Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее интенсивное развитие в настоящее время получили приборы экстремальной электроники, сохраняющие свои параметры и характеристики в условиях высоких температур, при воздействии интенсивных ионизирующих излучений и агрессивных сред. Определяющим фактором в развитии этой группы приборов является использование в качестве широкозонного полупроводника - карбида кремния. Независимо от функционального назначения прибора условия эксплуатации накладывают очень жесткие требования к выпрямляющим и линейным контактным системам «металл-SiC». С учетом особенностей свойств карбида кремния, можно выделить основные требования к формируемым контактным системам:
омический контакт должен иметь низкое удельное сопротивление (не превышающее 10'4 Ом см"), характеризоваться стабильной границей раздела в области высоких температур, обеспечивать технологичность операций при посадке кристаллов в корпус прибора;
поверхностно-барьерные структуры должны сохранять выпрямляющие свойства до температур Т = 350...400 С, иметь стабильную вольт-амперную характеристику после длительной эксплуатации при максимальных температурах;
для приборных структур, включающих омический контакт и барьер Щоттки необходимо обеспечить неизменность вольт-амперной характеристики при воздействии высоких доз ионизирующих излучений (по быстрым нейтронам Д, < 1015нейтр./см2, по у - квантам Д. < 106Р).
Несмотря на значительное количество работ в этой области, проблему создания контактных систем, в особенности, барьеров Шоттки, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, нельзя считать решенной. В частности, явно недостаточны сведения о результатах исследований радиационных эффектов в карбиде кремния, как базовом материале приборных структур, а публикации по испытаниям радиационной стойкости последних практически отсутствуют. Термическая стабильность контактных систем к SiC различного типа также требует целенаправленных исследований с привлечением современных методов анализа.
Настоящая работа, направлена на разработку технологии и исследование свойств контактных систем для приборов экстремальной электроники, что является одним из стратегических путей развития совремеїгаой элементной базы электронной техники.
Целью работы являются разработка физико-технологических основ создания высокотемпературных и радиационно-стойких контактных систем «металл - SiC» для приборов экстремальной электроники, исследования электрофизических свойств и границ раздела при термических и
радиационных воздействиях а также характеристик поверхностно-барьерных структур (ЛЕС) применительно к задачам термометрии.
Задачи диссертадионной работы
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
выбор материалов и их композиций для формирования высокотемпературных омических и выпрямляющих контактов;
отработка технологических операций, методов пооперационного контроля и изготовление тестовых структур с целью исследования их электрофизических параметров и границ раздела после термической обработки;
теоретический анализ механизмов токопереноса в поверхностно-барьерных структурах на основе SiC для широкого интервала температур;
разработка технологии изготовления экспериментальных образцов, включающих многослойные структуры металлизации и защитно-изолирующие ПОКрЫТИЯ;
исследование термической стабильности приборных структур электрофизическими методами и методом электронной Оже-спектроскопии в режиме послойного анализа;
исследование радиационной стойкости выпрямляющих контактов при комплексном импульсном воздействии ионизирующих излучений
ВЫСОКОЙ ІШтезіСІШНОСТЇІ;
- разработка вариантов конструкций, изготовление и испытания датчика
температуры на основе барьера Шоттки на SiC.
Научная новизна работы
-
В результате систематических исследований свойств контактных систем к карбиду кремния, включающих широкий класс используемых металлов, технологических режимов, внешних воздействий, предложены и технически реализованы варианты омического и выпрямляющих контактов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками при экстремальных воздействиях.
-
Показано, что использование многослойной сисгемы Pt-W-Cr-SiC позволяет формировать термически устойчивые барьеры Шоттки за счет стабилизирующего действия тонкого переходного слоя карбидов хрома и подавления эффектов взаимной диффузии слоем вольфрама.
-
Впервые для высокотемпературных барьеров Шоттки на карбиде кремния исследована радиационная стойкость при комплексном воздействии быстрых нейтронов и у-квантов в зависимости от исходного уровня легирования полупроводника.
-
Показано, что в барьерах Шоттки «металл - SiC» с ростом температуры увеличивается вклад диффузионной составляющей тока и для
адекватного описания вольт-амперных характеристик необходимо использовать объединенную теорию термоэлектронной эмиссии и диффузии.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Широкий диапазон рабочих температур карбидкремниевых приборов на основе барьера Шоттки вызывает необходимость учета увеличивающегося с ростом температуры вклада в электронный транспорт диффузионной составляющей тока. Адекватное описание ВАХ достигается использованием объединенной теории термоэлектронной эмиссии -диффузии.
-
Стабильность вольт-амперных характеристик поверхностно-барьерных структур Pt-W-Cr-SiC при длительном воздействии температуры до 400 С обусловлена образованием на границе раздела «металл-SiC» фазы карбидов хрома и наличием вольфрамового диффузионного барьера. Экспериментально доказано, что созданные многослойные структуры устойчивы к кратковременному термическому воздействию вплоть до температуры 700 С
-
Радиационная стойкость структур Pt-W-Cr-SiC определяется исходным уровнем легирования полупроводника. Экспериментально установлено, что в диапазоне концентраций Nd-Na— 1016...5-1017см"3 при комплексном воздействии быстрыми нейтронами и сопутствующего у-излучения дозами 4,42-10 нейтр. /см2 и 8,67-105Р, соответственно, необратимые изменения термометрических характеристик барьерных структур происходят при концентрациях Nd-N^< 8-Ю16 см"3. При этом деградация характеристик тем больше, чем меньше уровень легирования материала.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
разработана оригинальная технология формирования многослойных контактных систем к карбиду кремния, обладающих высокой радиационной и термической стойкостью;
разработана и технически реализована конструкция широкодиапазонного датчика температуры на основе барьера Шоттки с максимальной рабочей температурой 450 С;
результаты работы вошли в отчетные материалы по НИР: 5968/ЦМИД-
80 ("Карбид-К-ЛЭТИ"), выполняемой в соответствии с планом работ
Федерального фонда развития электронной техники; 5975/ ЦМИД-
81 ("Ведро"), выполняемой в соответствии с Государственным
оборонным заказом; 5976/ ЦМИД-82 ("Деление"), выполняемой по
договору с Секцией Прикладных Проблем при Президиуме РАН;
- результаты работы использованы в ЭНПО "Специализированные
электронные системы" (г. Москва) при создании и испытании
аппаратуры и машин с экстремальными условиями эксплуатации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах:
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции
студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика -98",
Зеленоград, 20-22 апреля, 1998 г.;
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции
студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-99",
Зеленоград, 19-21 апреля, 1999 г.;
научных молодежных школах по твердотельной электронике:
"Твердотельные датчики" (Санкт-Петербург, 23-25 ноября 1998 г.) и
"Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлектроники"
(Санкт-Петербург, 2-4 ноября 1999 г.),
« Третьей Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов. Санкт-Петербург, 4-11 декабря 1998 г.;
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава СПбГЭТУ "ЛЭТИ" (1997-1999гг.)."
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 1 статья и 5 тезисов докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 98 наименовании, v/снсвкая часть работы кзлолсека на і ^..> страницах
машинописного текста. Работа содержит 43 рисунка и 7 таблиц.
