CC BY
6УДК 538.958; 539.234
DOI : 10.21779/2542-0321-2021-36-3 -14-20
Ш.А. Нурмагомедов
Структуры на основе твердых растворов SiC-AlN
Дагестанский государственный университет; Россия, 367000, Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43а; n_shamil@mail.ru
В статье исследуются оптические свойства и политип структур образцов, образованных твердыми растворами SiC-AlN различного состава. Приведены спектры катодо-люминесценции и оптического поглощения эпитаксиальных слоев (SiQi^AlN)^ Измерения проводились на образцах, выращенных как на подложках SiC, так и на сапфире в спектральной области 0,2 + 0,6 мкм. Показано, что в спектрах люминесценции присутствуют две полосы излучения, причем коротковолновая полоса существенно сдвигается в область больших энергий с увеличением содержания нитрида алюминия. Изучение спектров поглощения твердых растворов (SiÇh^AlNk позволило предложить возможную структуру их зон.
Ключевые слова: карбид кремния, нитрид алюминия, твердые растворы карбида кремния с нитридом алюминия, катодолюминесценция.
В настоящее время освоение широкозонных материалов, в частности карбида кремния (Б1С), становится одним из главных направлений развития твердотельной электроники [1-5]. При этом интерес представляют как фундаментальные исследования процессов гетероэпитаксии различных соединений на Б1С, так и возможности использования результатов исследований для формирования дискретных приборных структур, применяемых в высокотемпературных интегральных схемах для силовой электроники.
Одним из наиболее информативных методов исследования получаемых полупроводниковых материалов являются исследования их оптических свойств. Они могут дать сведения о ширине запрещенной зоны, о глубине залегания примесей, об оптических константах материала. В подобных методах большое значение имеет выбор спектрального диапазона для возбуждения. Для широкозонных материалов, к каким и относятся твердые растворы (81С)1-Х(АШ)Х, необходимо использовать ультрафиолетовое излучение или пучок электронов достаточно высоких энергий. Для пленочных материалов и эпитаксиальных слоев более предпочтительным является возбуждение пучком электронов, так как при использовании УФ-излучения мы будем наблюдать интегральное излучение от подложки и от пленки вследствие проникновения УФ-излучения через пленку и возбуждения люминесценции подложки. В то же время пучок электронов не проникает через пленку и не будет возбуждать люминесценцию подложки. Поэтому в качестве метода исследования оптических свойств наших материалов был выбран метод ка-тодолюминесценции.
Изучение оптических свойств твердых растворов (81С)1-Х(АШ)Х проводилось на образцах с различным содержанием АШ, полученных сублимационным методом [6; 7]. Как указывалось ранее, мы изучили спектры катодолюминесцен-ции в слоях (81С)1-Х(АШ)Х различных составов. Измерения проводились при температуре жидкого азота (77 К) и при комнатной температуре (300 К). Для возбуждения катодолюминесценции применялся поток электронов с энергией 20 кэВ.
На рис. 1 показаны спектры катодолюминесценции структуры Б1С-АШ с содержанием АШ 38 % мол. при различных температурах (77 и 300 К).
иу, эВ
Рис. 1. Спектр КЛ для (Б1С)0,62(АВД)0,38
Из рисунка видно, что для этого образца при данных температурах наблюдаются две выраженные полосы излучения, расположенные примерно при 2,2 и 2,9 эВ. Установлено, что интенсивность полосы излучения с максимумом при 2,2 эВ с возрастанием температуры измерений уменьшается почти в два раза. В то же время интенсивность полосы излучения с максимумом 2,9 эВ уменьшается почти в четыре раза. Такое поведение, возможно, связано с тушением люминесценции при повышении температуры. Согласно мнению [8] излучение коротковолнового пика в 2,9 эВ обусловлено переходами между донорно-акцепторными уровнями, образованными атомами А1 и атомами азота в карбиде кремния. А излучение длинноволнового пика в 2,2 эВ обусловлено дефектами в кристаллической решетке твердых растворов (81С)1-Х(АШ)Х. Так как количество дефектов при росте твердых растворов слабо зависит от температуры выращивания, то, естественно, и интенсивность излучения проявляет меньшую зависимость от температуры.
