Актуальность работы. Карбид кремния (81С) — единственное бинарное соединение кремния и углерода, существующее в твердой фазе. кристаллизуется в виде большого числа отличающихся по свойствам политипных модификаций, которые можно рассматривать как целый класс полупроводниковых материалов. Химическое соединение кремния и углерода в решетке характеризуется сильной ионно-ковалентной связью, которая придает ему уникальные свойства. Так, по твердости БЮ уступает лишь алмазу и карбиду борапри температурах до 300 -400°С он практически не взаимодействует ни с одним из известных для других полупроводниковых материалов химических травителей. Сильная связь является причиной низких коэффициентов диффузии большинства примесей и повышенной устойчивости к воздействию ионизирующих излучений. обладает высокой растворимостью донорных и акцепторных примесей (до Ю20 — 1021 см" 3), высокой стехиометрической однородностью и способностью к окислению с образованием на поверхности диэлектрической пленки двуокиси кремния.
Как полупроводник, карбид кремния обладает уникальным сочетанием свойств: большой шириной запрещенной зоны (от 2.4 эВ до 3.3 эВ для разных политипов), высокой температурой Дебая (1300 К), высокой теплопроводностью (3 -5 Вт/см-град), большой напряженностью поля лавинного пробоя ((3 -6) МВ/см) и высокой насыщенной скоростью дрейфа электронов ((2 — 2.5)х 107 см/с).
Применение карбида кремния в полупроводниковой электронике может значительно расширить как сферы ее применения, так и ее функциональные возможности. Так, большая ширина запрещенной зоны, высокая температура Дебая и большая собственная теплопроводность допускают надежную работу приборов при температурах до 500 — 600 °C. Высокотемпературные приборы, способные работать в неблагоприятной окружающей обстановке, необходимы для ядерной энергетики, авиационной и космической техники, автотранспорта, нефтехимии, геохимии и геофизики, техники контроля и восстановления окружающей среды. Большая напряженность поля лавинного пробоя 81С, высокая насыщенная скорость дрейфа электронов и высокая теплопроводность делают карбид кремния уникальным материалом для создания мощных высокочастотных приборов. Такие приборы необходимы для авиационных радаров, в технике связи, для мощных электропреобразователей, работающих в составе различных энергетических комплексов. Оценки показывают, что применение карбида кремния может существенно продвинуть прогресс импульсной электронной техники в направлении увеличения удельной коммутируемой мощности в наносекундном и пикосекундном диапазонах, а также повысить тактовую частоту генерируемых импульсов при уменьшении массогабаритных показателей импульсных устройств.
Таким образом, перечисленные свойства БЮ открывают перспективу создания новой элементной базы высокотемпературной и радиационно-стойкой электроники, мощной и СВЧ электроники. Исходя из сказанного очевидно, что реализация приборов полупроводниковой электроники на основе 81С и всестороннее изучение происходящих в них электронных процессов представляет собой важную и актуальную задачу.
До середины 80-х годов работы по карбиду кремния имели, главным образом, материаловедческий характер (за исключением работ по светодиодной тематике). Российские ученые к этому времени накопили большой опыт в технологии выращивания монокристаллического карбида кремния. Так, впервые рост монокристаллов карбида кремния в СССР был описан еще в работах Леммлейна [1].
С теоретической точки зрения кристаллическая структура карбида кремния была рассмотрена Ждановым [2], который предложил свою классификацию 8Ю политипов — символы Жданова. Теория роста монокристаллов БЮ из газовой фазы разрабатывалась Черновым [3]. Гигантский толчок к развитию промышленной базы дали работы Водакова с сотрудниками [4] по эпитаксиальному выращиванию пленок БЮ сублимационным «сэндвич» -методом и работы Таирова с сотрудниками [5] по выращиванию объемных монокристаллов карбида кремния на затравке. Этому способствовали также работы [6] по созданию и исследованию ряда классических диодных структур на основе БЮ.
Несмотря на технологические трудности, которые обусловлены термостабильностью, механической прочностью и химической инертностью БЮ, к началу 90-х годов в технологии карбида кремния был достигнут своего рода прорыв, который до настоящего времени обеспечивает ее устойчивый прогресс.
Главной целью работы было изготовление и исследование активных приборов на основе 81С, а именно полевых и биполярных транзисторов. К началу работы по теме диссертации таких приборов в мире создано еще не было, поэтому реальных представлений о физике работы активных БЮ приборов не существовало.
Представленные научные результаты синтезируют разработку технологии, моделирование и экспериментальные исследования электронных процессов в приборах.
