Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В.Корицкого и др. Том 3 (3-е изд., 1988) (1152098), страница 128
Текст из файла (страница 128)
Излучательная рекомбинация в карбиде кремния, обусловленная такими примесями, как азот, алюминий, бор, галлий, бериллий и скандий, обеспечивает широкие полосы люминесценции, лежащие в интервале энергий 1,4...2,9 эВ. На рис. 19.2! представлены спектры люминесценции кристаллов карбида кремния, легиро- Полупроводниковые соединения А'УВ'У (равд.
19) ванных различными примесями. Эффективная фотолюминесценцня карбида кремния при комнатной температуре достигается при легированни кристаллов такими примесями, как бор, бершший, скандий. Спектры люминесценции представляют собой широкие бесструктуриые полосы полушириной окопа 0,5 зВ (рнс. 19.21). Спектры фатолюмннеспенцин различных политнпов карбида кремния, легированных указанными выше примесями, подобны по форме и смещены относительно друг друга в соответствии с различиями в ширине запрещенной зоны этих политипов.
67 19,4. ДИФФУЗИЯ И РАСТВОРИМОСТЬ 11) ПРИМЕСЕЙ В КАРБИДЕ КРЕМНИЯ Для понимания процессов диффузии примесей в карбиде кремния и научного обоснования технологии выращивания моно- кристаллов необходимо знать коэффициенты самодиффузии основных компонентов. Температурные зависимости коэффициентов само- диффузии углерода и кремния в чистых н легированных кристаллах а-типа 6И-ЯС, полученные с помощью нэагопов "С и л'Я, приведены на рис. 19.22. Зтн зависимости описываются формулой Рис. 19.22. Температурные зависимости коэффициентов самодиффузни 44С и аз Я в кристаллах чистого (кривые 1, 4) и легированного аза.
том (кривые 2, 3) карбида кремния меньше, чем в легированных азотом, з то времи, как для коэффициента самодиффузии углерода имеется обратнаи закономерность. Это обусловлено тем, что па закону действующих масс концентрация вакансий кремния, имеющих акцепторные свойства, прн увеличении концентрации донорной прн- В,=(уа ехр ( — )Руйу].
Параметры См и )рг приведены в табл. 19.17. Из рис. 19.22 видно, что коэффицнеят самодиффузии кремния в чистых кристаллах Таблица 1К17. Параметры наэффициентов диффузии атомов в карбиде кремния палитипа 61) Энергия зктнэацяа зв„эВ Темпера- тура, К Коэффициент 04, СМ*/С Концентрация примесел Л4 ческий элемент Азот !О" !О" Азот 3.10'з см Азот 1О'4...10" см Азот 3.10м см 54р 3 !044 -з дгв — (2 5) 1044 см — з Л)з'=(1...1,5)1044 см з, объемный участок 54а'((3...5)10м см 5!в'С2.10м см ', объемный участок 54в ) 2.10" см ', поверхностный учасшк лаз=(1...2)10ы з Кристалл р-типа, объемный участок зз 5. м51 ~4С 44С В В (1) В (7] Вз А! Са Ве Ве Ве" Ы О 2273...2563 2273...2563 2123...2453 2123...2453 2273...2673 1873...2823 1873...2823 1873...2823 2073...2723 2!73...2623 1873...2573 ! 873...2573 1873...2573 1773...2473 2073...2623 (5,0! ~ 1,71)104 (1 54 ~ 0,78)10' (8.62-4-2,01)104 (3,32~ 1,43) 104 50,00 3,20 0,70 0,12 8,00 0,17 0,30.
32,00 10 ! 2.10 — з ! 1,00 — 7,22-+ 0,07 — 8,!8~0,10 — 7,4! ~0.05 — 8,20~0,08 — 5,6 — 5,1 — 5.1 — 3,4 — 6,1 — 5,5-4-0,2 — 3,1 — 5,2 — 1,5 — 1,7 — 6,9 [$19.4] Диффузия и растворимость примесей в карбиде кремния )0 20 мкм Рис. 19.23. Распределение концентрации при диффузии акцепторных примесей (алюминия, бора и бериллия) в кристаллы карбида кремния (заштрихованные части — - компенсированные области кристалла) меси — азот, будет увелнчиватьси, и это при имеющем место аакансионном механизме самодиффузии будет приводить к возрастанию коэффициента диффузии.
Вакансии углерода характеризуются данорными свойствами, и их концентрация при увеличении солержания доноров должна убывать, что будет приводить к снижению коэффициента самоднффузии углерода Диффузионное распределение акцепторных примесей в кристаллах карбида кремния обладает следующими основными особенностями: !. Наличие приповерхностных (большая концентрация, малые эффективные коэффициенты диффузии) и объемных (наоборот, меньшие концентрации, большие коэффициенты диффузии) областей (рис. 19.23). 2.
