»-перехода.

Параграф 2.7 посвящен технологии буферного слоя: отсутствие указанных ограничений для любого эпитаксиального слоя, который в процессе роста предшествовал бы /»-»-переходу, делает целесообразным и особенно значимым создание специального (буферного) слоя, выращиваемого непосредственно на подложке. Основное его предназначение - предотвращение нежелательной диффузии примеси из подложки и улучшение морфологии застраиваемой поверхности, непосредственно предшествующей осаждению активных слоев приборной структуры.

Специальные исследования, направленные на выяснение позитивной роли буферного слоя применительно к газофазному процессу получения ваР и использующие в качестве критерия среднюю поверхностную плотность выходов винтовых дислокаций, позволили установить следующее. Для »'-слоев и «"-слоев, в процессе их роста до толщины 15-20 мкм, наблюдается сокращение (относительно подложки) плотности дислокаций на 1-2 порядка, т. е. до 104-105 см"2, после чего дальнейшее снижение плотности практически прекращается. С учетом этого результата в большинстве последующих исследований приборные структуры

имели буферный слой указанной толщины в качестве обязательной компоненты.

В параграфе 2.8 приведено описание технологии получения термостойких контактов к слоям п- и р-типа (напыляемые контакты на базе систем АиЛИе-Аи, Аи/2п-Аи и Сг-Аи). Здесь же обозначены некоторые факторы, наиболее резко влияющие на контактные свойства (способы подготовки поверхности слоев, особенности травления и обезжиривания, режимы последующей термообработки напыленных контактных пленок), а также предложены пути, способствующие уменьшению контактного сопротивления.

Параграф 2.9. Здесь приведены результаты измерений простейших электрофизических характеристик, и в первую очередь ВАХ для различных типов структур с /»-«-переходом.

Наибольшее внимание было уделено исследованию параметров обратной ветви ВАХ и, в частности, зависимости обратного тока, как наиболее термочувствительного параметра, от различных технологических факторов, в том числе от исходной концентрации дислокаций на подложке и от характера легирования р-слоя. Анализ измерений обратного тока, проведенный на большом количестве образцов и для различных технологических сценариев, показал качественное различие вида обратных ветвей ВАХ (поведение в предпробойной области, характер пробоя, статистические распределения параметров ВАХ выборки образцов) в случаях 2п-легирования и Г^-легирования для большинства технологических режимов. Поскольку цинк и магний являются важнейшими (с точки зрения глубины залегания их уровней) акцепторными примесями, а также учитывая их явно неидентичное влияние на характеристики получаемых /»-«-переходов, анализ природы подобного различия представляется актуальным с точки зрения отыскания дополнительных технологических возможностей для управления нелинейными свойствами /»-«-перехода (в особенности при повышенной температуре).

Существование устойчиво наблюдаемой разницы между статистически средними значениями тока утечки для вариантов цинка и магния при варьировании большинства технологических режимов дает основание для проведения более тщательного анализа специфических особенностей легирования в процессе роста слоя,

которые могут быть напрямую связаны с различием в микромеханизмах миграции и диффузии соответствующих ионов.

Хотя процессы диффузии в объеме структуры и не являются доминирующими при формировании растущего р-слоя (легирование осуществляется путем внедрения примесных атомов в застраиваемую поверхность), тем не менее при наличии структурной неоднородности матрицы (в частности, обусловленной существованием ростовых дислокаций) сопутствующие процессы локальной диффузии внутри слоя могут приводить к значительному перераспределению изначально однородной - в среднем -концентрации акцептора и впоследствии отражаться на параметрах перехода.

В параграфе 2.10 представлены выводы, обобщающие полученные результаты.

ГЛАВА 3 включает в себя результаты компьютерного моделирования особенностей микрорельефа дефектно-примесной компоненты эпитаксиального слоя, появление которых обязано радиальному перераспределению концентрации акцептора вблизи ядра дислокации при температуре эпитаксии. Предлагается и анализируется несколько моделей, дополняющих друг друга (системы нелинейных уравнений, описывающих двух- и трех-компонентную диффузию для двух различных механизмов -диссоциативного (цинк) и «диффузии с вытеснением» (магний); в том числе решаются и двумерные нестационарные задачи с движущейся границей, соответствующие процессу роста). Основная цель моделирования - расчетно-теоретическая трактовка качественных различий в экспериментально наблюдаемых параметрах обратных ветвей ВАХ /»-«-переходов в случаях различных вариантов /»-легирования.

Во Введении дано обоснование и позиционирование методов вычислительного эксперимента в исследовательском процессе.

В параграфе 3.1 предлагается трактовка во многом ключевого для ваР-структур совокупного понятия неконтролируемой технологической неоднородности, а также выявляется взаимосвязь структурных нарушений решетки в виде дислокаций или иных макродефектов с аномалиями концентрации

акцепторной (как наиболее критичной) примеси, формирующими локальный микрорельеф реального /?-я-перехода. Предполагается, что величина и характер этих аномалий могут кардинально различаться и непосредственно отражают особенности элементарных механизмов диффузии ансамбля ионов того или иного акцептора.

Параграф 3.2. Здесь проведен краткий сравнительный анализ некоторых моделей диффузии, имеющих место для А3В5 и отражающих специфику различных механизмов переноса, обсуждаемых в литературе. В порядке усложнения рассматриваются двух- и трехкомпонентные модели, модели диффузии с учетом зарядового состояния, затрагиваются вопросы особенностей комплексообразования. В частности, наибольшее внимание уделено концепции, использующей представление о миграции иона магния, контролируемой межузельным атомом галлия Ga¡, а для диффузии цинка - механизму, основанному на предположении о доминирующей роли малоподвижных вакансий галлия Vca, имеющих большую вероятность взаимодействия с межузельными ионами Zn¡.

В параграфе 3.3 намечен общий подход и сформулирована система уравнений, описывающая стационарные распределения концентраций этих дефектов VGa и Ga¡ вблизи дислокации. Дислокация трактуется в рамках континуальных моделей и вводится в систему через функцию усредненного потенциала деформации, спадающего по мере удаления от ее оси по степенному закону; ее влияние проявляется в виде локального понижения энергии образования френкелевской пары и, соответственно, локального повышения (при температуре эпитаксии) интенсивности термогенерации точечных дефектов. Фактор неоднородности определяется как локальное превышение концентраций вакансий или межатомов в максимуме над их равновесными значениями вдали от дислокации в зависимости от понижения порога дефектообразования пары и соотношения диффузионной активности ее компонентов.

В параграфе 3.4 продемонстрировано, что стационарные распределения концентрации цинка, отражающие

предрасположенность его ионов к пребыванию в двух состояниях и

возникающие в р-слое в окрестности дислокации как результат его диффузионного перераспределения, могут быть получены в ходе решения граничной задачи для системы уравнений баланса относительно ансамблей вакансий и этих двух типов ионов. Высокоподвижные ионы межузельного цинка, взаимодействуя в процессе миграции с вакансиями и превращаясь в малоподвижные ионы замещения, являются своеобразным резервуаром, способствующим долговременному аккумулированию цинка вакансиями, пребывающими в избытке в окрестности дислокации. В самосогласованном представлении задача формулируется в виде нелинейной системы из трех уравнений баланса относительно VGa, Zn¡, Zns.