Объекты исследования. В диссертации рассматриваются следующие БЮ структуры и приборы:
• МОП-диоды и структуры металл — полупроводник;
• полевые транзисторы со скрытым р+п-переходом в качестве затвора;
• полевые п-МОП-транзисторы обедненно-обогащенного типа;
• выпрямительные р+п0п±диоды с двойной инжекцией;
• выключаемые тиристоры со структурой р++пр0р+п+;
• биполярные транзисторы со структурой п+рп0.
В ходе работы решались следующие основные задачи:
1. Анализ потенциальных достоинств полевых транзисторов на основе БЮ.
2. Изготовление и экспериментальные исследования 8Ю полевых транзисторов с управляющим р+п-переходом: анализ надпороговых характеристик в широком интервале температурмоделирование и анализ подпороговых характеристикисследование влияния поверхностного заряда на вольтамперные характеристики приборов и низкочастотный шум.
3. Теоретический анализ экранирования внешнего электрического поля в БЮ: исследование влияния неполной ионизации легирующих примесей.
4. Изготовление и экспериментальные исследования 81С МОП-структур: спектроскопия поверхностных состоянийразработка модели для расчета поверхностного изгиба зон в структурах металл — полупроводник, изготовленных на «реальной» поверхности Б ¡-С.
5. Изготовление и экспериментальные исследования БЮ МОП-транзисторов обедненно-обогащенного типа: анализ надпороговых характеристикмоделирование и анализ неравновесного эффекта поля, обусловленного перезарядкой интерфейсных электронных ловушек.
6. Экспериментальные исследования статических и переходных характеристик высоковольтных БЮ диодов и тиристоров в широком диапазоне температур: определение рекомбинационных параметров неравновесных носителей заряда в слаболегированном пи р-типа проводимости.
7. Экспериментальные исследования биполярных БЮ транзисторов: анализ факторов, ограничивающих коэффициент усиления транзисторов в широком диапазоне изменения плотности тока коллектора.
Научная новизна работы определяется, прежде всего, теми новыми результатами, которые выносятся на защиту в качестве научных положений. В целом, в результате работы были сформированы основные представления о физике униполярных и биполярных приборов на основе БЮ. Кроме того, в ходе выполнения работы было проведено обобщение известной теории поверхностной емкости полупроводника на случай неполной ионизации легирующих примесей в электронейтральном объеме, разработана модель подпороговой проводимости полевых транзисторов со скрытым р+п-переходом, разработана методика спектроскопии поверхностных состояний на основе анализа низкочастотного токового шума в тонких пленках полупроводников, модифицированы известные методики определения параметров поверхностных состояний на основе анализа входной комплексной проводимости МОП-структур и неравновесного эффекта поля в МОП-транзисторах обедненно-обогащенного типа, разработана новая модель для расчета приповерхностного изгиба зон в структурах металл — полупроводник с однородным распределением ловушек в промежуточном диэлектрическом слое.
Практическая значимость. По результатам работы сделан ряд важных практических выводов, которые могут быть полезны при конструировании приборов на основе БЮ. Среди них можно выделить следующие:
— 4Н-8Ю СВЧ транзисторы с длиной канала порядка 1 мкм могут превосходить по выходной мощности транзисторы на основе арсенида галлияоднако, это преимущество может быть достигнуто только за счет увеличения и входной мощности тоже;
— характеристики Б ¿-С полевых транзисторов со скрытым р+п-переходом могут быть стабилизированы путем обработки поверхности канала в газоразрядной водородной плазме;
— для снижения плотности состояний на интерфейсе БЮг — могут быть заимствованы методы, разработанные с этой целью в кремниевой технологии;
— в высоковольтных р+п0п±диодах возможно обеспечить сочетание небольших прямых падений напряжения (за счет модуляции базы инжектированными носителями) и очень быстрого восстановления блокирующей способности диодов после их переключения с прямого направления на обратное (за счет малого времени жизни носителей в тонком слое п0-базы, прилегающей к р±инжектору);
— в высоковольтных биполярных БЮ транзисторах с базой р-типа из-за сильного оттеснения тока к краю эмиттера необходимо использовать достаточно разветвленный эмиттер, что, в свою очередь, требует специальных мер для снижения скорости поверхностной рекомбинации.
Выносимые на защиту научные положения:
Положение 1. Благодаря высокому критическому полю лавинного пробоя карбида кремния, в 4П-81С полевых транзисторах обедненного типа поверхностная.
1 ^ -9 плотность электронов в проводящем канале может составлять более 10 см", а средняя скорость дрейфа электронов может быть приближена, несмотря на относительно небольшую их подвижность, к насыщенной скорости дрейфа 2×107 см/с. Как следствие, 4Н-8Ю СВЧ транзисторы могут превосходить аналогичные транзисторы на основе ваАэ по величине выходной мощности.