На рис. 2 приведены спектры КЛ эпитаксиальных слоев Б1С-АШ с различным содержанием компонентов. В этих образцах также наблюдаются две полосы излучения, как и в предыдущем случае. Кроме того, очевидно, что с увеличением содержания нитрида алюминия пики длинноволновых полос излучения незначительно смещаются в область более высоких энергий. Что касается более коротковолновых полос излучения, то они намного больше сдвигаются в область высоких энергий. Так как ширина запрещенной зоны исследованных нами твердых раство-
ров больше, чем энергии излучения этих обеих полос [9], мы предположили, что
Рис. 2. Спектры КЛ (81СЬ-Х(АВД)Х при х = 0,35 (кривая 1), х = 0,41 (кривая 2) и х = 0,73 (кривая 3) (Т = 300 К)
Замечено, что при длительном воздействии электронного пучка на исследуемые образцы максимумы полос излучения немного перемещались в область меньших энергий. Возможно, что такое поведение связано с возрастанием концентрации дефектов под действием высокоэнергетического электронного пучка. Подобные дефекты создают дополнительные центры излучательной и безызлуча-тельной рекомбинации и «размывают» границы примесных центров, между которыми осуществляются излучательные переходы, что и обуславливает незначительное смещение полос излучения.
В наших образцах полоса излучения с меньшей энергией аналогична «дефектной» люминесценции в чистом карбиде кремния [8]. Она возникает из-за из-лучательной рекомбинации экситонного типа через комплекс дефектов, связанных, с одной стороны, с вакансией углерода, а с другой - с междоузельными атомами примесей в карбиде кремния.
Причина возникновения другой полосы излучения, наблюдаемой на спектрах катодолюминесценции, несколько другая. В псевдобинарных структурах типа (81С)1-Х(АШ)Х находятся, по крайней мере, две группы центров противоположного знака, которые являются «ловушками» для носителей заряда. Это атомы азота и алюминия. В случае увеличения содержания нитрида алюминия в твердых растворах (Б1С)1-Х(АШ)Х расстояние между А1 и N достаточно мало и излучатель-ная рекомбинация может идти за счет межпримесных переходов. Это означает, что излучательная рекомбинация может проходить через донорно-акцепторные пары азот-алюминий. И, скорее всего, генератором коротковолновых полос излучения в структурах Б1С-АШ как раз и является указанный нами процесс. Смещение максимума полосы излучения с возрастанием содержания АШ в структурах Б1С-АШ можно объяснить увеличением ширины запрещенной зоны самих струк-
тур, в то время как расстояние примесных уровней азота и алюминия относительно зоны проводимости и валентной зоны остается практически неизменным.
Исследование спектров оптического поглощения структур Б1С-АШ производилось на образцах, выращенных как на подложках карбида кремния, так и на сапфире. Исследование проводилось в спектральной области длин волн 0,2 + 0,6 мкм на модернизированной установке на основе спектрометра СДЛ-2.
На рис. 3 представлены спектры пропускания образцов Б1С-АШ различных составов.
