ГЛАВА 2. Методика получения и свойства SiC/(SiC)_1-x(AlN)_x.

 
       Обычно гетеропереходы изготавливаются эпитаксиальным наращиванием одного полупроводникового материала на другой с помощью различных методов. Однако, такое наращивание без существенного нарушения монокристаллической структуры возможно не для каждой пары полупроводников. Решающим критерием при выборе материалов контактной пары является соответствие периодов их кристаллических решеток и температурных коэффициентов линейного расширения.

       После подбора материалов контактной пары осуществляют выбор метода изготовления гетероперехода, который в основном определяет данной комбинацией полупроводников и требованиями эпитаксиального наращивания (т.е. кристаллическим порядком, степенью совершенства, концентрацией примесей).

       Современная технология карбидкремневых приборов базируется в основном на эпитаксиальных методах выращивания: сублимации, газовой и жидкофазной эпитаксии, ионном легировании. Но применение различных технологий для получения гетеропереходов на основе карбида кремния технологически несколько осложнен. Поэтому для синтеза таких гетеропереходов мы использовали сублимационные методы получения.

       В данной главе мы ознакомимся с  установкой используемой для выращивания ГЭС-SiC/(SiC)_1-x(AlN)_x и технологическими особенностями их получения.

2.1. Экспериментальная  установка и методика получения.

       Выращивание твердых растворов (SiC)_l-x(AlN)_x проводилось сублимационным "сэндвич"- методом на подложках карбида кремния политипа 6Н [9]. Для выращивания использовалась высокотемпературная вакуумная установка, структурная схема которой представлена на рис. 8

Рис.8 Структурная схема высокотемпературной установки для выращивания ЭС (SiC)_l-x(AlN)_x сублимационным "сэндвич"- методом.

Технические решения, принятые при конструировании  и сборке установки позволили добиться всех условий, необходимых для получения качественных    эпитаксиальных слоев и объемных монокристаллов (SiC)_l-x(AlN)_x:

1. Большой цилиндрический рабочий объем контейнера (80*180мм), ограниченный размерами нагревателя (120*250мм).

2. Двухступенчатая система откачки, позволяющая достичь вакуум порядка 1,3*10^-2 Па.

3. Плавная автоматическая регулировка и точное поддержание температуры в зоне роста до 2800К с использованием систем высокоточного регулирования температуры (ВРТ) и программатора РИФ.
4. Возможность перемещения контейнера с тиглем в процессе роста вдоль оси нагревателя в зоны с различными градиентами температуры.
5. Система напуска и контроля состава и парциального давления инертных газов в зоне роста.
6. Эффективная система охлаждения рабочей камеры проточной водой.
7. Система автоматической защиты и аварийного отключения.

      «Сэндвич»-метод  для выращивания твердых растворов  проводили в ячейках, подобных изображенным на рис.9, изготовленных из высокоплотного графита или из карбида циркония

Рис. 9 Тигель для выращивания ЭС (SiC),._x(AlN)_x

1-подложка  SiC, 2-шайба с отверстием, 3- источник паров, 4- толстостенный стакан. 

      В качестве нагревательного элемента в печи использовалась цилиндрическая труба из плотного графита марки ОСЧ. Для концентрации тепла и создания определенного градиента температуры вокруг нагревателя располагалась многослойная система экранирования из графитовой ткани и войлока. Тигель находился внутри плотно закрытого графитового контейнера, устанавливаемого внутри нагревателя. В качестве материала для тигля был выбран плотный графит марки ОСЧ, однако лучшие результаты, в плане структурного совершенства получаемых слоев, были достигнуты при использовании тиглей из карбида циркония. Выбор этого материала обусловлен тем, что изучение влияния условий роста на границу подложка-пленка показало негативную роль процесса пассивации поверхности подложки свободным углеродом, выделяющимся на стадии предварительного обезгаживания с нагревом. Избежать загрязнения поверхности подложки свободным углеродом при использовании масляных насосов и графитовых тиглей достаточно сложно. Эту проблему частично можно решить, удаляя из зоны роста графита, используя тигли из карбида титана и циркония. К тому же содержание в SIC небольшого количества изовалентных примесей циркония или титана (до 6% моль) значительно снижает плотность дислокаций [10].

