Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 5 Прогресс в выращивании кристаллов и изучении широкозонных полупроводниковых материалов й Ю.А. Водаков, Е.Н. Мохов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: mokhov@sic.ioffe.rssi.ru Демонстрируются возможности сублимационного сэндвич-метода для контролируемого роста монокристаллов и эпитаксиальных слоев различных политипов SiC и GaN. Управляемое получение чистых (ni < 1616 cm-3) и сильно легированных кристаллов и эпитаксиальных слоев этих материалов позволило подробно изучить их полупроводниковые параметры, идентифицировать природу ряда важнейших примесных центров. На примере SiC установлено, что большая энергия химической связи атомов, характерная для этих соединений, является причиной образования устойчивых метастабильных состояний, в том числе ассоциатов и кластеров, включающих собственныe дефекты, существенно влияющих на свойства материала. Кластеры, образующиеся на поверхности, при росте кристаллов могут быть источниками зарождения различных политипов.

К широкозонным полупроводниковым материалам от- объясняется тем, что SiC в отличие от GaN является носятся материалы с шириной запрещенной зоны близ- относительно термически стабильным материалом и не кой или превышающей 2.3 eV. Материалы этой группы разлагается при повышенных температурaх.

могут использоваться для создания различных оптоэлектронных приборов, в том числе светоизлучающих диодов 1. Рост и легирование SiC и GaN и лазеров, предзназначенных для работы в коротковолновом диапазоне видимого и UV спектра [1]. Выдающи1.1. С у б л и м а ц и о н н ы й с э н д в и ч - м е т о д. Авмися представителями этой группы являются SiC и GaN, торами был предложен метод выращивания эпитаксикоторые к тому же характеризуются большой энергией альных слоев и монокристаллов, вначале SiC [3], затем связи (5Ц6 eV). Эти материалы являются чрезвычайно GaN [4], ныне известный как сублимационный сэндвичперспективными для создания мощных высокотемпераметод (ССМ). Принципиальная схема этого метода турных устройств. Например, максимальная рабочая темописана ранее [5].

пература для различных приборов на базе SiC находится Основные достоинства этого метода следующие.

в пределах 730Ц1300C, что на 400C и более выше, 1) Внутри сэндвич-ячейки роста можно реализовать чем для Si и GaAs. Пробивные напряжения для SiC и поддерживать условия, близкие к равновесным, в и GaN структур на порядок выше, чем у классических широком диапазоне температур, пересыщений, внешних полупроводников.

давлений, составов паровой фазы. В результате оказываИнтенсивные исследования широкозонных полупроется возможным получать весьма совершенные монокриводниковых материалов (в первую очередь SiC и GaN) сталлические слои, даже таких разлагающихся соединенами проводятся с 60-х годов. При этом основной упор ний, как GaN, осуществляя сублимационный массопеределался на разработке технологических основ получения нос вещества от источника к подложке с исключительно этих материалов, включая рост кристаллов и эпитаксивысокими скоростями (до 1Ц2 mm/h) в отсутствие химиальных слоев, контролируемое их легирование примеческого транспортера. При этом эффективность переноса сями для создания приборных структур. Проводилось вещества близка к 100%.

комплексное изучение свойств материала, особенностей 2) Состав паровой фазы легко контролируется, что поведения в нем примесей и собственных дефектов в позволяет обеспечить необходимый уровень легирования связи с условиями получения и последующего релаксавыращиваемого кристалла, вариацию его стехиометричеционного отжига. Особое внимание уделялось проблеме ского состава и политипа.

политипизма SiC. Отметим, что основные параметры 3) В рамках этого метода можно получить дополниполитипов SiC, определенные нами в 60Ц70-х годах, до тельные сведения о механизмах роста и легирования сих пор остаются достаточно надежными и в последую(в том числе и о элементарных стадиях), облегчая щие годы были лишь незначительно уточнены. В часттем самым возможность теоретического моделирования ности, была доказана перспективность такого политипа процесса массопереноса и верификацию моделей.

как 4H [2].

1.2. Н и т р и д г а л л и я. Впервые эпитаксиальные В настоящем сообщении приведены оригинальные ре- слои GaN были получены методом сублимации на подзультаты исследования процессов роста и легирования ложках SiC и сапфира в реакторе горизонтального типа SiC и GaN. Основная часть информации, касающаяся с высокочастотным нагревом [4,6]. В качестве сублианализа особенностей легирования, посвящена SiC. Это мирующего источника использовался порошок GaN или Прогресс в выращивании кристаллов и изучении широкозонных полупроводниковых материалов Уровень легирования растущего слоя сильно зависит от многих факторов, включая ориентацию подложки, температуру и скорость роста, стехиометрический состав паровой фазы [5]. Эти эффекты могут быть объяснены отсутствием равновесия в системе парЦкристалл при практически реализуемых условиях роста. Известно, что условием такого равновесия является неравенство:

Vg < Di/h (Vg Ч скорость роста; Di Ч коэффициент диффузии примеси; h Ч толщина растущего слоя).