8 7 6 5
3 2 1 О
3,0 3,5 4.0 4,5 5.0 эВ
Рис. 3. Спектры пропускания структур (Б1С)1-Х(АВД)Х с различным содержанием АШ при 300 К: 1 - х = 0,375; 2 - х = 0,545; 3 - х = 0,79; 4 - х = 0,4
На спектральных зависимостях оптического края поглощения в образцах (81С)1-Х(АШ)Х с содержанием АШ менее 60 % (кривые 1, 2) наблюдались две особенности, заключающиеся в наличии «ступеньки» в области низких энергий и в резком возрастании коэффициента поглощения в коротковолновой области. Эти особенности, по-видимому, можно связать соответственно с переходом электронов в непрямой К-минимум зоны проводимости и с переходом в прямой /"-минимум с потолка валентной зоны. Из рассмотрения зонной структуры твердых растворов (81С)1-Х(АШ)Х следует, что переходы Г-К и Г-Г разделены сравнительно небольшим энергетическим зазором, а при х > 0,75 твердые растворы (81С)1-Х(АШ)Х должны быть прямозонными. В случае такого «тесного» расположения прямых и непрямых переходов на одном и том же образце можно наблюдать оба вида переходов одновременно. Некоторая размытость нашего спектра пропускания, вероятно, связана с неоднородностью содержания компонентов структуры по толщине. Это предположение подтверждается данными рентгено-спектрального микроанализа образцов. Например, было обнаружено, что содержание АШ в структурах уменьшается в направлении от поверхности образца к подложке. С этим изменением АШ связано уменьшение ширины запрещенной зоны структуры, что и приводит к размытости спектра пропускания.
В области прямых переходов (кривая 3) край оптического поглощения представляет собой плавную кривую без особенностей. Крутизна края составляет 100 ^ 150 МэВ на порядок изменения коэффициента пропускания. Меньшая крутизна края поглощения по сравнению с крутизной спектров поглощения, полученных на образцах 1 и 2 в области прямых переходов (60-70 МэВ) на порядок изменения коэффициента пропускания, объясняется тем, что в структурах с большим содержанием АШ увеличивается и неоднородность его распределения по толщине ЭС.
Образцы 1-3 были выращены на подложках из сапфира, и спектры снимались вместе с подложкой. Край собственного поглощения эпитаксиального слоя (ЯС) 1-х (АШ) х, выращенного на Б1С (кривая 4), отличается от 1-3 большей крутизной (50 МэВ на порядок изменения коэффициента поглощения). Это указывает на однородность состава твердых растворов, выращенных на подложках Б1С. Особенности, соответствующие прямым и непрямым переходам, отражены на рисунке вертикальными стрелками.
Полученные экспериментальные значения прямых и непрямых переходов для БЮ и АШ мы использовали для применения полуэмпирической теории псевдобинарных полупроводников к нашим структурам Б1С-АШ. На основе этой модели была рассчитана зависимость энергий различных переходов от состава эпи-таксиальных слоев твердых растворов (81С)1-х(АШ)х:
Eg = 3,86х2 - 0,56х + 3,3[эВ]; 0 < x < 0,7 (1)
Eg = 3,86x2 - 2^ + 4,39[эВ]; 0,7 < x < 1,0 (2)
со
т
О) Ш
0.00
1.00
Рис. 4. Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей для прямых (■) и непрямых (•) переходов в ЭС (Б1С)1-х(АВД)х
Как видно из рисунка, экспериментальные значения, полученные из анализа спектров поглощения, находятся в удовлетворительном согласии с расчетными кривыми. Как следует из формулы (1), край поглощения твердых растворов должен сдвигаться в коротковолновую область с увеличением содержания АШ и при x > 0,7 твердые растворы (81С)1-х(АШ)х, вероятно, становятся прямозонными. Ширина запрещенной зоны при этом уже определяется из выражения (2).
Исследование политипизма полученных твердых растворов показало, что структуры (81С)1-х(АШ)х при x > 0,20 кристаллизуются преимущественно в поли-
типной модификации 2Н (рис. 5); таким образом, подтверждается высказанное ранее предположение о том, что кристаллизация Б1С с материалом со структурой вюртцита должна стабилизировать политип 2Н [6; 10]. При меньшем содержании ЛШ твердые растворы кристаллизуются в политипных модификациях 3С, 4Н, 6Н.
