ВВЕДЕНИЕ_________________________________________________________4
1.Широкозонные твердые растворы: получение и свойства____________10
1.1 Твердые растворы соединений А3В5._________________________ 10
1.2. Твердые растворы на основе карбида кремния._______________16
1.3. Основные методы получения карбида кремния и твердых растворов на его основе.________________________________24
Выводы. ____________________________________________________ 29
2. Процессы роста и структура эпитаксиальных слоев
твердых растворов (8|С)1.Х(А11Ч)Х._____________________________31
2.1. Влияние параметров роста на состав и структуру эпитаксиальных слоев._________________________________________31
2.2. Исследование структуры эпитаксиальных слоев (81С)1.х(АДО)х методом фигур травления._________________41
2.3. Изучение структуры молекул эпитаксиальных слоев (81С)1_Х(АШ)Х методом электронно-парамагнитного резонанса. 48
Выводы._________________________________________________________52
3. Электрофизические свойства твердых растворов
(^СЫАИЧ)*.______________________________________________54
3.1. Получение и исследование омических контактов._____________55
3.2. Исследование стабильности омических контактов.____________69
3.3. Температурная и концентрационная зависимости электропроводности._____________________________________71
3.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность карбида кремния и твердых растворов (81С)1.Х(АШ)Х.____________85
3.5. Характеристики ударной ионизации твердых растворов (вКЫАЮХс,_______________________________________________94
2
Выводы
97
4. Люминесцентные и электрические свойства
гетероструктур 81С/(81С)1-Х(А1]\)Х._____________________________101
4.1. Фотолюминесценция._________________________________102
4.2. Спектральные сдвиги полос фотолюминесценции, обусловленные лазерным отжигом.________________________106
4.3. Электрофизические процессы в гетероструктурах._____109
4.4. Электролюминесценция.______________________________117
Выводы. ________________________________________________ 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.______________________________________________123
ЛИТЕРАТУРА. 128
з
ВВЕДЕНИЕ.
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 гомовалентных и гетеровалентных твердых растворов на основе уже известных полупроводников. Подбирая соединения и их относительное содержание в твердых растворах, можно создать 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.
Наибольший интерес в качестве второго компонента для создания твердых растворов на основе карбида кремния представляют нитриды металлов III группы периодической системы Д.И.Менделеева. Этот интерес обусловлен высокой вероятностью образования твердых растворов в этих системах, особенно в системах SiC-AIN и SiC-GaN. Кроме того, минимумы зоны проводимости в BN, A1N, и GaN находятся в центре зоны Бриллюэна, что позволяет прогнозировать существование твердых растворов SiC с указанными нитридами с подобной же структурой зон. Это должно привести к возрастанию эффективности излуча-тельной рекомбинации, что позволит создавать на основе таких соединений твердых растворов светодиоды и инжекционные лазеры.
4
Твердые растворы карбида кремния с нитридом алюминия являются непрерывными и при определенных составах они обладают прямой структурой зон. Важным свойством этих соединений является то, что в отличие от чистого A1N, который обладает преимущественно п-типом проводимости, они могут обладать как n-типом так и p-типом проводимости. К тому же, они могут наследовать уникальные механические, химические и тепловые свойства карбида кремния. Большая ширина запрещенной зоны, высокие подвижности носителей заряда, благоприятные особенности зонной структуры, а также возможность работы при высокой температуре и их достаточная радиационная устойчивость делает твердые растворы (SiC)i_x(AlN)x универсальными материалами, пригодными для применения в различных областях полупроводниковой электроники.
Микроэлектронные и оптоэлектронные приборы на основе твердых растворов работают на сравнительно больших уровнях мощности, поэтому металлические контакты являются важными элементами их структуры и определяют параметры, эффективность и надежность работы приборов. В связи с этим, вопрос создание низкоомных, стабильных по характеристикам омических контактов имеет важное значение при конструировании приборов. Имеющиеся в литературе работы по омическим контактам к твердым растворам (SiC)i_x(AIN)4 носят чисто прикладной характер, хотя исследование электрофизических свойств контактов металл-полупроводник и изучение закономерностей формирования омических контактов к твердым растворам (SiC)i.x(A]N)x является весьма актуальным. Особенно перспективны твердые растворы (SiC)i_x(AlN)x в приборах основанных на гетеропереходах (инжекцион-ные лазеры, светодиоды, фотоприемники и т.п.) так как близость параметров решеток SiC и (SiC)i_x(AlN)x позволяет получить гетеропереходы на их основе с малым числом состояний на гетерогранице.
5
Таким образом, изучение процессов роста эпитаксиальных слоев (ЭС) (81С)1.Х(АШ)Х и исследование их основе представляет большой интерес.
Данная диссертационная работа посвящена изучению процессов роста и исследованию электрофизических свойств ЭС твердых растворов (81С)1_х(А1М)х и гетероструктур (ГС) на их основе. Особое внимание уделяется получению омических контактов и изучению электропроводности эпитаксиальных слоев твердых растворов (81С)]-Х(А1М)Х.