Наличие на границе между объемной и приповерхностной областями промежуточного аномального слоя. При диффузии алюминия и бериллия этот слой оказывается компенсированным с рэ а чаще с и-типом проводимости. При диффузии бора этот слой оказываетса слаболегированным и слабакомпенсированнмм (па сравнению с соседними областями) слоем р-типа электропроводности (рнс. 19.23). 3. Эффективный коэффициент диффузии существенна зависит от условий, реализуемых на поверхности отжигвемого кристалла: от соотношения Лз,/Фс в паровой фазе и на поверхности, концентрации легирующей примеси, присутствия третьего компонента.
Эти особенности обусловлены в основном генерацией углеродных вакансий вблизи поверхности кристалла, которые проявляют донорные свойства, а также образованием простых и сложных комплексов, состоящих из примесных атомов и вакансий. Температурные зависимости коэффициентов диффузии акцептарных примесей изображены на $0 00 д!0 4,0 4,2 4,4 4,0 4,0 л)00 Температурные зависимости коэфдиффузии примесей в карбиде кремния политипа 60 Рис. 19.24.
фициентов рис, 19.24, а их параметры представлены в табл. !9.!7. При низких поверхностных концентрациях бора (Л)Р( 3 1Ом см з) диффузионное распределение акцепторных примесей имеет стандартный вид и может быть описано одним коэффициентом диффузии. С ростом 0" наблюдается усложнение характера диффузионного распределения. Появляется крутой приповерхностный участок 5, значительно возрастает скорость диффузии в «объемной» области кристалла, причем последняя при температурах диффузии выше 2!00'С приобретает ступенчатый вид, распадаясь на участки Х и 1.
Поверхностную область распределения (5) нс удается описать одним коэффициентом диффузии. Диффузия бора в полярных направлениях [000!]С и [000!]59 практически одинакова, однако в направлениях, перпендикулярных оси с, диффузионные глубины в 1,2...1,3 раза больше. При диффузии в направлении, перпендикулярном линиям дислокации, наблюдается некоторос уменьшение глубины проникновения бора. Диффузия бора в сильно легированные алюминием кристаллы р-типв выше, а в кристаллы, сильна легированные азатом л-типа, ниже, чем в сравнительно чнс- Полупроводниковые соединения АшВш (равд. 19) 1,9 Таблица 19.18.
Отношения коэффициентов диффузии бора в легированных (азотом или алюминием) и чистых кристаллах карбида кремния тые монокрисгаллы ( Нд Ик-~ ! Оа см») (табл. !9.!8). Характер диффузионного распределения бора существенно зависит от состава паровой фазы. При увеличении соотношения Л'з,/Л~с в паровой фазе наблюдается зна ~игольное возрастание коэффициента диффузии, особенно в приповерхностной области распределения (в 2...4 раза). В «объемной» ветви этот эффект менее заметен, хотя все распределение сдвигается в сторону больших концентраций бора. Диффузия бора из предварительно выращенного эпитаксиакьного слоя, легированного бором, характеризуется более низкой скоростью по сравнению с диффузией из пара, особенно прн невысоких значениях Нн Однако при значениях Н!!, близких к предельной растворимости бора, уменьшение коэффициента диффузии наблюдается лишь в приповерхногтной сб»асти распределении.
Коэффициент диффузии бора зависит и от политипной структуры кристалла. Диффузионные глубины возрастают с уменьшением степени гексагональпости политипа в ряду 4Н, !5)1, 5Н, 219, 8Н, ЗС (рис. 19.25). Все отмеченные особенности диффузии бора в карбиде кремния хорошо согласуются с вакансионной моделью диффузии с участием комплексов «атом бора— вакансия углерода». Диффузионное распределение алюминия также имеет сложный профиль н состоит из крутого приповерхностного и более плавного объемного участков. Диффузионные параметры зависят от поверхностной концентрации, причем в отличие от бора с уменьшением Их' от 5.10м до 1 10'» см ' наблюдается некоторое возрастание коэффициента диффузии.
При диффузии алюминия из сильно легированных им эпитаксиальных слоев также В 91 92 В„У 9,4 ((у Рис. 19.25. Зависимость относительного коэффициента диффузии бора от степени гексаго- нальности политипа наблюдается резное уменьшение скорости диффузии по сравнению с диффуаией из пара. Предполагается, что диффузия алюминия идет по вакансиям кремния. Распределение бериллия при малых поверхностных концентрациях (НШ ( 2Х )(1О'« см з) имеет стандартный вид. При более высоких поверхностных концентрациях распределение бериллия имеет отчетливо выраженные крутой прнповерхностный и более плавный объемный участки, каждый из которых может быть описан ег!с-функцией. В приповерхностной области диффузия бериллия идет по вакансиям углерода, в объемной части кристалла — значительная доля бериллия диффундирует по междоузлиям в виде двухзарядных ионов Ве+», что обусловливает большие коэффициенты диффузии и малые энергии активации процесса.
