Лучинин В.В. Физика и технология микро

Подождите немного. Документ загружается.

структуры n–n

на основе карбида кремния модификации 4H. Выбор

данного политипа обусловлен бóльшей шириной его запрещенной зо-

ны (3,25 эВ для 4Н по сравнению с 3 эВ для 6H) и, как следствие,

большими напряжениями пробоя. Толщина эпитаксиального n-слоя,

выращенного методом CVD-эпитаксии, составляла 10–12 мкм с кон-

центрацией нескомпенсированных доноров (3–5)10

см

–3

. Материа-

лом выпрямляющего электрода был никель. Толщина никелевой плен-

ки составляла 0,1 мкм. Разрез структуры образца диода Шоттки с рас-

ширенной металлизацией приведен на рис. 18.

Ni (0,15 мкм)

SiO

(0,5 мкм)

Ni (0,1 мкм)

Al (0,8 мкм)

500 мкм

300 мкм

SiC

Рис. 18. Структура образца диода Шоттки и фрагмент пластины с диодами

Полученные образцы имели следующие параметры:

– высота барьера Шоттки 1,43 эВ;

– коэффициент идеальности ВАХ в области малых токов 1,12–1,14;

– прямой ток 50–100 мА (при U = 1,7 В);

– напряжение пробоя 700–850 В;

– обратный ток не более 10 нА (при U = 500 В);

– площадь контакта Шоттки 0,07 мм

Типичная вольт-амперная характеристика диодной структуры при-

ведена на рис. 19, измерения проводились на пластине (рис. 18). По об-

ратным характеристикам, для такой геометрии электродов, получен-

ные образцы не уступают мировым аналогам.

Очевидно, что для обеспечения высоких значений прямых токов

в диодных структурах, необходимо увеличить активную площадь прибо-

ра. При этом необходимо учитывать как периферийные, так и объемные

Рис. 19. Вольт-ампертная

характеристика диода с барьером Шоттки

утечки в диодной структуре, возникающие при больших обратных

смещениях в условиях повышенных температур. Поэтому конструкция

силового диода на основе карбида кремния представляет собой интег-

рированную структуру «контакт Шоттки – p–n-переход» (Junction Bar-

rier Schottky, JBS), в которой прямую ветвь ВАХ обеспечивает контакт

Шоттки, а обратную – p–n-переход. На основе JBS-структур выполне-

ны все коммерческие диоды фирмы Cree, рассчитанные на обратные

напряжения свыше 600 вольт (рис. 20).

SiO

Полиимид

а б

Рис. 20. Фрагмент структуры силового JBS-диода:

а – морфология поверхности (без металлизации и диэлектрических покрытий);

б – разрез активной и периферийной частей диода

В настоящее время в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» совместно с ФТИ им.

А. Ф. Иоффе ведутся разработки высоковольтного JBS-диода на на-

пряжение свыше 2400 В. Основной особенностью разрабатываемых

структур является применение «борной» p-охранной системы, в отли-

чие от «алюминиевой», используемой компанией Cree. Предваритель-

ные результаты показали, что при наличии высококачественного под-

ложечного материала возможно изготовление высоковольтных JBS-

диодов на напряжения более 3 кВ [16].

Фотоприемники УФ-диапазона

Благодаря высокому практическому интересу к оптоэлектронным

приборам УФ-диапазона, который проявлялся на протяжении многих

десятилетий, к началу XXI века сформировалось направление «ульт-

рафиолетовая фотоэлектроника» [17]. Причиной этого стала острая по-

требность в приборах данного класса для решения прикладных задач в

таких областях, как медицина, экология, астрономия, а также в ряде

военных и аэрокосмических приложений.

Очевидно, что фотоприемные устройства для УФ-области спек-

тра должны обладать малыми темновыми токами, высокой чувстви-

тельностью, быстродействием, а также стабильностью эксплуатацион-

ных параметров. Спектральная чувствительность таких фотодетекто-

ров определяется многими факторами, главный их которых – ширина

запрещенной зоны полупроводника. С этой точки зрения наиболее

перспективны материалы с шириной запрещенной зоны более 3 эВ.

