文摘

光的吸收pn -4H碳化硅结构掺杂硼和铝,首次研究了低温扩散。扩散的杂质进行硅酸铝和硼硅酸盐电影(来源)所使用的各种方法。光学吸收的光谱依赖性在室温下,乐队从杂质水平过渡,以及吸收光谱与缺陷相关的空缺,观察。的吸收水平的样品被用来估计缺陷的浓度。结果表明,杂质原子的使用来源由硼和铝氯化物允许使用一个减少空位缺陷的浓度。

1。介绍

之间的差距半导体材料(GaP、硫化锌奈米,ZnTe, cd,和原文如此),碳化硅是一种独特的材料由于高导热系数和机械、化学和辐射硬度。基于碳化硅电力电子元素,核辐射探测器,和对特殊应用紫外发光二极管(1,2]。在这方面,有一个重要的利益受到研究人员和技术人员到这种材料。

使用杂质硼和铝形成p地区结构基于4Hsic通过离子注入或热扩散。这些杂质的扩散碳化硅是基于相当复杂的机制发生在温度高于2000°C。质子子晶格杂质移动通过碳和硅的晶体。此外,溶解度和扩散系数的杂质在不同的格有很大的不同。

例如,硼硅亚点阵,溶解度(∼6 - 9×10¹⁹厘米⁻³)几乎高出一个数量级,在碳子格(1 - 10×10¹⁸厘米⁻³)[3]。扩散系数的差异导致形成所谓的“尾巴”的杂质分布切除,从而大幅度减少质量的pn结捏造通过热扩散。尾巴降低击穿电压,和陷阱与氮(形成于高温扩散)增加二极管的开关时间(4]。

离子注入方法允许一个实现杂质浓度接近最大溶解度。然而,在碳化硅的情况下,退火的缺陷需要温度高达1800 - 2000°C。在如此高的温度下,可以观察到再分配的杂质切除,表面缺陷的形成,等等。这就是为什么,而不是热扩散和离子注入方法(5,6)的碳化硅外延生长层的方法只能用于制造高压pn结,由于外延膜不包含增长micropipes等缺陷。

我们已经开发出一种新的低温浅杂质扩散方法在碳化硅温度1150 - 1300°C。细节在出版物中描述的方法是(7- - - - - -11和专利在乌兹别克斯坦和美国12,13]。显著降低温度是由于扩散发生在碳和硅空缺的流动。下面我们简要描述的生成机制V_C和V_如果职位空缺。

在[14],描述,在温度1100 - 1400°C, SiC展品两种类型的氧化行为,“主动”和“被动”,根据环境氧潜力。在高氧压力,“被动”氧化发生在SiO的保护膜₂(s)形成表面上的反应:

在低氧势,严重的“活跃”氧化发生由于气体的形成产品按照下列反应:

活跃的SiC只发生在氧气氧化压力低于∼3·10⁻⁴自动取款机在1400°C。

从(2)和(3碳化硅在这种情况下),表面氧化导致生产流程既是碳和硅的空缺从表面到大量的晶体(可能是主要的碳空缺)。显然,本例中的空位浓度可以作为与更高的引入通过辐照空缺。

低温扩散的优点如下:浅杂质浓度的10^20.厘米⁻³(遥不可及的传统热扩散和离子注入技术),和快速的开关时间< 10 nsp i n碳化硅二极管制造用这种方法(> 20 ns二极管制造的传统技术)(10,11]。

然而,这样的制造技术p i n碳化硅二极管需要改善。特别是,有必要提高杂质原子的技术创建一个源表面的晶体进行低温扩散。

源杂质原子的扩散是一种硼硅酸盐或alumosilicate层,形成在样品的表面扩散。source-layer是通过不同的方法形成于600°C(合成的硼酸层,氯化合成的铝层,和氧化的铝金属层沉积在真空热蒸发)。

