Книги по разным темам Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 | 6 | 7 |

В процессе наблюдений регистрировался как импульсный ток, связанный с потоком электронов из эмиттера, так и постоянный, обусловленный локальным пробоем и неконтролируемыми утечками в области коллекторного перехода. При этом падение наблюдалось только на ВАХ импульсного тока. Кроме того, излучение, сопровождающее резкий рост импульсного тока, гасло при пороговом поле возникновения ОДП.

Наблюдаемые экспериментальные факты можно объяснить следующим образом. Участок резкого нарастания электронного тока связан с ММРТ электронов из состояний дискретного спектра первой минизоны во вторую минизону, сохраняющую квазинепрерывность.

Последующее падение тока может быть связано с БО Рис. 15. I-F-характеристика экспериментальных структур электронов во второй минизоне. Исходя из простейполитипа 4H-SiC. Схема измерений: см. рис. 11 и 12, c.

шего закона увеличения ширины минизоны с ростом ее номера можно считать, что вторая минизона примерно в 4 раза шире первой и при имеющихся полях квазинепрерывность электронного спектра в ней еще (LA) и оптического (LO) фононов [33]. Других осоне нарушается, и поэтому в этих условиях возможен бенностей, связанных с резонансным взаимодействием механизм БО для электронов. Известно, что межминифононов с состояниями ванье-штарковской лестницы в зонное резонансное туннелирование становится возмож4H, не обнаружено. Это можно объяснить тем, что ным при выполнении (26). Представляется корректным условие сильной локализации в политипе 4H, имеюхарактеризовать процесс резонансного туннелирования щем значительно более широкую, чем в 6H (примерно не средним, а максимальным полем в области объпропорционально 1/d2, т. е. более чем в 2 раза) перемного заряда (29). Следовательно, штарковская энервую минизону, выполняется при более сильных полях.

гия, соответствующая межминизонному туннелироваВ частности, указанное условие не может выполняться нию, составляет около 303 мэВ, что равняется сумме при штарковской энергии, соответствующей энергии E1/2+E12, откуда E12 175 мэВ. При этом сумма значепоперечного акустического фонона.

ний E1 + E12 + E2 1.46 эВ, что находится в хорошем Отсутствие особенности, связанной с полной локалисоответствии со спектральным положением межминизацией первой минизоны и межминизонным туннелизонной полосы поглощения, обусловленной переходами рованием, можно объяснить тем, что в силу большей между первой и второй минизонами [24].

ширины первой минизоны в 4H условия (25) и (26) Использованная методика эксперимента полностью выполняются только при очень сильном электрическом удовлетворяет требованиям исследования электронного поле, превышающем ограничение, связанное с лавинным компонента ударной ионизации. Как следует из выше- пробоем.

изложенного и рис. 14, во всей области полей, вплоть до 0.9Fb, доминируют процессы электронной ВШЛ, ис4.4. Насыщенные скорости вертикального ключающие возможность электронной УИ. Делокализадрейфа электронов в политипах карбида ция электрона происходит после его перехода во вторую кремния минизону. Следовательно, возникновение электронного компонента ударной ионизации возможно при полях Насыщенная дрейфовая скорость является важнейшей F > 0.9Fb, что согласуется с данными разд. 2.3.

характеристикой полупроводникового кристалла. Она Аналогичные измерения были выполнены для полити- определяет частотные пределы полупроводниковых припа 4H. Полученные в результате ВАХ представлены на боров и, следовательно, область их наиболее эффективрис. 15. В данном случае были обнаружены только две ного использования. Все это в полной мере относится особенности, содержащие ОДП при пороговых полях и к кристаллам на основе карбида кремния. В насто(1.6-1.7) 106 В/см и (1.9-2) 106 В/см, что соответ- ящее время насыщенные дрейфовые скорости экспериствует штарковским энергиям 80-85 и 96-100 мэВ. Эти ментально определены для двух политипов SiC 4H и значения близки к энергия продольных акустического 6H в направлении, перпендикулярном оси ЕСР [34,63].