     Тигли из карбида циркония изготавливались  по технологии порошковой металлургии и спекались в атмосфере аргона при 2300 К. Вследствие большой усадки, после нескольких процессов выращивания,   они уплотнялись так, что имели проницаемость для паров диссоциации источника намного ниже проницаемости графита. За счет этого достигалась также большая замкнутость ячейки роста, изолирующая ее от попадания внутрь выделяющегося из графитовой арматуры газов и испарений вакуумных масел при откачке.

      Выращивание эпитаксиальных слоев твердых растворов  (SiC)_l-x(AlN)_x проводилось в диапазоне температур 2300-2550 К при давлении смеси газов азота и аргона или азота с гелием от 2*10⁴ до 8*10⁴ Па. В качестве подложек использовались монокристаллические полированные пластины карбида кремния самого распространенного политипа 6Н, выращенные методом Лели. Все используемые нами подложки были п-типа проводимости с N_d-N_a=(6*10¹⁷—3*10^I8см^-3

     Для снятия нарушенных слоев, образующихся при полировке и подготовке к эпитаксии, подложки SiC подвергались химическому травлению в расплаве КОН при температуре 750К в течении 20 минут при периодическом перемешивании. Это позволяло добиваться полного стравливания нарушенных слоев и получения почти зеркальных поверхностей. После травления подложки многократно промывались в дистиллированной воде для удаления следов щелочи. Непосредственно перед использованием подложки промывались в этиловом спирте и просушивались. Травление подложек в расплаве КОН имело также цель идентифицировать полярные грани (0001)Si и (0001)С посредством выявления характерных для Si-грани шестиугольных ямок травления, наблюдаемых под микроскопом.

     Проведенные авторами [11] исследования показали, что  воспроизводимость политипа растущего слоя существенно различается при росте эпитаксиальных слоев на полярных гранях SiC. Вероятность трансформации политипа на грани (0001)С значительно выше, чем на грани (0001)Si, независимо от условий кристаллизации. Качественно это можно объяснить различием связей типа С-С, для которых более характерна плоская координатная сетка (за счет SP₂ гибридных связей) от Si-Si связей, имеющих большую объемную направленность. Из-за этого влияние грани подложки (0001)Si на растущий слой оказывается более значительным, чем влияние грани (0001)С.

     Поскольку было необходимо получить эпитаксиальные структуры (SiC)_1-x(AlN)_x с высоким качеством на подложках SiC без образования сростков различных политипных структур в переходных слоях, более благоприятно выращивание эпитаксиальных слоев на грани (0001)С. На этой грани слои (SiC)_1-x(AlN)_x, как следует из вышесказанного, будут легче трансформироваться в наиболее редкий и практически ценный политип -2Н, который характерен для другого компонента твердых растворов - нитрида алюминия.

2.2. Исследование свойств  ГЭC-n-SiC/p-(SiC)_1-x(AlN)_x.

       В настоящем параграфе приводятся результаты исследований свойств ГЭC-n-SiC/p(SiC)_1-x(AlN)_x.

       Нами  были изучены вольт-фарадные (ВФХ), вольт-амперные (ВАХ) характеристики и электролюминесценция в зависимости от температуры и плотности тока через ГЭC-SiC/(SiC)_1-x(AlN)_x .

       Результаты  исследования люминесцентных свойств  гетероструктур SiC/(SiC)_1-x(AlN)_x показывают, что они обладают эффективной электролюминесценцией (ЭЛ) при комнатной температуре [12]. Изучение спектров электролюминесценции ГЭС-SiC/(SiC)_1-x(AlN)_x показывает, что положение максимума и относительная интенсивность зависит от состава гетероэпитаксиальных структур и величины прямого и обратного тока через ГП.

       На  рис. 10 приведены спектры ЭЛ ГЭС-SiC/(SiC)_1-x(AlN)_x при х = 0.05; х =0.024. Из рисунка видно, что при малых токах через гетерограницу спектр состоит из двух полос: длинноволновых с максимумом при энергии  hν_max=2.25 эВ   (кривая 1),   hν_max =2.62 эВ   (кривая 2),   и   коротковолновых с hν_max =2.69 (кривая Г), и hν_max =3.1 эВ (кривая 2'). По видимому, длинноволновые полосы, характерны для SiC возникают за счет инжекции дырок из широкозонного твердого раствора в относительно более узкозонную подложку, коротковолновые полосы обусловлены излучением ЭC (SiC)_1-x(AlN)_x вблизи гетерограницы

Рис.10. Спектры  электролюминесценции гетероструктур SiC/(SiC)i._x(AlN)_x

(температура  300К): 1=ЗмА(кривые 1,2), 20 мА (кривые 3,4), 30 мА  обратное

смещение (кривая 5); 1,3 - Х=0,05: 2,4,5 - Х=0,24.