Решение граничной задачи для этой системы показывает, что заполнение вакансий приводит к формированию резко неоднородных (стратифицированных) профилей с максимумом для Zns и более пологих распределений, имеющих слабый провал на оси дислокации, для Zn¡. В итоге оказывается, что концентрационные распределения цинка как акцептора, т. е. суммарные распределения Ziij + Zns вблизи дислокации также имеют максимум, причем степень их неоднородности, обуславливаемая наличием значительной разницы коэффициентов диффузии составляющих, определяется, в том числе, и характером локальных профилей концентрации Vca.

Параграф 3.5 дает более глубокое и детальное понимание аномалий концентрации акцептора, которые появляются вблизи дислокации в процессе роста /»-«-переходов; в нем приведено распространение рассмотренных одномерных (поперечных к направлению роста) моделей на двумерный (z, г) и, далее, на нестационарный (z, г; t) случай, описывающий эволюцию внутренних диффузионных потоков.

Процесс диффузии цинка в окрестности дислокации, присутствие которой проявляется в этом случае в виде формирования облака вакансий галлия с максимумом на ее оси, может быть описан в виде уравнений, связывающих изменения концентрации VGa и концентрации Zns, изначально имеющих однородные распределения. Учитывая относительно пологий характер функций концентрации Zn„ это распределение можно

считать однородным и заданным; такое приближение дает возможность ограничиться системой двух уравнений диффузии, учитывающих, как и прежде, помимо процессов переноса и рекомбинации, также термовыбросы ионов цинка из состояний замещения.

Индивидуализация многослойной эпитаксиальной структуры, определяемая соотношением толщин и технологически задаваемых (усредненных) концентраций легирующей или фоновой примеси, а также порядком следования слоев, вводится в систему уравнений через переменные граничные условия (налагаемые на величины потоков), задаваемые на границе, совпадающей с растущей поверхностью.

С практической точки зрения представляет интерес получение двух различных семейств кривых: распределений градиентов концентраций акцепторов (и доноров) вблизи непосредственной (искривленной) поверхности перехода и пространственных профилей непосредственно переходов (их положений как функции продольной координаты). Оценка локальной деформации положения поверхности перехода, вызванной присутствием дислокации (через возникновение концентрационных особенностей акцептора для рассмотренных механизмов диффузии), позволяет делать обоснованные выводы относительно допустимой близости двух последовательно выращиваемых переходов (что в дальнейшем было использовано при получении динисторной структуры).

Параграф 3.6. Аналогичный подход может быть применен и для оценки поперечного диффузионного перераспределения магния. Сходная процедура, состоящая в получении численных решений граничной задачи для системы уравнений относительно концентраций собственных межатомов Gai и мигрирующих ионов магния, позволяет получить стационарные состояния для концентрации ионов Mg. Полученные профили оказались не только менее резкими, но и имеющими «обратную кривизну», т. е., в окрестности дислокаций наблюдаются концентрационные «провалы». На основе этих данных можно получить распределения концентраций акцептора для случая двухкомпонентного цинк-магниевого легирования. Изменение взаимного соотношения этих

компонентов позволяет управлять не только «усредненной степенью неоднородности» суммарной концентрации такого бинарного акцептора, но и характером микрорельефа переходов.

Предполагается, что использование комбинированного Mg-Zn-легирования /»-слоя может послужить дополнительным фактором управления свойствами и параметрами ВАХ /^-//-перехода (и в первую очередь свойствами ее обратной ветви).

В параграфе 3.7 сформулированы выводы.

В ГЛАВЕ 4 представлены результаты разработок ряда фосфид-галлиевых приборов, основное предназначение которых -работа в температурном диапазоне до 400-500°С. Макетные образцы приборов были произведены на базе GaP-структур, сходных с теми, которые уже рассматривались в главе 2 в качестве объектов предварительных экспериментов, однако далее доработанных с учетом идеологии, развитой в главе 3. Здесь же приводятся результаты исследований основных характеристик приборов -диодов, динисторов, транзисторов - в широком диапазоне температур. Технология получения конкретного прибора, включающая в себя цепочку постэпитаксиальных операций, наиболее детально описана на примере полевых транзисторов и транзисторных матриц. В качестве дополнительного приложения GaP-структур представлены результаты разработки эмиттера горячих электронов, интегрированного в сильноточный газоразрядный прибор (малоинерционный защитный разрядник) и способствующего, путем обеспечения многоэлектронного инициирования начала разряда, уменьшению его времени переключения.

В параграфе 4.1 изложены общие методические вопросы высокотемпературных измерений, представлена схема измерительной установки, включающей в себя нагреваемую камеру со специальным держателем и контролем температуры, а также комплекс измерительных приборов, позволяющий получать вольт-амперные, частотные и импульсные характеристики.

В параграфе 4.2 представлены выпрямительные диоды, для которых в качестве основы применялись «-«"-/»-структуры с Mg-легированным /-слоем, были получены в меза-исполнении с

диаметрами единичного диода 0.8 мм и 1.2 мм. Вольт-амперные характеристики, снятые в широком диапазоне температур, показали работоспособность диодов, по крайней мере, до 500°С. Значение коэффициента выпрямления к при этой температуре превышало 100 (для 400°С коэффициент к > 1000), причем возрастание обратного тока, наблюдаемое при увеличении температуры начиная от 25°С, составило два порядка. Допустимое обратное напряжение, в зависимости от толщины «"-слоя, лежало в пределах 20-К300 В и не уменьшалось с температурой. Предельные рабочие частоты диодов (определяемые через их коэффициенты выпрямления) находятся в мегагерцовом диапазоне и уменьшаются с ростом температуры от значений 45-50 МГц до 10 МГц. При 400°С диоды демонстрировали подобные характеристики в течение 24 ч без видимых изменений.

Параграф 4.3. Здесь рассмотрены особенности работы высокотемпературного стабилитрона. Технологические условия, приводящие к повышению стабильности развития неразрушающего лавинного пробоя (включая также и режим постоянного тока) при напряжениях стабилизации для различных структур в диапазоне от 15 до 80 В, трактуются в рамках формирования концентрационных профилей специального вида, создаваемых в результате совместного Mg-Zn-лeгиpoвaния. Кроме того, исследования температурного поведения обратной ветви ВАХ до 500°С позволяют сделать вывод о том, что повышение температуры служит дополнительным фактором стабилизации лавинного пробоя.

В параграфе 4.4 дано описание структуры, изложены особенности технологии и для диапазона 25^400°С представлены ВАХ динисторов, которые переключались, в зависимости от температуры, при напряжениях 15-40 В за время 150-200 не. Меньшие (по сравнению с диодами) значения предельных рабочих температур связаны не с деградационными изменениями ионной подсистемы, а с увеличением обратного тока, достигающего критических значений при напряжениях, близких к остаточному.

В параграфе 4.5 рассматриваются возможные конструктивные решения и геометрические варианты полевого транзистора, а также дается обоснование - с учетом специфических особенностей и ограничений ГФЭ-процесса - для выбора предпочтительной базовой (многослойной эпитаксиальной)

структуры. Далее приводится детальное описание технологического цикла создания р-канального транзистора нормально открытого типа (включая все литографические операции, получение омических контактов и создание изолирующего 8Ю2-слоя), а также приведены некоторые данные относительно особенностей жидкостного травления СаР. Здесь же рассматриваются ограничения, накладываемые литографическим процессом - а также другими постэпитаксиальными операциями - на геометрические параметры транзистора.

