Лучинин В.В. Физика и технология микро

Подождите немного. Документ загружается.

А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, А. В. Корляков,

А. О. Лебедев, В. В. Лучинин, Ю. М. Таиров

КАРБИД КРЕМНИЯ.

ВКЛАД СПбГЭТУ «ЛЭТИ». ПРИЗНАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Обеспечение технологической независимости и конкурентоспо-

собности России по критическим технологиям требует развития отече-

ственных материалов для электронной компонентной базы нового по-

коления с ранее недостижимыми режимами и условиями эксплуата-

ции. Технология карбида кремния – визитная карточка Санкт-Петер-

бургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ».

Данная статья отражает вклад старейшего в стране вуза и, в част-

ности, кафедры микро- и наноэлектроники, в современный технологи-

ческий облик этого уникального материала, синтезируемого из абсо-

лютно доступных для человека элементов: кремния и углерода. При-

знанием роли ЛЭТИ в формировании отечественной технологической

культуры карбида кремния является решение корпорации «РОСНАНО»

от 10.07.2011 о финансировании представленного университетом про-

екта «Организация производства объемных монокристаллов карбида

кремния и эпитаксиальных структур на его основе для электронной

компонентной базы нового поколения».

Карбид кремния – наноструктурно-зависимое

семейство материалов

В терминологии рубрикатора корпорации «РОСНАНО» карбид

кремния может быть отнесен к наноматериалам, «макроскопические

свойства которых определяются размерами и/или взаимным располо-

жением элементов» [1].

Свойства карбида кремния зависят от порядка чередования нано-

размерых элементов (слоев). Он представляет собой слоистый матери-

ал с характерными размерами фрагментов порядка постоянной решет-

ки. Иными словами: его кристаллическая структура представляет со-

бой слоистую сверхструктуру, построенную из элементарных слоев

трех типов: A, B и С (рис. 1), отличающихся друг от друга кристалли-

ческой упаковкой в пределах одного слоя. Период повторения после-

довательности слоев может варьироваться от десятков ангстрем до де-

сятка нанометров, что обеспечивает формирование слоистых сверхре-

шеток, макроскопические свойства которых зависят от взаимного рас-

положения слоев и периода их повторения (трансляции).

В результате этого при синтезе карбида кремния формируется

ряд индивидуальных слоистых структурных модификаций, называе-

мых политипами (3С, 2Н, 4Н, 6Н, 21R), которые отличаются по харак-

теристикам: электрофизическим (ширина запрещенной зоны, подвиж-

ность носителей заряда); оптическим (коэффициент поглощения, ко-

эффициент преломления); химическим (скорость окисления, скорость

диффузии примесей) (рис. 2).

Рис. 1. Структурное упорядочение семейства естественных сверхрешеток SiC:

а – виды упаковок А, В, С – в пределах слоя;

б – вид элементарных ячеек основных слоистых модификаций

Карбид кремния, в рамках единой химической формулы (SiС) ин-

тегрирует целое семейство материалов, являясь наноструктурирован-

ным слоистым полупроводником, макроскопические свойства которо-

го зависят от взаимного расположения слоев, то есть последовательно-

сти их чередования и периода трансляции [2].

Разработанные процессы целенаправленного синтеза определен-

ных слоистых композиций на основе кремния и углерода позволяют

получать наноупорядоченный карбид кремния с заданной последова-

тельностью чередования слоев и периодом их повторения, что обеспе-

чивает возможность создания материала с заданными свойствами (на-

пример, с высокой подвижностью носителей заряда, имеющей место у

политипа 4Н), пригодного для решения конкретных задач.

3С

8Н

15R

3,2

2,8

2,4

0,58

0,56

0,54

1,2

1,0

0,8

0,6

0,10

0,09

0,08

Г, %

d, мкм

о. е.

max

Л , мкм

Э, эВ

Гексагональность

Рис. 2. Влияние изменения метрической протяженности периода

повторения нанослоевых композиций SiC на свойства материала:

а – на ширину запрещенной зоны; б – на положение спектрального

максимума люминесценции SiC, легированного бором;

в – на глубину залегания p–n-перехода; г – на толщину слоя

термического окисла на грани (0001) карбида кремния

В основе разработанных процессов управления политипией ле-

жит критерий управления протяженностью слоевой структуры SiC в

зависимости от условий синтеза [3], базисом которого является кине-

тическая зависимость неравновесных процессов упорядочения от ско-

рости поступления вещества на поверхность роста, температуры и ме-

тодов подготовки поверхности подложки-затравки, а также от основ-

ного и примесного состава ростовой среды. Данный критерий позво-

лил определить условия управляемого синтеза промышленно значи-

мых структурных модификаций SiC и целенаправленно получить их

синтетические композиции – как слоевые, так и латеральные, т. е. рас-

положенные в плоскости подложки-затравки (рис. 3).