       С увеличением уровня инжекции интенсивность  коротковолнового излучения происходящего в твердом растворе, растет быстрее, чем в подложке, а спектр излучения в целом сдвигается в область больших энергий. При этом из рис. 10 видно, что полоса излучения в ЭС шире чем в подложке. Это, по-видимому, связанно с неоднородностью состава твердых растворов (SiC)_1-x(AlN)_x по толщине. При обратном смещении (кривая 3) спектр излучения еще более уширяется и сдвигается в коротковолновую область (hν_max= 3.26 эВ при х = 0.24). Вероятно, это обусловлено расширением слоя объемного заряда, в основном в сторону высокоомного эпитаксиального слоя и возрастанием вклада твердого раствора в спектр излучения. Более полную информацию о зонной структуре ГП дают ВФХ и ВАХ.

       Зависимость емкости от приложенного напряжения для ГЭС -SiC/(SiC)_1-x(AlN)_x носит линейный характер, присущий резким анизотипным гетеропереходам. В соответствии с моделью Андерсона, для гетероперехода, имеющего незначительное число состояний на границе раздела, удельная емкость определяется выражением:

                                                 (13)

        ВФХ снятые для  ГЭC-SiC/(SiC)_1-x(AlN)_x при х = 0.05; 0.54; 0.73 представлены на рис. 11 [13]. Экстраполяция этой зависимости на ось напряжения (напряжение отсечки) дает контактную разность потенциалов. Линейная зависимость экспериментальной кривой С^-2(V) указывает на то, что ГП является резким. 

      Рис. 11.  ВФХ ГП  n-SiC/p-(SiC)_1-x(AlN)_х  для различных составов. 

       Для указанных гетероперехода n-6H-SiC/p-(SiC)_1-x(AlN)_x значение контактной разности потенциалов (напряжение отсечки) получается равным  2,9 В (х=0,05); 3,0 В (х=0,54); 3,1В (х=0,73). Для сравнения скажем, что в р-п переходах на базе SiC величины контактной разности потенциалов V_d , определенное из ВФХ составляет примерно 2,7В [14]. Наблюдаемый рост V_d с увеличением концентрации A1N в ЭС (SiC)_1-x(AlN)_x связано, вероятно, с ростом ширины запрещенной зоны.

      Обычно изменение  контактной разности потенциалов от температуры определяется из температурной зависимости ВФХ гетереструктур. Измерения температурной зависимости ВФХ ГП n-6H-SiC/p-(SiC)_1-x(AlN)_x проводились в интервале температур 77-420К для различных составов. На рис.12 представлены ВФХ ГП n-SiC/p-(SiC)_1-x(AlN)_x (x=0,15) при различных температурах. Как видно, из зависимостей С-V, они линейны во всем измеренном интервале напряжений и температур.

Рис. 12. ВФХ ГП n-6H-SiC/p-(SiC)_1-x(AlN)_x (x=0,15) при различных температурах.

     Контактная разность потенциалов V_d , найденное экстраполяцией прямых до пересечения с осью напряжений, при 77К составляет 3,3 В и с ростом температуры сначала нелинейно, а затем линейно уменьшается до 2,7В при 418К (рис.13). Для линейного участка , где V_d0-напряжение, получаемое экстраполяцией линейной зависимости V_d(T) к Т=0К. Для данной структуры V_d0 =3,48 В, α_d-температурный коэффициент емкостного напряжения отсечки, определенный из линейного участка равен 2,2-10^-3 В/град. Температурная зависимость V_d(T) главным образом определяется температурным ходом химических потенциалов электронов в п-области и дырок в р-области. Определенный вклад вносит, также температурная зависимость ширины запрещенной зоны твердых растворов (SiC)_1-x(AlN)_x. К сожалению, в литературе отсутствуют данные о температурной зависимости ширины запрещенной зоны E_g твердых растворов (SiC)_1-x(AlN)_x.