егко показать, используя экспериментальные значения Di, что для большинства примесей это условие не соРис. 1. Спектр люминесценции GaN, выращенного на подложблюдается. Поэтому анизотропия легирования является ке SiC.

следствием различия адсорбционных свойств полярных {0001} граней. Например, концентрация акцепторных примесей Al и Ga в слоях, выращенных на полярных гранях {0001}, может различаться в 5Ц10 раз. Однако металлический Ga. Рост осуществлялся при температуориентационная анизотропия легирования может быть ре 1100Ц1300C в потоке аммиака. При этом удалось значительно уменьшена путем повышения температуры реализовать очень высокие скорости роста, вплоть до роста или изменения состава паровой фазы, например, 1 mm/h. Была показана возможность выращивания как толстых эпитаксиальных слоев, так и объемных кри- при введении в зону роста паров кремния.

сталлов, толщиной до 0.8 mm и линейными размерами до 15Ц20 mm.

Нелегированные образцы имели n-тип проводимости с концентрацией электронов 2 1017 cm-3 или более. Были также получены образцы GaN, легированные примесями Fe, Mn, Ni и V. Природа большинства этих примесных центров была впервые идентифицирована с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Типичный спектр люминесценции полученных образцов представлен на рис. 1. Видна одиночная резкая экситонная линия и широкая полоса в желтой области спектра. Необходимо отметить, что интенсивность желтой полосы сильно зависит от структурного совершенства выращиваемого образца. Высокая интенсивность этой полосы наблюдалась вблизи структурных и морфологических дефектов кристалла. Повышенная интенсивность желтой люминесценции отмечалась в эпитаксиальном слое, примыкающем к подложке, что очевидно обусловлено напряжениями, генерируемыми несоответствием решеток подложки и GaN. Эти данные, а также результаты рентгеновских исследований доказывают возможность получения весьма совершенных слоев GaN методом сублимации.

1.3. Карбид кремния. Эпитаксиальные слои SiC выращивались при температуре 1700Ц2600C в инертной атмосфере или в вакууме. Были также выращены объемные кристаллы SiC, политипов 4 и 6H, диаметром до 40 mm и толщиной до 15 mm. Наиболее чистые нелегированные слои SiC имели концентрацию электронов 1015 cm-3. Показана возможность выращивания сильно легированных кристаллов SiC как электронного, так и дырочного типов проводимости с предельно высоким уровнем легирования, близким к 1021 cm-3. Данные Рис. 2. Зависимость элементарного коэффициента захвата N, по предельной концентрации в слоях SiC для более B, Al и Ga от концентрации примеси в источнике. Направление 20 примесей приведены в [7]. роста: a Ч [0001] C, b Ч [0001] Si. TG = 1850C.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 824 Ю.А. Водаков, Е.Н. Мохов Как правило, концентрация большинства примесей выше на (0001)Si грани, чем на (0001)C грани вследствие более высокой поверхностной энергии (0001)Si грани. Исключение составляют донорные примеси V и VI групп, которые лучше адсорбируются на углеродной грани.

Используя сэндвич-систему, удалось рассчитать элементарные коэффициенты захвата важнейших примесей (Ki) в зависимости от условий роста и ориентации подложки (рис. 2). Выяснилось, что элементарные коэффициенты захвата для примесей значительно меньше, чем для матричных атомов. С повышением температуры роста эффективность захвата большинства примесей возрастает, в то же время для донорных примесейэлементов V-группы она, наоборот, падает.

Рис. 3. Зависимость концентрации углеродных вакансий от Увеличение концентрации примеси, а также дополнидоли гексагональности политипа в образцах, выращенных при тельное введение в зону роста поверхностно-активных различных условиях: методом Лели, T = 2600C (1); ССМ примесей (например, кремния) приводит к уменьшению при избытке Si, T = 1900C (2); ССМ при избытке углерода величины Ki.

(система SiCЦSn), T = 2200C (3).

Для примесей V-группы (азота, фосфора) эти эффекты объясняются за счет десорбции примесей из поверхностного слоя. Другой причиной низких значений Ki является уровне 3 1017 cm-3 (рис. 3). Методом ЭПР были образование на растущей поверхности включений второй выявлены и идентифицированы ассоциаты, включающие фазы, обогащенных вводимой примесью. Доказано, что в себя акцепторную примесь и углеродную вакансию. Отподобные процессы с образованием выделений вблизи метим, что последние ответственны за глубокие центры структурных и морфологических дефектов наиболее тис энергией ионизации EV + 0.5-0.6 eV. Кристаллы, обопичны для примеси бора [8].

гащенные кремнием, обладают характерной дефектной люминесценцией со спектром Dl, ранее наблюдаемой 2. Собственные дефекты лишь в кристаллах, содержащих радиационные дефекты.

