BE649024A

BE649024A -

Info

Publication number: BE649024A
Application number: BE649024A
Authority: BE
Priority date: 1963-06-13
Filing date: 1964-06-09
Publication date: 1964-10-01
Also published as: NL6406340A; FR1398471A; US3205101A

Description

  

   <Desc/Clms Page number 1> 
      



  Jonction au carbure de silicium utilisable comme source de loumière, et procédé pour son établissement.. 



   L'invention est relative à de nouvelles jonctions au car- bure de silicium et à leur procédé de préparation; et alle concerna, plus particulièrement, des jonctions au carbure de silicium pouvant émettre de la lumière, la portée de l'invention s'étendant à des diodes-jonctions possédant des caractéristiques du type %jasera lorsqu'elles sont polarisées dans le sens conducteur. 



   Conformément à l'invention, on réalise une jonction au carbure de silicium qui est très abrupte,sans région d'étendue apprécia- ble à haute résistivité entre les réglons P et N, à la différence de ce que l'on observe pour le type de jonction formé en phase vapeur et antérieurement décrit par Van Daal et ses collaborateurs dans 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 "Investigations on Silicon Carbide", Journal of Applied Physics, supplément au vol. 2, N  10, p. 22-25 (oct.   1961),   type dans leque une région "I" appréciable se trouve entre les régions P et N. Une, telle région "I" donne une tension relativement élevée dans le sent conducteur, contrairement à la basse tension dans le sens conducteur observable avec les jonctions faisant l'objet de l'invention.

   Par conséquent, les diodes faisant l'objet de l'invention possèdent une densité de courant relativement élevée   (de   l'ordre de 105 microam- pères par centimètre carré) lorsqu'on les soumet à   un*   polarisation,) dans le sens conducteur, aussi faible que 1,5 volt à la température ordinaire. Ainsi, par exemple, on observe, pour une diode réalisée conformément à l'invnetion, une densité de courant d'environ 1,7 x ; 105 microampèrs par centimètre carré lorsqu'on la soumet à une po-   larisation   de 1,5 volt dans le sens conducteur, à la température ordinaire(c'est-à-dire environ   21*C).   



   La jonction au carbure de silicium en question possède, outre son caractère abrupt, une très haute densité de dislocation dans le plan de la jonction P-N. Lorsqu'on Mesure la capacité de la jonction en fonction de la tension appliquée, on constate que le carré de la capacité est Inversement proportionnel à la tension appliquée. 



   Une intéressante caractéristique de la jonction au carbure de silicium faisant l'objet de l'invention est la densité relative- ment élevée de dislocations dans le plan de la jonction, l'existence de ce réseau de dislocations étant indiquée par   l'extrême   porosité à l'égard de l'or fondu dans là région du plan de la jonction. 



   Selon un mode de réalisation préféré de   l'invention,   on prépare la nouvelle diode-jonction au carbure de silicium en mettant en oeuvre le mode opératoire suivant, décrit bien entendu à titre d'exemple non limitatif. On choisit, pour constituer la jonction,   deux unicristaux   de carbure de   silicium   alpha   (un.   et un P). Ces cristaux possèdent de préférence une   résisitivité   comprise entre   0,01   et 10 chm-cm, ils sont soigneusement   meules     Jusqu'aux   dimensions con- 

 <Desc/Clms Page number 3> 

   venables   puis ils sont polis pour leur donner un fini superficiel très lisse.

   Ensuite, on les nettoie, on les sèche puis on les place dans une chambre à   vide.   On dégaze complètement   ctte     chambra,puis,   au moyen de pompes, on y fait un vide très poussé;de l'ordre de 
10-8 à   10-o   torr. Chaque cristal, comportant   une:surface   plane destinée à être jointe à une surface plane analogue prévue sur l'autre cristal, est chauffé par bombardement électronique jusqu'à une température supérieure à 1200*C tandis que règne toujours dans la chambre un vide très poussé. Cette opération de chauffage pro- voque une volatilisation et une élimination des impuretés qui con- taminent les surfaces.

