Полупроводниковый материал Советский патент 1992 года по МПК C30B29/36 C30B23/02 

Изобретение относится к твердотельной электронике, а конкретно к технологии получения монокристаллических твердых растворов на основе карбида кремния. На основе этих твердых растворов создаются твердотельные приборы и устройства, а именно светодиоды и инжекционные лазеры с большой эффективностью, фотоприемники и т. д. Эти растворы наследуют от карбида кремния ряд ценных свойств, таких как радиационная и химическая стойкость, наличие более 140 политипов, сохранение полупроводниковых свойств вплоть до 1000 К, твердость, термостойкость и др.

Известно получение псевдобинарных твердых растворов на основе SiC. Эти твердые растворы получают во всем диапазоне изменения состава ( 0 х 1). Причем в них изменение состава в диапазоне (0,1 х 0,9) приводит к увеличению Eg (ширины запрещенной зоны) от 3,0 до 4,8 эВ, а при X 0,75 твердый раствор становится прямозонным. Параметры решетки (а и с) в системе (SiC)i-x(AIN)x в зависимости от состава (CAiN 0-100 ат.%), изменялись соответственно от 0,3076 - 0,3114 нм и от 0,5048 - 4986 нм. Твердые растворы (SiC)i-x(AIN)x обладают шириной запрещенной зоны большей, чем у карбида кремния.

Однако представляет большой интерес получение твердых растворов с шириной запрещенной зоны, но меньшей, чем у карбида кремния. К числу таких материалов, приводящих к уменьшению ширины запре- щеной зоны карбида кремния, могутбыть отнесены металлические карбиды TiC, ZrC, в частности карбид ниобия NbC. Образование твердых растворов между этими карбидами может привести к созданию варизонного

v|

CJ О Ю

Ю

материала с шириной запрещенной зоны Eg. 3,0 эВ и со свойствами, наследованными от SiC: радиационная и химическая стабильность, политипизм, и т. д.

Известны данные по тройной системе Si-C-Nb, изученные Бревером и Крикори- аном. В этой системе обнаружена гексагональная фаза с рериодами решетки (А A3,117 ± 0,005 А и С 4,969 ± 0,005 А), представляющая твердый раствор замеще- ния части атомов углерода в Nb2C атомами кремния. Указанная фаза обладает некоторой областью гомогенности. Однако получить непрерывный ряд твердых растворов SiC-NbC не представляется возможным, можно получить только твердый раствор замещения, в котором только часть атомов углерода замещается атомами кремния.

Наиболее близкими к предлагаемому являются твердые растворы на основе кар- бида кремния, содержащего в качестве второго компонента бинарное соединение, в том числе AIN, GaN, BN и др.

Однако использование этих соединений не приводит к значительному уменьше- нию ширины запрещенной зоны.

Цель изобретения - уменьшение ширины запрещенной зоны.

Поставленная цель обеспечивается следующим составом твердого раствора (SiC)i-x(NbC)x, где 0 .

На фиг. 1 приведена обычная электронная микрофотография; на фиг. 2 - концентрационные профили ниобия и кремния при различных температурах и давлениях; на фиг. 3 и 4 - изображения в Оже-электронах ниобия и кремния соответственно; на фиг. 5 - спектр фотолюминесценции.

Пример 1. Получение гетеровалент- ного твердого раствора (SiC)i-x(NbC)x осу- ществляют путем непосредственного высокотемпературного контакта друг с другом монокристаллических кристаллов карбида кремния и карбида ниобия. Диаметры кристаллов карбида кремния и карбида ни- обия составляли около 5-6 мм, а толщина 0,5 мм и 1 соответственно. Кристалл карбида кремния политипа 6Н предварительно травили в расплаве КОН, а кристалл карбида ниобия после резки и шлифовки - в HF. Затем кристаллы SiC и NbC прикладывали друг к другу и подвергали горячему прессованию в засыпке порошка карбида кремния дисперсностью 5 мкм. Процесс проводили при 2100°С и давлении 40 МПа всредеС02 в течение 30 мин. Ширина полученного слоя гетеровалентного твердого раствора (SiC)i-x(NbC)x 13MKM.

Пример 2, Кристаллы карбида кремния и карбида ниобия были тех же размеров, что и в примере 1 и подвергались такой же обработке. Но в отличие от предыдущего случая процесс проводили при 1900°С, давлении 30 МПа в среде N2 в течение 60 мин. Ширина полученного слоя гетеровалентного твердого раствора (SiC)i-x(NbC) мкм.

Пример 3. В этом случае кристаллы карбида кремния и карбида ниобия, обработанные так же, как и в примерах 1 и 2, прикладывали друг к другу и подвергали горячему прессованию в засыпке порошка дисперсностью 5 мкм. Процесс проводили при 1700°С, давлении 20 МПа в среде N2 в течении 60 мин. Ширина слоя гетеровалентного твердого раствора (SiC)i-x(NbC) - 7 мкм.

Во всех трех случаях получали гетеро- валентные твердые растворы (SiC)i- -x(NbC)x во всем диапазоне изменения состава (). Исследования концентрационного распределения Mb и Si проводились на Оже-микроанализаторе JEOLS. На фиг. 1 дана обычная электронная микрофотография. Области с элементами различной тяжести отличаются. Более тяжелые элементы светлее.

