Неразрушающая диагностика электронных свойств структур на основе SiC и GaAs/AlGaAs

Актуальность темы

.

В физике полупроводников в настоящее время быстро развиваются такие направления как исследование квантово-размерных структур и широко зонных полупроводниковых материалов, а также разработка новых приборов на их основе.

Первое направление в основном связано с разработкой лазеров, фотоприемников и модуляторов света инфракрасного (ИК) диапазона. Наряду с приборами ближнего ИК-диапазона, основанными на межзонных переходах электронов в наноструктурах, активно развиваются приборы среднего ИК-диапазона на межподзонных переходах. Длины волн, соответствующие межподзонным (т.е. происходящим в пределах валентной зоны или зоны проводимости) переходам в квантовых ямах полупроводниковых гетероструктур, обычно лежат в средней и дальней ИК областях спектра (X > 5 мкм). Изменение конструкции квантовых ям приводит к изменению электронного энергетического спектра, что позволяет обнаруживать новые явления и создавать оптоэлектронные приборы на межподзонных переходах, работающие в заданной области светового спектра. Классическим примером применения межподзонных переходов в оптике являются фото детекторы среднего ИК диапазона [1], а также два типа лазеров дальнего ИК диапазона: «каскадный» и «фонтанный» [2], [3] с токовой и оптической накачками соответственно. Межподзонные переходы электронов в квантовых ямах также используются для модуляции интенсивности излучения, проходящего через структуру [4], [5]. Если фотоприемники на квантовых ямах уже широко используются, то лазеры и модуляторы среднего и дальнего ИК диапазонов, активно разрабатываемые последние 10 лет, существуют лишь в отдельных экземплярах в научных лабораториях. На многочисленных конференциях и в журналах постоянно предлагаются новые конструкции подобных приборов, призванные повысить их эффективность и расширить диапазон рабочих параметров (температура, быстродействие, длина волны и т. д.). Следовательно, в исследовательских лабораториях возникает потребность в диагностических методиках, адаптированных к новым объектам исследования (различным конструкциям квантово-размерных структур). В силу специфики этих объектов, особенно привлекательны бесконтактные оптические методы определения параметров наногетероструктур, в частности энергетического межподзонного спектра носителей заряда. Наиболее ощутима потребность в относительно простых методиках, которые были бы доступны любой лаборатории.

Значительное место в работах по второму направлению занимают исследования таких полупроводников как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Интерес к широкозонным материалам вызван тем, что развитие современной энергетики и космической техники требует создания полупроводниковых приборов, способных работать при повышенных температурах и высоких уровнях ионизирующего излучения. К усовершенствованию технологии и диагностики карбида кремния во всем мире прилагаются большие усилия. За последние несколько лет они привели к поразительным успехам в разработке новых электронных приборов [6]. В частности, на основе карбида кремния были созданы 1) коротковолновые оптоэлектронные приборы (желтые, зеленые, красные, светодиодыультрафиолетовые фотоприемники), 2) высокотемпературные электропреобразовательные приборы (диоды, полевые транзисторы, р-п-переходом, п-МОП транзисторы со встроенным и индуцированным каналом, биполярные транзисторы и тиристоры), 3) высокочастотные приборы (микроволновые транзисторы с затвором Шоттки), 4) элементы длительного хранения информации (транзисторные ячейки памяти для перепрограммируемых запоминающих устройств).