В параграфе 4.6 приводятся экспериментальные результаты исследования вольт-амперных характеристик транзисторов в температурном диапазоне 25+400°С. Обсуждаются вопросы, связанные с разбросом параметров характеристик единичных приборов, получаемых в пределах одной подложки и одного технологического цикла. Дается объяснение ряду специфических особенностей ВАХ. Анализируются причины возникновения дополнительных ограничений температурного диапазона для случая полевого транзистора. Кроме того, анализируются проблема наличия микронеоднородности в активной зоне транзистора, ее технологические источники и возможные проявления в характеристиках прибора.

В параграфе 4.7 формулируются дополнительные проблемы и ограничения, возникающие при получении однокристальных транзисторных матриц, приводится их конструкция и излагается ряд вопросов технологии их получения.

В параграфе 4.8 представлены экспериментальные исследования эмиссионного тока из периферии эмиттерных структур в газ (режим постоянного тока). Здесь же приводится описание конструкции сильноточного защитного разрядника со встроенным узлом инициирования на основе ваР-эмиттера, кратко излагается технология его изготовления, а также излагаются вопросы методики и экспериментальной техники, обеспечивающей необходимое временное разрешение наблюдения кинетики разряда. В заключение приводятся результаты исследований уменьшения задержки развития газового пробоя, обеспечивающего быстрое переключение разрядника.

В параграфе 4.9 приведены выводы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная цель диссертационной работы - разработка ряда фосфид-галлиевых приборов, предназначенных для работы в температурном диапазоне до 400°С, исследование их наиболее термочувствительных электрофизических параметров, выявление взаимосвязей между этими параметрами и технологическими режимами эпитаксии, а также выработка обоснованных рекомендаций для улучшения некоторых из этих параметров с точки зрения последующего практического использования подобных приборов.

Достижению этой цели способствовали проведенные исследования и разработки, основные результаты которых могли бы быть сформулированы следующим образом:

развиты модельные представления, учитывающие специфические особенности диффузии цинка и магния в слое йаР в процессе эпитаксии, и выявлено значение этой специфики для процессов формирования микропрофиля /»-«-перехода; исследованы важнейшие характеристики и параметры ряда приборов, образующих функционально замкнутую систему: выпрямительного диода, полевого транзистора, динистора. разработаны и исследованы новые для фосфида галлия приборы: стабилитроны, эмиттеры горячих электронов в газоразрядную среду, матрицы на основе полевых транзисторов; продемонстрирована возможность использования нелегированного «"-слоя в качестве полуизолирующего слоя р-канального транзистора для работы в диапазоне до 400°С; было показано, что структурная однородность ваР-слоев, обеспечиваемая хлоридным процессом, и связанная с ней однородность основных электрофизических параметров достаточны для получения на их основе микросхем средней степени интеграции.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

[1] Жиляев Ю. В., Куликов А. 10., Пашотин Е. А., Сералиев Т. А,, Челноков В. Е., Шамрай В. Б. Высокотемпературные диоды на фосфиде галлия. Сб. ст. «Силовые полупроводниковые приборы», Таллин, «Валгус», 1986, с. 263-266.

[2] Жиляев Ю. В., Криволапчук В. В., Куликов А. Ю., Панютин Е. А., Сералиев Т. А. Исследование ВАХ фосфид-галлиевых силовых диодов. Всесоюзная научно-техническая конференция «Создание комплексов высоковольтной преобразовательной и сильноточной техники» (Москва, 25-27 ноября 1986). М., 1986, с. 69-70.

[3] Жиляев Ю. В., Криволапчук В. В., Панютин Е. А., Сералиев Т. А. Исследование параметров высокотемпературных стабилитронов. Всесоюзная научно-техническая конференция «Создание комплексов высоковольтной преобразовательной и сильноточной техники» (Москва, 25-27 ноября 1986). М., 1986, с. 70-71.

[4] Жиляев Ю. В., Криволапчук В. В., Куликов А. Ю., Панютин Е. А. Оптическая диагностика особо чистых слоев фосфида галлия. 7-я Всесоюзная конференция по процессам синтеза и роста полупроводниковых кристаллов и пленок (Новосибирск, июнь, 1986). Новосибирск, 1986.

[5] Тухас В. А., Хромой Ю. Д., Панютин Е. А., Жиляев Ю. В. Особенности пробоя газа при многоэлектронном инициировании с использованием ваР-эмиттеров. 4-я Всесоюзная конференция по физике газового разряда (Махачкала, сентябрь 1987). Махачкала, 1987.

[6] Жиляев Ю. В., Панютин Е. А. Локализация фронта включенного состояния тиристора. Сб. ст. «Силовые полупроводниковые приборы», Таллин, 1986.

[7] Жиляев Ю. В., Панютин Е. А., Федоров JI. М. Высокотемпературные фосфид-галлиевые полевые транзисторы. Письма в ЖТФ 20, июнь, 1994, с. 26-31.

[8] Жиляев Ю. В., Панютин Е. А., Федоров J1. М. Матричные кристаллы на основе фосфида галлия для высокотемпературных применений. Всесоюзная конференция по микроэлектронике. (Звенигород, ноябрь, 1994). М., 1994.

[9] Zhilyaev Yu. V., Panyutin Е. A., Fedorov L. М. GaP-Devices for high temperature applications // in "23ed Int. Symp. of Compound Semicond", St. Pet., Sempt. / 23-27, 1996.

[10] Жиляев Ю. В., Панютин E. А., Федоров Jl. M. GaP-матрицы полевых транзисторов для высокотемпературных применений. 2-я Российская конференция по физике полупроводников (Зеленогорск (СПб.), февраль, 1996). СПб., 1996.

[11] Zhilyaev Yu. V., Panyutin Е. A., Fedorov L. М. GaP-Devices for high temperature applications // in "MRS meeting-99", Nov. 29 - Dec. 3, Boston-Massachusetts, 1999, p. 413.

[12] Жиляев Ю. В., Панютин E. А., Федоров Л. M. Двух-компонентное акцепторное легирование эпитаксиального фосфида галлия и его использование в приборах высокотемпературной электроники. Письма в ЖТФ В 2, 2008, с. 81-86.

[13] Панютин Е. А. Легирование структурно-неоднородных эпитаксиальных слоев фосфида галлия. Диффузионное перераспределение цинка. Письма в ЖТФ В 13, 2009, с. 33^40.

[14] Жиляев Ю. В., Панютин Е. А., Федоров Л. М. Высокотемпературные динисторы на основе фосфида галлия. Письма в ЖТФ В 17, 2009, с. 50-57.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН 188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 263, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 26.06.2009 г.

0. Ведение.

1. Фосфид галлия. История и современное состояние

1.1 Фосфид галлия. Ретроспектива.

1.2 Основные свойства.

1.3 Эпитаксиальные технологии.

1.4 Хлоридный процесс.

1.5 Собственные дефекты и фоновые примеси.

1.6 Легирование и диффузия.

1.7 Омические контакты для ваР.

1.8 Фосфид-галлиевые приборы для высокотемпературных применений

2. Базовая технология и эпитаксиальные структуры

2.0 Введение.