На фиг. 2 изображены концентрационные профили ниобия и кремния при различ- ных температурах и давлениях, где отчетливо видно, что 1Mb продиффундировал на большую глубину в кристалл SiC, чем Si в NbC. Кривые 1, 2, 3 для Nb и для Si были получены при 2100, 1900 и 1700°С соответственно. При анализе профиля распределения Nb в SiC и Si в NbC использована модель диффузии из постоянного источника согласно которой:

где erfc ошибок;

N(x, t) No erfc x/2 /bt;

1 -erfz-дополнительная функция

i Z

erfz т%/0 exp ( - y2) d у - функция

ошибок Гаусса,

Из фиг. 2 видно, что при уменьшении концентрации Si непрерывно увеличивается концентрация Nb и наоборот, что свидетельствует о замещении атомов Si атомами Nb. Смещение спектров люминесценции в длинноволновую область указывает на то, что получен варизонный материал, ширина запрещенной зоны которого непрерывно уменьшалась с увеличением X, начиная от SiC, т. е. был получен непрерывный ряд твердых растворов (SiC)i-x(NbC)x во всем диапазоне изменения X. Результаты рентгеноструктурного анализа монокристаллических зерен, вырезанных из керамики SiC- NbC различного состава, является прямым доказательством получения твердого раствора.

Толщина слоев полученного твердого раствора до 13 мкм на монокристалле SIC (фиг. 2). Такие толщины являются достаточными для создания на их основе фото- и оптически активных структур и гетеропереходов, так как в планарной технологии используются слои 0,5 - 5 мкм. Полученные твердые растворы могут быть использованы для получения светодиодов, фотоприемников, работающих в красной и инфракрасной областях спектра. Причем эти твердые растворы не уступают существующим полупро водниковым приборам на основе A Bv и

11 VI%

А В , т. к. они наследуют все полезные свойства карбида кремния, такие как радиационная и химическая стойкость, стабильность характеристик и т. д.

Кроме того, керамика на основе твердых растворов SiC-NbC может служить материалом для зеркал лазеров, работающих на длине волны 10,6 мкм, и отражателей синтротронного излучения.

Таким образом, данные по Оже-спект- роскопии, люминесценции и результаты рентгеноструктурного анализа подтверждают, что в системе SiC-NbC образуется непрерывный ряд твердых растворов.

На фиг. 3 и 4 даны изображения в Оже- электронах ниобия и кремния соответственно. Отсутствие резкой прямолинейной границы между белыми и темными полями свидетельствуют о протекании диффузионных процессов на границе раздела SiC и NbC. Светлые поля на фиг. 3 и 4 соответствуют Mb и Si. Подтверждением существования непрерывного ряда твердых растворов SiC - NbC явилось исследование края собственного поглощения и люминесценции тонких слоев SiC - NbC.

Спектры фотолюминесценции были получены при 300 К (представлены на фиг. 5). Наблюдаемый сдвиг максимума длинноволновую область с увеличением содержания NbC подтверждает существование непрерывного ряда твердых растворов (SiC)i-x(NbC)x, так как в SiC подобного сдвига в красную и ПК-области не наблюдается.

Известно, что SiC и NbC являются жаро стойкими механически твердыми радиаци- онно и химически стойкими веществами. Поэтому и твердые растворы SiC - NbC coхраняют эти полезные свойства. Таким образом, известные материалы уступают предлагаемому по таким свойствам, как радиационная и химическая стойкость, стабильность полупроводниковых параметров

в зависимости от температуры вплоть до 1000 К, механическая прочность и др. Кроме того, он не деградирует, что свойственно входящим в него SiC и NbC. Например, исследование спектра ФЛ твердого раствора

SiC- NbC после 100-часовой обработки УФ- лучами и 5-кратного термоциклирования до 1000 К на воздухе показало, что такая обработка не приводит к сдвигу максимума и изменению формы спектра фотолюминисценции.

Преимуществом предлагаемого материала является также отсутствие узкозонных материалов на основе SiC с Едс2,4 эВ. Предлагаемый материал может быть использован для изготовления на его основе светодиодов красной и ИК областей спектра, способных работать в химически агрессивных и высокотемпературных средах. В таких экстремальных условиях приборы на

основе А2Ве, АзВб, А4Ве и их твердые растворы либо вообще не работают, либо работают непродолжительное время. Кроме того он может быть использован во всех областях, где уже успешно работают материалы

на основе SiC: изготовление мощных выпрямительных диодов, высокотемпературных тензодатчиков, счетчиков высокой энергии и т. д.

40

Формула изобретения

Полупроводниковый материал на основе эпитаксиальных слоев гетеровалентного твердого раствора, содержащего карбид

кремния и второе бинарное соединение, о т- личающийся тем, что, с целью уменьшения ширины запрещенной зоны, в качестве второго соединения материал содержит карбид ниобия и имеет состав,

соответствующий формуле (SiC)i-x(NbC)x, где 0 х 1 .

t

Изобретение относится к твердотельной электронике, конкретно к технологии получения монокристаллических твердых растворов на основе карбида кремния. Материал на основе эпитаксиальных слоев ге- теровалентного твердого раствора имеет состав (SiC)i-x(Nbc)x, где О Х {. Ширина запрещенной зоны меньше, чем у карбида кремния. Материал имеет радиационную и химическую стойкость и стабильность полупроводниковых параметров. 5 ил.

i1

|L

Ю 5 0

10 /5

Фиг

20 25 X.MKM

ФигЗ

Фиг

/

i

W 7,7 W W 2,0 11 22 2,3 2,4 25

пУ,Эй

фиг. 5