Положение 2. Надпороговые вольтамперные характеристики длинноканальных 6Н-и 4Н-81С полевых транзисторов со скрытым р+п-затвором соответствуют модели Шокли. Температурная зависимость крутизны таких транзисторов в диапазоне 160 -700 К определяется четырьмя составляющими: 1) увеличением концентрации свободных электронов в канале за счет термоионизации относительно глубоких легирующих примесей, 2) уменьшением дрейфовой подвижности электронов при их фононном рассеянии, 3) уменьшением высоты диффузионной разности потенциалов р+п-перехода и 4) уменьшением толщины приповерхностной области пространственного заряда.
Положение 3. Подпороговая проводимость бН-БЮ транзисторов со скрытым р+п-затвором обусловлена диффузией тепловых носителей в обедненной области канала. При этом величина подпорогового тока задается 1) скоростью диффузии, то есть отношением коэффициента диффузии носителей к их диффузионной длине, и 2) интегральной концентрацией носителей в обедненной области канала, которая регулируется напряжением на р+п-затворе. При повышенных температурах эффективность контроля концентрации носителей со стороны р+п-затвора снижается из-за экранирующего влияния глубоких поверхностных состояний.
Положение 4. В БЮ как полупроводнике с относительно глубокими легирующими примесями имеет место «двойной» эффект экранирования внешнего электрического поля: проникновение поля в полупроводник вызывает, помимо пространственного разделения частично ионизированных примесных атомов и основных носителей, еще и дополнительную ионизацию примесей. При этом в том случае, когда уровень Ферми в нейтральном объеме отстоит от энергетического уровня примесей (ближе к разрешенной зоне) более, чем на несколько единиц кТ, поверхностная емкость в окрестности плоских зон возрастает как при обогащении, так и при обеднении приповерхностной области основными носителями.
Положение 5. При термическом окислении бН-БЮ минимальной плотностью интерфейсных электронных состояний характеризуется полярная «кремниевая» грань кристаллов. При этом интегральная плотность быстрых состояний и заряд, фиксированный в окисле, могут составлять величины порядка 10й см" 2. Распределение плотности быстрых состояний по энергиям характеризуется экспоненциальным спадом плотности от разрешенной зоны к середине запрещенной зоны.
Положение 6. На интерфейсе п^С с собственным окислом 8102 присутствуют глубокие ловушки, распределенные по энергиям в виде Гауссовского пика с максимумом на 0.3 еУ выше середины запрещенной зоны. Интегральная плотность.
12 -2 этих ловушек составляет порядка 10 см", а сечение захвата электронов — порядка 10″ 14 см². Выявленные ловушки аналогичны по своей природе Рь-центрам на интерфейсе 8Юг — 81 и представляют собой «дефекты окисления» — оборванные кремниевые связи.
Положение 7. Дефекты окисления задают величину поверхностного изгиба зон в структурах металл — полупроводник, сформированных на поверхности 81С с тонким естественным окислом. При повышенных температурах эти же состояния ответственны 1) за низкочастотный генерационно-рекомбинационный шум в тонких пленках SiC, 2) за неравновесный эффект поля в МОП-транзисторах обедненно-обогащенного типа.
Положение 8. Время жизни неравновесных носителей заряда в 4H-SiC как n-, так и р-типа проводимости с уровнем легирования 1014 — 1015 см" 3 контролируется одними и теми же рекомбинационными центрами и может достигать нескольких десятых долей микросекунды при комнатной температуре, увеличиваясь до нескольких микросекунд при температурах 500 — 600 К. При этом время восстановления блокирующей способности высоковольтных 4H-SiC инжекционных диодов со структурой р+п0п+ может составлять порядка 10 не за счет пониженного времени жизни дырок в тонком слое п0-базы, прилегающей к р±инжектору.
Положение 9. Коэффициент усиления высоковольтных 4H-SiC биполярных транзисторов со структурой п+рп0 при низких плотностях тока ограничивается, в основном, рекомбинацией носителей в области пространственного заряда эмиттерного перехода. При высоких плотностях тока коэффициент усиления падает из-за поверхностной рекомбинации, которая в транзисторах с базой р-типа существенно усиливается вследствие сильного оттеснения тока к краю эмиттера.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на следующих конференциях: на 176-ом симпозиуме Электрохимического общества (Hollywood, Fla, 1989), на 3-ем Республиканском научно-техническом семинаре «Вакуумные микроэлектронные устройства для экстремальных условий эксплуатации» (Минск, 1989), на 1-ой Всесоюзной конференции по физическим основам твердотельной электроники (Ленинград, 1989), на осеннем симпозиуме EMRS-93 (Симпозиум D:
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Дмитриев В. А., Иванов П. А., Ильинская Н. Д., Сыркин A. JL, Царенков Б. В., Челноков В. Е., Черенков А. Е. Высокотемпературный SiC-6H полевой транзистор с р-п-затвором. // Письма в ЖТФ. — 1988. — Т. 14. — В.4. — С. 289−293.