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Ванье-штарковская локализация в естественной сверхрешетке политипов карбида кремния... Согласно приведенным данным, значения скоростей сов- ВАХ второй области, где v = const, будет описыватьпадают в обоих политипах, что не удивительно, учиты- ся следующим выражением:

вая кристаллографическую идентичность этого направJ = 2SvSV /w2, (35) ления во всех политипах. Однако кристаллографическое направление вдоль оси ЕСР в политипах достаточно где vS Ч насыщенная скорость. Таким образом, когда сильно различается. Наличие минизонной структуры в дрейфовая скорость насыщается, мы должны наблюдать электронном спектре политипов должно сказываться линейную область ВАХ.

на значениях насыщенных скоростей, другими словами, должна наблюдаться корреляция между параметрами 4.4.2. Экспериментальная структура. Для данных минизонного спектра и значением скорости. Такая завиисследований была использована структура n+-p-n+, симость между шириной первой минизоны и дрейфовой аналогичная использованной для измерений ВШЛ, опискоростью получена аналитически [4] и наблюдалась в санная в разд. 4.1. Благодаря низкой концентрации различных объектах с искусственной СР.

свободных дырок в базе, практически при любом токе До сих пор такие данные для SiC в литературе отсутчерез базу концентрация инжектированных в базу элекствовали. По-видимому, экспериментальные трудности, тронов превысит концентрацию дырок, что обеспечит связанные с созданием микроструктур для токопротев базе режим токов, ограниченных объемным зарядом.

кания в направлении оси ЕСР, не позволили решить Движение электронов и ток в базе будут дрейфовыми.

такую задачу. Однако многие приборы, включая мощные Это в итоге создаст условия, при которых справедливы высокочастотные транзисторы, разрабатываются именно уравнения (31) и (32).

для такой геометрии, поэтому решение этой проблемы Данная методика [64] существенно отличается от траприобретает еще и практическое значение.

диционно используемой методики насыщения токов, в которой измерения происходят в режиме очень большой 4.4.1. Экспериментальный метод. Наш метод осноплотности тока. Последнее вызывает необходимость вывается на следующей идее. Если в экспериментальпринятия специальных мер для теплоотвода и высокого ной структуре реализуется режим токов, ограниченных качества контактов. В предложенной методике указанпространственным зарядом, и режим дрейфового тока, ных трудностей удается избежать, поскольку плотности то это позволяет получить насыщенную дрейфовую скотоков не превышают 102 А/см2. Отличие состоит и в рость из анализа вольт-амперной характеристики (ВАХ).

том, что электроны находятся не в n-, а в p-материале, Такой режим для одномерной задачи описывается следухотя в данном случае концентрация примеси (порядка ющими уравнениями:

1017 см-3) примерно такая же, что и в n-материале, d2V /dX2 = /S, (30) использованном в [34,63]. Последнее обстоятельство не столь важно, поскольку насыщенная скорость, являясь J = v, (31) фундаментальной величиной, определяется не примесгде V, X, J,, S, v Ч напряжение на структуре, координым рассеянием, а рассеянием на оптических фононах.

ната вдоль направления тока, плотность тока, плотность Режим работы структуры был аналогичен использованобъемного заряда, диэлектрическая константа полупроному в разд. 4.2, а для измерений в таких политипах водника и дрейфовая скорость соответственно. Отсюда с как 8H, 21R и 15R, где критическое поле БО было помощью стандарных преобразований получаем следуюменьше поля насыщения дрейфовой скорости, отбиращее выражение для ВАХ такой структуры:

ись структуры, в которых не наблюдалось ОДП, о чем упоминалось в разд. 4.2. В случае 4H- и 6H-SiC, J = 2SvV /w2. (32) в которых пороговое поле БО больше поля насыщеная Можно показать, что полученная ВАХ состоит из двух дрейфовой скорости, использовались оба типа структур, областей: первая область, где дрейфовая скорость завино заметных различий в ВАХ при этом не наблюдалось.

