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.

Нитрид алюминия, химическая формула , —материал с ковалентными связями, имеющий гексагональную кристаллическую структуру типа вюрцита.

Рис.1.3 Кристаллическая структура нитрида алюминия (AlN)

Преимущество нитрида алюминия перед другими материалами обусловлено уникальным сочетанием его физических и электрических характеристик: высокой теплопроводности, хороших электроизоляционных свойств, умеренного коэффициента теплового расширения при относительно невысокойстоимости. Наиболее интенсивно нитрид алюминия используется для изготовления корпусов и подложек интегральных схем, мощных транзисторов, поглотителей и оконечных нагрузок.

В таблице приведены наиболее важные сравнительные электрофизические характеристики предлагаемой для использования в разработках научной аппаратуры керамики из нитрида алюминия (AlN) и керамики из оксида бериллия (BeO) и оксида алюминия (AlO ) по данным отечественных и зарубежных источников.

Таблица 1

Учитывая высокие теплофизические и электрофизические характеристики керамики из нитрида алюминия, возможности сохранения ее работоспособности в широком диапазоне температур, намечены следующие направления ее использования в космическом приборостроении в качестве:

–              корпусов и подложек мощных монолитных интегральных схем усилителей мощности;

–              коммутационных микрополосковых плат мощных полупроводниковых структур, устанавливаемых методом обратного монтажа;

–              подложек мощных согласованных нагрузок и поглотителей мощности;

–              теплопроводов устройств охлаждения приемных систем повышенной чувствительности;• теплопроводящих изоляторов нагревателей активных термостатов приборных узлов;

–              изолирующих прокладок в системах отвода тепла конструкционных узлов;

–              составляющих теплопроводящих клеев и смазок;  подложек термоэлектрических преобразователей на основе элементов Пельтье в системе охлаждения до температуры 160К;

–              элементов систем передачи тепла и нагрева (на криогенном уровне около 70К);

–              элементов систем с применением микрохолодильных машин для компенсации механических вибраций; элементов перспективных разработок в области схемотехники и микроЭВМ в качестве подложек для ЧИПов для улучшения отвода тепла и доведения плотности упаковки до 500см кремния в объеме 1 дм .

§3. Тонкопленочные структуры на основе нитрида алюминия.

Уникальные свойства тонких пленок нитрида алюминия позволяют применять их в микроволновых фильтрах и для пьезоэлектрических преобразователей. Нитрид алюминия (A1N) - прямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 6,2 эВ являясь перспективным материалом для создания солнечнослепых фотоприемных устройств в ультрафиолетовой области (200-280 нм) ультрафиолетового диапазона, позволяет обеспечить естественную селективность. Результатом интенсивных исследований A1N стала разработка фотоприемных устройств планарной конструкции. Попытки создания многослойных фотоприемников (сэндвич-структуры) наталкиваются на ряд проблем, основной из которых является обеспечение сплошности и однородности тонких пленок A1N на неориентирующих подложках. Тем не менее, в последние время акцент исследований смещается в сторону многослойных структур, позволяющих реализовать активные фотоприемники с большим коэффициентом усиления при существенном упрощении их технологии.

При обеспечении определенных условий удается формировать высокотекстурированные пленки A1N с наноразмерной столбчатой структурой (диаметр кристаллитов 20-50 нм). В этом случае тонкие пленки нитрида алюминия обладают рядом специфических свойств, таких как спонтанная поляризация, пьезоэлектрический отклик. Используя тексту-рированные, т. е. с определенной ориентацией кристаллитов, пленки как функциональные слои в многослойных фотоприемных структурах, можно ожидать проявление в их характеристиках подобных эффектов. Нитрид алюминия, обладающий структурой вюрцита, кристаллическая решетка которого относится к группе симметрии C6V6, должен проявлять пъезоэффект вдоль полярной оси С. В этом смысле особый интерес представляет синтез текстурированных пленок A1N с ориентацией полярной оси С перпендикулярно поверхности подложки. В работе [2] исследовались пленки нитрида алюминия, сформированные на тонких пленках нитрид титана, которые выступают в качестве эффективного нижнего электрода, обеспечивают рост сплошной, текстуры AlN и формируют к ней омический контакт. Обнаружено наличие встроенного поля пьезоэлектрического заряда в механически напряженных пленках нитрида алюминия, величина которого зависит от их толщины и показана возможность локальной модуляции пьезоотклика в пленках нитрида алюминия за счет приложения напряжения между кантеливером и нижним электродом. При воздействии ультрафиолетового излучения с длиной волны 265 нм эффект исчезает и параметры пьезоотклика в модулированной области пленки нитрида алюминия возвращаются к исходному состоянию. Этим встроенным полем обусловлено появление фототока в режиме короткого замыкания и сдвиг вольт-амперных характеристик многослойных структур металл/нитрид алюминия/нитрид титана.

Обнаружен эффект фотопамяти в структуре металл/AlN/TiN, обусловленный фотостимулированной миграционной поляризацией, который позволяет изменять величину и форму импульса фототока короткого замыкания в зависимости от времени экспозиции и величины и знака приложенного напряжения смещения.

Соединения, образующиеся в системе SiC-AlN, отличаются от традиционных полупроводников большей стой­костью к механическому и радиационному воздействиям. В них путем изменения состава возможно в широких пределах управлять оптическими, электрическими и структур­ными свойствами. Поэтому  исследования, направленные на изучение механизма формирования новых ши­рокозонных полупроводниковых твердых растворов на основе SiC и AlN, зависимостей электрических, оптических, механических свойств, структуры и морфологии от методов их получения имеет важное практическое значение.  В работе [3] были проведены исследования образцов твердых растворов основе карбида кремния (SiC) и нитрида алюминия (AlN) на карбид кремниевых подложках. Целью работы является исследование морфологии и проведение качественного химического анализа.