2. Аникин М. М., Иванов П. А., Сыркин A. JL, Царенков Б. В., Челноков В. Е. SiC-бН полевой транзистор с рекордной для карбидкремниевых транзисторов крутизной. // Письма в ЖТФ. — 1989. — Т.15. — В.16. — С. 36−42.
3. Anikin М.М., Ivanov P.A., Syrkin A.L. and Tsarenkov B.V. SiC-6H junction-gate FET. // Extended Abstracts of the 176th Meeting of the Electrochemical Society (Hollywood, Fla). — 1989. — P. 724.
4. Дмитриев В. А., Иванов ПЛ., Челноков В. Е., Черенков А. Е. Нормально закрытый SiC-бН полевой транзистор с р-п-затвором. // Письма в ЖТФ. — 1991. — Т. 17. — В.4. -С. 1−5.
5. Дмитриев В. А., Иванов П. А., Челноков В. Е. Карбид кремния: состояние и перспективы. // Электронная промышленность. — 1991. — N 5. — С. 19−25.
6. Иванов П. А., Царенков Б. В. SiC-бН полевые транзисторы: граничная частотамощность. // ФТП. — 1991. — Т.25. — В. 11. — С. 1913;1921.
7. Dmitriev V.A., Ivanov P.A. and Chelnokov V.E. High temperature operating 6H-SiC normally-off juction-gate field-effect transistor. // Proceedings of the 1st HiTEC (Albuquerque, NM). — 1991. — P. 508.
8. Anikin M.M., Ivanov P.A., Lebedev A.A., Pytko S.N., StreLchuk A.M., Syrkin A.L. High-temperature discrete devices in 6H-SiC: sublimation epitaxial growth, device technology and electrical performance. In «Semiconductor Interfaces and Microstructures», ed. by Z.C. Feng («World Scientific», Singapore). — 1992. — P. 280−311.
9. Ivanov P.A. and Chelnokov V.E. Recent developments in SiC single crystal electronics. // Semiconductor Science and Technology. — 1992. — V.7. — N 7. — P. 863−880.
10. Аникин M.M., Иванов П. А., Растегаев В. П., Савкина Н. С., Сыркин A. JL, Челноков В. Е. Экспериментальный полевой транзистор на основе карбида кремния политипа 4Н. // ФТП. — 1993. — Т.27. — В.1. — С. 102−107.
П.Иванов П. А., Пантелеев В. Н., Самсонова Т. П., Суворов A.B., Челноков В. Е. МОП-конденсатор на основе термически окисленного n-6H-SiC (0001)C. // ФТП. -1993. — Т.27. — В.7. — С. 1146−1153.
12. Елфимов Л. Б., Иванов П. А. Поверхностная емкость полупроводника с глубокой легирующей примесью (на примере p-6H-SiC). // ФТП. — 1994. — Т.28. — В.1. — С. 161−167..
13. Ivanov P.A., Elfimov L.B., Konstantinov А.О., Panteleev V.N., Samsonova T.P., and Chelnokov V.E. Characterization of 6H-silicon carbide MOS structures. // In «Silicon Carbide and Related Materials», ed. by M.G. Spencer, R.P. Devaty, J.A. Edmond, M. Asif Khan, R. Kaplan, and M. Rahman (Inst. Phys. Conf. Ser. No 137- Inst. Phys. Publishing, Bristol and Philadelphia). — 1993. — P. 601−603..
14. Ivanov P.A., Savkina N.S., Samsonova T.P., Panteleev V.N., and Chelnokov V.E. Junction field-effect transistor based on 4H-silicon carbide. // In «Silicon Carbide and Related Materials», ed. by M.G. Spencer, R.P. Devaty, J.A. Edmond, M. Asif Khan, R. Kaplan, and M. Rahman (Inst. Phys. Conf. Ser. No 137- Inst. Phys. Publishing, Bristol and Philadelphia). — 1993. — P.593−595..
15. Konstantinov A.O., Ivanov P.A., Konkov O.I., and Terukov E.I. Plasma passivation of crystalline silicon carbide. // In «Silicon Carbide and Related Materials», ed. by M.G. Spencer, R.P. Devaty, J.A. Edmond, M. Asif Khan, R. Kaplan, and M. Rahman (Inst. Phys. Conf. Ser. No 137- Inst. Phys. Publishing, Bristol and Philadelphia). — 1993. — P. 275−277..
