Твердые растворы на основе карбида кремния: технология и свойства

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

НИИ «Микроэлектроники и нанотехнологий» при Дагестанском государственном техническом университете

Твердые растворы на основе карбида кремния: технология и свойства

Б.А. Билалов

Одной из важнейших тенденций современной наноэлектроники является синтез, изучение и применение все более сложных кристаллических структур. Создание соединений AIIIBV, AIVBIV и многокомпонентных твердых растворов на их основе позволяет существенно расширить возможности наноэлектроники при создании новых приборов с широким диапазоном рабочих характеристик и функциональных возможностей.

Наиболее интересными представляются карбид кремния, кристаллизующийся в более чем 140 политипных модификациях и его твердые растворы с соединениями AIIIN. По сути, кристаллизация этих материалов в многочисленных политипных модификациях представляет собой возможность получения целого спектра наноструктур. Сами по себе твердые растворы (SiC)1-x(AlN)x имеют уникальные и отличные от «прародителей», свойства.

Выращивание эпитаксиальных слоев (ЭС) твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x проводилось в диапазоне температур 2300-2550 К при давлении смеси газов азота и аргона 2*104 до 8*104 Па. В качестве подложек использовались монокристаллические полированные пластины карбида кремния самого распространенного политипа 6Н, выращенные методом Лели. Все используемые подложки были n-типа проводимости с Nd-Na=(6*10173*1018 см-3). В качестве источников использовались спеченные и горячепрессованные поликристаллические образцы твердых растворов SiC-AlN в виде таблеток.

Известно, что на структуру и свойства полупроводниковых материалов очень сильно влияют технологические условия роста. Поэтому при выращивании образцов (SiC)1-x(AlN)х были проведены исследования влияния различных технологических факторов на свойства растущих материалов.

Прежде всего, было изучено влияние газовой атмосферы роста на параметры твердых растворов. Установлено, что наибольшее влияние на состав растущих слоев твердых растворов (SiC)1-x(AlN)х оказывает соотношение парциальных давлений азота и аргона в рабочей камере. При неизменном составе источника паров (около 40% вес. AlN в источнике), увеличение давления азота приводит к возрастанию содержания нитрида алюминия в образцах твердых растворов (SiC)1-x(AlN)х (рис.1).

Рис. 1. Зависимость х от соотношения парциальных давлений

PN2 и PAr (Источники с 40% весовым содержанием AlN) .

Была также определена зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев (SiC)1-x(AlN)х от парциального давления азота в системе (рис.2).

Рис. 2. Зависимость скорости роста эпитаксиальных слоев от соотношения парциальных давлений PN2 и PAr .

Представленные выше зависимости скорости роста ЭС и их состава от парциальных давлений смеси газов позволяет установить зависимость между скоростями роста ЭС и составом получаемых твердых растворов (SiC)1-x(AlN)х. На рисунке 3 представлена экспериментальная зависимость х=F(Vp), которая несколько отличается от рассчитанной нами из вышеприведенных зависимостей.

Рис. 3. Экспериментально определенная зависимость х от скорости роста (источники с 40 вес . содержанием AlN).

Наблюдаемое расхождение, вероятно, связано с тем, что при перемещении тигля, с целью изменения градиента температуры T между источником и подложкой, а значит для изменения скоростей роста ЭС, менялись также абсолютные значения температур на них, что в свою очередь приводило к изменению других технологических и термодинамических параметров выращивания.

Полученные результаты, свидетельствующие о зависимости содержания AlN в эпитаксиальных слоях (SiC)1-x(AlN)х от скорости роста, по-видимому, объясняется тем, что в системе пар-кристалл равновесие полностью не достигается. Поэтому, необходимо пользоваться кинетикой неравномерного захвата растущим слоем. Учитывая большую прочность химической связи Al-N, Al-C, можно ожидать, что Al в газовой фазе, главным образом, находится в связанном состоянии, и переход этих комплексов из газа в приповерхностный слой эпитаксиального слоя будет характеризоваться большим временем релаксации. Вероятно, в этом случае концентрация AlN в эпитаксиальном слое лимитируется кинетикой хемосорбции.

