Полупроводниковый материал Советский патент 1993 года по МПК C30B29/36 C30B29/02 

Изобретение относится к области твердотельной электроники, а конкретнее к технологии получения монокристаллических твердых растворов на основе карбида кремния. На основе этих твердых растворов создаются твердотельные приборы и устройства, а именно светодиоды и инжек- ционные лазеры с большой эффективностью, фотоприемники и т.д. Немаловажным фактом является и то, что они наследуют от карбида кремния ряд ценных свойств, таких как радиационная и химическая стойкость, наличие более 140 политипов, сохранение полупроводниковых свойств вплоть до температуры 1000 К, твердость, термостойкость и др.

До настоящего времени было известно получение псевдобинарных твердых растворов на основе SiC. Эти твердые растворы были получены во всем диапазоне изменения состава (0 X 1). Причем,в них изменение состава в диапазоне (0,1 ,9) приводит к.увеличению ширины запрещенной зоны от 3,0 до 4,8 эВ, а при ХН3.75 твердый раствор становится прямозон- ным. 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- 0,4986 нм. Из приведенных характеристик твердых растворов (SiC)i-x(AIN)x видно, что они обладают шириной запрещенной зоны большей, чем у карбида кремния. Однако представляет большой интерес получение твердых растворов с шириной запрещенной зоны меньшей, чем у карбида кремния.

Целью изобретения является уменьшение ширины запрещенной зоны.

Это достигается путем получения тонких слоев непрерывного гомовалентного твердого раствора (SiC)i-x(ZrC)x во всем диапазоне изменения составов (0 х 1) при непосредственном высокотемпературном контакте монокристаллических пластинок (кристаллов) карбида кремния и карбида циркония. В качестве пластинок (кристал(Л

00

ч ю

ю ю

лов) карбида кремния использовались монокристаллы политипа 6Н, травленные в расплаве КОН. Монокристаллы ZrC предварительно подвергали резке, шлифованию и травлению в Н F. Затем они прикладывались друг к другу и подвергались горячему прессованию в засыпке порошка дисперсностью 5 мкм.

Процесс проводили при температурах 1700-2200°С и давлении 20-40 МПа в сре- дах N2 и С02.

Пример 1. Получение гомовалентного твердого раствора (SIC)i-x(ZrC)x осуществляли путем непосредственного высокотемпературного контакта Друг с другом монокристаллических кристаллов карбида кремния и карбида циркония. Размеры кристаллов карбида кремния и карбида циркония по диаметру составляли около 5-6 мм, по толщине 0,5 и 1 мм соответственно. Кри- сталлы карбида кремния политипа 6Н предварительно травили в расплаве КОН, а кристалл карбида циркония после резки и шлифовки травили в HF. Затем кристаллы SIC и ZrC прикладывали друг к другу и под- вергали горячему прессованию в засыпке порошка карбида кремния дисперсностью 5 мкм. Процесс проводили в течение 30 мин при температуре 2200°С при давлении 40 МПа в среде СОг. Ширина получен- ного слоя гомовалентного твердого раствора ()i-x(ZrC)x составила 13 мкм. Пример 2. Как в примере 1, кристаллы карбида кремния и карбида циркония были тех размеров и подвергались такой же обра- ботке. Но в отличие от предыдущего случая, процесс проводили при температуре 1900°С.давлении 30 МПа в среде N2 в течение 60 мин. Ширина полученного слоя гомовалентного твердого раствора (SiC)i-x(ZrC)x составила 10 мкм...

Пример 3. В этом случае кристаллы карбида кремния и карбида циркония, обработанные так же, как и в примерах 1 и 2, прикладывали друг к другу и подвергали горя- чему прессованию в засыпке порошка дисперсностью 5 мкм. Процесс проводили при температуре 1700°С, давлении 20 МПа в среде N2 в течение 60 мин. Ширина слоя гомовалентного твердого раствора (SiC)i-x(ZrC)x составила 5-7 мкм. Во всех трех случаях получались гомовалентные твердые растворы (SiC)i-x(ZrC)x во всем диапазоне изменения состава (). Исследования концентрационного распределения Zr и SI проводились на Оже-микроанализаторе ДЖАМП и SUPERBROB 733.