随着扩散发生在流动的缺陷,缺陷与深度水平不同(15)以及集群形成的杂质原子在样例(16]。很明显,缺陷的浓度取决于铝和硼硅制造技术的电影。

在这篇文章中,光学吸收谱依赖数据被用来估计晶体缺陷的浓度和改善技术pn连接生产低温扩散法。

2。实验

在本文中,我们使用单晶碳化硅样品4h n -碳化硅生长通过物理气运输(PVT)方法(美国Cree研究公司)与相对低浓度的增长的缺陷:N_d混乱10⁴厘米⁻²和N_米micropipes∼的真空度²厘米⁻²、厚度∼300 - 600μ米,表面∼0.25厘米²,比电阻3.6∼-20Ω·厘米,和氮杂质浓度N_d- - - - - -N_一个∼×10 (0.5 - -1.0)¹⁷厘米⁻³。

低温扩散之前,样品被蚀刻在KOH(氢氧化钾)——解决方案在紫外线(UV)刺激(17]。

硼杂质原子的来源是硼硅薄膜形成如下:硼酸酒精溶液或硼酐用于碳化硅的表面,然后晒干,在空气中退火在650°C。

铝杂质原子扩散形成的来源在两个方面:(1)铝薄膜热气急败坏的说到的样品表面被氧化在真空和650°C(2)形成从氯化铝气急败坏的碳化硅表面在600 - 700°C。

低温空气中的扩散进行了30分钟的温度介于1150°C和1300°C。

由于碳化硅表面氧化在1150 - 1300°C,一个流的碳和硅空缺形成表面的晶体(18,19]。这个流与杂质原子交互显著增加其扩散系数和溶解度。扩散的结果,一层含有铝和硅氧化物表面形成的样本。这一层是揭示了被氢氟酸p地区的样本。

根据电物理测量,杂质浓度达到10^20.-10年²¹厘米⁻³在一层薄薄的近地表18]。根据发光数据(15),样例包含缺陷的空置期间掺杂扩散性质。

测量的光谱特征结构,双光束分光光度计使用(SPECORD 210(德国))。这分光光度计从190年到1100纳米波段。频谱BXII傅里叶光谱仪光谱范围从7800到350厘米⁻¹用于测量在红外光谱区。

3所示。结果与讨论

杂质和缺陷的水平研究了碳化硅在细节。基于文献数据(20.- - - - - -22),水平的背景氮杂质,受体水平的硼和铝,空置水平在4和陷阱H碳化硅是呈现在图1。假设2受体水平与不同的能量对应不同杂质位置(质子子晶格中的碳和硅)。然而,它仍然不是最终建立了水平对应子格。

应该注意的是,也有实验数据对碳空置水平得到光电容测量。碳的空置一个乐队包含5水平的电离能Е_С−1.80Е_С−0.74 eV各种电荷空置状态(23]。

光学吸收系数α可以通过使用以下表达式: 在哪里是光的强度,通过样本,最初的光强度,反射系数,样品的厚度。反射系数都取决于材料的光学性质和样品表面的状态。对于镜面和光线垂直入射,反射系数与材料的折射率n由菲涅耳公式(24]:

长波辐射,折射率几乎没有改变,虽然在一个地区接近自己的吸收折射率可以改变它的值。根据数据的25),440 nm波长地区(band-band转换和上图),碳化硅的折射率差别nonmonotonically在2.4到-3.4之间。然而,在该地区吸收的缺陷(从带隙内的水平),从3.4到3.2不等无关紧要的。分别根据(5),反射系数在0.27 - -0.29也无关紧要的变化。

众所周知,傅里叶光谱仪可以采取吸收光谱的晶体表面的薄层(26]。我们测量吸收光谱掺杂薄层和无掺杂样品的背面。光谱的掺杂和无掺杂层相同的样本可以增加信心的结论。图2显示了光吸收光谱红外地区的依赖。

可以看到从图2,广泛的无定形的乐队中观察到2500厘米的吸收光谱⁻¹或多个扩散后的证据的存在相对密切位于晶体缺陷水平与不同的转换能量。

在这个光谱的一部分,从价带转换硼水平(0.35和0.65 eV)的能量也可以找到。也让我们考虑初始晶体的红外吸收光谱。该地区2000厘米⁻¹与晶格振动所吸收。根据(27),声子能量助教,洛杉矶,和罗是0.045,0.067,0.0955,和0.1055 eV。此外,在氢氟酸处理样品,表面声子是观察到950厘米⁻¹(能量0.116 eV) (28]。