3000
2500
w 2000 н
1500
100&
□ о о ■ [■ ■ ■
X X
* * *
0,2
0,8
0.4 0.6
Состав, X
Рис. 5. Зависимость иолитииной структуры (81С)и;(А1Ы) ; от состава и температуры получения (Х.Ф - литературные данные (2Н); наши данные: модификации □ - 6Н,
^ - сростки политипов 15Я и 4Н; О - сростки политипов 4Н и 2Н; ■ - 2Н)
Литература
1. Радьков А.В. Карбид кремния - перспективный материал силовой электроники: свойства и характеристики // Молодой ученый. - 2016. - № 7 (111). - С. 149-152. - Режим доступа: https://moluch.ru/archive/111/27351/ (дата обращения: 01.07.2021).
2. Джимми Луи (Jimmy Liu), Кин Лап Вонг (Kin Lap Wong), Скотт Аллен (Scott Allen), Джон Муккен (John Mookken). Преимущества нового поколения SiC MOSFET в системах высокой мощности // Силовая электроника. - 2017. - № 6. -C. 32-37.
3. Карбид кремния: технология, свойства, применение / О.А. Агеев, А.Е. Беляев, Н.С. Болтовец, В.С. Киселев, Р.В. Конакова, А.А. Лебедев, В.В. Миле-нин, О.Б. Охрименко, В.В. Поляков, А.М. Светличный, Д.И. Чередниченко; под общ. ред. чл.-корр. НАЛУ, д. ф.-м. н., проф. А.Е. Беляева и д. тех. н., проф. Р.В. Конаковой. - Харьков: ИСМА, 2010. - 532 с.
4. Колпаков А. Карбид кремния: панацея или не будем спешить? // Силовая электроника. - 2015. - № 6. - С. 6-12.
5. Карташов Е., Смирнова В. SiC силовые приборы: прорыв на системном уровне // Силовая электроника. - 2019. - № 5. - С. 16-17.
6. Сафаралиев Г.К. Твердые растворы на основе карбида кремния. - М.: Физматлит, 2011. - 296 с.
7. Билалов Б.А., Курбанов М.К., Нурмагомедов Ш.А., Офицерова Н.В. Процессы сублимации и конденсации твердых растворов на основе карбида кремния // Тезисы Всероссийской конференции «Физика полупроводников и нано-
структур, полупроводниковая опто- и наноэлектроника» (г. Махачкала, ДГТУ, 5-8 ноября 2009 г.). - Махачкала: Изд-во ДГТУ, 2009. - С. 22-23.
8. Водаков Ю.А., Ломакина Г.А., Мохов Е.Н.. Эффективность различных полос люминесценции в карбиде кремния // Широкозонные полупроводники: сб. статей. - Махачкала: Изд-во ДГУ, 1988. - С. 169.
9. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю.В. Ко-рицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - T. 3. -726 с.
10. Рамазанов Ш.М. Получение и исследование эпитаксиальных пленок твердых растворов (SiC)1-x(AlN)x и поверхностно-барьерных структур на их основе: автореф. дис. ... к. физ.-мат. н. - Махачкала, 2015.
Поступила в редакцию 17 июня 2021 г.
UDC 538.958; 539.234
DOI : 10.21779/2542-0321-2021-36-3 -14-20
Structures Based on SiC-AlN Solid Solutions Sh.A. Nurmagomedov
Dagestan State University; Russia, 367000, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43a; n_shamil@mail.ru
The optical properties and polytype structures of samples formed by S^-AlN solid solutions of various compositions are investigated. The cathodoluminescence and optical absorption spectra of epitaxial layers (SiC)i-x(AlN)x are presented. The measurements were performed on samples grown on both SiC and sapphire substrates in a spectral range of 0,2 + 0,6 microns. It is shown that two radiation bands are present in the luminescence spectra, and the short-wave band is significantly shifted to the range of high energies with an increase in the content of aluminum nitride. The study of the absorption spectra of solid solutions (SiC)i-x(AlN)x suggests a possible structure of their zones.
Keywords: silicon carbide, aluminum nitride, solid solutions of silicon carbide with aluminum nitride, cathodoluminescence.
Received 17 June 2021
