Исследование электрофизических свойств гетероструктур Pt/AlN/SiC/Si

Оглавление

1.     Введение…………………………………………………………3

     2. ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………..4

         §1.1. Структура и физические свойства карбида кремния…………4

3. § 2. Структура и свойства нитрида алюминия………………….......11

     4. §3. Тонкопленочные структуры на основе нитрида алюминия…..13

      5. ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И ОБЪЕКТЫ  

          ИССЛЕДОВАНИЯ……………………………………………………..17

          § 1. Объекты исследования……………………………………………17

      6. § 2. Измерение диэлектрических характеристик…………………..18

      7. § 3. Метод динамического пироэффекта.............................................19

      8. ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ...................21

          §1. Электрический отклик от структуры SiC/Si на воздействие   

              модулированного лазерного излучения и излучения от источника 

           ОИ-24…………………………………………………………………….21

       9. §2. Диэлектрические свойства структуры Pt/AlN/SiC/Si…………23

     10. §3. Электрический отклик от структуры AlN/SiC/Si на воздействие  

           модулированного лазерного излучения…………………………….26

     11. Выводы………………………………………………………………….29

     12. Список литературы……………………………………………………30

Введение.

Целью моей работы является изучение физических свойств гетероструктур Pt/AlN/SiC/Si. Для исследования свойств мною поставлены следующие задачи:

-исследовать электрический отклик со структуры SiC/Si на модулированное тепловое (световое) излучение.

-исследование изменения фотоэлектрической фазы  отклика при использование фильтров с различными длинами волн.

-провести исследования диэлектрических свойств гетероструктуры на основе нитрида алюминия, сформированного на подложках SiC/Si.

-показать, что наблюдаемый электрический отклик с гетероструктуры Pt/AlN/SiC/Si имеет фотовольтаическую природу.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

§1.1. Структура и физические свойства карбида кремния

Карбид кремния (карборунд), SiC. Чистый карбид кремния стехиометрического состава — бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет материала зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется как типом и количеством примеси, так и степенью отклонения состава от стехиометрического. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: при температурах менее 20000С — в кубической типа сфалерита (b-SiC) (см. структурные типы кристаллов), и при более высоких температурах — в гексагональной (a-SiC). Для высокотемпературной гексагональной модификации карбида кремния характерно явление политипизма: обнаружено более 50 политипных модификаций a-SiC.

Карбид кремния — единственное полупроводниковое бинарное соединение АIVВIV. Тип связи — ковалентный, доля ионной составляющей порядка 10%. Ширина запрещенной зоны для кристаллов SiC составляет 2,39 эВ, для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,72 до 3,34 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600оС. Собственная электропроводность из-за большой ширины запрещенной зоны наблюдается лишь при температурах выше 1400оС. Подвижность носителей заряда низкая. Монокристаллы карбида кремния, легированные примесями элементов V группы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут), а также литием и кислородом имеют n-тип проводимости и зеленую окраску. Элементы III группы (бор, алюминий, галлий, индий) и элементы II группы (бериллий, магний, кальций) являются акцепторами. При этом кристаллы имеют p-тип проводимости и голубую или черную окраску. В случае отклонения состава от стехиометрического в сторону кремния кристаллы обладают электропроводностью n-типа, в случае избытка углерода — p-типа.

Карбид кремния тугоплавок (tпл 2830°С), химически стоек, по твердости уступает лишь алмазу и нитриду бора: твердость по МООСу — 9,1 — 9,5; микротвердость 3300-3600 кгс/мм2. Карбид кремния обладает высокой термической, химической и радиационной стойкостью, выделяется своей устойчивостью к окислению среди многих окалиностойких сплавов и химических соединений. Заметно окисляется только при температурах выше 800оС. Карбид кремния химически стоек и в других средах.

Поликристаллический карбид кремния получают в электрических печах при температуре 1800-2300оС путем восстановления двуокиси кремния углеродом:

SiO2 + 3C = SiC + 2CO

В качестве сырья при производстве технического карбида кремния используется кварцевый песок с минимальным содержанием примесей и малозольный кокс или антрацит, или нефтяной кокс. Для повышения газопроницаемости шихты в нее иногда вводят древесные опилки. В шихту также вводят поваренную соль, количество которой влияет на цвет карборунда.

Из-за высоких значений температуры и давления, при которых существует расплав карбида кремния, классические методы получения из него монокристаллов не применимы. Используют методы выращивания кристаллов SiC из газовой фазы или из растворов в расплаве. Большое распространение получил метод сублимации. В этом методе рост кристаллов карбида кремния происходит из газовой фазы в графитовых тиглях в атмосфере инертных газов при температуре 2500-2600оС.

Эпитаксиальные слои и твердые растворы на основе карбида кремния можно получать всеми известными методами, используемыми в полупроводниковой технологии. Технология формирования структур карбида кремния на подложках кремния принципиально не отличается от процессов получения кремниевых пленок. Гетероэпитаксиальные слои выращиваются методом газофазной эпитаксии в открытой системе. В качестве газа-носителя используется водород диффузионной очистки; в первой зоне свободный углерод связывается с водородом и переносится в зону роста полупроводниковой пленки.

Монокристаллический SiC используют для изготовления радиационностойких светодиодов, обладающих очень высокой надежностью и стабильностью работы. Его можно использовать для изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков частиц высокой энергии, терморезисторов, из поликристаллического SiC выращивают монокристаллы или путем дробления получают порошки. Поликристаллический SiC используют в производстве нелинейных резисторов (варисторов). Для этих целей изготавливают многофазовые материалы на основе порошкообразного SiC, скрепленного связующим веществом. Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят высокотемпературные нагреватели, ингитронные поджигатели и волноводные поглотители, а на основе пленок аморфного SiC — светодиоды и солнечные элементы. SiC является перспективным полупроводниковым материалом для высокотемпературной и высокочастотной электроники.