Цель работы.
1. Получение ЭС твердых растворов фСД.^АДО^.
2. Получение омических контактов к ЭС твердых растворов (81С)]. Х(А1>Г)Х и исследование их электрических свойств.
3. Исследование электрофизических свойств ЭС твердых растворов (81С)1.х(А1Ы)х и гетероструктур на их основе.
Задачи работы.
1. Получение ЭС твердых растворов (81С)1.Х(А1Ы)Х с заданным составом на подложках карбида кремния и исследование их структуры с помощью травления.
2. Получение и исследование электрических свойств омических контактов к карбиду кремния и твердым растворам (81С)1.Х(АГЫ)Х.
3. Изучение элекгропроводности твердых растворов (81С)|-х(А1И)х.
4. Изучение влияния сильных электрических импульсных полей на электропроводность карбида кремния и твердых растворов (ЯСЫА1Ы)*.
5. Изучение механизмов ударной ионизации в ЭС твердых растворов (81С)1.Х(А1И)Х
6
6. Изучение механизмов излучательной рекомбинации в ГС (8Ю)1. Х(А1Ы)Х.
Научная новизна заключается в том, что впервые:
1. Получены омические контакты к ЭС твердых растворов (81С) 1 _х(А1П)х. Установлено, что наиболее низкие контактные сопротивления и хорошую адгезию имеют контактные системы (БГАи-ЬН) - пБЮ, (йГАП М) - р81С и (А^О-рфСЫАШХ.
2.Установлено влияние состава на величину и тип проводимости удельного сопротивления: для слоев п-типа величина удельного сопротивления лежит выше, чем соответствующее значение для р-типа так как с ростом х структурное совершенство образцов ухудшается, дефекты структуры создают ловушки захвата, что приводит к увеличению удельного сопротивления образцов п-типа.
3. По результатам исследования температурной зависимости электропроводности рассчитаны характеристики терморезисторов на основе твердых растворов (81С)1_Х(А1Н)Х.- Установлено, что, изменяя состав твердого раствора(81С)1.х(АШ)х можно управлять основными параметрами терморезистора.
4. Определен механизм пробоя ЭС твердых растворов (81‘С)1_х(А1Т4)х в сильных электрических импульсных полях. Установлено, что имеет место элекгрический пробой, вызванный ударной ионизацией, связанной с микроскопическими барьерными слоями, локализованными на различных неоднородностях.
5. Предложена модель донорно-акцепторных пар (ДАП) объясняющая спекгральный сдвиг полос фотолюминесценции, обусловленный лазерным отжигом. Показано, что увеличение времени отжига ЭС твердых растворов (81С)1-Х(А1Ы)Х приводит к образованию ближайших ДАП АЬ* - Ис за счет удаленных ассоциатов, а уровни более тесных
7
ассоциатов смещаются в соответствующие зоны, и в рекомбинационном излучении не проявляются.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Физическое обоснование механизма изменения удельных переходных сопротивлений омических контактов к 81С и твердым растворам (51С)1_х(А1М)х с ростом температуры и последующей термообработки контактной системы.
2. Зависимость типа электропроводности и его величины от состава твердых растворов (81С)1.Х(А1Ы)Х.
3. Ударная ионизация как основной механизм электропроводности монокристаллических твердых растворов (81С)1_Х(А1Н)Х в сильных электрических импульсных полях.
4. Донороно-акцепторная природа сдвига спектров фотолюминесценции ЭС твердых растворов (81С)1.Х(АШ)Х иод действием лазерною отжига.
Практическая ценность.
1. Представлены технологические режимы управляемого выращивания эпитаксиальных слоев ЭС (81С)1.Х(АШ)Х.
2. Разработана методика получения омических контактов к 81С и твердым растворам (8Ю)1.Х(А1Ы)Х.
3. Результаты исследования электрических свойств эпитаксиальных слоев твердых растворов (81С)1.Х(А1Ы)Х, позволяют создавать на их основе терморезисторы и другие приборные структуры.
4. Разработана методика импульсного пробоя полупроводников с малым сопротивлением, позволяющая создавать высокие напряженности за короткое время, что исключает возникновение теплового пробоя.
8
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались: на 4™ Всероссийском совещании «Физика и технология широкозонных полупроводников» (Махачкала, 1993 г.), на Всероссийской конференции «Состояние и перспективы развития термоэлектрического приборостроения» (Махачкала, 1995г.), на 2т Международной конференции по высокотемпературной электронике (Альбуркерк, США, 1996г.), на Международном семинаре «Карбид кремния и родственные материалы» (Новгород, 1997 г.), на Международной конференции по карбиду кремния, нитридам третьей группы и родственным материалам (Стокгольм, Швеция, 1997 г.), на Международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 1998г.), на Международной конференции, посвященной 250-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН (Махачкала, 1999). Они докладывались также на итоговых научных конференциях Даггосу-ниверситета ( 1994-1998 гг.).