В настоящее время базовыми материалами УФ-фотометрии являются

карбид кремния, нитриды галлия и алюминия и их твердые растворы.

На основе этих материалов разработаны и выведены на рынок фото-

приемники, работающие в диапазоне длин волн 180–400 нм. Несмотря

на то, что на данный момент приоритетными материалами УФ-фото-

электроники являются GaN и AlN–GaN, карбид кремния занимает

свою устойчивую нишу в следующих областях:

– высокотемпературная УФ-фотоэлектроника;

– контроль излучения мощных УФ-эксимерных лазеров, УФ-ламп и

других источников (известно, что фотодетекторы на основе SiC и алмаза

наиболее стабильны при длительной засветке УФ-излучением);

– регистрация бактерицидного УФ-излучения [17];

– контроль возгорания (детекторы пламени, датчики электриче-

ской искры).

К наиболее часто используемым типам УФ-фотоприемников от-

носятся фотодиоды с мелким p–n-переходом, гетерофотодиоды с ши-

рокозонным окном, а также поверхностно-барьерные структуры: дио-

ды Шоттки, МДП-структуры с туннельно прозрачным диэлектриком.

Фотодиоды с барьером Шоттки обладают рядом преимуществ по срав-

нению с обычными фотодиодами, у которых потенциальный барьер,

разделяющий носители заряда, находится в объеме полупроводника.

Их повышенная УФ-чувствительность связана с тем, что возбуждае-

мые коротковолновым излучением носители заряда разделяются элек-

трическим полем у самой поверхности, то есть непосредственно в об-

ласти поглощения квантов высоких энергий. В сравнении с биполяр-

ными фотоприемниками, фотодиоды с барьером Шоттки отличаются

высоким быстродействием. С учетом этого фотоприемные структуры

на основе монокристаллического SiС были выполнены в виде диодов с

барьером Шоттки и МДП-структур с туннельно-прозрачным диокси-

дом кремния (рис. 21, а, б). С целью повышения эффективности фото-

преобразования был реализован вариант фотодетектора с сетчатым по-

лупрозрачным золотым электродом толщиной 15 нм (рис. 21, в). Оба

типа фотоприемных структур изготавливались на эпитаксиальных n–n

структурах. Уровень легирования n-слоев составлял (1–3)10

см

–3

Фотоприемники с барьером Шоттки характеризовались высотой

потенциального барьера 1,63–1,65 эВ. Обратные темновые токи при

напряжении 1 В не превышали 10

–12

А. Для МДП-структур при при-

ложении напряжения, соответствующего режиму обеднения (до 10 В),

величина токов утечки не превышала 10

–13

А. Измерения спектраль-

ных характеристик диодов с барьером Шоттки проводились в режиме

короткого замыкания, а для МДП фотоприемных структур – при на-

пряжении смещения 5 В, поскольку в режиме короткого замыкания

протекание фототока зарегистрировано не было. Полученные образцы

обладали фоточувствительностью в диапазоне 200–420 нм (рис. 22).

Было установлено, что при УФ-засветке (длина волны 254 нм)

SiO

SiC

а б

Рис. 21. Карбидокремниевые фотоприемные структуры

на основе диода Шоттки (а) и МДП-структуры (б) с сетчатым электродом (в)

фототок насыщения в МДП-структурах в 2–5 раз превышал фототок в

диодах Шоттки. Это свидетельствует о возможности повышения эффек-

тивности фотопреобразования за счет фототранзисторного эффекта [18].

Применение наноструктурированных полупроводников для изго-

товления сенсоров оптического излучения является весьма перспек-

тивным направлением развития фоточувствительных микросистем.

К настоящему времени ведущими научными центрами продемонстри-

рованы образцы высокочувствительных фотодетекторов видимого и

ближнего ИК-диапазонов на основе пористого кремния, сформирован-

ного путем электрохимической обработки, и нанослоевых гетероком-

позиций на основе соединений A

, полученных методом молекуляр-

но-пучковой эпитаксии. Они существенно превосходят аналоги, вы-

полненные на монокристаллических полупроводниках.

