CC BY
24
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 537.9; 539.23
УДАРНАЯ ИОНИЗАЦИЯ В ГЕТЕРОПЕРЕХОДАХ «-SiC/^-(SiC)1_x(AlN)x
© 2013 г. Н.И. Каргин, Г.К. Сафаралиев, Б.А. Билалов, Г.Д. Кардашова, С.М. Рындя
Каргин Николай Иванович - д-р техн. наук, профессор, начальник Управления развития перспективных исследований, г. Москва. E-mail: krgn@ya.ru
Сафаралиев Гаджимет Керимович - д-р физ.-мат. наук, член-корр. РАН, профессор, Дагестанский государственный университет, г. Махачкала. E-mail: Safaraliev@duma.gov.ru
Билалов Билал Аругович - д-р физ.-мат. наук, профессор, Дагестансий государственный технический университет, г. Махачкала. E-mail: bil-bilal@yandex.ru
Кардашова Гюльнара. Дарвиновна - ст. преподаватель, кафедра «Экспериментальная физика», Дагестанский государственный университет, г. Махачкала. E-mail: gulya-ka11@yandex.ru
Рындя Сергей Михайлович - Орден Трудового Красного Знамени научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова. E-mail: ryndya_sm@mail.ru
Kargin Nikolai Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, chief Office of Advanced Studies. E-mail: krgn@ya.ru
SafaralievGadzhimet Kerimovich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor, Dagestan State University, Makhachkala. E-mail: Safaraliev@duma.gov.ru
Bilalov Bilal Arugovich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor, Dagestan State University, Makhachkala. Email: bil-bilal@yandex.ru
Kardashova Gulnara Darvinovna - Senior Lecturer department «Experimental Physics», Dagestan State University, Makhachkala. E-mail: gulya-ka11@yandex.ru
Ryndya Sergei Mikhailovich - Karpov Institute of Physical Chemistry. E-mail: ryndya_sm@mail.ru
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния сильных электрических полей на карбид кремния и твердые растворы (SiC)l-x(AlN)x. По полученным экспериментальным данным строились вольт-амперные характеристики и определялось влияние сильных электрических полей на образцы с разным содержанием AlN в твердых растворах.
Ключевые слова: карбид кремния; твердые растворы; вольт-амперная характеристика; осциллограмма; сильное электрическое поле; напряжение.
This paper presents the results of the experimental research of the impact of strong electric fields on silicon carbide and solid solutions (SiC)l-x(AlN)x. using the obtained experimental data the current-voltagecharacteristics were built and the impact of strong electric fields on samples with different AlN content in solid solutions was determined.
Keywords: silicon carbide; solid solutions; current-voltage characteristics; waveform; strong electric field; voltage.
Исследовано влияние сильных электрических полей на карбид кремния и твердые растворы (ЗЮ^./АМ), Для этих исследований была собрана экспериментальная установка, принципиальная схема которой показана на рис. 1. Работа этой схемы заключается в следующем.
С помощью трансформатора Т через кенотрон К, катушку индуктивности L, сопротивление Ri заряжается конденсатор С3 до напряжения и . При подаче импульса А через конденсатор С4 на сетку тиратрона ТГ последний открывается, и конденсатор разряжается через тиратрон, исследуемый образец О и токовый шунт Rш на землю. В данных условиях на образце появляется импульс напряжения, форма которого указана на рис. 1 а, где tф - фронт импульса длительностью около 10-7 с; длительность импульса определяется элементами цепи, состоящей из сопротивления шунта Rш, сопротивления образца, конденсатора С3. Кроме этих параметров имеются распределения емкости, сопротивления и индуктивность.
На участке АВ напряжение остается почти на одном уровне, так что импульс, попадающий на образец, можно считать прямоугольным. Время 4 можно принять за длительность прямоугольного импульса. Изменение напряжения на образце и тока через образец фиксируется с помощью запоминающего осциллографа С8-14 (ПН и ПТ - пластины электронно-лучевой трубки осциллографа). Ток через осциллограф мы находили путем деления падения напряжения на шунте иш на сопротивление Rш: J = иш / Rш.