SiC кристаллизуется в виде большого числа отличающихся по свойствам политипных модификаций, которые можно рассматривать как целый класс полупроводниковых материалов. Химическое соединение углерода и кремния в решетке карбида кремния характеризуется сильной ионно-ковалентной связью, которая придает ему уникальные физико-химические свойства. Так, по твердости карбид кремния уступает только алмазу и карбиду бора. При температурах до 300 -400°С он практически не взаимодействует ни с одним из известных травителей для других полупроводниковых материалов. Сильная связь является причиной низких коэффициентов диффузии большинства примесей и повышенной устойчивости к воздействию ионизирующих излучений. Как полупроводник, карбид кремния обладает уникальным сочетанием свойств для приборных применений. С одной стороны, это большая ширина запрещенной зоны (от 2.4 до 3.3 эВ для разных политипов), высокая температура Дебая (1300 К), высокая теплопроводность (3−5 Вт/см-град), большая напряженность поля лавинного пробоя (3−6 МВ/см), высокая насыщенная скорость дрейфа электронов (2−107 см/с). С другой стороны, это высокая растворимость донорных и акцепторных примесей (Ю20 — 1021 см" 3), высокая стехиометрическая однородность и способность к окислению с образованием на поверхности диэлектрической пленки двуокиси кремния [9].

Использование карбида кремния в полупроводниковой электронике может значительно расширить область ее применения и функциональные возможности. Так, большая ширина запрещенной зоны, высокая температура Дебая и большая собственная теплопроводность допускают надежную работу SiC-приборов при температурах до 600 — 700 °C, в условиях воздействия радиации. В частности, приборы на основе SiC могли бы быть использованы в системах контроля и управления наземных ядерных реакторов. Вместе с тем карбидкремниевые сенсоры и электронные приборы могли бы внести определяющий вклад в возможность реального применения космических реакторных систем. Помимо ядерной энергетики, высокотемпературные приборы, способные работать в неблагоприятной окружающей обстановке, необходимы для авиационной и космической техники, автотранспорта, нефтехимии, геохимии и геофизики, техники контроля и восстановления окружающей среды. 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. Такие приборы необходимы для авиационных радаров, в технике связи, для мощных электропреобразователей, работающих в составе различных энергетических комплексов. Карбидкремниевые светодиоды уже находят реальное применение в системах отображения оптической информации, в анализе состава нагретых газов и жидкостей (хроматография и люминесцентный анализ), в системах оптического контроля, в медицине, в интегрированных оптоэлектронных приборах.

Несмотря на те технологические трудности, которые были обусловлены упомянутыми свойствами SiC (термостабильность, механическая прочность, химическая инертность), к началу 90-х годов в технологии получения карбида кремния был достигнут прорыв, который вплоть до настоящего времени обеспечивает ее устойчивое развитие [7].

Существенным препятствием, сдерживающим прогресс в разработке приборов на карбиде кремния, является дефицит методов контроля параметров материала [8]. С 1997 года по карбиду кремния проводится ежегодная европейская конференция European Conference on Silicon Carbide and Related Materials'' и один из ее разделов посвящен методикам диагностики широкозонных полупроводников. Распространённые контактные и зондовые методы диагностики полупроводников наталкиваются на серьёзные трудности в применении к широкозонным материалам ввиду сложности приготовления омических контактов к ним, а так же в связи с большими значениями пробойных напряжений металл-полупроводник. Кроме того, научным группам часто приходиться иметь дело с образцами различной формы (кристаллы Лэли, фрагменты подложек CREE), что также затрудняет диагностику, в случае необходимости осуществить оперативное экспериментирование с большим количеством образцов. Подобная диагностика возможна лишь при бесконтактной методике измерений.

Целью настоящей диссертационной работы является поиск новых простых методов бесконтактной диагностики монокристаллов и эпитаксиальных пленок SiC и квантово-размерных структур.

Научная новизна работы.

Разработан комплекс простых независимых методов, позволяющих быстро, бесконтактным способом оценить структурное качество, уровень легирования, подвижность и время жизни неосновных носителей в монокристаллах и эпитаксиалъных пленках карбида кремния. На примере гетероструктур GaAs/AlGaAs показано, что метод просвечивающей ИК спектроскопии в сочетании с качественным теоретическим анализом позволяет по наблюдаемым спектрам межподзонного поглощения определять энергетический спектр электронов в туннельно-связанных квантовых ямах и его особенности в некоторых типах простых прямоугольных квантовых ям. На основе экспериментальных данных было найдено критическое значение параметра беспорядка а, при котором кристаллическая решетка SiC становится существенно неупорядоченной и материал приобретает электронные свойства аморфного полупроводника. В 6H-SiC, а = 0,076.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработанный комплекс методов, позволяет в лабораторных условиях бесконтактным способом оценить структурное качество, уровень легирования, подвижность и время жизни неосновных носителей в монокристаллах и эпитаксиальных пленках карбида кремния.

