CC BY
42
УДК 621.315.592
Д. Д. Новиков, Э. А. Ахметшин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 * e-mail: [email protected]
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРИСТАЛЛОВ 6H-SiC МЕТОДОМ НАПРАВЛЕННОЙ ТЕРМОДИФФУЗИИ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ В ПРИЛОЖЕННОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Аннотация
Гексагональная модификация карбида кремния 6H-SiC является очень перспективным материалом для силовой электроники благодаря своим уникальным полупроводниковым свойствам, таким как: высокая напряженность электрического пробоя, малые токи утечки, обусловленные большой шириной запрещенной зоны, высокой теплопроводностью, устойчивостью к радиации и высоким температурам. К сожалению, большинство производимых сублимационными методами кристаллов обладают слишком дефектной структурой и загрязнены примесями, что препятствует их применению в электронике. Описанный в данной работе метод модификации функциональных характеристик карбида кремния с помощью направленной термодиффузии примесных атомов в результате саморазогрева кристалла в приложенном электрическом поле позволяет контролируемо изменять характеристики модифицируемого монокристалла карбида кремния.
Ключевые слова: карбид кремния, диффузия, саморазогрев.
В электронной индустрии в последнее время все больший интерес вызывает синтетический полупроводниковый материал, известный как карбид кремния. Выдающиеся динамические
характеристики, высокая рабочая температура и сверхнизкие потери полупроводников из карбида кремния выводят развитие элементной базы для силовой электроники на новый этап.
Карбид кремния обладает рядом ключевых преимуществ над такими широко применяемыми в электронике полупроводниками, как Si и GaAs, а именно:
- Напряженность электрического поля пробоя у SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления диодов из такого материала в открытом состоянии, что позволяет использовать очень маленькие по размерам кристаллы для силовых приборов.
- Большая ширина энергетической запрещенной зоны ( около 3 эВ) приводит к чрезвычайно малым токам утечки при повышенной температуре (менее 70 мкА при 200 °С).
- Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла.
- Карбид кремния чрезвычайно устойчив к жесткой радиации, воздействие которой не приводит к деградации электронных свойств кристалла.
Карбид кремния представляет собой бинарное соединение кремния с углеродом и обладает большим количеством полиморфных модификаций. В данной работе нас интересует гексагональный политип 6^ SiC Лишь данная модификация и еще применяются в настоящее время в электронике.
Вышеуказанные политипы карбида кремния в большинстве своем производят сублимационными методами, на выходе получая кристаллы до нескольких сантиметров в диаметре. Главным
недостатком такого материала является его низкое качество: загрязненность примесями в процессе роста, большое количество внутренних и поверхностных дефектов, что препятствует их применению в электронике.
Так как 6H-SiC является примесным полупроводником, то именно от типа и концентрации примесных атомов в кристалле зависят электронные свойства материала. С ними напрямую связаны оптические характеристики, позволяющие качественно и количественно определить примесь. Так основным примесным атомом в 6H-SiC является азот. Его можно легко выявить по четкому пику поглощения в видимой области (630 нм), величина которого также позволяет судить о концентрации примеси. Атомы азота обуславливают п-проводимость и зеленую окраску кристаллов. [3]
К настоящему времени модифицирование свойств карбида кремния осуществлялось путем легирования кристаллов во время роста или уже готовых с помощью термообработки. Суть ее заключается в предварительном разогреве SiC с помощью нагревательных элементов и последующем воздействии электрического поля либо лазера. Одна из подобных методик подробно описана в американской статье [1].
В данной работе мы предлагаем метод модификации функциональных характеристик карбида кремния с помощью направленной термодиффузии примесных атомов в результате саморазогрева кристалла в приложенном электрическом поле. Данный метод не требует дополнительных источников нагрева образцов и основан на способности кристалла менять свою проводимость в зависимости от концентрации примеси. В идеале процесс должен быть самозатухающим, так как после очищения кристалла от примесных атомов в результате их диффузионного
перемещения полупроводник фактически
превращается в диэлектрик и перестает пропускать ток.
Изменения, происходящие с образцами бН-БЮ в результате экспериментов, планируется фиксировать с помощью снятия спектральных характеристик, измерения проводимости и удельного сопротивления
до и после термообработки, а также ожидается визуальное изменение цвета кристаллов.
Для проведения работы была собрана экспериментальная установка, представленная на рис. 1. Как видно на схеме, в данном аппарате можно проводить термообработку в разных газовых средах (например, аргон, азот).
Источник питания
Описание экспериментов.
Из исходным кристаллов были изготовлены плоскопараллельные пластинки размером 10х5х1 мм. Были предварительно исследованы электрические и оптические свойства.
