Введение к работе
Актуальность темы. Карбид кремниевая технология сегодня является одной из наиболее перспективных областей в полупроводниковой электронике и может значительно расширить как сферы ее применения, так и ее функциональные возможности. Так, большая ширина запрещенной зоны, высокая температура Дебая и большая собственная теплопроводность допускают на-дежігуїо работу SiC-приборов при температурах до 600-700С, в условиях воздействия радиации. Большая напряженность поля пробоя SiC, высокая насыщенная скорость дрейфа носителей тока и высокая теплопроводность делают карбид кремния уникальным материалом для создания мощных высокочастотных приборов, работающих при высоких температурах и обеспечивающих малые энергетические потери.
Такое сочетание уникальных свойств SiC открывает перспективу создания элементной базы экстремальной электроники, необходимой для систем производства и распределения электроэнергии, для систем контроля и управления ядерных реакторов, для систем контроля окружающей среды и других важных областей. Подобные приборы не могут быть изготовлены на основе уже осво-ешгых промышленностью материалов, таких как Si, GaAs, GaP. Значительному прогрессу карбид кремниевой полупроводниковой электроники способствует тот факт, что к настоящему времени освоено выращивание монокристаллов SiC диаметром до 100 мм, пригодных для использования в качестве подложек.
Все отмеченное выше обуславливает повышенный интерес к полупроводниковому SiC, который особенно усилился в последнее годы. В США, Японии, Германии и других промышленно развитых странах ведутся интенсивные исследования по SiC, растет число фирм, занимающігхся выращиванием кристаллов и эпитаксиальных слоев SiC, изготовлением приборов на его основе. Ежегодно проводятся несколько международных конференций по карбиду кремния.
Вместе с тем, качество выращиваемых кристаллов пока еще не отвечает высоким требованиям, предъявляемым к полупроводниковым материалам. Вопросы воспроизводимости и управления свойствами материала требует понимания свойств легированных материалов. В частности необходимо знать предельные растворимости примесей, позиции примеси замещения, зависимости постоянных решетки от степени легирования и т.д., а также изменения этих величин в зависимости от химической природы примесного атома. Многочисленные экспериментальные данные для SiC имеют большой разброс и не позволяют получить стройную картину поведения примесей.
Для приборного применения карбида кремния наряду с получаемыми в настоящее время материалами п- и р-тшіа. проводимости существует также
необходимость в материале, обладающем изолирующими свойствами. В связи с этим несомненный интерес представляет возможность получения полуизолирующего карбида кремния, как подложечного в виде объемных монокристаллов, так и эпитаксиалышх слоев. Его применение позволит значительно улучшить параметры карбид кремниевых полупроводниковых приборов: расширить частотный диапазон (до 30 ГГц), существенно уменьшить энергетические потери. При этом подложечный полуизолирующий карбид кремния необходим также для создания полупроводниковых приборов на основе нитридов (GaN, A1N).
Цель работы. Целью настоящей работы являлось изучение особенностей легирования монокристаллического карбида кремния в процессе роста, направленное на решение вопросов воспроизводимости и управляемого получения материала с заданными свойствами, а также исследование возможности получения полуизолирующего объемного монокристаллического карбида кремния, пригодного для приборного применения в экстремальной электронике.
Задачи работы.
-
Изучение особенностей легирования карбида кремния при сублимационном росте.
-
Оценка энергии замещения для примесных атомов на основе теоретического рассмотрения химических и структурных искажений решетки карбида кремния. Оценка предельных растворимостей примесей в карбиде кремния в условиях сублимационного роста.
-
Разработка основ технологии получения полуизолирующего объемного монокристаллического карбида кремния.
-
Исследование свойств полуизолирующего карбида кремния как в связи с условиями его получения, так и в связи с его приборным применением.
Научная новизна работы.
-
Проведен теоретический расчет предельных растворимостей примесей III-V групп в карбиде кремния как для случая термодинамического равновесия, так и для реальных условий сублимационного роста. Дано теоретическое обоснование экспериментально наблюдаемого эффекта грани, основанное на различии энергетических состояний примесного атома в занимаемых им позициях на различных гранях. Получены зависимости влияния уровня легирования на параметр решетки карбида кремния.
-
Проведен термодинамический анализ состава газовой фазы в системе SiC-C-V. Определены давления паров ванадия, превышение которых в заданном температурном диапазоне приводит к возникновению включений твердой фазы VC в растущих кристаллах карбида кремния и тем самым к увеличению дефектности получаемых кристаллов.
-
Исследованы особенности легирования алюминием и ванадием монокристаллов SiC при сублимационном росте. Впервые определен предел растворимости ванадия.
-
Показано, что сублимационный метод (метод ЛЭТИ [1]) позволяет выращивать объемный монокристаллический карбид кремния не только п- или котила проводимости, но и обладающий изолирующими и полуизолирующими свойствами за счет соответствующих» легирования ванадием и алюминием в процессе роста.
-
Выявлен эффект фотопроводимости полуизолирующего SiC:V в видимой области спектра, обладающий долговременной релаксацией.
Практическая ценность работы.
-
Предложены две модели для исследования удельного переходного сопротивления омических контактов. Создан пакет прикладных программ, обеспечивающих измерительный процесс.
-
Получены легированные ванадием монокристаллы карбида кремния политипов 4Н и 6Н, обладающие полуизолирующими свойствами.
-
Разработаны основы технологии получения полуизолирующего карбида кремния, применение которого в качестве подложечного материала или изолирующих слоев позволит обеспечить более высокое быстродействие и меньшие энергетические потери приборов на основе карбида кремния и нитридов.
Основные научные положения.
-
Наблюдаемая анизотропия легирования карбида кремния примесями замещения III-V групп обусловлена различием энергетических состояний примесного атома в занимаемых им позициях на различных гранях.
-
Совместное легирование ванадием и алюминием монокристаллов карбида кремния в процессе сублимационного роста в вакууме позволяет обеспечить получение материала с полуизолирующими свойствами.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 3d International Conference on High Temperature Electronics (Albuquerque, USA, 1996), E-MRS-96 Spring Meeting (Strasbourg, France, 1996), Международном научном семинаре «Карбид кремния и родственные материалы» (Новгород, 1997), 1ой Городской студенческой научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1997), 2nd European Conference on Silicon Carbide and Related Materials (Montpellier, France, 1998), Научной молодежной школе по твердотельным датчикам (Санкт-Петербург, 1998), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-99» (Москва, 1999), 10th European Conference «Diamond-99» (Prague, Czech Republic, 1999), Международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 1999), 2ой Научной молодежной школе «Поверхность и
границы раздела структур микро- и наноэлектроники» (Санкт-Петербург, 1999), Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 1999), также докладывались и обсуждались на Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ 1998-2000г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 6 статей и 12 тезисов докладов на конференциях и семинарах, в том числе международных.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 102 наименования. Основная часть работы изложена на 110 страницах машинописного текста. Работа содержит 45 рисунков и 11 таблиц.