На фиг. 1 дана обычная электронная микрофотография. Области с элементами различной тяжести отличаются. Более тяжелые элементы светлее. На фиг. 2 изображены концентрационные профили циркония и кремния, где отчетливо видно, что Zr про- диффундировал на большую глубину в кристалл SiC, чем SI в ZrC.

При анализе профиля распределения Zr в SiC и Si в ZrC использовали модель диффузии из постоянного источника, согласно которой:

N(x, t) No erfc тг-тр-,

где erfcz 1 erfz- дополнительная функция ошибок;

erfz -j- exp(-y2)dy - функция ошибок

Гаусса.

При рассмотрении концентрационных профилей (фиг. 2) видно, что при уменьшении концентрации SI непрерывно увеличивается концентрация Zr и наоборот, что свидетельствуете замещении атомов SI атомами Zr. Подверждением существования непрерывного ряда твердых растворов SIC- ZrC явились исследования края собственного поглощения и люминесценция тонких слоев SiC-ZrC. Спектры фотолюминесценции были получены при 300 К.

На фиг. 3 представлены спектры фотолюминесценции. Наблюдаемый сдвиг максимума в длинноволновую область с увеличением содержания ZrC подтверждает существование непрерывного ряда твердых растворов (SiC)i-x(ZrC)x, т.к. в SIC подобного сдвига в красную и ИК-области не наблюдается.

Смещение спектров люминесценции в длинноволновую область указывает на то, что получен варизонный материал, ширина запрещенной зоны которого непрерывно уменьшилась с увеличением X.

Это подтверждают и результаты рентге- ноструктурного анализа монокристаллических зерен, вырезанных из керамики SiC-ZrC различного состава, которые являются прямым доказательством получения твердого раствора. Что же касается толщины слоев полученного твердого .раствора, то они получались до 13 мкм на монокристалле SiC. Такие толщины являются достаточными для создания на их основе фото- и оптически активных структур и гетеропереходов, т.к. при Планерной технологии используются слои 0.5-5 мкм.

Таким образом, данные по Оже-спект- роскопии, люминесценции и рентгенострук- турного анализа позволяют утверждать, что в системе SIC-ZrC образуется непрерывный ряд твердых растворов.

Что касается конкретного назначения этого материала, то это может быть и изготовление на его основе светодиодов красной и ИК-областях спектра, способных работать в химически агрессивных и высокотемпературных средах; В таки,х экстремальных условиях приборы на основе АгВб, АзВб, В4Вб и их твердые растворы либо вообще не работают, либо работают непродолжительное время. Но этим естественно не ограничивается область применения предлагаемого материала. Ввиду наличия у него многих полезных свойств карбида кремния, он может быть использован во всех областях, в которых уже успешно работают материалы на основе SIC, Это и изготовление мощных выпрямительных диодов, высокотемпературных тензод атчиков, счетчиков высокой энергии и т.д.

Таким образом, изобретение имеет следующие преимущества:

0

получение непрерывного ряда гомова- лентных твердых растворов (SlC)i-x(ZrC)x во всем диапазоне изменения составов;

высокая степень чистоты и совершенст - во полученных тонких слоев гомовалентно- го твердого раствора (SlC)i-x(ZrC)x:

управляемое изменение электрофизических и оптических свойств за счет изменения состава.

Формула, изобретения

Полупроводниковый материал на основе эпйтаксиальных слоев твердого раствора, содержащего карбид кремния и второе бинарное соединение, отличающий- с я тем, что, с целью уменьшения ширины запрещенной зоны, в качестве второго соединения материал содержит карбид циркония и имеет состав формулы (SIC)i-x (ZrC)x, где 0 х 1. .

Использование: твердотельная электроника. Полупроводниковый материал на основе эпитаксиальных слоев твердого раствора имеет состав: (SiC)t-x(ZrC)x, где О X 1. Материал получают путем непосредственного высокотемпературного контакта кристаллических пластин SIC и 2гС. Материал может работать в химически агрессивных средах. Достигнуто уменьшение ширины запрещенной зоны. Возможно управляемое изменение электрофизических и оптических свойств. 3 ил.

Фм. 1

Фи г

и,а- и,к

Ь

Ј

0Л

К4

; 2,г