Изображение морфологии поверхности пленки и эпитаксивльный слой представлены на рис.1.4 и 1.5.

Химический анализ ступенчатого травления образцов показал, что содержание АlN на глубине 800 нм уменьшается до нуля. По данным сравнения спектров в различных областях видно, что уже на второй ступени травления AlN отсутствует. В спектре состава  прилегающей к ступенькам области обнаружено наличие Si, C, N, и Al. Анализ рельефа показал наличие областей бурного роста, высота которых составляет до 50 мкм и областей, где толщина напыленного слоя не достигает и 800 нм.

Нитрид алюминия является эффективным материалом при создании буферных слоев на кремниевой подложке для приборов нитрид-галлиевой оптоэлектроники, параметры которых в сильной степени зависят от качества эпитаксиальных слоев AlN, которые, в свою очередь, во многом  пределяется химическим составом и кристаллической структурой подложки. AlN   выращивают магнетронным распылением [4], пульсирующим лазерным осаждением (PLD), а также методами молекулярно-пучковой (MBE), газофазной из металлоорганических соединений (MOCVD) и хлоридной газофазной  (HVPE) эпитаксиями. Подложками для роста пленок AlN, как правило, являются монокристаллы карбида кремния, сапфира [5] и кремния. Как известно, параметры решеток и кристаллов AlN и SiC различаются  примерно на 1%, AlN и сапфира — на 14%, а AlN и Si — на 23% [1]. Существенное отличие и в коэффициентах термического расширения решеток AlN, Al2O3, и Si: (6.2, 9.4 и 3.8) · 10−6 K−1 выдвигает дополнительный аргумент в пользу использования карбида кремния в качестве подложки для выращивания слоев AlN. Высокая стоимость подложек SiC вынуждает исследователей прикладывать усилия для создания низкодефектных слоев AlN на наиболее дешевой подложке Si. В работе [6] предложен и экспериментально реализован новый подход к созданию методом хлоридной газофазной эпитаксии слоев AlN толщиной 0.1−10 μm на кремниевой подложке за счет формирования промежуточных тонких слоев (100 nm) карбида кремния SiC, проведено сравнительное изучение структурных особенностей слоев нитрида алюминия, выращенных на кремниевой подложке, как с промежуточным слоем SiC, так и без него. Показано, что использование промежуточных слоев и низких скоростей роста в методе позволяет вырастить качественные слои нитрида алюминия на кремниевой подложке.        

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

§ 1. Объекты исследования.

В качестве объектов исследований использовались пленки карбида кремния, эпитаксиально нанесенные на пластины кремния (структура SiC/Si) и гетероструктуры Pt/AlN/SiC/Si. Поверхность структуры Pt/AlN/SiC/Si получена с использованием микроскопа в отраженном свете и представлена на рис.2.1

Рис.2.1 Поверхность структуры Pt/AlN/SiC/Si. В левом верхнем углу платиновый электрод.

Толщины слоев SiC порядка 100-200 нм и AlN 200-1000 нм. На поверхность нитрида алюминия напылены платиновые электроды размером 330х360 мкм (рис.2.2)

Рис.2.2 Платиновый электрод

Таким образом, исследуемые гетероструктуры представляли собой конденсаторы с верхним платиновым электродом, нижним электродом служила структура SiC/Si.

§ 2. Измерение диэлектрических характеристик

Перед началом исследований были созданы схемы расположения конденсаторных структур на поверхности пленки, включающие в себя координаты всех электродов, электрическое состояние которых контролировалось по величине емкости, определенной с помощью универсального измерителя Е7-8 на частоте 1 кГц и измерителя иммитанса Е7-20, который позволял производить измерения в широком частотной диапазоне (20 – 10 6Гц), при различных измерительных напряжениях и в смещающих постоянных полях. Для измерений пленка ЦТС закреплялась на столике в специальном держателе (рис.3), который позволял, перемещаясь в 2-х координатных плоскостях с шагом 0,01 мм, тонкой иглой осуществлять контакт с верхними электродами. Другая игла фиксировалась на нижнем электроде.

Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрической пленки рассчитывалась по формуле плоского конденсатора

,                                                          (1)

где С – емкость пленки, d – ее толщина, S – площадь электродов, 0 –электрическая постоянная = 8,8510-12 Ф/м. 

§ 3. Метод динамического пироэффекта.

В качестве метода, позволяющего исследовать электрическое состояние пленок использовался динамический метод.

Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.4.

Периодически модулированный импульсами прямоугольной формы с частотой 24 Гц тепловой (световой)  поток, в качестве источника которого использовался гелий-неоновый лазер с длиной волны 0,63 мкм или осветитель ОИ-24, фокусируется собирающей линзой на верхнем электроде пленки в пятно диаметром 0,5 мм. Возникающий на металлизированных поверхностях пленки сигнал снимался с последовательно включенного с ней омического сопротивления. Электрический сигнал после усиления широкополосным усилителем (У4-28) с коэффициентом усиления 102 или операционным усилителем (250 МОм) фиксировался внешним индикатором (двухлучевым осциллографом С1-55). Контроль за фазой модулированного теплового потока осуществлялся с помощью фотодиода, сигнал с которого подается на другой вход осциллографа. Электрический отклик, подаваемый на второй вход осциллографа, сопоставлялся с опорным сигналом, снимаемым с фотодиода. Для оцифровки выходного сигнала с усилителя и опорного сигнала, снимаемого с фотодиода, использовалась плата сбора данных Ла-н150-14PCI, на которую они подавались через 2 независимых аналого-цифровых канала.