Токовый шунт должен быть малоиндуктивным, чтобы пренебречь падением напряжения на нем, то же самое относится к емкости шунта.
При измерении напряжения на образце и тока через образец с помощью осциллографа погрешность находится в пределах 5 - 10 %.
Емкости С1 и С2 и индуктивность L предназначены для стабилизации напряжения на конденсаторе С3. Зная толщину образца d (образец имел плоскопараллельные поверхности), находили напряженность поля в образц Е = иобр/^
U
L
К 1С! ТС2
Сз
Ri
HI-
ПН
ПТ
б
1Н
С4
о
Рис. 1. Форма импульса (а) и принципиальная схема установки (б)
U, J
t, мкс
t, мкс
SiC и поликристаллического твердого раствора SiC-AlN менялось от 0,5 до 36,0 В, а на образце монокристаллического твердого раствора (БЮ^^АМ)* -от 1 до 237 В.
Осциллограммы напряжения и тока через образец монокристаллического карбида кремния показаны на рис. 2.
По данным осциллограмм тока и напряжения строились вольт-амперные характеристики. С учетом того, что при повышении напряжения на образце имеется емкостный ток, мы строили также графики зависимости максимального тока от максимального напряжения на образце.
Вольт-амперная характеристика представляет собой петлю гистерезиса. Участок вольт-амперной характеристики, соответствующий подъему напряжения, находится ниже участка вольт-амперной характеристики, соответствующего спаду напряжения. Вероятно, это связано с тем, что при повышении напряжения на образце происходит переброс носителей заряда в зону проводимости сначала с примесных уровней, а потом начинается переброс зона - зона. Когда напряжение на образце доходит до максимума, то начинается спад напряжения, что приводит к постепенному уменьшению поступления носителей заряда в зону проводимости, при этом рекомбинационные процессы происходят с некоторой задержкой во времени. Это приводит к тому, что при одном и том же напряжении ток на участке ВАХ, соответствующем подъему напряжения, меньше, чем на участке ВАХ, соответствующем спаду напряжения.
На рис. 3 приведена зависимость максимального тока через образец монокристаллического 6Н-БЮ в зависимости от напряжения. Анализ этой кривой показывает, что в области напряжений от 9 до 15 В или напряженности электрического поля от 225 до 330 В/см имеет место плато, вероятно обусловленное истощением примесных уровней. При напряженности поля ниже 225 В/см имеет место переход электронов в зону проводимости с примесных уровней, а начиная с 330 В/см происходят переходы электронов с валентной зоны в зону проводимости.
А, А :
Рис. 2. Вид осциллограммы монокристаллического БЮ
По полученным экспериментальным данным строили вольт-амперные характеристики, находили сопротивление образца ^обр в зависимости от напряженности электрического поля Е и время формирования пробоя.
В ходе эксперимента получены осциллограммы, когда напряжение на образце монокристаллического
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
/
/
/
: /
/
0 10 20 и В
Рис. 3. Зависимость максимального тока от максимального напряжения для монокристаллического БЮ
0
t
а
R
ш
б
а
При исследовании влияния сильных полей на монокристаллические твердые растворы (БЮ^^АМ), импульсное пробивное напряжение прикладывалось в полярности, соответствующей обратно смещенному р - и-переходу.
Таким образом, все приложенное напряжение падало на обедненную область объемного заряда. Поскольку ЭС твердого раствора (БЮ^^АМ), имеют значительно большее сопротивление по сравнению с подложкой, связанное с большой шириной запрещенной зоны, то область объемного заряда в основном простирается в твердый раствор. Поэтому мы предполагали, что пробивное напряжение воздействует на эпитаксиальный слой твердого раствора в прикон-тактной области.
На рис. 4 представлены обратные ВАХ при пробивных напряжениях для ЭС твердого раствора (БЮ^-ХАТЫ), (для х = 0,45 и х = 0,56). Напряженность поля при этом имела порядок 106 В/см. Время формирования импульса составляло от 4 до 5 мкс, а время спада импульса до 6 мкс (табл. 1). Анализ полученных данных позволяет нам предположить, что в ЭС твердых растворов (БЮ^^АМ), имеет место ударная ионизация, которая вызывает резкое возрастание тока с ростом обратного смещения. Поскольку количество различных дефектов в исследуемых р - и-структурах увеличивается с ростом содержания АТЫ и распределено статически, то пробой по каждому из них приводит к некоторому росту тока через переход [1].