в выращенных кристаллах SiC Центром этой люминесценции очевидно является вакансионный ассоциат.

В работе были рассмотрены различные способы ввеСобственные дефекты в кристаллах SiC, обогащенных дения в растущий кристалл нестехиометрических собкремнием, частично находятся в виде кластеров [11,12].

ственных дефектов. Все они базируются на низкой скоИменно присутствием кластеров очевидно объясняется рости протекания релаксационных процессов на фазовой эффект повышенной термической стабильности неравгранице и в объеме кристалла. Например, понижение новесных дефектных центров. Например, температура температуры сублимационного роста или увеличение отжига в них центров дефектной люминесценции типа скорости конденсации ведет к обогащению растущего Dl и D, введенных при облучении частицами высоких кристалла избыточным кремнием. Тот же эффект достиэнергий, на 600Ц800C выше, чем в аналогичных по гается введением в систему Si, а также примесей Ta, Zr, примесному составу образцах SiC, выращенных методом Hf, P и Ba [9]. Для относительного обогащения криЛели при стундартных условиях (Tg = 2600C).

сталла углеродом наиболее перспективными примесями С присутствием кластеров, являющихся концентратоявляются элементы 1VЦb группы, особенно олово [10].

рами напряжений, можно связать повышенную склонИсследуя свойства кристаллов в зависимости от услоность к генерации дислокаций и образованию трещин, навий роста, было установлено, что собственные дефекты блюдаемую у образцов, содержащих избыток Si. Кластевыявляются прежде всего в кристаллах SiC, выращенных ры очевидно ответственны также за микроплазменный при относительно низких температурах и содержащих пробой эпитаксиальных p-n-переходов, характерный для избыточный кремний [11].

этой группы кристаллов. В отличие от обычных микроРазличными методами, включая ЭПР, позитронную плазм, обусловленных протяженными дефектами, такие диагностику, нестационарную электронную спектроскомикроплазмы отжигаются при температуре Ta > 2550C.

пию глубоких уровней, люминесцентный анализ, в них были обнаружены ассоциаты, включающие в себя соб- Отметим, что полный релаксационный отжиг, при котоственные дефекты, а также примесные атомы. Напри- ром утрачиваются специфические особенности нестехиомер, результаты, полученные позитронной диагности- метрического кристалла происходит лишь при темперакой прямо указывают на наличие в таких кристаллах туре Ta > 2550C. Это также объясняется присутствием повышенной концентрации вакансионных дефектов на кластеров, устойчивых до высоких температур.

Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Прогресс в выращивании кристаллов и изучении широкозонных полупроводниковых материалов Кластеры слабо влияют на полупроводниковые свой- Таким образом, показана перспективность использоства материала, так как они являются электрически вания сублимационного сэндвич-метода для выращиванеактивными, но их распад при высоких температурах ния SiC и GaN, легированных различными примесями.

вследствие процесса освальдова созревания, способству- Установлено, что процесс легирования этих материалов ет повышению термической стабильности более простых является существенно неравновесным. В кристаллах SiC, центров, например Dl Ч центров, являющихся активатовыращенных при избытке Si, обнаружена повышенная рами люминесценции. При этом выявлена существенная концентрация собственных дефектов в виде метастабильроль примесей (например, азота и бора), способствуюных ассоциатов и кластеров, включающих собственные щих кластеризации. Наличие скрытой нестехиометрии дефекты и примеси, существенно влияющих на свойства в SiC [10] также можно объяснить наличием кластеров.

материала. Демонстрируются возможности управляемоУчитывая то, что повышенное содержание собственных го изменения стехиометрического состава и политипа в дефектов наблюдается в образцах, выращенных при изпроцессе роста SiC.

бытке кремния, следует думать, что кластеры включают в себя междоузельные атомы кремния или вакансии угле- Работа была частично поддержана РФФИ (грант № 9802-18241).

рода. Прямые доказательства присутствия кластеров как вакансионного, так и междоузельного типа, стабильных до высоких температур выше 2000C, получены при Список литературы изучении образцов SiC, облученных частицами высоких энергий, методами электронной микроскопии, рентге[1] H. Morkoc, S. Strite, G.B. Gao, M.E. Lin, B. Sverdlov, новской дифрактометрии и позитронной диагностики.

M. Burns. J. Appl. Phys. 76, 13639 (1994).

Сама возможность возникновения различных класте[2] Ю.А. Водаков, Г.А. Ломакина, Е.Н. Мохов, В.Г. Одинг, ров, включающих собственные дефекты и примеси, В.В. Семенов, В.И. Соколов. В сб.: Проблемы физики устойчивых при высоких температурах роста кристалла, и технологии широкозонных полупроводников. Л. (1979).

является фактором, способствующим политипизму. Мы С. 164.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам