CC BY
35
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 16, 2010. -\-
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И
ПРИБОРЫ
УДК: 621.315.592.
М.К. Курбанов, Б.А. Билалов, М.К. Гусейнов
СВОЙСТВА ГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ НА ОСНОВЕ ШИРОКОЗОННЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (81С)1-х(АЬ^х.
В работе приведены результаты исследований электрических и люминесцентных свойств анизотипных гетеропереходов п-8С/р-(8С)1-х(ЛШ)х. Установлено, что гетеропереходы п-&С/р-($>1С)1-х(ЛШ)х обладают эффективной электролюминесценцией при комнатной температуре.
Ключевые слова: гетеропереходы, твердые растворы карбида кремния с нитридом алюминия.
Введение
Полупроводниковые приборы, основанные на гетеропереходах, в некоторых случаях значительно превосходят по своим характеристикам аналогичные приборы на гоморереходах. Например, такие преимущества как односторонняя инжекция и «суперинжекция» используются в светодиодах и полупроводниковых лазерах [1].
Применение гетеропереходов обеспечивает одностороннюю инжекцию из материала с большей шириной запрещенной зоны. Токи инжектированных электронов и дырок в первом приближении отличаются на фактор вхр[(АЕс+АЕу)/кТ\. Если учесть, что при комнатной температуре Ш ~ 0,026 эВ, а энергия разрывов зон (АЕс+АЕу) может быть порядка нескольких десятых эВ и больше, то нетрудно убедиться, что в таких гетеропереходах легко достигается односторонняя инжекция.
В настоящее время известно очень мало полупроводниковых материалов, которые могут образовать решеточно - согласованные гетеропереходы. Для расширения круга таких материалов определенную перспективу имеет твердые растворы, которые могу быть синтезированы из известных, хорошо изученных материалов. В этом плане полупроводниковые монокристаллические твердые растворы (SiC)1-x(ЛlN)x представляет большой интерес, основанный на том, что при определенных составах они имеют прямозонную структуру и перекрывает интервал энергий от 3 до 6,2 эВ. К тому же твердые растворы (БЮ)1-х(ЛШ)х могут наследовать уникальные электрофизические, оптические, механические и тепловые свойства карбида кремния, делая пригодными применение приборов на их основе в экстремальных условиях.
Практический интерес представляет также многослойные структуры на основе (БЮ)1-х(ЛШ)х, в которых благодаря близости параметров решеток и коэффициентов температурного расширения могут иметь малое число дефектов на гетерогранице. В настоящей работе представлены результаты исследований электрических и люминесцентных свойств анизотипных гетеропереходов п-8Ю/р-(8Ю)1-х(ЛШ)х, полученных сублимационной эпитаксией слоев - ^С) 1-х(ЛШ)х на подложках 6Н - SiC. Методика эксперимента
Гетеропереходы п-8Ю/р-(8Ю)1-х(ЛШ)х получены сублимационной эпитаксией в среде аргона с азотом на подложках SiC политипа 6Н при температурах 2300-2550 К и давлении смеси газов азота и аргона от 2*104 до 8*104 Па в зоне роста [2]. Подложки
17 18 3
имели п-тип проводимости с Nd - N0 = (6*10 ^3*10 см- ). Толщина эпитаксиального слоя (ЭС) составляла 10^50 мкм, толщина подложек - 400 мкм.
Исследования электрических и люминесцентных свойств гетеропереходов п-Б1С/р-(Б1С) 1-х(Л1Ш)х проводились на меза-структурах, полученных ионно-плазменным травлением через Л1 - маску. Термически напыленная Л1- маска служила также омическим контактом к ЭС р-типа. К подложке п-типа омический контакт наносили термическим втиранием индия после локальной электроискровой обработки поверхности. Площадь меза-структур составляла ~ 2*10-2 cм2.
Вольтамперные характеристики (ВАХ) гетеропереходов п-$>1С/р-($>1С)1.х(ЛШ)х с
8 2
различным содержанием х снимались при плотностях тока от10- до 10 А/см в интервале температур 77^450 К.
Вольт-фарадные характеристики (ВФХ) гетеропереходов п-$>1С/р-($>1С)1.х(ЛШ)х измерялись по параллельной схеме замещения на частоте 1 кГц. Результаты и обсуждение.
На рис.1 представлены ВАХ двух анизотипных гетеропереходов, измеренные при комнатной температуре, с содержанием в ЭС соответственно 9,4 (кривая 1) и 14,8 % мол. Л1Ш (кривая 2). Следует отметить, что ВАХ исследованных гетеропереходов в области малых токов описывается выражением ]=]0 exp(еU/pkT), где Р в пределах 3-4 порядков по току постоянно, в зависимости от уровня утечек. В этой области токов значение Р для гетеропереходов с 14.8 % мол. Л1Ш в ЭС составляет 1.83, что указывает на наличие термоинжекционной компоненты тока с рекомбинацией в области объемного заряда.
Е
00 <
10 1
0.1 0.01 0.001 0.0001 1 е-5 1 е-6
0
.............................................
............................................. ...........................................].............................................[.......................................- ............................................
1 ■
2
I
| ............................................. ........................................... ............................................ ■
0.5
1.5
2.5
3.5
и, V
Рис.1. Прямые ветви ВАХ гетеропереходов п - Б1С -р-(Б1С) 1-х(ЛШ)х при х = 9,4%
(кривая 1) и 14,8% мол. (кривая 2).
Изломы на ВАХ при и ~ 2,4 В, вероятно, связаны с изменением величины и формы потенциального барьера на переходе или же с подключением иного механизма токопереноса. Увеличение крутизны ВАХ за точкой излома, по-видимому, происходит в результате роста суммарного тока через переход. Подобные изломы наблюдаются и на температурных зависимостях ВАХ.
При прямом смещении температурная зависимость ВАХ (рис.2) характеризуется температурным коэффициентом напряжения, который лежит в пределах ~1,6^5 мВ/град., а сама величина отрицательна, поэтому, при увеличении температуры прямые ветви ВАХ
2
3
4
О 1 2 3 4 5
Рис.2 Температурная зависимость ВАХгетероперехода п-6И-81С-р-(81С)о,85(АШ)о,15.
сдвигаются в сторону меньших напряжений. Обратный ток в гетеропереходе п-81С-р-(8гС) 1-х(АШ)х плавно растет с увеличением напряжения. "Мягкая" обратная ветвь в п-81С-р-(81С)1-х(А1Ш)х обусловлена лавинным пробоем по дефектам, что несколько затрудняет анализ обратных ветвей характеристик.
Последовательное сопротивление структур, определенные из анализа прямых ветвей ВАХ, составили 0,79 и 0,85 Ом для гетероперехода с концентрацией АШв ЭС 9,4 и 14,8 % мол., а величины контактной разности потенциалов - 2,84 и 2,91В, соответственно.
На рисунке 3 приведены ВФХ п-6И-81С-р-(81С)0,85(АШ)015 структуры при различных температурах. Как видно из рисунка 3, ВФХ представляют прямые в координатах С'2 от и во всем измеренном интервале напряжений и температур. Емкостное напряжение отсечки ис, определенное экстраполяцией ВФХ в область прямых напряжений, при 77К составляет 3,2В и с ростом температуры сначала нелинейно, а затем практически линейно уменьшается до 2,65В при 418К (рис.4). Для линейного участка ис(Т) = исо-асТ, где исо-напряжение, получаемое экстраполяцией линейной зависимости ис(Т) к Т=0К; для данной структуры исо=3,46 В, ас- температурный коэффициент напряжения емкостной отсечки, определенный из линейного участка равен 2,1*10-3 В/град. К сожалению, данные о температурной зависимости ширины запрещенной зоны твердых растворов (8гС) 1-х(А1Ш)х в литературе отсутствуют. Поэтому трудно однозначно утверждать, чем обусловлена наблюдаемая температурная зависимость ис. Вероятно, она определяется температурной зависимостью химических потенциалов электронов в п-области и дырок в р-области. Определенный вклад вносит также температурные зависимости ширин запрещенных зон компонентов гетеропары - 8С и (8гС) 1-х(А1Ш)х.
Из наклона прямых С'2(и) определена концентрация примесей ША1 в ЭС р-(81С)1.