16. Иванов П. А., Константинов А. О., Пантелеев В. Н., Самсонова Т. П., Челноков В. Е. Зарядовые свойства МОП-структуры Al-Si02-n-6H-SiC (OOOl)Si. // ФТП. — 1994. -Т.28.-В.7.-С. 1172−1179..
17. Иванов П.A. 6H-SiC полевой транзистор: температурная зависимость проводимости п-канала. // ФТП. — 1994. — Т.28. — В.7. — С. 1161−1171..
18. Ivanov P.A. and Chelnokov V.E. High Temperature 6H-SiC Devices Grown by Vacuum Sublimation Epitaxy. // Proceedings of the 2nd HiTEC (Charlotte, NC). — 1994. -P. XI-ll-XI-16..
19. Иванов П. А., Пантелеев В.H., Самсонова Т. П., Челноков В. Е. Исследование поверхностных состояний на границе раздела Si02-SiC путем анализа входной комплексной проводимости МОП-структуры в широком температурном интервале. // ФТП. — 1995. — Т.29. — В.2. — С.271−277..
20. Иванов П. А., Челноков В. Е. Полупроводниковый карбид кремния: технология и приборы (обзор). // ФТП. — 1995. — Т.29. — В. 11. — С. 1921;1943..
21. Ivanov P.A. Subthreshold Current in Silicon Carbide Buried-Gate Junction Field-Effect Transistor. // In «Silicon Carbide and Related Materials 1995», ed. by S. Nakashima, H. Matsunami, S. Yoshida, and H. Harima (Inst. Phys. Conf. Ser. No 142- Inst. Phys. Publishing, Bristol and Philadelphia). — 1995. — P. 753−756..
22. Ivanov P. A. Drift velocity of electrons in a high temperature depletion-mode SiC FET (physical and technological limitations). // Transactions of the 3rd International HiTEC (Albuquerque, NM). — 1996. — P. 71−76..
23. Ivanov P.A., Savkina N.S., Panteleev V.N., Samsonova T.P., Maltsev A.A. Subthreshold conduction in high temperature operating 6H-SiC buried-gate junction field-effect transistor. // Transactions of the 3rd International HiTEC (Albuquerque, NM). -1996. — P. 213−217..
24. Lai T-C., Rozario R., Rozario L., Chern J.H., Sadwick L.P., Hwu R.J., King D.B., Chelnokov V.E., and Ivanov P.A. SiC technology in Russia for high temperature applications. // Transactions of the 3rd International HiTEC (Albuquerque, NM). — 1996. -P.183−188..
25. Konstantinov A.O., Ivanov P.A., Nordell N., Karlsson S., and Harris C.I. High-voltage operation of field-effect transistors in silicon carbide. // IEEE Electron Device Lett. — 1997. -V.18.-Nll.-P. 521−522..
26. Ivanov P.A. and Ignat’ev K.I. Schottky Barrier Height in Metal-SiC Contact. // In «Silicon Carbide, Ill-Nitrides and Related Materials, Part 2», ed. by G. Pensl, H. Morkoc, B. Monemar, and E. Janzen (Trans Tech Publications Ltd, Switzerland). — 1998. — P. 809 812..
27. Ivanov P.A., Kon’kov O.I., Konstantinov A.O., Panteleev V.N., Samsonova T.P., Nordell N., Karlsson S., and Harris C.I. SiC Surface Engineering for High Voltage JFET Applications. // In «Silicon Carbide, Ill-Nitrides and Related Materials, Part 2», ed. by G. Pensl, H. Morkoc, B. Monemar, and E. Janzen (Trans Tech Publications Ltd, Switzerland). — 1998.-P. 1081−1084..
28. Иванов П. А., Коньков О. И., Пантелеев В. Н., Самсонова Т. П. Влияние плазменной обработки поверхности карбида кремния на характеристики полевых транзисторов со скрытым р-п-затвором. // ФТП. — 1997. — Т.31. — В.11. — С. 1404−1407..
29. Иванов П. А., Игнатьев К. И., Пантелеев В. Н., Самсонова Т. П. Глубокие поверхностные состояния на интерфейсе SiC с собственным термическим окислом. // Письма в ЖТФ. — 1997. — Т.23. — В.20. — С. 55−60..
30. Ivanov P.A. Deep Level States at Si02/SiC Interface (*Si=Si3 Defect?). // Abstracts of the 2nd European Conference on Silicon Carbide and Related Materials. — 1998. — P. 303..
31.Dyakonova N.V., Ivanov P.A., Kozlov V.A., Levinshtein M.E., Palmour J.W., Rumyantsev S.L. and Singh R. Steady-State and Transient Forward Current-Voltage Characteristics of 4H-Silicon Carbide 5.5 kV Diodes at High and Superhigh Current Densities. // IEEE Trans, on Electron Devices. — 1999. — V.46. — N11. — P. 2188−2194..