Интересно использование карбида кремния в электротехнике - для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.

Карбид кремния является перспективным и одним из важных материалов в современной микроэлектронике. Он используется при изготовлении фотодиодов и светоизлучающих диодов, фоторезисторов, диодов Шоттки, оптотиристоров, униполярных диодов, датчиков цвета, УФ-датчиков, а также в качестве диэлектрических слоев в тонокпленочных полевых транзисторах, жидко-кристаллических дисплеев.

В связи с этим его физические свойства активно исследуеются. В частности в работе  изучалось поглощение света твердотельными фрактальными структурами карбида кремния, полученными в плазме электрического дугового разряда. Для получения фрактальной структуры карбида кремния SiC авторы  воспользовались распылением механической смеси кремния и графита. Твердотельные фрактальные структуры SiC были получены в виде кольцеообразного осадка (депози­та) на графитовом катоде-подложке. На рис.1 представлена поверхностная структу­ра депозита карбида кремния. Полученные депозиты представляют собой весьма пористые структуры с сильноразвитой внутренней поверхностью (их плотность составляет 50-60% плотности массивных аналогов). Поглощение света фрактальной и монокристаллической поверх­ностью SiC изучалось с помощью прибора СДЛ-2 в диапазоне длин волн 360-600 nm. Авторы обнаружили, что при энергиях фотонов больше ширины запре­щенной зоны карбида кремния, фрактальные структуры SiC поглощают электромагнитные волны в 15-30 раз сильнее, чем монокристалличе­ский SiC. В интервале 475-550 nm наблюдается плавное уменьшение поглощения света фрактальными структурами SiC, которое при длинах волн 550-600 nm всего лишь в 2-3 раза больше, чем поглощение света монокристаллическим SiC.

В результате проведенных экспериментов было показано, что фрактальная структура SiC является нелинейной оптической средой и может служить в качестве поглотителя в световом диапазоне длин волн.

Электрофизические параметры пленок аморфного карбида кремния, полученных методом газофазного осаждения вызывают интерес, как свойства материалов электроники, работающей в широком диапазоне температур. Целью этой  работы [1] явилось изучение механизмов электропроводности пленок аморфного гидрогенизированного карбида кремния в диапазоне низких температур.при температурах синтеза в области 830-950оС формируются пленки a-SiC:H сложного состава. В данных условиях сформированы аморфные пленки различной степени разупорядоченности с включением нанокристаллов SiC. Показано, что соответствующее изменение технологических параметров синтеза приводят к увеличению концентрации нанокристаллов в матрице пленки. Так же известно, что  с  уменьшением количества  связей  С –  Н,  в  связи  с  выходом  водорода  из  матрицы  материла, зависимость  удельного  сопротивления  от  состава  пленки  резко  меняется  и проходит  через  максимум  удельного  сопротивления  при  относительной  доле связей С – Н равной 0,37 отн. ед.

На рисунке представлены графики зависимости электропроводности пленок              a-SiC:H от температуры в координатах lgϭ– (1/T)1/4.

Рис 1.2. Температурные зависимости электропроводности пленок a-SiC:H с

различной относительной долей связей С – Н в матрице материала в темновом режиме: 1 – 0,25; 2 – 0,36; 3 – 0,37; 4 – 0,43, 5 – 0,45

Анализ кривых температурной зависимости электропроводности пленок a- SiC:H (рисунок) позволяет утверждать, что перенос заряда в материале, как и во всех аморфных полупроводниках, осуществляется по прыжковому механизму модели Мотта:

                                      Ϭ =Ϭ0(T )exp(- A / T 1/4) ,                                                                   (1)

где Ϭ0(T ) – предэкспоненциальный множитель, зависящий от плотности энергетических состояний вблизи уровня Ферми, А – коэффициент, слабо зависящий от температуры, Т – температура. В этом случае:

- в диапазоне температур 77 – 100К реализуется перенос заряда между локализованными состояниями вблизи уровня Ферми, за счет стимулируемых фононами, процессов туннелирования;

- с ростом температуры (100 – 273 К) происходит смена механизма

переноса заряда. Прыжки носителей заряда осуществляются за счет термической активации, о чем свидетельствует перегиб на кривых температурной зависимости удельного сопротивления пленок a-SiC:H (рисунок).

              Электропроводность «металлического»  типа,  наблюдаемая  в  пленках a-SiC:H  типичных  образцу  № 1 (рисунок),  обусловлена  присутствием

нанокристаллов SiC  в  матрице  материала. Нанокристаллические  включения формируют  дополнительные  энергетические  уровни,  которые  не  являются связанными  состояниями,  в  щели  подвижности  аморфной  пленки  карбида кремния в окрестности уровня Ферми. В области низких температур (77 – 100 К) перенос  заряда  по  этим  дополнительным  энергетическим  уровням  вносит наибольший  вклад  в  общую  электропроводность  материала.  А  с  ростом температуры  и  повышением  плотности  тока  происходит  переход  к проводимости  по  локализованным  состояниям,  так  как  доля  заполненных состояний по сравнению с количеством связанных состояний невелика.

Полученные  результаты  подтверждают  возможность  синтеза  пленок a-SiC:H c  различными  электрическими  свойствами.  Показано,  что

нанокристаллические  включения SiC  в  матрице  пленки a-SiC:H  способствуют росту электропроводности на 3 порядка.             

§ 2. Структура и свойства нитрида алюминия.