17
х(АШ)х. Значение концентрации акцепторов в р-(81С)0:87(А1Ш)0:1з составляет 9,02-10 см' 3, а в р-(81С)о:44(А1Ш)о:56 = 7,98-1016 см"3. Результаты показывают, что с ростом содержания А1Ш концентрация примесей в ЭС уменьшается. На это указывает также рост удельного сопротивления ЭС с увеличением содержания в них А1Ш.
Рис.3. ВФХп-6И-81С-р-(81С)о,85(АШ)о,15 структуры при различных температурах
(Т, К: 1-77, 2 - 273, 3 - 361, 4 - 418).
Рис. 4. Температурная зависимость емкостного напряжения отсечки ис для гетероперехода п - 6И - 8гС - р - (81С)0,85(Л1М)0,]5.
Определенные из ВФХ значения контактной разности потенциалов и концентрации примесей были использованы для расчета толщины гетероперехода, которая для исследованных структур составляла величину порядка 10-4 см.
Исследованные гетеропереходы обладают эффективной электролюминесценцией при комнатной температуре. Спектры, как правило, состоят из двух полос, положение максимума и интенсивность которых, зависят от состава ЭС ^¡С)1-х (ЛШ)х и величины тока через р-п-переход (см. рис. 5). Длинноволновые полосы обусловлены рекомбинацией инжектированных из ЭС р-типа дырок в подложку £/С. Коротковолновые полосы обусловлены излучением ЭС ^С)1.Х(ЛШ)Х вблизи гетерограницы. С увеличением плотности тока интенсивность коротковолнового излучения растет, и спектр излучения в целом сдвигается в область больших энергий.
100
75
ф
I
£ 50
25
0
2,25
2,62 2,69
3,10 3 26 ♦
1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6
Е, эВ
Рис.5. Спектры ЭЛ гетероструктур 81С/(81С)1-Х(АМ)Х при Т = 300^: I = 3 мА (кривые 1, 2), 20 мА (кривые 3, 4), 30 мА обратное смещение (кривая 5). Содержание в ЭС (81С)1.х (АШ)х АМ%: 1, 3 - 5; 2, 4, 5 - 24.
Заключение
Комплексное исследование электрических и люминесцентных свойств п-$>1С-р-(81С)1-Х(АМ)Х - структур показывает на образование в них резких гетеропереходов с эффективной электролюминесценцией. Данные структуры могут быть применены для создания различных оптоэлектронных приборов, работающих в коротковолновой области оптического диапазона.
Библиографический список
1. Алферов Ж.И. Физика и жизнь. СПб.: Наука, 2000. 254 с.
2. Сафаралиев Г.К., Офицерова Н.В., Курбанов М.К. и др. Изв. АН. СССР. Сер. Неорг. мат-лы, 1992, т.28. N9, с.2011-2012.
3. Справочник по электротехническим материалам, (Л., Энергоатомиздат, 1988). Т.3.
с 467.
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 16, 2010.
-\-
M.K. Kurbanov, B.A. Bilalov, M.K. Gusejnov
Properties of heterojunctions on basis of (SIC)j.X(ALN)X. wide-band-gap solid solutions.
The purpose of this studi is to describe the research results of electrical and luminescent properties of the n-SiC/p-(SiC)1-x(AlN)x anisotype heterojunctions. It was determined that the n-SiC/p-(SiC)1-x(AlN)x anisotype heterojunctions are shown the effective electroluminescence at room temperature.
Keywords: heterojunctions, solid solutions of silicon carbide and aluminum nitride.
Курбанов Малик Курбанович (1945) доцент кафедры экспериментальной физики Дагестанского государственного технического университета, кандидат физико-математических наук (1998). Окончил Дагестанский государственный университет (1954). Область научных интересов: физика и технология широкозонных полупроводников. Автор около 100 научных публикаций
Билалов Билал Аругович (1953) директор НИИ «Микроэлектроники и нанотехнологий» Дагестанского государственного технического университета, доктор физико-математических наук (2002). Окончил Дагестанский государственный университет (1975). Область научных интересов: технологии получения полупроводниковых материалов, микро- и нгаоэлектроника на основе полупроводниковыхматериалов Количество публикаций: более 260.
Гусейнов Марат Керимханович (1977) старший преподаватель кафедры физики Дагестанского государственного технического университета, кандидат физико-математических наук (2004). Окончил Дагестанский государственный университет (2000). Область научных интересов: физика полупроводников и растворов Автор около 50 научных работ.