2.1 Газофазная эпитаксия. Возможности и ограничения.

2.2 Основные процессы ГФЭ.

2.3 Подложки.

2.4 Установка. Реактор.

2.5 Технологические режимы.

2.6 Эпитаксиальные структуры приборного назначения.

2.7 Буферный слой и дислокации.

2.8 Термостойкие омические контакты.

2.9 Предварительное тестирование /?-я-переходов.

2.10 Выводы.

3. Формирование и особенности микрорельефа р-гс-перехода

3.0 Введение.

3.1 Неконтролируемая микронеоднородность концентрации легирующих примесей.

3.2 Роль диффузии в процессах эпитаксии ваР.

3.3 Дислокация как источник вакансий.

3.4 Распределения концентрации цинка в присутствии дислокации.

3.5 Легирование слоев с неоднородностью в ходе роста /?-и-структуры.

3.6 Соотношение концентраций акцептора как фактор управления параметрами приборов.

3.7 Выводы

4. Приборы

4.1 Параметры приборов при высоких температурах.

4.2 Выпрямительный диод.

4.3 Стабилитрон.

4.4 Динистор.

4.5 Полевой транзистор. Постэпитаксиальные технологии.

4.6 Полевой транзистор. Параметры и характеристики.

4.7 Матричные структуры.

4.8 Эмиттеры электронов.

4.9 Выводы

Актуальность темы

Разработка электронных компонентов на основе фосфида галлия является частью обширной и разветвленной программы создания элементной базы высокотемпературной электроники, или электроники, ориентированной на высокотемпературные применения.

Особая актуальность (а вместе с тем, и проблемы) создания такой элементной базы, обозначившаяся в последние десятилетия, обязана дальнейшему развитию таких приоритетных направлений современной техники, как аэрокосмические технологии и вопросы безопасности ядерных реакторов, глубинное бурение и гелиоэнергетика, мониторинг двигателей внутреннего сгорания и создание робототехнических устройств для работы в экстремальных условиях [1-3].

Возможные пути решения проблемы, представляющиеся перспективными в настоящее время, связываются либо с созданием вакуумных микросхем, либо основаны на дальнейших разработках в области технологии широкозонных материалов, таких как СаР, ОаЫ, 5УС, способных обеспечить работоспособность приборов, по крайней мере, при Т>300°С. Каждый из этих материалов потенциально пригоден для достижения указанных целей, однако, в силу различных причин, связанных, например, со степенью "продвинутости" технологии или с экономической стороной проведения основных технологических процессов, тот или иной материал представляется оптимальным не только для своего температурного диапазона, но и для своей области использования.

Важнейшие предпосылки для дальнейшего освоения соответствующих технологических аспектов фосфида галлия - наличие развитой технологии получения подложек большой площади, относительно небольшие энергозатраты на проведение эпитаксиальных процессов и достаточный опыт в области приборов на основе технологически близкого СаАя. Это позволяет считать фосфид галлия важным кандидатом на роль базового материала в технологии массового производства приборов для таких применений, где условия можно квалифицировать как экстремальные, однако максимальная температура среды не превышает 400°С (диагностика состояния двигателей внутреннего сгорания, сенсоры для нужд глубинного бурения, газоанализаторы для горнодобывающей промышленности).

Характерная особенность, которую можно отметить в физико-технологическом аспекте создания подобной инфраструктуры - необходимость комплексного подхода к разработкам; это, в свою очередь, сводится к требованию получения достаточно широкой гаммы разнообразных активных и пассивных элементов, совокупность которых способна обеспечить выполнение определенного набора законченных функций.

Очевидно, обоснованные предложения относительно типа и минимального функционального разнообразия элементарных приборов, составляющих некоторый функционально замкнутый набор, позволят сконцентрировать усилия разработок в более конкретных направлениях и выработать оптимальную систему приоритетов, обеспечивая, по возможности, преемственность технологической базы; по этой причине те элементы, которые были бы типичными для классической электроники, могут оказаться отнюдь не первоочередными для электроники высокотемпературной.

Понятие предельно допустимой рабочей температуры как характеристики базового материала, определяемой лишь его шириной запрещенной зоны, является, в известной мере, условным и неоднозначным. На первых этапах развития высокотемпературной электроники считалось, что для фосфида галлия (Ес=2,24эВ) эта температура соответствует ~500°С\ однако при таком упрощенном понимании не учитывались многие важные факторы, в частности, такие, как спектр мелких и глубоких уровней, формируемый неконтролируемыми дефектами и обусловленный конкретным технологическим процессом, или наличие и характер границ раздела разнородных материалов, которые могут явиться (и являются) источником медленно протекающих деградационных процессов.

В настоящее время стало ясно, что для большинства типов СаР-приборов, изготовленных по известным технологиям, этот предел составляет 400°С, и лишь для некоторых простейших (диодов) можно констатировать величину 450°С (500°С для не слишком продолжительной работы). Эта температура существенно ниже, чем, например, для карбида кремния. Однако, ряд привлекательных факторов, среди которых следует отметить и основные параметры самого материала (подвижности носителей

50-200см /В-с [4], критическое поле начала ударной ионизации 06В/см [5,6]), и большой опыт, накопленный в технологии А'В5, обеспечивают широкие возможности для разработки конкурентоспособных приборов, что должно явиться дополнительным мотивом для дальнейшего продолжение исследований.

Целью настоящей работы было определение возможностей газофазной эпитаксии (ГФЭ) фосфида галлия как основы для создания элементной базы на рабочий диапазон до 400°С; такие возможности выявлялись в результате разработки и исследования ряда приборов с /^-«-переходом, а также математического моделирования некоторых технологических аспектов их получения.

Объектом разработки и исследования являлись диодные (выпрямительные, стабилитронные и эмиссионные), динисторные и транзисторные высокотемпературные элементы, а также матрицы, содержащие элементарные полевые транзисторы; все приборы были изготовлены на базе многослойных ОаР-/7-и-структур, полученных методом ГФЭ.

Методом исследования было измерение и последующий анализ некоторых (термочувствительных) электрофизических параметров /^-«-структур и приборных элементов на их основе, компьютерное моделирование элементарных механизмов формирования неконтролируемой технологической микронеоднородности /»-«-перехода, и установление взаимосвязей ряда выходных параметров приборов с параметрами подложки, спецификой легирования и технологическими режимами соответствующего технологического процесса.

Метод разработки геометрических параметров транзисторов и транзисторных матриц, а также комплектов фотошаблонов для их изготовления -компьютерное (в том числе, и ЗБ-) моделирование. Задачи исследования:

- развитие методов эпитаксиальной и постэпитаксиальной технологии фосфид-галлиевых структур, применительно к получению высокотемпературных приборов содержащих один или несколько /г-и-переходов;

- предложение и исследование математических моделей, адекватно описывающих элементарные механизмы массопереноса в процессе легирования СаР, и способствующих установлению взаимосвязей между исходными технологическими факторами и выходными параметрами структур и приборов;

- исследование электрофизических характеристик полученных приборов^ установление их взаимосвязи с параметрами соответствующих технологических режимов и выработка рекомендаций по оптимизации этих параметров;

- исследование влияния температуры в диапазоне от 25°С до 500°С на основные характеристики полученных элементов и приборов. Представляемые к защите научные положения.