Получены экспериментальные данные, представляющие интерес для исследователей, работающих в области физики широкозонных полупроводников и оптики полупроводниковых квантово-размерных структур.

Найденное критическое значение параметра беспорядка для карбида кремния может быть полезным для теоретических исследований деформаций кристаллической решетки SiC при высоких уровнях легирования.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Предложенный дифференциальный вариант индуктивного метода контроля проводимости позволяет при комнатной температуре определять удельную электропроводность, а пластинчатых полупроводниковых кристаллов случайной формы в интервале легирования (NDNA) от 5-Ю16 до Ю20см" 3 (а > 1 Ом" 1-см" 1).

2. Метод микро-искрового зонда позволяет бесконтактным способом измерять малые времена жизни (до Ю" 10 с) неосновных носителей заряда в монокристаллах и толстых (более 10 мкм) эпитаксиальных пленках SiC при комнатной температуре.

3. Метод отражательной дифференциальной спектроскопии в УФ области спектра (hv = 5−6 эВ) позволяет бесконтактно диагностировать степень совершенства монокристаллов и эпитаксиальных пленок SiC, оценивать подвижность электронов и уровень легирования (Nd — Na) с точностью до 1017 спГ.

4. Критическое значение параметра беспорядка, при котором 6H-SiC приобретает электронные свойства аморфного полупроводника равно 0,076.

5. Метод просвечивающей ИК спектроскопии в сочетании с качественным теорет'.гческим анализом позволяет по наблюдаемым спектрам межподзонного поглощения находить энергетический спектр носителей заряда в квантовых ямах п о лу пр о в о днико в ых гетер оструктур.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Итоговый семинар по физике и астрономии по результатам конкурса грантов 2000 года для молодых ученых Санкт-Петербурга, ФТИ им. ИоффеВсероссийская молодежная научная конференция по полупроводникам и оптои наноэлектронике, Санкт-Петербург 2000 и 1999; European Conference on Lasers and Electro-Optics, Glasgow, Scotland, 1998; Nice, France, 2000; The European Material Society Spring Meeting 1999, 2000, Strasbourg, FranceThe 25th International Conference on the Physics of Semiconductors, Japan, 2000; Nanostructures: Physics and technology, St. Petersburg, June 1997, 1998, 1999, 2000; Городская студенческая научная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой наноэлектронике, Санкт-Петербург 1997, 1998; Всероссийская конференция по физике полупроводников 1997, 1999; Third International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering 1999, St. Petersburg, Russia- 10th Intern. Confer, on Superlattices, Microstructures and Microdevices, 1997, Lincoln, Nebraska, USA.

Публикации. По материалам диссертации имеется 30 публикаций, из них 10 журнальных статей. Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы (96 наименований). Отдельно дан список основных работ автора по теме диссертации (11 наименований). Нумерация формул, таблиц и рисунков идет по главамнумерация ссылок на литературу — единая для всей диссертации. Объем — 118 страниц, включая 53 рисунка.

Заключение

.

В результате работы был разработан комплекс простых независимых методов, позволяющих быстро и бесконтактно оценить структурное качество, уровень легирования, подвижность и время жизни неосновных носителей в монокристаллах и эпитаксиальных пленках карбида кремния. Методики опробованы на монокристаллах Лэли, CREE, разного типа проводимости и эпитаксиальной пленке VPE 6H-S1C: 14, В.

Также продемонстрирована возможность адаптировать традиционную просвечивающую ИК спектроскопию к новым объектам исследования (различным конструкциям квантово-размерных структур). Все методы легко реализуемы в любой Российской лаборатории на базе отечественных приборов.