На образцы через графитовые электроды сначала подавали ток с силой 10 А, в результате чего кристалл интенсивно раскалялся до белого каления (примерно 1300 0С).
Через 5-10 с во избежание электрического пробоя понижали ток и напряжение в цепи.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Кристаллы повторно разогреваются со стороны катода.
Термообработку проводили в 3 средах: в атмосфере воздуха, азота и аргона.
По окончанию экспериментов образцы повторно исследовались.
Результаты экспериментов. Ниже представлены результаты
спектрального анализа для кристаллов, термообрабатываемых в атмосфере аргона, до и после эксперимента:
Рис.2. Спектры поглощения со стороны катода
В ходе термообработки произошли локальные изменения оптических и электрических свойств кристаллов. После каждого эксперимента пик поглощения (630 нм), отвечающий за присутствие донорной примеси, а именно азота, который мы
Рис. 3. Спектры поглощения со стороны анода
отчетливо видим на рис. 2 и 3, на спектрах поглощения достаточно заметно уменьшался; причем такое изменение происходило на катоде. Уменьшение концентрации азота, рассчитанное по уменьшению
пика поглощения, составляло от 2,7х1018см-1 до 0,8х1018см-1.
Кроме того, электропроводность образцов снижалась с 30 mS до 14-13 mS.
Термообработка в средах азота и воздуха привела к аналогичным результатам.
Исходные образцы имели насыщенную равномерную зеленую окраску. После термообработки край кристаллов, контактирующий с катодом, изменял свою окраску на желтую или бледно зеленую.
Выводы
В результате работы были определены условия для инициирования проводимости кристаллов карбида кремния (сила тока - 10 А, время - 30 сек), необходимые и достаточные для интенсивного разогрева образца. Нагрузка, превышающая 10 А, либо большее время опыта приводят в большинстве случаев к разрушению образца в результате электрического пробоя. Силы тока, меньшей 1,4 А, недостаточно для поддержания образца в разогретом состоянии.
Максимальный разогрев образцов наблюдался с края кристалла, подключенного к катоду. Это объясняется тем, что поток электронов, устремляясь в сторону анода, встречает на пути
сопротивление в виде кристалла. Вследствие возникает градиент температур, необходимый для термодиффузии.
Анализ спектров поглощения с разных краев кристаллов до и после термообработки выявил уменьшение пика поглощения азотных центров со стороны контакта кристаллов с катодом. Такое изменение спектральных характеристик является результатом снижения с 2,7х1018см-1 концентрации азота до 1,6х1018см-1 и ниже.
Были зафиксированы изменения
электрических свойств образцов в результате термообработки. Электропроводность кристаллов снижалась почти вдвое (с 28-30 mS до 14-15 mS), сопротивление образцов увеличивалось в несколько раз - с края образца на стороне катода, со стороны анода сопротивление увеличивалось незначительно. Это также подтверждает уменьшение концентрации донорной примеси, отвечающей за проводимость кристалла.
Таким образом, проведенные эксперименты подтверждают работоспособность предлагаемого метода направленной термодиффузии. Разумеется, данный метод требует доработки и дальнейших исследований.
Ахметшин Эдуард Анварович ассистент кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Новиков Денис Дмитриевич аспирант кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. A.B. Spitsyn, M.A. Prelas, T.K. Ghosh and R.V. Tompson, IMPURITY REMOVAL FROM 6H-SIC USING FIELD ENHANCED DIFFUSION BY OPTICAL ACTIVATION METHOD.
2. Александр Полищук. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния - настоящее и будущее силовой электроники.
3. Агеев О. А., Беляев А.Е., Карбид кремния: технология, свойства, применение.
4. Расстегаев В.П.. Анизотропия легирования и политипизм кристаллов карбида кремния.
Akhmetshin Eduard Anvarovich, Novikov Denis Dmitrievich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
MODIFICATION OF FUNCTIONAL CHARACTERISTICS OF THE CRYSTAL 6H-SIC USING THE METHOD OF DIRECTIONAL THERMAL DIFFUSION OF IMPURITY ATOMS IN THE APPLIED ELECTRIC FIELD
ABSTRACT
The hexagonal modification of silicon carbide 6H-SiC is a very promising material for power electronics due to its unique semiconductor properties, such as high electric breakdown, small leakage currents due to a large band gap, high thermal conductivity, resistance to radiation and high temperatures. Unfortunately, most of the crystals produced by sublimation methods have very defective structures and contaminated with impurities, that prevents their use in electronics. Described in this paper, a method of modifying of the functional characteristics of silicon carbide using directional thermal diffusion of impurity atoms as a result of self-heating of the crystal in an applied electric field, after its finalization, may help to solve this problem.
Key words: silicon carbide, diffusion, self-heating..