Положение 1 (о влиянии дислокации на фронт диффузии ионов цинка в фосфиде галлия).

Повышенная концентрация вакансий галлия ¥са, сопутствующая формированию винтовой дислокации в процессе эпитаксиального роста цинксодержащей /»-^-структуры, приводит к локальному аккумулированию ионов цинка, что сопровождается образованием крупномасштабных концентрационных страт и деформированием поверхности ^-«-перехода.

Положение 2 (о двухкомпонентном легировании /»-слоя диода). Дополнительное введение цинка в процессе легирования р-слоя п-п°-р-структуры {М^ - основная компонента) приводит к формированию переходов, обладающих высокой устойчивостью к работе в режиме лавинного пробоя в широком диапазоне токов; уменьшение доли 2п ведет к увеличению порогового напряжения без изменения значений тока утечки и его температурной зависимости.

Положение 3 (о возможности использования п°- слоя в качестве полуизолятора).

Функцию полуизолирующей подложки для полевого транзистора с р-каналом в температурном диапазоне до 400°С может выполнять нелегированный п°-слой, причем толщина этого слоя \упо должна быть >10мкм.

Положение 4 (о бинарном легировании р-слоя многопереходных р-п-структур).

Дополнительное введение цинка в процессе легирования р-слоя госструктуры (Mg - основная компонента) приводит к сглаживанию геометрического микрорельефа /^-«-переходов и снижению уровня технологических флуктуаций межпереходных расстояний.

Положение 5 (об эмиссии горячих электронов в вакуум).

Интегральный ток эмиссии электронов с периферии /»-«-перехода наиболее резко зависит от двух параметров: плотности дислокаций в плоскости /?-п-перехода и концентрации 2п компоненты в легировании р-слоя; эта зависимость не монотонная и в обоих случаях имеет максимум.

Основные результаты.

1) Выявлена роль винтовых дислокаций с точки зрения их взаимодействия с акцепторными ионами цинка в процессе роста слоя /?-типа.

2) Предложена и исследована кинетическая модель диффузии цинка вблизи дислокации в процессе эпитаксиального роста /?-«-структур; установлена ее роль в формировании свойств полученных /^-«-переходов.

3) Предложена и исследована модель двухкомпонентной (Mg и 2п) диффузии; установлена ее роль в формировании свойств полученных р-п-переходов.

4) Предложено использование дополнительного фактора управления технологическим процессом - изменение соотношения концентраций предоставляющего новые возможности в варьировании свойств приборов.

5) Разработана поэтапная технология получения полевых транзисторов с управляющим /»-«-переходом, а также базовых матричных кристаллов на их основе. Исследованы характеристики полученных приборов.

6) Разработана технология получения эмиттеров горячих электронов в газоразрядную среду; предложено их использование для создания эффекта многоэлектронного инициирования сильноточного разряда; разработана конструкция защитного газоразрядного ограничителя тока; изготовлены макетные образцы и исследованы их характеристики.

7) Исследованы характеристики полученных приборов (диод, динистор, транзистор) в диапазоне температур 25 +400°С (500°С).

Приоритет результатов.

Представляемые к защите результаты исследований электрофизических свойств СоР-приборов, полученных методами газофазной эпитаксии и ориентированных на высокотемпературное применение, получены впервые.

Значение результатов.

Исследование температурной зависимости обратной ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) /»-«-переходов для случаев различного легирования р-области совместно с последующим анализом позволило установить взаимосвязь между плотностью дислокаций подложки, температурой и временем роста /»-слоя, с одной стороны, и необходимой толщиной буферного слоя, с другой.

Исследование характеристик макетных образцов на базе /»-«"-«-структур с использованием М^-легирования /»-слоя продемонстрировало возможность получения относительно высоковольтных (>300В) высокотемпературных (до ~500°С) выпрямительных диодов.

Использование бинарного 2«-Л/£-легирования позволило получить />-«-структуры, обратное смещение которых приводит к развитию существенно более однородного лавинного пробоя, имеющего неразрушающий характер в широком диапазоне пороговых напряжений и токов пробоя. На основе этих структур были изготовлены высокотемпературные (до ~500°С) стабилитроны, образующие ряд по напряжению стабилизации, лежащий в диапазоне 12+80В.

Обнаружение эмиссионного тока обратносмещенных /^-«-переходов, достигающего заметной величины для структур с определенным соотношением «цинкового» и «магниевого» компонентов, дало возможность использовать такие структуры для многоэлектронного инициирования газового разряда. Разработка и изготовление соответствующих узлов инициирования, позволили сократить время задержки начала развития пробоя в защитных газовых разрядниках в 2-4 раза (до величины 5-8не).

Анализ процессов коллективной миграции в неоднородных средах, сопровождающей легирование растущих БаР-слоев, дал возможность объяснить особенности микрорельефа получаемых /^-«-переходов и способствовал пониманию причин качественных различий их свойств в зависимости от характера легирования.

Подход, основанный на использовании «°-слоя в качестве полуизолирующей подложки, позволил осуществить разработку, получение и исследование высокотемпературных (до 400°С) полевых транзисторов с /т-каналом и управляющим /^-«-переходом.

4.9 Выводы

Основываясь на результатах предварительного исследования СаР-р-п-переходов и с учетом данных компьютерного моделирования, была произведена разработка и исследование ряда СоР-приборов, предназначенных для работы в высокотемпературной среде в диапазоне до 400°С. В ходе работы были получены следующие результаты.

1) Использование бинарного цинк-магниевого легирования и варьирование соотношения компонентов при прочих равных (оптимальных) условиях позволило получить гамму диодных элементов, в том числе и выпрямительные диоды (до 300У) и стабилитроны (до 80В).

2) Была разработана технология получения и проведено исследование «многопереходного» прибора - высокотемпературного динистора.

3) Разработана поэтапная технология получения полевых (р-канальных) транзисторов с управляющим /»-«-переходом, а также базовых матриц на их основе. Исследованы характеристики полученных приборов.

4) Разработана технология получения эффективных эмиттеров электронов в газоразрядную среду; предложено их использование для создания эффекта многоэлектронного инициирования сильноточного разряда; разработана конструкция защитного газоразрядного ограничителя тока; изготовлены макетные образцы и исследованы их характеристики.

5) Исследованы характеристики полученных приборов (диод, динистор, транзистор) в диапазоне температур 25+450(500)°С.

Заключение

Основная цель диссертационной работы - разработка ряда фосфид-галлиевых приборов, предназначенных для работы в температурном диапазоне до 400°С, исследование их наиболее термочувствительных электрофизических параметров, выявление взаимосвязей между этими параметрами и технологическими режимами эпитаксии, а также выработка обоснованных рекомендаций для улучшения некоторых из этих параметров с точки зрения последующего практического использования подобных приборов.

Достижению этой цели способствовали проведенные исследования и разработки, наиболее общие результаты которых могли бы быть сформулированы следующим образом:

- развиты модельные представления, учитывающие специфические особенности диффузии цинка и магния в слое СаР в процессе эпитаксии, и выявлено значение этой специфики для процессов формирования микропрофиля /»-«-перехода;

- исследованы важнейшие характеристики и параметры ряда приборов, образующих функционально замкнутую группу: выпрямительного диода, полевого транзистора, динистора;

- разработаны и исследованы новые для фосфида галлия приборы: стабилитроны, эмиттеры горячих электронов в газоразрядную среду, матрицы на основе полевых транзисторов;

- продемонстрирована возможность использования нелегированного «°-слоя в качестве полуизолирующего слоя /»-канального транзистора для работы в диапазоне до 400°С.