因此,在该地区的1000厘米⁻¹,single-phonon吸收峰。峰值出现在缺陷扩散流1100∼∼1300∼1400∼1750厘米⁻¹,2340 - 2360厘米⁻¹根据(27)指(2拉或+助教),(+拉),(LO +拉),2,和3 multiphonon吸收。

图3显示了光学吸收谱的测量在室温下的依赖pn4H碳化硅结构掺杂硼。从图中可以看到,转换从价带导带(3.23 eV)开始,过渡的电子通过受体水平的硼传导带(从2.6到2.9 eV),从价带和转换硼水平(从0.35到0.65 eV)应该遵守。

此外,样品有缺陷的空缺后自然低温扩散过程。根据图中,碳空缺也允许吸收乐队从0.74 eV 2.6 eV。贡献的吸收带是由浓度的杂质和缺陷,为捕获当前运营商的横截面,等等。

在图3,大幅增加吸收2.7 - -2.8 eV是观察到样品的吸收光谱与硼掺杂,这与从硼水平到传导带的过渡。大幅屈服于饱和电物理测量获得的间接证实了我们的数据在一个重要的硼浓度10^20.厘米⁻³(18]。吸收在该地区的1.5 - -2.6 eV与转换vacancy-type缺陷有关。然而,在前面的图可以看出,在较低能量的无结构的宽频带尾巴可以观察到的延续。因此,在一般情况下,吸收光谱对应的图。

图4显示了光学吸收谱pn -4H碳化硅结构掺杂铝(从源创建使用氯化铝)测量在室温和光学吸收转换的图。

从图可以看出4吸收光谱是类似于前面的情况。吸收乐队从受体水平的传导带的铝2.9 - -3.0 eV。在能量低于2.8 eV宽吸收带与空位缺陷晶体有关。图中观察到的类似3,可以看到一个小步骤1.7 eV。然而,吸收水平缺陷明显,3次,低,这表明减少了缺陷的浓度。

图5显示样品的吸收光谱掺杂铝(从源创建从一个铝薄膜真空气急败坏的说)。

从图可以看出5,随着吸收带3.0 eV(从铝水平过渡到传导带),额外的吸收带与2.5 - -2.6 eV是观察到的能量。高水平的吸收表明高浓度的缺陷。从数据可以看出4和5吸收的相对贡献,缺陷时更高的杂质源创建的薄膜在真空铝气急败坏的说。因此,在这种情况下,额外的缺陷空置自然形成的晶体在扩散。

在所有样品(掺杂硼和铝),增加吸收1.7 eV(碳化硅碳空置水平大约是1.7 eV),然后一步,延伸到2.5 eV,然后再吸收的发展上的缺陷。针对光学吸收过程的复杂性的存在多种缺陷,很难确定哪些缺陷负责山峰。

但是我们可以注意,1.7 eV接近从价带电子的跃迁能的空置水平碳,和2.3和2.5 eV是接近的能量转换电子从价带其他相同的碳含量的空缺。

进一步,提高量子能量的能量从硼或铝杂质的水平过渡到传导带,急剧增加的吸收是观察,证实高杂质浓度上的数据。

4所示。结论

光的吸收pn -4H碳化硅结构掺杂硼和铝,首次研究了低温扩散。扩散的杂质进行硅酸铝和硼硅酸盐电影(来源)所使用的各种方法。

光学吸收的光谱依赖性在室温下,乐队与转换从杂质水平以及吸收光谱与缺陷相关的空缺自然观察。

的吸收水平的样品被用来估计缺陷的浓度。结果表明,杂质原子的使用来源由硼和铝氯化物允许使用一个减少空位缺陷的浓度。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢穆斯林Fazylov博士期间协助校对的手稿。教授Ilkham Atabaev死亡。