32. Ivanov P.A., Levinshtein M.E., Irvine K.G., Kordina O., Palmour J.W., Rumyantsev S.L., and Singh R. High hole lifetime (3.8 fxs) in 4H-SiC diodes with 5.5 kV blocking voltage. // Electronics Letters. — 1999. — V.35. — N16. — P. 1382−1383..
33. Ivanov P.A., Levinshtein M.E., Palmour J.W., and Rumyantsev S.L. Noise spectroscopy of local surface levels in semiconductors. // Semiconductor Science and Technology. — 2000. — V. 15. — N2. — P. 164−168..
34. Ivanov P.A., Levinshtein M.E., Palmour J.W., Rumyantsev S.L., and Singh R. «Classical» Current-Voltage Characteristics of 4H-SiC p±n Junction Diodes. // Semiconductor Science and Technology. — 2000. — V. 15. — N9. — P. 908−910..
35. Levinshtein M.E., Mnatsakanov T.T., Ivanov P.A., Palmour J.W., Rumyantsev S.L., Singh R., and Yurkov S.N. High voltage SiC diodes with small recovery time. // Electronics Letters. — 2000. — V.36. — N14. — P. 1241−1242..
36. Ivanov P.A., Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Agarwal A.K., and Palmour J.W. Turn-Off Operation of a MOS-Gate 2.6 kV 4H-SiC GTO Thyristor. // Solid State Electronics. — 2000. — V.44. N12. — P. 2155−2159..
37. Levinshtein M.E., Mnatsakanov T.T., Ivanov P.A., Palmour J.W., Rumyantsev S.L., Singh R., and Yurkov S.N. «Paradoxes» of Carrier Lifetime Measurements in HighVoltage SiC Diodes. // IEEE Trans, on Electron Devices. — 2001. — V.48. — N8. — P. 17 031 710..
38. Agarwal A.K., Ivanov P.A., Levinshtein M.E., Palmour J.W., Rumyantsev S.L., and Sei-Hyung Ryu. Turn-off Performance of a 2.6 kV 4H-SiC Asymmetrical GTO Thyristor. // Semiconductor Science and Technology. — 2001. — V.16. — N4. P. 260−262..
39. Иванов П. А., Самсонова Т. П., Пантелеев В. Н., Поляков Д. Ю. Исследование глубоких ловушек на интерфейсе SiCVoH-SiC методом неравновесного эффекта поля. // ФТП. — 2001. — Т.35. — В.4. — С. 482−487..
40. Ivanov Р.А., Levinshtein М.Е., Agarwal А.К., and Palmour J.W. Transient characteristics of a 1.8 kV, 3.8 A 4H-SiC bipolar junction transistor. // Semiconductor Science and Technology. — 2001. — V.16. — N6. — P. 521−525..
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
: основные результаты и выводы.
1. Проанализированы потенциальные достоинства полевых транзисторов обедненного типа на основе 81С. Показано, что поверхностная плотность электронов.
1 -з л в канале Б1С ПТ может составлять более 10 см". С использованием модели идеализированного ПТ обедненного типа, учитывающей насыщение дрейфовой скорости электронов в сильных полях, показано, что в 4Н-81С ПТ с длиной канала порядка 1 мкм и напряжением отсечки не менее 15 В средняя скорость дрейфа электронов приближается к насыщенной скорости дрейфа 2×107 см/с. Вывод: 4Н-81С СВЧ транзисторы могут превосходить по выходной мощности аналогичные транзисторы на основе арсенида галлия (при одинаковом коэффициенте усиления)..
2. Изготовлены и исследованы 6Ни 4Н-81С ПТ со скрытым р+п-переходом (нормально открытые и нормально закрытые). Выходные характеристики длинноканальных (низковольтных) транзисторов соответствуют модели Шокли вплоть до очень высоких, около 700 К, температур. Для выбранного уровня легирования п-канала в пределах (2 — 4) хЮ17 см" 3 достигнуты предельные для ЯЮ параметры приборов: пробой диода сток — затвор при полях около 3 МВ/см, у подвижность электронов — от 170 до 400 см~/Вс (в зависимости от уровня легирования и политипа)..
3. Показано, что в диапазоне температур 160 — 680 К температурная зависимость крутизны 6Н-81С ПТ со скрытым р+п-переходом определяется, с одной стороны, увеличением (в диапазоне 160 — 520 К) концентрации свободных электронов в канале за счет термоионизации относительно глубоких легирующих примесей, а с другой стороны, уменьшением (во всем температурном интервале) дрейфовой подвижности электронов при их фононном рассеянии, диффузионной разности потенциалов р+п-затвора и толщины приповерхностной ОПЗ..