С ростом содержания АТЫ в эпитаксиальном слое напряженность импульсного электрического поля
уменьшается. Вероятно, это связано с тем, что перестройка кристаллической решетки с ростом содержания АТЫ приводит к появлению дополнительных примесных уровней, и переходы электронов с примесных уровней в зону проводимости происходят уже при меньших напряжениях.
Энергия, достаточная для начала ударной ионизации атомов или молекул электронами, набирается на одной длине свободного пробега. К этому выводу приводят нас измеренные значения напряженности, которые находились в пределах порядка 106 В/см.
Нами также было исследовано влияние сильных полей на поликристаллические твердые растворы БЮ-А1Ы [2]. На рис. 5 представлены вольт-амперные характеристики образцов поликристаллического твердого раствора.
Анализ этих кривых показывает, что с ростом содержания А1Ы напряженность импульсного электрического поля также уменьшается (от 17500 В/см для чистого БЮ до 9633 В/см для 30 % по весу А1Ы). Для образцов чистого карбида кремния при увеличении напряженности поля в пять раз сопротивление меняется от 352 до 217 Ом. Для образца с весовой долей А1Ы 30 % сопротивление меняется от 209 до 128 Ом при четырехкратном увеличении напряженности поля.
По осциллограммам тока и напряжения нами также были определены время формирования и время спада напряжения в зависимости от напряженности электрического поля. Плотность тока находили как отношение максимального тока к площади образца (табл. 2).
I, мА
0,4 -
0,3 -
0,2 -
0,1 -
L мА
0,3
0,2
0,1
100 200
а
U, В
50 100 150 200 U, В б
Рис. 4. Обратные ВАХ при пробивных напряжениях для ЭС твердых растворов (Б1С)1-,(А1Ы)1: а - х = 0,45,; б - х = 0,56
0
0
Таблица 1
Образец (SiC^AlN), Е, В/см Время формирования импульса tф, мкс Время спада импульса tc, мкс Плотность тока J, А/см2
х = 0,45 5,16106 5 6 26,78
х = 0,56 4,01 • 106 6 4 44,6
Таблица 2
Образец SiC-AlN, % по весу Е, В/см Время формирования импульса tф, мкс Время спада импульса tc, мкс Плотность тока J, А/см2 Rmx, Ом
5 17500 22 2 0,45 624,8
10 12933 6 22 1,99 132,0
20 11248 12 20 2,56 99,0
30 9633 12 16 2,70 81,0
измеренные значения напряженности, которые находились в пределах от 103 до 104 В/см.
За полное время формирования пробоя возникает канал разряда, через который происходит разряд конденсатора, подключенного к образцу при напряженности поля в канале в несколько десятков вольт. Повторные пробои проходили при меньших значениях напряженности поля.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ с применением оборудования центра коллективного пользования «Гетерострук-турная СВЧ-электроника и физика широкозонных полупроводников» НИЯУМИФИ.
Литература
1. Задумкин С.Н., Карашев А.А. Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах. Нальчик, 1965. 620 с.
2. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М., 1963. 212 с.
Поступила в редакцию 16 марта 2013 г.
J, А 20
10
/у 9
10
20
30
40
о -SiC
о - 10%SiC-AlN ■ -ao%SiG-AlN X -30%SiC-AlN
U, В
Рис. 5. Вольт-амперные характеристики образцов поликристаллического твердого раствора БЮ-АШ для составов х = 0; 0,1; 0,2; 0,3
За время формирования пробоя и время спада импульса напряжения ток в образце достигал максимума. Вероятно, это связано с перебросом носителей заряда сначала из примесных зон в зону проводимости, а при больших значениях напряженности - из валентной зоны в зону проводимости. При этом энергия, достаточная для ударной ионизации атомов или молекул электронами, набирается на нескольких длинах свободного пробега. К этому выводу приводят нас