- было показано, что структурная однородность СаР-слоев, обеспечиваемая хлоридным процессом, и связанная с ней однородность основных электрофизических параметров, достаточны для получения на их основе микросхем средней степени интеграции.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность доктору физико-математический наук, профессору Жиляеву Юрию Васильевичу - за общее руководство и помощь в ходе выполнения работы, старшему научному сотруднику Федорову Леониду Михайловичу — за осуществление технологических операций и полезные советы, а также всем сотрудникам лаборатории «Физических явлений в эпитаксиальных структурах», прямо или косвенно способствующих успешному завершению работы.

1. Presents and future needs in high-temperature electronics for the well logging industry. In: Proc. IEEE Conf. On High-Temperature Electronics (Tusson, 1981). New York, 1981, p.17-18.

2. Thomas E.Z., Roger J.C., Dawson L.R.

3. Resent advantage in GaP junctions devices for High Temperature Electronics application. Proc. IEEE, v.IE-29, 2, May 1982, p.129-135.

4. Zipperian Т.Е., Thomas E., Dawson L.R.

5. Heterojunction materials and devices technology for high-temperature electronics applications. IEEE Trans.Electron. Devices, 1982, 29, 10, pi690.4. Jonson R.H., Eknoyan O.

6. High field electron drift velocity measurements in gallium phosphide. J. Appl. Phys., 1985, 58, N3, p.1402-1403.5. Szi S.M., Gibbons G.

7. Avalanche breakdown voltage in abrupt and linearly graded Ge, Si, GaAs, and GaP junctions. Appl Phys. Lett, 18, v5, p.l 1-14.6. Кюрегян A.C., Юрков C.H.

8. ФТП, 23, в.10, (1989), c.l 126-1132.7. Горюнова H.A.

9. Автореферат диссертации на соискание доктора физ-мат. наук. ЛГУ, 1950.8. WelkerH.

10. Z. Naturforsch., 1952, v 7а, p. 744

11. Wolff G„ Keck P. H., J. D. Broder J. D. Phys. Rev., 1954, 94, p.753.10. Frosch C. J., L. Derik L.

12. J. Electrochem. Soc., 1961, 108, p. 251.

13. Wolff G. R.A.Herbert R. A., Broder J. D.

14. Semiconductors and Phosphors. Intersci. Publ., New York, 1958, p.463-469.12. Chochralski J.Z.1. Phys. Chem., 1917,92,21913. Bridgman P.W.

15. Proc. Amer. Acad., 1925, 60, 305.14. Реньян B.P.

16. Технология полупроводникового кремния. M. 196915. Effer D., Anteil G. R.

17. J. Electrochem. Soc., 1960, 107, p.252-253.16. Anteil G. R., Effer G. R.

18. J. Electrochem. Soc., 1959, 106, p.509-511.

19. Gershenzon M., Mikulyak R.M.,

20. J. Electrochem. Soc., 1960, 107, p.548-550.18. Graham W. A.

21. Organometallic Compounds in the preparation of High-Purity Metalls. Paper press Conf. Ultrapurificat. Semicond. Mater., Boston, April, 1961.

22. Grimmeis H.G., Scholz H. Phys. Lett., 8,233,1964.20. Zalen R., Paul W.

23. Phys. Rev., 134, A1628, (1964).

24. Dean P. J., Thomas D. G. Phys. Rev., 150,690, (1966)

25. Lorenz M.R., Pettit G.A., Taylor R.C.

26. Band gap of GaP from 0° to 900° К and light emission from diodes at high temperature. Phys. Rev., 171, 1968, p.876.

27. Nelson H., Pankove J. I., Doustmanis G. C. Proc. IEEE, 52, 1360 (1964).24. Cowley A.M., Sze S.M.

28. J. Appl. Phys., v36, p.3212, (1965)25. Welker H.

29. J. Electron., 1,181, (1955).26. Moss T.S., Ellis B.

30. Proc. Phys. Soc., 83,217, (1964).27. Kasami A.

31. J. Phys. Soc. Japan, v24, p.551, (1968)1.otin J., Onnest J.C., Barbaste R., Askenazi S., Skolnik M.S.,Stradling R.A. Solid state Commun. V16, p.373, (1975)

32. Panish M.B., Casey H.C. J. Appl. Phys., v40, p. 169, (1969)

33. Мильвидский М.Г., Пелевин O.B., Сахаров Б.А.

34. Физико-химические основы получения разлагающихся полупроводниковых соединений. М. 1974.

35. Черняев В.Н., Кожитов JI.B.

36. Технология эпитаксиальных слоев арсенида галлия. М.1984.

37. Hisashi Seki and Hiroshi Eguchi.

38. Vapor Transport of Gallium in Ga-PCl3-H2 Sistem.

39. Jap. J. of Appl. Phys., vlO, Nol, 1971.

40. Уфимцев В.Б., Акчурин P.X.

41. Физико-химические основы жидкофазной эпитаксии. М.1983. Jurgens T.F.

42. High-temperature electronics applications in space explorations.1.: Proc. IEEE Conf. On High-Temperature Electronics (Tusson, 1981).1. New York, 1981,p.3-7.1. Джонс M.

43. Образование пирамид в эпитаксиальных пленках GaAs. В сб. "Арсенид галлия", пер. с англ., под ред. Визеля А.А., М.1972, с.36-40.

44. Челноков В.Е., Жиляев Ю.В., Попов И.В., Соболев Н.Н. Силовые полупроводниковые приборы. Итоги науки и техники. Серия "Силовая преобразовательная техника", т.4, М. 1986.

45. Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ. 216с. Д.,1980.1. Ланно М., Бургуэн Ж.

46. Точечные дефекты в полупроводниках. Теория.264с. М. 1984. Scheffler М., Jean Pol Vigneron J.P.

47. Tractable approach for calculating lattice distortions around simple defects. Phys. Rev. Lett. 1982, v.49, p. 1765

48. Булярский C.B., Фистуль В.И.

49. Термодинамика и кинетика взаимодействующих дефектов в полупроводниках. 352с. М. 1997.1. Морозов А.Н.

50. Природа, механизмы образования и концентрация собственных точечных дефектов в полупроводниковых соединениях А3В5.

51. Автореферат дисс. на соискание степени к.ф-м.н., М. 1983.42. Мастеров В.Ф. и др.

52. Взаимодействие примесных и собственных дефектов в кристаллах фосфида галлия"

53. В сборнике "Легированные полупроводники", М. 1982, с.26-28.43. Lin-Chung P.J.

54. Complex defects in GaAs and GaP.

55. Defect Semiconductors. 2: Symp., Boston, Mass., Nov., 1982, p.267-270. N.Y. 1983.44. Матаре Г.

56. Электроника дефектов в полупроводниках. 464с. М. 1974.

57. Petroff P.M., Kimerling L.C.

58. Dislocation climb model in compound semiconductors with zinc blende structure. Appl. Phys. Lett. 29,461 (1976)

59. Watanabe M, Fujitu T, Ushirawa J.

60. Grows and characterization of low dislocation large GaP single crystals. 15-th Conf. Solid St. Devices and Mater., Tokyo, 30 Aug-1 Sept., 1983, p. 161.