Бериллий в междоузлиях карбида кремния обладает донорными свойствами. Диффузия бериллия в карбид кремния, сильно легированный азотом, незначительно замедляется, в то время, как в кристаллах, легированных алюминием или бором, наблюдается существенное возрастание подвижности бериллия (табл. 19.!9). Коэффициент диффузии скандия очень Таблица 19.19. Отшгшеиия коэффициентов диффузии бериллия в легированных (азотом, алюминием или бором) н чистых крнсталлак карбида кремния Диффузия и растворимость примесей в карбиде кремяия [4 19.4) д) 4 мяч б/ 10 ' б 4 ГО т в б УО э в б уа' 4 20 40 ОО яэб ОО 20 40 бО мэВ ОО Рис. 19.2б.
Зависимость средаею значения проекции пробега Ир (а) и среднею ~юрмального отилонения проекции пробега й()е (б) в В!С ат энергии для различных ионов 1-- Ве; 2 — В; 3 — Ы; 4.-А1; Б — Р Таблица 19.20. Предельные концентрации примесей в кристаллах карбида кремния, легированных в процессе роста мал и при температуре до 2073 К составляет менее !О ы смз/с. Среди доиориых примесей изучалагь диффузия лишь азота, кислорОда и лития (см. Рис, 19.24, табл. !9.17) . Неопределенность в коэффициентах диффузии азота обусловлена трудностями их определенна вследствие малости значений. Так, при температуре 2550 'С коэффициент диффузии азота составляет около 10 'т смт/с. Литий среди изученных примесей в карбиде кремния обладает самым большим коэффициентом диффузии.
Его диффузия наблюдается даже при комнатной температуре. Наряду с диффузионным легироаанием монокристаллов карбида кремния интенсивно развивается и ионное легирование, ~то для З(С особенно актуально в связи с высокими температурами и большими длительностями диффузионных отжигав. Кроме того, диффузия важнейшей донорной примеси — азота, чрез- вычайно трудная проблема. В настоящее время ионное легирование карбида кремния осуществляется почти всеми важнейшими донорными н акцепторными примесями.
На рис. 19.26 изображено распределение длин пробегов различных ионов в моиокристаллах карбида кремния. Стжиг радиационных дефектов после ионного легнрования производят либо термически при температуре ИОО... ... !ВОО 'С втечение минут или десятков секунд, либо воздействием лазерного излучения. Легировавие кристаллов карбида кремния в процессе их роста из ~азовой фазы может осуществляться либо при наличии равновесия между состояниями примеси в маточной среде и сбъеме ирнсталла, либо при отсутствии такового.
Первый случай имеет место при скоростях роста, много меньших скорости диффузии примеси в кристалл. В этом случае концентрация легирующей примеси в кристалле зависит только от температуры роста Лолрпроводниковые соединения А'тВ'" [разя. 19] 6) б) Кт Ог а) мК с ам А 00 А 0 (]2 00 06 бй) [О Б!С 0-х] АЪ)( Ог)/2 Ок)70 ОгзОО ОПОЯ) 015 АТН х ЯС О 02 Ф (]б аВ 1/7 0(С (1-х) АТИ Рис. 19.27. Зависимости параметров решетки при 7=300 К (а) температурного коэффициента линейного расширения при температуре 300...800'С (б) и коэффициента теплопроводности (7= =300 К) (в) от состава твердых растворов (З)С),(А))()> зВ 19.5.
ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ НА ОСНОВЕ КАРБН)дА КРЕМНИЯ льС Глкб ь)Я) Гзгл АТК Существует довольно много различаых видов твердых растворов в системе 3! — С— А1 — Π— г(. Большинство из них, например, такие, иак (3!С),(З!з)(«)~ , получают пока в виде керамики для целей пгнеупорной промышленности. /(ля электронной техники большое значение имеет непрерывный ряд твердых растворов карбида кремния с пря- Рис. 19.28. Зависимости положения К-минимумов (кривая!) и Г-мииимумов (кривая 2) зОны проводимости от спстава твердых растворов (8!С) (А!Н)~ Переход от «непрямойк структуры зои к «прямойк происходит прв к=-0,7 и ие зависит от скорости роста и кристалла- графической ориентации растущей грани.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