200

400

600

800 1000

1200

λ, нм

1,0

о. е.

S, %

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

λ, нм

Рис. 22. Спектральная характеристика фотоприемников

на основе карбидокремниевых диода Шоттки и МДП-структуры

Пористый карбид кремния (ПКК), как и пористый кремний (ПК),

перспективен для создания оптоэлектронных приборов, таких как эф-

фективные фотоприемники УФ-диапазона, светодиоды и лазеры на ос-

нове гетерокомпозиций «карбид кремния – нитрид алюминия». Интен-

сивность фото- и электролюминесценции в ПКК в десятки раз выше,

чем в объемном материале практически в том же спектральном диапа-

зоне. Это свидетельствует о незначительной трансформации зонной

структуры кристаллитов ПКК. Проводя аналогию с фотоприемниками

на основе ПК [19], можно предположить, что применение пористого

карбида кремния повысит эффективность фотопреобразования.

Для формирования композиции «ПКК – карбид кремния» на мо-

нокристаллических подложках n-4H-SiC с протяженностью пористого

слоя 1,5–2 мкм, изготовленных в СПбГЭТУ «ЛЭТИ», была использо-

вана технология, представленная в [20]. Были изготовлены планарные

фотоприемные структуры (рис. 23, а) «металл – полупроводник – ме-

талл» (МПМ), представляющие собой встречно включенные диоды

Шоттки, где в качестве электродов использовался алюминий. Величи-

на межэлектродного расстояния превышала диффузионную длину но-

сителей заряда (l) в исходном карбиде кремния (при концентрации не-

, B

МПМ (SiC)

–1

254 1

МПМ (ПКК)

а б

Рис. 23. Фрагмент МПМ-фотоприемника (а) и отношение тока

при УФ-засветке (l = 254 нм) к темновому току

для МПМ-структуры на основе SiC и ПКК (б)

скомпенсированных доноров 10

см

–3

l < 1 мкм). Поэтому фоточув-

ствительность образцов на основе монокристаллического карбида

кремния практически отсутствовала (рис. 23, б). В тоже время фото-

приемные структуры на основе нанопористого SiC обладали чувстви-

тельностью к УФ-излучению. Так, при напряжении смещения 5 В от-

ношение тока при УФ-засветке на длине волны 254 нм к темновому

току составляло 10

(рис. 23, б). Снижение соотношения I

254

при на-

пряжениях больших 5 В, вероятно, связано с ростом поверхностных

токов утечки в планарной структуре.

Элементная база микросистемной техники

для экстремальных условий эксплуатации

Технология объемной и поверхностной микромеханики на SiC

Основой технологических решений элементов микросистемной тех-

ники для экстремальных режимов и условий эксплуатации является ком-

позиция «карбид кремния на изоляторе» [21]. Перспективы ее примене-

ния предполагают использование высокотемпературных материалов и

композиций в элементах изоляции, металлизации и пассивации.

Для формирования элементов микросистем по технологии «объ-

емной» микромеханики были реализованы процессы анизотропного

травления кремния с использованием масок из нитрида кремния,

«стоп-слоев» (Si(p

), SiC, Si

) и компенсаторов углового растравли-

вания специальной конфигурации для получения профилированных

мембранных структур. Для формирования пленочных SiC-резисторов

проводилась комплексная оптимизация параметров: поверхностного

сопротивления, температурной зависимости сопротивления и тензо-

чувствительности SiC-пленок. При создании резистивных структур ис-

пользовалась высокотемпературная контактная металлизация Ni/Ti и ре-

активное ионно-плазменное микропрофилирование SiC. Для пассивации

использовались пленки нитрида кремния, получаемого ионно-химиче-

ским методом. Формирование мембранных и балочных элементов произ-

водилось на последних стадиях процесса, для этого на лицевую сторону

структуры наносилось защитное химически стойкое покрытие.