61. Toshifumi Sugiura, Akira Tanaka, Minoru Hagino.

62. Reduction in dislocation density in In-doped GaP LPE layers grown from indium solvent. J. Appl. Phys. 48, 4815 (1977)

63. Grachev V.M., Aref ev I.S., Berkova A.V.

64. Single gallium phosphide crystals with reduced dislocation density. Sov. Phys. Crystallogr. 27, 384 (1982)

65. Ivashchenko, Ikizli M. N., Samorukov В. E.

66. Multicharged state of oxygen in gallium phosphide. Sov. Phys. Semicond. 12, 49 (1978)

67. Ermoshkin N., Evarestov R.A. Quasimolecular model of oxygen centers in GaP:0. Sov. Phys. Semicond. 16, 1095 (1982)51. Jaros M, Dean P.J.

68. Electronic structure of oxygen in gallium phosphide. Phys. Rev. В 28, 6104 (1983)

69. Сказочкин A.B., Бондаренко Г.Г., Крутоголов Ю.К., Майор В.И., Кунакин Ю.И. Дефектообразование в фосфиде галлия, выращенном в присутствии кислорода. ЖТФ, т.61, 9, (1997) с.52-55.

70. Вавилов B.C., Кив А.Е., Ниязова О.Р.

71. Механизмы образования и миграции дефектов в полупроводниках. 368с. М. 1981.

72. Ботнарюк И.М., Жиляев Ю.В. Лебедев А.А. Кузнецов Н.И. Рекомбинационный центрв р+п°-переходах, выращенных газотранспорной эпитаксией. Препринт ФТИ №1024

73. Власенко JI.C., Гореленок А.Т., Емцев В.В., Каманин A.B., Полоскин Д.С., Шмидт Н.М. Поверхностное геттерирование фоновых присесей и дефектов. ФТП, 2001, 35 №2, с. 1841. Niculescu Е., Marian Р.

74. Energy levels for donor impurities in GaAs and GaP. Rew. Roum. Phys., 1985, 30, N10, p.843-849.1. Фистуль В.И.

75. Атомы легирующих примесей в полупроводниках. 432с. М. 2004.

76. Лабунов В.А., Величко О.И., Федорчук С.К. Моделирование диффузии магния в арсениде галлия.

77. Термическая диффузия Mg в Al xGai,xAs. Инженерно-физический журнал, т.64, N5-6, с.433-436.

78. Лабунов В.А., Величко О.И., Федорчук С.К. Моделирование диффузии магния в арсениде галлия.

79. Перераспределение ионно-имплантированной примеси. Инженерно-физический журнал, т.68, N1, с.39-43.

80. Akira Usami, Yutaka Tokuda, Hiroyuki Shiraki.

81. Rapid thermal diffusion of Zn into n-type GaAso.6Po4 from Zn-doped.

82. J. Appl. Phys. 66, 3590 (1989)

83. Григорьев H.H., Кудыкина T.A. Рекомбинационная модель диффузии цинка в GaAs. ФТП, т.31, N7, (1997), с.697-702.1.ngini R.L.

84. Sol. St. Electron., 1962, 5, p. 127 Кейзи X.

85. Диффузия в полупроводниковых соединениях А3В5. В сб. ст. "Атомная диффузия в полупроводниках" под ред. Шоу Д. М. 1975, с.406-494.

86. Беляев А.П., Рубец В.П., Нуждин М.Ю., Калинкин И.П.

87. Влияние термодиффузии на совершенство кристаллической структуры приконденсации из паровой фазы. ЖТФ, 2002, 72, №4, с. 120.1. Малкович Р, Ш.

88. К анализу координатно-зависимой диффузии. ЖТФ, 2006, 76, №2, с. 137.

89. Каширина Н.И., Лахно В.Д., Сычев В., Шейнкман М.К. Диффузия вакансионных центров в полярных кристаллах.1. ФТТ, 2007, 49, №5, 779

90. Андриевский В.Ф., Гущинская Е.В, Малышев С.А. Диффузия цинка в незащищенную поверхность InP. ФТП, 2004, 38, №1, с.6868. Malina V., Soukupova R.1.w resistance ohmic contacts to p-type GaP. Thin Solid Films, 1985, 125, N1-2, L21-L23.

91. Anderson W.T., Criston L.A., Giuliani G. F., Dictrich H.B. Ohmic contacts to GaAs for high temperature device applications.1.: Proc. IEEE Conf. On High-Temperature Electronics (Tusson, 1981).70. Malina V., Soukupova R.

92. Vacuum deposited ohmic contacts to n-type GaP. Thin Solid Films, 1985, 125, N1-2, L17-L19.71. Chaffin R.J., Dawson L.R.

93. Gallium Phosphide High temperature diodes.1.: Proc. IEEE Conf. On High-Temperature Electronics (Tusson, 1981). New York, 1981, p.39-42.

94. Kasumoto Y., Hayastri Т., Komiga S.

95. Gallium Phosphide High temperature diodes. J.Appl. Phys., 1985, 24, vlO, p.6201.73. Keune D.L., Grefield M.G.

96. Gallium Phosphide high temperature electrolumenescence pnpn-switchs and control rectifires. J.Appl. Phys., 1972, 43, v8, p.3417-3421.

97. Агаджанов Ю.А., Макаренко В.Г., Муратов В.Ф. Вольтамперные характеристики /»-«-структур GaP Изв. АН УзССР, 1985 (Деп. ВИНИТИ №44533)75. Иверсон У.Р.

98. Заитересованность министерства обороны в GaAs БИС. Электроника, 1983,№15 с.63.

99. Frits I.J., Biefeld H.M., Hughee R.C.

100. High-temperature resistivity of Cr-doped epitaxial GaP. Appl. Phys. Lett.? 1982, 41, 10, p. 140.

101. Zipperian T.E., Dawson L.R., Chaffin R.J.

102. A Gallium Phosphide hightemperature bipolar junction transistor. In: Proc. IEEE Conf. On High-Temperature Electronics (Tusson, 1981). New York, 1981,p.59-61

103. Werchold M.H., Ecnoyan 0., Kao Y.C.

104. A GaP MESFET to high temperature applications.

105. Electron Сотр. 32 Conf., San-Diego, Calif., 10-12 May, 1982. New York 1982, p.332-334.

106. Werchold M.H., Ecnoyan O., Kao Y.C., A high temperature GaP MESFET.

107. EE Electron Devices Lett.", 1982, 11, p.314-316.

108. Werchold M.H., Ecnoyan O., Kao Y.C., A high temperature GaP MESFET.

109. EE Trans. Compon., Hybrid Manuf. Technol.", 1982, 5, 4, p.332-344.

110. Zipperian Т.Е., Dawson L.R.

111. A GaP/AlxGai.xP Heterojunction bipolar junction transistor for high-temperature electronics applications. "Int.Electron Devices Meet. San-Francisco, 13-15 Dec.,1982, Tech. Dig." New York, 1982, p. 181-184.

112. Разработки GaP-приборов с высокими рабочими температурами. New Electronics, 1982, 111, №6, с. 13.

113. Соболев М.М., Никитин В.Г.