   On évapore ensuite du chrome   dansla     chanbre   à vide, et une mince pellicule de chrome se dépose alors sur la sur- face plane ainsi traitée de chaque cristal de carbure de silicium. 



  On constitue ensuite avec les cristaux un ensemble stratifié ou "sandwich" dans lequel les deux surfaces recouvertes de chrome se font mutuellement face, avec interposition d'une feuille de chrome pur de 0,127 mm d'épaisseur entre les deux surfaces recouvertes d'une couche de chrome. On soumet ensuite le sandwich résultant à un gradient de température pur chauffage dans   un*four   à atmosphère d'argon, par exemple en posant ce sandwich sur un bloc de graphite   chauffé :par   induction. Dans ce cas, la   température   du bloc peut être supérieure ou au moins égale à 1900 C, tandis que la surface supé- rieure du sandwich cristallin se trouve à une température notable-      ment supérieure à 1700 C.

   Ceci établit un gradient de température dans le sandwich tout en permettant de maintenir'la totalité de la masse de carbure de silicium à une température inférieure à 2000 C. 



   Dans ces conditions, la couche de chrome forme un eutec- tique à bas point de fusion avec le carbure de silicium, et la zone en fusion résultante se déplace au travers du cristal Inférieur vers la surface plus chaude. (Des variantes de cette technique de constitution de jonctions P-N au moyen d'un "solvant migrateur- se trouvent décrites dans les brevets E.U.A. Nos   2.996.456   et 2.813.048 respectivement déposés les 8 septembre 1958 et   24   juin 1954). 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 



  Lorsque la couche de chrome a complètement passé au travers du cris- tal intérieur de carbure de silicium, on fait refroidir le four, on sort le cristal du tour, et l'on en enlève tout chrome restant par meulage. Comme résultat de cette opération, on obtient un   unicris-   tal possédant une jonction P-N abrupte dans le plan de croissance par épitaxie du carbure de silicium inférieur dissous sur le car- bure de silicium supérieur ayant servi de germe. 



   On place ensuite sur la jonction des contacts ohmiques, on la découpe en cubes, et l'on y monte des conducteurs d'amenée et de sortie de courant. Deux tranches .opposées du cristal normales au plan de la jonction sont de préférence   gaulées   et polies de façon à établir une cavité optique dans le plan de la jonstion, cette tech- nique de finition des lasers du type diode-jonction étant bien connue! de l'homme de l'art.   Lorsqu'un   tel cristal est coumis, à la tempéra- ture   ordinaire, à   une densité de courant suffisamment élevée (jus- qu'à 5.000 ampères/cm2), il émet une brillante lumière possédant une longueur d'onde d'environ   4560 #   (correspondant à une transition d'environ 2,72 électron-volts).

   Avec une cavité optique convenable- ment établie, on constate que la lumière obtenue est caractérisée par une largeur de bande extrêmement   @ble,   une grande cohérence spatiale, et un rendement quantique   élevé.   



   On pense qu'un excellent mouillage interfacial est obtenu entre le chrome et le carbure de silicium, et que cela est impor- tant en vue de l'obtention d'une bonne continuité cristalline par épitaxie d'un   unicristal   sur le cristal servant de   germe,   Il faut   souligner   aussi un autre fait!on considère   *on**     important   que la recristallisation du cristal   s'effectue   au-dessous de la température de transition alpha-bêta (environ 2000 C),car cela doit favoriser fer tement la création d'une jonction abrupte avec une Interface cria- tallographique hautement perturbée au niveau de la jonction P-N. 



   Bien que les faces cristallines à nettoyer avant formation du   dépt   de métal-solvant soient nettoyées de la manière la plus avantageuse par chauffage au moyen d'un bombardement électronique 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 sous vide très   Toussé,   on peut réaliser cette opération de nettoyage par d'autres moyens de chauffage sous vide. 