Рис. 3. Управляемый рост определенных политипных структур SiC

по заданной топологии. Представлены люминесцентные топограммы латерально

упорядоченных композиций в слое структурных модификаций 4Н и 6Н

На основе карбида кремния также возможно формировать гете-

роструктуры в виде сочетания различных модификаций SiC – кубиче-

ских и гексагональных: 3С–2Н, 3С–6Н. Кроме того, возможны гетерост-

руктурные нанокомпозиции карбида кремния с нитридом алюминия и

нитридом галлия [4], а также с кремнием – хорошими «партнерами» с

кристаллохимической и термомеханической точек зрения.

Следует также отметить, что последние исследования указывают

на возможность стимулированного подложного матричного устойчи-

вого псевдоморфного синтеза других структурных модификаций нит-

ридов алюминия и галлия, для которых обычно характерна структура

вюрцита, то есть структура политипа 2Н, что значительно расширяет

функциональные возможности материалов и их композиций.

Карбид кремния – алмазоподобный

широкозонный полупроводник

Среди семейства широкозонных материалов (рис. 4) карбид крем-

ния выделяется высокой температурой Дебая, характеризующей ус-

тойчивость к внешним воздействиям. Чрезвычайно ценным его качест-

вом SiC является его высокая теплопроводность. По этому параметру

он уступает лишь алмазу и в несколько раз превосходит медь. Место SiC

среди других материалов электронной техники иллюстрирует табл. 1.

1430

950

4,9

3,2

1,3

640

550

2,6

5,27

4,87

4,68

GaN

Теплопроводность,

Вт/см К

Температура

Дебая, К

Модуль Юнга,

Н/м

4,0

3,0

2,2

1,3

0,25

Пьезомодуль,

–12

Кл/Н

5,53

4,0

3,5

1,7

0,3

3,02

1,12

3,44

Критическая

напряженность

поля, МВ/см

6,20

Ширина запрещенной

зоны, эВ

0,543

0,3112

а 0,3076

с n x0,25

SiC

AlN

Параметр

решетки, нм

Температурный

коэффициент

линейного

расширения,

–6

1/К

Рис. 4. Сравнительная характеристика основных параметров AlN, GaN, Si и SiC

Таблица 1

Ранжирование полупроводниковых материалов

1.12

1.43

2.27

3.02

3.44

5.48

GaAs

GaP

SiC

GaN

AlN

6.20

GaAs

GaP

SiC

GaN

AlN

400

520

640

710

950

1430

GaAs

GaP

GaN

AlN

SiC

2200

0.54

0.8

1.3

1.5

3.2

4.9

GaAs

GaP

GaN Si

AlN

SiC

20.0

0.14

0.3

SiO

0.8

2.5

4.2

4.6/4.2 5.2/4.1

5.9

GaN

SiC

AlN

GaP

GaAs

6.2

0.6

SiO

6.7/5.0

5.5

8.5

9.0

9.7

11.1

11.8

GaN

SiC

GaP Si

GaAs

12.8

0.3

0.4

0.45

1.4 1.7 4.0

GaAs

GaP

GaN

AlN SiC

20.0

1.0

1.5

2.0

2.5

2.7

GaP

AlN

GaAs

SiC

GaN

2.7

300

350

100

400

1000

1400

600

AlN

GaP

GaN

SiC

GaAs

10500

450

2200

1600

Ширина

запрещенной

зоны, эВ

Структура зон:

П-прямозонный

Н-непрямозонный

полупроводник

Температура

Дебая, К

Теплопроводность,

Вт/смК

Коэффициент

линейного

расширения ,

х 10

-6

-1

Диэлектрическая

постоянная

Критическая

напряжённость

электрического

поля, МВ/см

Скорость

насыщения

дрейфа носителей,

х 10

см/с

Подвижность:

электронов

дырок

См

/В·с

Свойства сопрягающихся материалов (SiO

и Al

)

в системах межэлементной изоляции

Параметры материалов

Свойства

Данные особенности материалов внимательно изучаются иссле-

дователями и разработчиками приборов. В области силовой (в том

числе и быстродействующей) электроники наибольший интерес пред-

ставляют эпитаксиальные структуры на основе карбида кремния.

В СВЧ-электронике повышенной мощности доминируют композиции

GaN/AlN/SiC. В оптоэлектронике лидируют структуры GaAlN/SiC,

обеспечивающие работу в УФ-области спектра. Для микросистемной

техники важны такие свойства SiC, как твердость и теплопроводность,

а также наличие пъезоэффекта у кристаллохимически совместимого с

SiC нитрида алюминия.

Конечный успех в создании указанной электронной компонент-

ной базы (ЭКБ) во многом определяется успешным решением пробле-

мы подложки, к которой могут предъявляться различные требования,

но главным среди них остается стоимость.