114. Высокотемпературный диод на основе эпитаксиальных слоев GaP. Письма в ЖТФ, т.24, в.9,1998, с.1-7.84. Szi S.M., Gibbons G.

115. Avalanche breakdown voltage GaP-junctions. Appl. Phys. Lell. 1966, 18, 5, pi 1.85. Stapleton R.E.

116. Development of an 1100°F capacitor.1.: Proc. IEEE Conf. On High-Temperature Electronics (Tusson, 1981). New York, 1981, p.25-28/

117. Аскеров P.С., Жиляев Ю.В., Сералиев T.A., Куликов А.Ю. Шамрай В.Б. Анализ фазовых равновесий в системе GaP-PCl3-H2 при газовом травлении GaP. Известия ЛЭТИ, 1984, в.8, с.21-24.

118. Быховский А.Д., Жиляев Ю.В., Ипатова И.П., Куликов А.Ю., Макаров Ю.Н. Численное моделирование роста слоев арсенида галлия в хлоридном газотранспортном процессе. Препринт ФТИ№1102, 1987.88. Маннинг Дж.

119. Кинетика диффузии атомов в кристаллах, 277с. М. 1971.89. Малкович Р.Ш.

120. Математика диффузии в полупроводниках. 390с. СПб, 1999.90. Михлин С.Г.

121. Линейные уравнения в частных производных. 432с. М., 1977.91. Лодыженская О. А.

122. Краевые задачи математической физики. 408с. М. 1973

123. Агошков В.И., Дубовский Б.П., Шутяев В.П.

124. Методы решения задач математической физики. 320с. М. 2002.

125. Полянин А.Д., Зайцев В.Ф., Журов А.И.

126. Методы решения нелинейных уравнений математической физики и механики. 254с. М.2005.94. Алексидзе М.А.

127. Решение граничных задач методом разложения по неортогональным функциям. 352с. М.1978

128. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Легированные полупроводники. М. 1979.96. Трушин Ю. В.

129. Радиационные процессы в многокомпонентных материалах. 384С., СПб. 200297. Пашотин Е. А.

130. Легирование структурно-неоднородных эпитаксиальных слоев фосфида галлия. Диффузионное перераспределение цинка. Письма в ЖТФ В 13,2009, с. 33-40.98. На Ц.

131. Вычислительные методы решения прикладных граничных задач. 294с. М. 1982.99. Ануфриев И.

132. МаЛаЬ 5.3/б.х. 712с. СПб. 2003.

133. Дьяконов В., Абраменкова И.

134. МАТЛАБ. Специальный справочник. 602с. СПб, 2002.

135. Мищенко Е.Ф., Садовничий В.А., Колесов А.Ю., Розов Н.Х. Автоволновые процессы в нелинейных средах с диффузией. 432с. М. 2005.102. Румянцев А. В.

136. Метод конечных элементов в задачах теплопроводности. Калининград, 1995.

137. Жиляев Ю. В., Панютин Е. А., Федоров Л. М.

138. Двухкомпонентное акцепторное легирование эпитаксиального фосфида галлия и его использование в приборах высокотемпературной электроники. Письма в ЖТФ В 2, 2008, с. 81-86.

139. Силовая полупроводниковая преобразовательная техника. ФТП, т. 11, в. 11, 1977, с.2065-2068.

140. Жиляев Ю.В., Криволапчук В.В., Куликов А.Ю., Панютин Е.А., Сералиев Т.А.

141. Исследование ВАХ фоефид-галлиевых силовых диодов. Всесоюзная научно-техническая конференция "Создание комплексов высоковольтной преобразовательной и сильноточной техники", Москва, 25-27 ноября 1986г., М.1986, с. 69-70.

142. Жиляев Ю.В., Куликов А.Ю., Панютин Е.А., Сералиев Т.А. Высокотемпературные диоды на фосфиде галлия.

143. В сб. ст. "Силовые полупроводниковые приборы". Таллин, "Валгус", 1986, с.с. 263-266.108. МихинД.В.

144. Кремниевые стабилитроны. М., 1965.

145. Жиляев Ю.В., Криволапчук В.В., Панютин Е.А., Сералиев Т.А. Исследование параметров высокотемпературных стабилитронов. Всесоюзная научно-техническая конференция "Создание комплексов высоковольтной преобразовательной и сильноточной техники".

146. Москва, 25-27 ноября 1986г., М.1986, с. 70-71.

147. Джентри Р.Е., Гутцвиллер Ф.В., Холоньяк Н, Фон Застров Е.Е. Полупроводниковые управляемые вентили. М. 1968111. БлихерА.

148. Физика тиристоров. 262с. JI. 1981.112. Горбатюк А.В.

149. Динамика и устойчивость быстрых регенеративных процессов в структурах мощных тиристоров. Препринт ФТИ №962, 1985.

150. Жиляев Ю. В., Панютин Е. А.

151. Локализация фронта включенного состояния тиристора. Сб. ст. «Силовые полупроводниковые приборы», Таллин, 1986.

152. Жиляев Ю. В., Панютин Е. А., Федоров Л. М.

153. Высокотемпературные динисторы на основе фосфида галлия. Письма в ЖТФ В 17, 2009, с. 50-57.

154. Полевые транзисторы на арсениде галлия.

155. Сб. статей под ред. Ди Лоренцо Д.В. и Канделуола Д.Д. М. 1988.

156. Жиляев Ю.В., Панютин Е.А., Федоров Л.М. Высокотемпературные фосфид-галлиевые полевые транзисторы. Письма в ЖТФ, 20, июнь, 1994, с.26-31.

157. Yu.V. Zhilyaev, L.M. Fedorov, E.A. Panyutin. GaP-Devices for high temperature applications, in23ed Int. Symp.of Compound Semicond", St. Pet., Sempt/ 23-27, 1996.

158. Yu.V. Zhilyaev, E.A. Panyutin, L.M. Fedorov.

159. GaP-Devices for high temperature applications, in "MRS meeting-99", Nov.29-Dec.3, Boston-Massachusetts 1999, p.413.

160. Жиляев Ю.В., Панютин E.A., Федоров JI.M.

161. Матричные кристаллы на основе фосфида галлия, предназначенные для высокотемпературных применений.

162. Всесоюзная конференция по микроэлектронике. Звенигород, ноябрь, 1994", М. 1994.

163. Жиляев Ю.В., Панютин Е.А., Федоров Л.М.

164. GaP-матрицы полевых транзисторов для высокотемпературных применений. "2-я Российская конференция по физике полупроводников, г. Зеленогорск (СПб), февраль, 1996", СПб. 1996.

165. Ненакаливаемые катоды. Под ред. М. И. Елинсона. М.1974 М. 1977122. Грибников З.С.

166. Теория внешней эмиссии горячих электронов из кремниевых /»-«-переходов. ФТТ, 1961, №3, с.3414123. Ховатсон A.M.

167. Введение в теорию газового разряда. 178с. М. 1980.124. Райзер Ю.П.

168. Физика газового разряда. 592с. М. 1987.

169. Тухас В.А, Хромой Ю.Д, Панютин Е.А., Жиляев, Ю.В., Киселев Ю.В. Особенности пробоя газа при многоэлектронном инициированиис использованием GaP-эмиттеров.4.я Всесоюзная конференция по физике газового разряда. Махачкала, сентябрь 1987". Махачкала, 1987.