   Le dépôt du métal-solvant à partir d'une vapeur de ce métal, de préférence du chrome, sur chaque surface établit une rela- tion intime entre les cristaux de carbure de silicium P et N,chacun avec le métal-solvant, afin d'assurer le mouillage interfacial. Pour assurer 'la formation d'une couche de métal-solvant continue, on utilise de préférence une feuille additionnelle du métal-solvant bien   que l'on   puisse omettre une telle feuille si les dépôts de métal formés par condensation de la vapeur sous vide sont établis assez épais. 



   Il convient enfin de mentionner que l'on peut faire migrer le métal solvant aussi bien au travers du cristal P qu'au travers du cristal N pour obtenir une jonction possédant des caractéristiques 
 EMI5.1 
 label'. laser.



   <Desc / Clms Page number 1>
      



  Silicon carbide junction which can be used as a source of salt, and method for its establishment.



   The invention relates to novel silicon carbide junctions and to their preparation process; and more particularly, it relates to light emitting silicon carbide junctions, the scope of the invention extending to junction diodes having% jasera type characteristics when biased in the conductive direction.



   In accordance with the invention, a silicon carbide junction is made which is very steep, without a region of appreciable extent at high resistivity between the P and N regions, unlike what is observed for the type. junction formed in the vapor phase and previously described by Van Daal et al in

 <Desc / Clms Page number 2>

 "Investigations on Silicon Carbide", Journal of Applied Physics, supplement to vol. 2, N 10, p. 22-25 (Oct. 1961), type in which an appreciable "I" region is between the P and N regions. Such a "I" region gives a relatively high voltage in the conductor, unlike the low voltage in the conductor. the conductive direction observable with the junctions forming the subject of the invention.

   Consequently, the diodes which are the subject of the invention have a relatively high current density (of the order of 105 microampers per square centimeter) when subjected to a * polarization,) in the conductive direction, as low as 1.5 volts at room temperature. Thus, for example, a current density of approximately 1.7 x is observed for a diode produced in accordance with the invention; 105 microampers per square centimeter when subjected to a 1.5 volt conductive polarization at room temperature (ie about 21 ° C).



   The silicon carbide junction in question has, in addition to its abrupt nature, a very high dislocation density in the plane of the P-N junction. When measuring the capacitance of the junction as a function of the applied voltage, we find that the square of the capacitance is inversely proportional to the applied voltage.



   An interesting characteristic of the silicon carbide junction which is the subject of the invention is the relatively high density of dislocations in the plane of the junction, the existence of this network of dislocations being indicated by the extreme porosity at with respect to molten gold in the region of the plane of the junction.



   According to a preferred embodiment of the invention, the novel silicon carbide junction diode is prepared by implementing the following operating mode, described of course by way of non-limiting example. To form the junction, two single crystals of alpha silicon carbide (one and one P) are chosen. These crystals preferably have a resistivity of between 0.01 and 10 chm-cm, they are carefully grinded to the dimensions con

 <Desc / Clms Page number 3>

   venables then they are polished to give them a very smooth surface finish.

   Then they are cleaned, dried and then placed in a vacuum chamber. This chamber is completely degassed, then, by means of pumps, a very high vacuum is created; of the order of
10-8 to 10-o torr. Each crystal, comprising a: flat surface intended to be joined to a similar flat surface provided on the other crystal, is heated by electron bombardment to a temperature above 1200 * C while a very high vacuum still reigns in the chamber . This heating operation causes volatilization and removal of impurities which contaminate the surfaces.

   Chromium is then evaporated in the vacuum tube, and a thin film of chromium is then deposited on the planar surface thus treated of each crystal of silicon carbide.



  A stratified or "sandwich" assembly is then formed with the crystals in which the two chrome-coated surfaces face each other, with the interposition of a sheet of pure chrome 0.127 mm thick between the two surfaces covered with a layer. of chrome. The resulting sandwich is then subjected to a pure temperature gradient heating in an oven with an argon atmosphere, for example by placing this sandwich on a block of graphite heated: by induction. In this case, the temperature of the block may be greater than or at least equal to 1900 C, while the upper surface of the crystalline sandwich is at a temperature significantly higher than 1700 C.