4. Показано, что зарядовые свойства открытой поверхности канала, выступающей в БЮ ПТ со скрытым р+п-затвором в роли дополнительного «плавающего» затвора, можно стабилизировать путем обработки поверхности канала в газоразрядной водородной плазме. Необходимость такой стабилизации особенно актуальна для транзисторов с низкой концентрацией доноров в канале (высоковольтных), в которых поверхностный заряд может сильно модулироваться напряжением стока из-за влияния короткоканальных эффектов..
5. Разработана модель подпороговой проводимости в ПТ со скрытым р+п-переходом..
Показано, что подпороговый ток в таких транзисторах обусловлен диффузией тепловых носителей в обедненной области канала со скоростью, которая задается отношением коэффициента диффузии неосновных носителей (дырок) к их диффузионной длине. Показано, что при комнатной температуре экспериментальные подпороговые характеристики 6Н-81С ПТ хорошо описываются в рамках модели. Скорость диффузии составляет около 2×104 см/с: £>р = 0.5 см2/с (// = 20 см2/В с) и Ьр = 0.28 мкм (тр = 1.5×10″ 9 с). Обнаружено, что при повышенных температурах эффективность контроля концентрации тепловых носителей в обедненной области со стороны р+п-затвора снижается из-за экранирующего влияния поверхностного заряда, находящегося в подпороговом режиме под электростатическим влиянием р+п-затвора..
6. Разработана методика спектроскопии поверхностных состояний, основанная на анализе низкочастотного токового шума в тонких пленках полупроводников. Этот вид шума обусловлен флуктуациями толщины приповерхностной ОПЗ за счет флуктуаций заряда, захваченного поверхностными состояниями. Анализ подобного рода шума в 4Н-8Ю ПТ при температурах 500 — 700 К показал, что он обусловлен флуктуациями заполнения локальных ПС со следующими параметрами: энергия ионизации =1.3 эВ, сечение захвата электронов сгп ~ 10″ 14 см², интегральная плотность Л^ = 2×1012 см" 2..
7. Проведено обобщение теории поверхностной емкости полупроводника на случай неполной ионизации легирующих примесей в электронейтральном объеме (результаты теории использовались при расчетах С-У характеристик «идеальных» МОП-структур на основе 81С). Показано, что в том случае, когда уровень Ферми в нейтральном объеме отстоит от энергетического уровня примесей (ближе к разрешенной зоне) более, чем на несколько единиц кТ, поверхностная емкость возрастает как при обогащении, так и при обеднении приповерхностной области основными носителями (классическая теория дает монотонное уменьшение поверхностной емкости при переходе от обогащения к обеднению). При этом «длина экранирования» оказывается меньше классической длины экранирования Дебая в раз..
8. Изготовлены МОП-структуры металл — БЮг — п-6Н-81С с разной ориентацией окисляемой поверхности: (0001)С и (0001)81. Напряженость поля пробоя окисла в изготовленных структурах достигает 10 МВ/см. Показано, что при комнатной температуре и отрицательных напряжениях на затворе имеет место сугубо неравновесное обеднение полупроводника, что обусловлено чрезвычайно низким темпом тепловой генерации носителей в ОПЗ и, соответственно, гигантским временем формирования дырочного инверсионного слоя..
9. Показано, что минимальной плотностью интерфейсных электронных состояний на окисленной поверхности бН-БЮ характеризуется полярная грань (0001)81. Плотность быстрых состояний экспоненциально падает с ростом абсолютной величины поверхностного изгиба зон 1//8: Ог*(щ) = 1)*ехр (А*дщ). Как вид, так и параметры распределения (?>* = ЗхЮ12 см" 2эВ1 и А* = 12 эВ" 1) весьма близки к тем, которые обычно наблюдают для границы раздела 8Юг — 81. Интегральная плотность ПС составляет 2×10п см" 2..
10. Путем анализа вольтфарадных характеристик бН-БЮ МОП-конденсаторов, измеренных при высокой температуре (600 К), выявлены глубокие ловушки на интерфейсе 8102 — п-6Н-81С. Они распределены по энергиям в запрещенной зоне в виде Гауссовского пика с максимумом на 1.2 эВ ниже дна зоны проводимости..
12 2.
Интегральная плотность составляет порядка 10 см", а сечение захвата электроновпорядка 10″ 14 см²..
11. Рассчитаны зависимости высоты барьера Шоттки от работы выхода металла для контактов, сформированных на реальной поверхности 8Ю В основу расчета положено предположение о том, что на реальной поверхности 8Ю присутствует тонкий окисный слой, а пограничные электронные состояния, задающие высоту барьера, аналогичны глубоким ПС, обнаруженным на интерфейсе 8Ю с толстым окислом. Предполагается также, что эти ловушки имеют однородное пространственное распределение в пределах естественного окисла. Показано, что для П-6Н-81С экспериментальные данные по высоте барьеров хорошо описываются в рамках модели, при этом принятые при расчетах величины толщин естественного окисла реальны по условиям приготовления структур..