Выделим ряд технических требований, предъявляемых к SiC-

подложкам и определяющих эффективность создания на их основе

широкой номенклатуры ЭКБ:

– диаметр 50,8 … 101,6 мм;

– толщина 350 ± 50 мкм;

– структурная политипная однородность 4Н или 6Н;

– удельное сопротивление 10

–3

…10

Ом · см;

– тип проводимости n-(азот), p-(алюминий, бор);

– плотность дислокаций < 10

см

–2

;

– плотность микропор < 5 см

–2

Дополнительные требования к подложке могут выдвигаться в от-

ношении качества ее предэпитаксиальной подготовки, с учетом реализа-

ции процессов эпитаксии SiC или соединений Me

, которые осуществ-

ляются, как правило, методом CVD, т. е. осаждением из газовой фазы

или MBE, т. е. молекулярной эпитаксией в глубоком вакууме. В на-

стоящее время при выполнении определенной совокупности вышеука-

занных требований стоимость подложки SiC составляет не менее 100

долларов США за 1 кв. дюйм.

Отечественная технология выращивания

монокристаллического SiC – «метод ЛЭТИ»

Выращивание монокристаллов карбида кремния – достаточно

сложная техническая задача. Главной проблемой является отсутствие у

него жидкой фазы при реально достижимых давлениях, а также высо-

кие температуры синтеза.

Наиболее распространенным методом синтеза является метод суб-

лимации. Он применяется как для получения абразивного материала, так

и для выращивания монокристаллов, предназначенных для полупровод-

никовой электроники. Метод основан на переносе материала от горячего

источника к затравке, находящейся при более низкой температуре. В ка-

честве источника используется шихта (измельченный карбидокремние-

вый порошок). Температуры сублимационного роста находятся в диапа-

зоне 1800–2600 °С.

Комплексные исследования массопереноса, термодинамики

процессов в газовой фазе, кинетики кристаллизации и структурообра-

зования политипов [3]–[5] при выращивании карбида кремния обес-

печили более глубокое понимание особенностей его сублимационно-

го роста и сформировали основу для нового подхода к синтезу моно-

кристаллических слитков.

Первые результаты по выращиванию объемных монокристаллов-

слитков SiС были опубликованы сотрудниками ЛЭТИ Ю. М. Таиро-

вым и В. Ф. Цветковым в 1976 г. на Первой европейской конференции

по росту кристаллов из газовой фазы (Цюрих). Первая системная пуб-

ликация по новому методу выращивания SiC, получившему название

«метод ЛЭТИ», появилась в 1978 г. [6] (рис. 5–7). В основу данного

метода были положены:

– классическая схема конденсации пересыщенного пара на моно-

кристалл-затравку (для управления процессом зародышеобразования);

– ограничение на начальном этапе кристаллизации скорости рос-

та за счет реализации данной стадии в атмосфере инертного газа (для

подавления спонтанного зарождения и образования поликристалла);

Кристаллы

больших

размеров

Структурно

совершенные

кристаллы

Кристаллы

различных

политипов

Чистые и

легированные

кристаллы

Твердые

растворы

на основе SiC

Затравки

на держателе

Затравки

на диафрагме

Метод ЛЭТИ

(1978)

Сэндвич-

метод (1979)

Метод Лели

(1955)

Метод

Ачесона

(1893)

Неконтролируемое зародышеобразование

Рост на затравках

Рис. 5. Эволюция сублимационных методов получения кристаллов карбида кремния

Рис. 6. Монокристаллы SiC диаметром 75 мм, выращенные «методом ЛЭТИ»:

а – слитки SiC (вид сверху и сбоку); б – подложки SiC

– откачка инертного газа из камеры

вплоть до вакуума (для обеспечения посте-

пенного увеличения скорости роста до не-

скольких миллиметров в час).

В качестве затравок использовались мо-

нокристаллы Лели, а в качестве источника –

поликристаллический карбид кремния, пред-

варительно синтезированный из кремния и

углерода полупроводниковой чистоты.

Получение SiC на инородной подложке

Гетероэпитаксия карбида кремния на кремнии

Максимальный размер коммерчески доступных подложек кар-

бида кремния гексагональных модификаций 4H и 6H в настоящее

время ограничен 4 дюймами, а стоимость их на несколько порядков

превышает стоимость кремниевых подложек. Гетероэпитаксия карби-

да кремния на кремниевые подложки существенно удешевляет про-

цессы создания приборов. Однако при эпитаксии на кремнии росту

качественных монокристаллических слоев кубического (3С) карбида

кремния препятствуют рассогласование периодов кристаллических

решеток кремния и карбида кремния, составляющее порядка 20 %, и

различие температурных коэффициентов линейного расширения (~8 %).

Для минимизации механических напряжений, вызванных этими фак-

торами, и улучшения кристаллического совершенства растущего слоя

необходимо создать на поверхности кремниевой подложки тонкий

буферный слой. В большинстве работ, посвященных эпитаксии 3С-SiC

на Si, буферный слой создают методом карбидизации. Процесс кар-

бидизации заключается в обработке поверхности кремниевой под-

ложки углеродсодержащими газообразными компонентами при тем-

пературе 1000 ºС и более. Однако монокристаллические слои 3С-SiC,

полученные таким образом, не свободны от структурных дефектов и

механических напряжений. Важной проблемой является исследова-

Рис. 7. Экспериментальный

образец слитка SiC диаметром

более 100 мм (вид сверху)

Лучинин В.В. Физика и технология микро - и наносистем

Подождите немного. Документ загружается.