сит от поля, и вторая область, где дрейфовая скорость насыщается и не зависит от поля. Если принять, что в 4.4.3. Экспериментальные результаты и их обсупервой области скорость изменяется как ждение. Результаты, изложенные далее, представлены в работах [65,66]. На рис. 16 показаны ВАХ структур v = V /w, (33) на основе нескольких политипов SiC. Три ВАХ для тогда ВАХ этой области будет описываться следующим 4H, 6H и 8H очень похожи между собой и состовыражением:

ят из нелинейной начальной области и последующеJ = 2SV /w3. (34) го линейного участка. ВАХ для 21R-SiC не имеет Здесь , w являются подвижностью носителей заряда и нелинейной начальной области. Согласно вышепривешириной активной области структуры соответственно. денному выражению (35), нелинейная область должна Следует отметить, что подвижность в (34) может сама соответствовать квадратичному закону изменения тока быть функцией поля, и тогда реальная ВАХ будет иметь от напряжения J V. Однако на реальной ВАХ зависимость, отличную от выражения (34). ток изменяется по степенному закону с показателем 2 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 788 В.И. Санкин 6H Ч2 106 и для 4H Ч3.3 106 см/с, что качественно подтверждает зависимость vs 1/d [4]. Количественное совпадение вряд ли возможно по двум причинам.

1. Упрощенность теоретических представлений, основанных на квадратичном законе дисперсии.

2. Экспериментальные погрешности, среди которых прежде всего следует отметить неточность в определении ширина базы W, достигающую (10-20)%, что приводит к величине погрешности в определении скорости (20-40)%. Пороговые поля, при которых происходит насыщение дрейфовых скоростей, для ряда политипов 4H, 6H и 8H составили 1.55 105, 1.4 и 1.35 105 В/см. Небольшое различие этих значений может являться результатом отличий объективных характеристик политипов, а также погрешности, о которой говорилось выше. Согласно [4], дрейфовая скорость в режиме минизонного транспорта Рис. 16. I-F-характеристика экспериментальных структур A F политипов SiC: 6H Ч 1, 4H Ч 2, 8H Ч 3, 21R Ч 4. Схема vd =, (36) B (1 +(F/B)2) измерений: см. рис. 11 и 12, b.

где A = dE1/(2 ), B = /ed. Для 6H-SiC E1 = 256 мэВ (табл. 2). Полученное из (36) время рассеяния 1.примерно 1.6, т. е. J V. Выше было высказано = 5 10-13 согласуется с данными разд. 4.2.

предположение о том, что квадратичный закон может Из-за технической невозможности регистрировать обне соблюдаться в случае, если подвижность носителей ласть перехода от нелинейного участка к линейному заряда зависит от поля. По-видимому, в нашем случае на ВАХ 21R о пороговом поле можно сказать, что -0.эта зависимость от поля выражается законом V, оно не больше чем 1.6 105 В/см. Среди рассмотренчто в результате и приводит к отклонению начального ных политипов 21R-SiC характеризуется чрезвычайно участка ВАХ от квадратичной зависимости. Отсутствие низким значением насыщенной скорости дрейфа элекнелинейного начального участка на ВАХ 21R-SiC обустронов, почти на 3 порядка уступающим значениям ловлено не физическими причинами. Очень высокое для остальных политипов. Это невозможно объяснить внутреннее сопротивление данных структур, вследствие в рамках одного и того же механизма электронного низких подвижностей электронов, не позволяло реги- транспорта. Если, согласно вышесказанному, скорости стрировать нелинейный начальный участок ВАХ из-за 4H, 6H, 8H неплохо объясняются минизонным транснизких значений токов. Поэтому полученная ВАХ пред- портом, то величина скорости в 21R-SiC на 2 поставлена только линейным участком, снятым при доста- рядка меньше значения, обусловленного минизонным точно больших полях, обеспечивающих минимальный транспортом. Согласно концепции ВШЛ (разд. 4.3), для регистрации уровень токов. Анализ ВАХ позволил вследствие очень узкой минизоны электронный спектр определить насыщенную скорость дрейфа электронов в 21R-SiC становится дискретным уже при достаточно ЕСР 21R-SiC. Ее величина оказалась чрезвычайно низкой низких полях (1-2) 105 В/см. Заметим, что для 6H и составила 4 103 см/с, что является свидетельством эти поля составляют минимум 6 105 В/см, для 8H Ч высокой степени локализации вследствие очень узкой около 4 105 В/см, а для 4H Чоколо 106 В/см. По этой минизоны. Из рассматриваемых политипов 21R-SiC име- причине минизонный транспорт при таких полях в 21R ет наиболее сложную и длиннопериодную сверхрешетку.