Кроме того, было замечено, что изменение парциального давления азота при прочих равных технологических режимах, влияет на тип электропроводности эпитаксиальных слов (SiC)1-x(AlN)х. При соотношении давлений PN2/Pобщ более 0,4 образцы твердых растворов имеют преимущественно n-тип проводимости, а при меньших соотношениях получаются ЭС как p- так и n-типа.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при выращивании твердых растворов (SiC)1-x(AlN)х методом сублимации в среде инертного газа наибольшее влияние на состав растущих слоев оказывает состав источника паров и соотношение парциальных давлений азота и аргона. Наименьшее влияние на состав оказывает время роста. Незначительное влияние времени роста на состав связано с постепенным истощением AlN в источнике. Заметное влияние на состав эпитаксиальных слоев оказывает температура роста. С увеличением температуры выращивания обнаружено увеличение содержания AlN в выращенных слоях. При этом улучшается также структура и морфология слоев. Однако, во избежание эффектов перекрестного легирования, приводящего к размытости гетерограницы или даже к образованию нежелательного гомоперехода в n-SiС - подложка за счет диффузии Al из растущего слоя и перекомпенсации азотом, рост пленок и монокристаллов твердых растворов проводится при возможно более низкой температуре (2350К), совместимой с хорошей морфологией наращенного слоя.

Исследование твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x проводили на электронном микроскопе ЭММА-2, представляющий собой прибор, совмещающий функции рентгеновского микроанализатора и электронного микроскопа.

Образцы исследованных нами твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x имели гладкую поверхность и достаточно хорошую проводимость. Так как при этих условиях заряд может стекать с образцов, то не было необходимости в предварительном нанесении проводящей пленки.

Качественный анализ, проводимый в произвольно выбранных точках на поверхности образцов показал, что в пределах чувствительности определяются только алюминий и кремний, однако, самостоятельных фаз, содержащих только алюминий или только кремний обнаружено не было. С целью исследования характера распределения компонентов по поверхности и объему образцов, оценивались изменения интенсивности аналитических линий AlK и SiK вдоль профилей, выбранных с помощью оптического микроскопа микроанализатора. В зависимости от условий синтеза наблюдался как однородный, так и зональный характер распределения AlN. В последнем случае наблюдалось уменьшение концентрации AlN от центра к периферийной части ЭС (SiC)1-x (AlN)x .

Рис.4. Распределение AlN по поверхности эпитаксиального слоя (SiC)1-x(AlN)x при x=0,10(1); 0,20(2); 0,54(3); 0,59(4).

Состав гетероэпитаксиальных структур твердого раствора (SiC)1-x(AlN)x,а также распределение AlN по поверхности, в случае использования в качестве источников поликристаллических спеков SiC-AlN, приведены на рисунке 4. Видно, что с ростом содержания AlN в эпитаксальном слое однородность его распределения по поверхности уменьшается, причем наиболее сильно- при большом содержании. Структурное совершенство и морфология ЭС с увеличением содержания AlN ухудшались, и уже при x 0,55 наблюдались сращивание блочной структуры и сильный разброс состава по поверхности.

Оценка пространственной неоднородности распределения элементов Al и Si по слою проводилась на "косых шлифах" (угол 1,50 ). Рентгеноспектральный микроанализ показал наличие только Al и Si в пределах чувствительности установки.

Рис. 5. Распределение концентрации Al вдоль косого шлифа ЭС

(SiC)1-x (AlN)x при x=0,22(1); 0,40(2) .

карбид кремний давление раствор

Структура полученных слоев (SiC)1-x(AlN)x исследовалась методами электронографии и рентгеновской дифрактометрии. На рисунке 6 и 7 представлены точечные электронограммы от подложки (монокристалл SiC-6H) и эпитаксиального слоя (SiC)1-x(AlN)x с х=0,53. Точечные рефлексы, видимые на этих электронограммах свидетельствуют о монокристалличности полученных слоев.

Рис.6. Электронограмма от монокристаллической подложки 6H-SiC.

Рис.7. Электронограмма от эпитаксиального слоя (SiC)0,47(AlN)0,53.

Рассчитанные параметры решетки исследованного нами твердого раствора (SiC)0,47(AlN)0,53 дает величину а=3.096Ао, с =5,016Ао, что подтверждает получение структуры твердых растворов политипной модификации 2H.

Также исследованы оптические и электрические свойства полученных материалов. Установлена связь удельной электропроводности и спектров оптического пропускания пленок с температурой их формирования. Удельное электросопротивление изменяется в диапазоне от 10-2 до 108Ом.см. Значение напряженности электрического поля, при котором наступает лавинный пробой, не менее 3·106В/см. Энергия активации основных примесей (азота и алюминия) в пленке 0,10,25эВ. Оптическая ширина запрещенной зоны, найденная из края спектров поглощения (2,2-2.9эВ), также зависит от структуры пленок. Основные полосы спектров фото-и электролюминесценции лежат в диапазоне энергий от 1,7 до 2,8эВ.

Перспектива управляемого получения наноструктур на основе политипов в системе SiC-AIIIN открывает новые возможности их использования в различных областях наноэлектроники.

Размещено на Allbest.ru