Была разработана и реализована унифицированная технология

«объемной» микромеханики, позволяющая формировать термо- и тен-

зочувствительные элементы для экстремальных режимов и условий

эксплуатации на основе композиции «карбид кремния на изоляторе»

(рис. 26, а–ж), включающая нанесение защитно-изолирующих слоев,

поликристаллических резистивных SiC-пленок, высокотемпературных

Ni/Ti-контактов, двухстороннюю фотолитографию, реактивное ионно-

плазменное микропрофилирование Si и SiC, пассивацию с помощью

пленки Si

и жидкостное анизотропное травление кремния для по-

лучения профилированных мембран [22].

Для формирования структур «поверхностной» микромеханики на

основе композиции «карбид кремния на изоляторе» были реализованы

процессы нанесения пленок SiC с низким уровнем механических оста-

точных напряжений на жертвенный изолирующий подслой AlN, тол-

щина которого составляла не менее 2 мкм. Селективное травление

жертвенных слоев AlN производилось в кислотном травителе (раствор

ортофосфорной кислоты) через предварительно вытравленные в SiC-

пленке окна. При этом удаление жертвенного слоя в зависимости от

конструкции элемента могло быть полным или частичным. Получение

механически подвижных SiC-структур также требует полного удале-

ния травящего раствора из образованного узкого зазора.

SiC

Ni/Ti

SiC

AlN

Ni/Ti

Рис. 26.

Типовая последовательность

основных технологических операций

«объемной» микромеханики

для формирования чувствительного

элемента мембранного типа на основе

композиции «SiC на изоляторе»

Рис. 27.

Типовая последовательность

основных технологических операций

«поверхностной» микромеханики

для формирования микромеханической

структуры на основе

композиции SiC/AlN

Была разработана и реализована унифицированная технология

«поверхностной» микромеханики для формирования микромеханиче-

ских элементов на основе композиции «карбид кремния на нитриде

алюминия» (рис. 27, а–ж), включающая высокотемпературную метал-

лизацию (W) для формирования нижней обкладки, нанесение и профи-

лирование жертвенного слоя AlN, нанесение «низконапряженных»

пленок SiC, реактивное ионно-плазменное микропрофилирование SiC,

нанесение высокотемпературных контактов Ni/Ti на обкладки струк-

туры, селективное травление жертвенных слоев AlN, микросборку [23].

Микромеханические преобразователи на основе пленок SiC

В процессе разработки тензорезистивных преобразователей на ос-

нове пленок SiC применялись профилированные конструкции мембран и

балок для концентрации механических напряжений в области расположе-

ния тензорезисторов. При этом учитывались особенности теплоотвода в

конструкции микромеханического элемента для исключения разбаланса

мостовой схемы за счет несимметричного перегрева резисторов.

Особенность реализации микромеханических тензорезистивных

преобразователей на основе композиции «карбид кремния на изолято-

ре» позволяет минимизировать токи утечки, типичные для изоляции

измерительной мостовой схемы p–n-переходом, при повышении тем-

пературы. Испытания показали работоспособность тензорезистивных

преобразователей на основе пленок SiC до температур 450 °С и после

радиационного облучения (4 · 10

нейтронов/см

) .

Благоприятное сочетание кристаллофизических и физико-хими-

ческих свойств SiC и AlN позволяет также реализовать микромехани-

ческие структуры на основе пленок SiC и AlN и их композиции для

преобразователей емкостного типа с экстремальными режимами и ус-

ловиями эксплуатации [24], [25].

В табл. 2 представлен ряд разработок микроэлектромеханических

элементов [26]–[28] на основе SiC и AlN: микромеханических преобра-

зователей давления и ускорения на основе пленочных SiC-тензорезис-

торов с экстремальными условиями эксплуатации; конструктивных

элементов емкостных преобразователей на основе поверхностных SiC-

структур; пьезоэлектрического преобразователя мембранного типа на

основе текстурированных пленок AlN.

Наряду со структурами «карбид кремния на изоляторе» для всех

ранее рассмотренных микроэлектромеханических преобразователей

базовыми конструктивными элементами являются балки (струны) или

мембраны. Была показана возможность применения гетероэпитакси-

альных 3С-SiC/Si-мембран и их использования не только в качестве

датчика давления. Преимущества таким мембран определяются сле-

дующими особенностями данной композиции:

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

Подождите немного. Документ загружается.