невозможен и, по всей вероятности, в 21R реализуется Последнее и обусловливает узкие минизоны.

перескоковый механизм электронного транспорта, чем и В ряду политипов 4H, 6H и 8H величина периода СР объясняется столь резкое падение дрейфовой скорости в возрастает пропорционально номеру политипа от 5 до этом политипе.

10. Оценка ширины первой минизоны E1 в 6H-SiC Суммируя полученные данные, можно сказать, что для была нами сделана на основе экспериментальных данных политипов 4H, 6H, 8H наблюдается зависимость дрейисследования ВШЛ (разд. 4.3). Исходя из соотношения фовой скорости от параметров ЕСР, которая находится в E1 k2 = 2/d2 можно оценить ширину первой мини- качественном и количественном соответствии с простой d зоны политипов 4H и 8H с аналогичной СР. Согласно теорией Есаки и Тсу [4]. Этот результат является также вышеуказанным значениям периода СР, E1 для 4H будет независимым подтверждением минизонного транспорта в 2.25 раза больше, а в 8H примерно в 1.9 раза меньше, при полях порядка (1-2)105 В/см в этих политипах, что чем в 6H. Полученные значения насыщенных дрейфовых совпадает с представлениями, изложенными в разд. 4.скоростей электронов составляют: для 8H Ч106, для и 4.3.

Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Ванье-штарковская локализация в естественной сверхрешетке политипов карбида кремния... Таблица 2.

Ft для ЭПЛ Ft для ММРТ Vs электронов Ft для БО первой электронов Политип Ft для ЭФР, E1, E1,2, в первой электронов, электронной между 1-й и 2-й SiC 106 В/см мэВ мэВ минизоне, 105 В/см минизоны, минизонами, F C, см/с 106 В/см 106 В/см 4H 2.9 1.6; 2.0 500 3.3 6H 1.5 0.6; 1.1; 1.37 1.8 1.9 260 176 2.0 8H 1.1 140 1.0 15R 1.2 21R 4.4 Аномально низкое значение дрейфовой скорости в поля в этом случае не превышала 150 кВ/см, что более 21R-SiC свидетельствует, что механизм дрейфа меняется чем на порядок меньше самых меньших среди известных при существенном изменении параметров минизонно- значений пробойного поля в 6H-SiC. Вероятно, такой го спектра. В частности, сужение минизоны приводит дефект поля может быть преодолен за счет доменизации к выполнению условий сильной локализации в более поля в области базы. Образование домена поля, как изслабых полях, последующему подавлению минизонного вестно, возможно при возникновении в кристалле ОДП.

транспорта и вероятному переходу к механизмам тун- Согласно вышесказанному, при таких полях 150 кВ/см нельных перескоков между отдельными ячейками в ЕСР.

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 | 6 | 7 |    Книги по разным темам