Публикации. Всего по теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, изложенных на 127 страницах машинописного текста, списка литературы.
9
ГЛАВА 1. Широкозонные твердые растворы: получение и свойства.
1.1. Твердые растворы соединений А3 В3
В последнее время в физике и в технологии полупроводников особое внимание уделяется получению и исследованию твердых растворов. Этот интерес обусловлен растущими запросами полупроводниковой электроники в новых материалах. Кроме того, исследование твердых растворов может быть полезно при изучении вопросов одновременного легирования донорными и акцепторными примесями, влияния донорно-акцепторного взаимодействия на собственные свойства исходного материала и других вопросов, имеющих большое значение для развития физики полупроводников.
Почти одновременно с открытием полупроводниковых соединений А'*В" было обнаружено, что некоторые из них образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов. Структурные, электрические и оптические свойства этих соединений являются промежуточными между свойствами составляющих его компонентов. Благодаря этому тройные и четверные соединения на основе соединений приобрели большое значение для создания различных твердотельных электронных устройств [1-3] . Особенно велика роль этих твердых растворов в создании эффективных приборов, основанных на гстероструктурах (инжек-ционные лазеры, светодиоды, фотонриемники, фотокагоды и т.н.).
Обязательным этапом при получении кристаллов твердых растворов является гомогенизация, для осуществления которой необходимо проводить кристаллизацию с весьма низкими скоростями, достаточными для установления равновесия в твердой фазе в результате диффузии. Это обстоятельство ограничивает использование классических методов
ю
выращивания кристаллов, таких как вытягивание из расплава, зонная плавка и т.д. Эпитаксия пока является пока единственным способом получения твердых растворов в виде монокристаллических слоев на кристалле-подложке. Для бинарных и многокомпонентных систем разработаны методы эпитаксии, как в газовой, так и в жидкой фазе.
В основе эпитаксии в газовой фазе лежат, главным образом, газотранспортные процессы, когда компоненты синтезируемого материала доставляются к подложке в потоке газа-носителя в форме легколегучих соединений, образуемых вне реактора или в зоне источника при взаимодействии одного из компонентов с реагентом -транспортером. Среди различных вариантов газофазной эпитаксии ведущее место по объему занимает хлоридно-гидридный метод.
Твердый раствор синтезируют в открытой системе. Галлий переносится в зону осаждения в виде субхлорида, образующегося при пропускании над ним паров НС1. Сюда же поступают фосфор и мышьяк, источниками, которых служат фосфин и арсин. В зоне осаждения идет реакция:
GaCl + хР4/4 + (l-x)As/4 + H2/2->GaAs,.xPx + HCl
Изменяя соотношение парциальных давлений фосфина и арсина, можно обеспечить согласованием параметров решетки слоя и подложки и получать материал заранее заданного состава.
Сущность эпитаксии в жидкой фазе заключается в создании насыщенного раствора синтезируемого материала в расплаве легкоплавкого компонента, с последующим его осаждением на подложке. В условиях промышленного производства широко используется кассетный вариант проведения жидкофазной эпитаксии. Процесс проводят в открытой системе в атмосфере очищенного водорода. После выдержки при температуре, определяемой видом фазовой диаграммы системы, и
и
образования насыщенного раствора жидкую фазу приводят в контакт с подложкой. При медленном охлаждении возникает пересыщение раствора и происходит кристаллизация растворенного материала на подложке. Применение нескольких растворов-расплавов различного состава обеспечивает возможность создания многослойных структур с заранее заданными свойствами [4].
В настоящее время по эпитаксиальной технологии могут быть получены ЭС бинарных соединений GaAg, ОаР, 1п и др. в структурном соотношении более совершенные, чем объемные монокристаллы. Они обладают лучшей однородностью распределения легирующих примесей и отличаются существенно меньшим содержанием неконтролируемых загрязнений. Большими возможностями располагают тройные ОаАЬ.хАэ, СаА$1.хРх, Оа].хА1хЫ, 1п1.хОахАз, 1п1.хОахР и четверные Ini.xGaxAsi.yPy, Gai.xAlxSbj.yASy твердые растворы. Эти материалы имеют широкий интервал значений ширины запрещенной зоны.
Прогресс в получении твердых растворов на основе А3В^ позволяет проследить за некоторыми закономерностями изменения важнейших параметров этих материалов. Рассмотрим эти парамегры, учитывая, что большинство установленных на примере этих структур закономерностей носят общий характер.
Как и в бинарных соединениях А3В\ в твердых растворах не наблюдается существенных отклонений от стехиометрии; поэтому они проста по механизму легирования, допускают возможность создания р-п-переходов. Независимо от условий кристаллизации изменение состава твердого состава АХВ1_ХС происходит лишь по псевдобинарному разрезу фазовой диаграммы соответствующей тройной системе. Большинство полупроводников А3В5 имеет сходную структуру валентной зоны. Поэтому основные изменения в энергетическом спектре их твердых растворов определяются различием в структуре зоны проводимоеги
12
- Київ+380960830922