12. Изготовлены и исследованы БЮ п-МОП-транзисторы обедненно-обогащенного типа с низкой концентрацией доноров в канале: 5×1015 см" 3. При комнатной температуре и при напряжениях на МОП-затворе, соответствующих обеднению канала основными носителями, ток стока эффективно контролируется со стороны МОП-затвора: сколько-нибудь существенной экранировки затвора поверхностным зарядом не происходит. При этом подвижность электронов в канале составляет ¡-л — л.
360 см /В-с, что является предельно высоким значением для бН-БЮ п-типа проводимости..
13. При комнатной температуре в МОП-транзисторах обнаружен сугубо неравновесный эффект поля, обусловленный неравновесным заполнением глубоких ПС в режиме аккумуляции. Разработана аналитическая модель релаксации проводимости канала транзистора после неравновесного заполнения ПС электронами. Предложен метод определения параметров ПС из данных по релаксации проводимости. Анализ релаксации проводимости канала 6Н-8Ю МОП-транзисторов (при повышенных температурах) показал, что эти ловушки распределены по энергиям в виде узкого Гауссовского пика в верхней половине запрещенной зоны 6Н-8Ю. Параметры состояний следующие: интегральная.
12 2 плотность порядка 10 см", энергия ионизации в максимуме распределения Ее — Е1т = 1.19 эВ, уширение пика АЕ «85 мэВ, сечение захвата электронов стп ~ 10» 14 см²..
14. Глубокие ПС на поверхности БЮ, выявленные несколькими независимыми методами, по своей природе аналогичны Рь-центрам в системе 8Юг — кремний и представляют собой «дефекты окисления» — оборванные кремниевые связи (как для кремния, так и для 6Ни 4Н-8Ю максимальная плотность состояний приходится приблизительно на 0.3 эВ выше середины запрещенной зоны, что составляет половину от «корреляционной энергии» Рь-центров). При этом интегральная плотность данных состояний и уширение пика их плотности зависит от кристаллографической ориентации и условий обработки поверхности БЮ: плотность состояний минимальна (а уширение максимально) на хорошо окисленной поверхности с ориентацией (0001)81 и, наоборот, плотность состояний максимальна (а уширение минимально) на свободной поверхности 8Ю с ориентацией (0001)С..
15. Сравнительными исследованиями статических и переходных характеристик 4Н-81С высоковольтных инжекционных р+п0п+диодов разрешена «проблема времени жизни» ННЗ в них, заключающаяся в очень большой разнице величин времени жизни, измеряемых разными методами. Показано, что время жизни ННЗ в объеме базы достигает нескольких десятых долей микросекунды при комнатной температуре, увеличиваясь до нескольких микросекунд при температурах 500 — 600 К. При этом время восстановления блокирующей способности диодов составляет порядка 10 не за счет очень малого времени жизни ННЗ в тонком слое п0-базы вблизи р±инжектора, толщина которой существенно меньше, чем толщина ОПЗ при нулевом смещении перехода..
16. Исследованиями характеристик выключения высоковольтных 4Н-81С тиристоров показано, что как величины, так и температурные зависимости времени жизни ННЗ в блокирующей ро-базе тиристоров близки к тем, которые были измерены для высоковольтных 4Н-Б1С диодов с базой п0-типа: в обоих типах приборов время жизни при комнатной температуре составляет несколько десятых долей микросекунды и экспоненциально возрастает при повышении температуры с энергией активации в пределах 0.11 — 0.13 эВ. На этом основании можно заключить, что время жизни ННЗ в 4Н-8Ю как п-, так и р-типа проводимости с уровнем легирования 1014 — 1015 см" 3 контролируется одними и теми же рекомбинационными центрами..
17. Показано, что коэффициент усиления высоковольтных биполярных 4Н-81С транзисторов со структурой п+рп0 при низких плотностях тока ограничивается, в основном, рекомбинацией носителей в ОПЗ эмиттерного перехода. При высоких плотностях тока коэффициент усиления падает из-за поверхностной рекомбинации, которая в транзисторах с базой р-типа существенно усиливается вследствие сильного оттеснения тока к краю эмиттера. Установлено, что рекомбинация в ОПЗ и поверхностная рекомбинация снижают максимально возможный коэффициент усиления транзисторов почти в три раза. Вывод: для увеличения коэффициента усиления необходимо использовать достаточно разветвленный эмиттер, что, в свою очередь, требует специальных мер для снижения скорости поверхностной рекомбинации..