   This establishes a temperature gradient in the sandwich while still allowing the entire mass of silicon carbide to be maintained at a temperature below 2000C.



   Under these conditions, the chromium layer forms a low melting point eutectic with the silicon carbide, and the resulting molten zone moves through the Lower crystal to the warmer surface. (Variants of this technique of forming P-N junctions using a "migrating solvent" are described in U.S. Patents 2,996,456 and 2,813,048 filed September 8, 1958 and June 24, 1954, respectively).

 <Desc / Clms Page number 4>

 



  When the chromium layer has completely passed through the inner silicon carbide crystal, the furnace is cooled, the crystal is taken out of the lathe, and any remaining chromium removed by grinding. As a result of this operation, a unicristal having a steep P-N junction in the growth plane is obtained by epitaxy of the lower silicon carbide dissolved on the upper silicon carbide which served as the seed.



   Ohmic contacts are then placed on the junction, cut into cubes, and current supply and output conductors are mounted there. Two opposite slices of the crystal normal to the junction plane are preferably gelled and polished so as to establish an optical cavity in the junction plane, this diode-junction type laser finishing technique being well known! to those skilled in the art. When such a crystal is set, at ordinary temperature, to a sufficiently high current density (up to 5,000 amps / cm2), it emits a brilliant light having a wavelength of about 4560 # (corresponding to a transition of about 2.72 electron volts).

   With a suitably established optical cavity, the light obtained is found to be characterized by extremely low bandwidth, high spatial coherence, and high quantum efficiency.



   It is believed that excellent interfacial wetting is obtained between chromium and silicon carbide, and that this is important for obtaining good crystal continuity by epitaxy of a single crystal on the seed crystal. , It is also necessary to underline another fact! It is considered * on ** important that the recrystallization of the crystal takes place below the alpha-beta transition temperature (around 2000 C), because this should strongly favor the creation of 'An abrupt junction with a highly disturbed crystallographic interface at the PN junction.



   Although the crystal faces to be cleaned before formation of the metal-solvent deposit are most advantageously cleaned by heating by means of electron bombardment

 <Desc / Clms Page number 5>

 under very high vacuum, this cleaning operation can be carried out by other means of heating under vacuum.



   The deposition of the metal-solvent from a vapor of this metal, preferably chromium, on each surface establishes an intimate relationship between the crystals of silicon carbide P and N, each with the metal-solvent, in order to d 'ensure interfacial wetting. To ensure the formation of a continuous metal-solvent layer, an additional foil of the metal-solvent is preferably used although such foil can be omitted if the metal deposits formed by condensing the vapor under vacuum are. established thick enough.



   Finally, it should be mentioned that the solvent metal can be made to migrate both through crystal P and through crystal N to obtain a junction having characteristics.
 EMI5.1
 label'. laser.

Claims

ABSTRACT.

I. The invention relates to a light source essentially comprising a silicon carbide P-N junction, which light source is characterized by the following particularity 1) said junction has a characteristic low voltage drop in the conductive direction and is capable of emitting light with a wavelength of about 4560 A when polarized in the conductive direction at room temperature .

II. The invention also relates to a silicon carbide junction characterized by the following features, used separately or in combination: 2) it has the characteristics indicated in 1 and is characterized in that it has a steep P-N junction; 3) it has a high dislocation density; 4) the crystal is recrystallized below the alpha-beta transition temperature of silicon carbide * <Desc / Clms Page number 6> III.

A further subject of the invention is a silicon carbide junction diode characterized by the following features, used separately or in combination! 5) it has a junction as described in 1; 6) the crystal is formed by epitaxial recrystellization using a migrating solvent, with excellent internal wetting between the solvent and the seed crystal; 7) the region in the plane of the junction has high porosity to molten gold; 8) the square of the capacitance of the diode is inversely proportional to the applied voltage; 9) the junction has a current density on the order of 105 microamperes / cm2 when subjected to bias, in the conductive direction, as low as 1.5 volts at room temperature;

10) the slices normal to the junction plane are polished, to provide an optical cavity, and the emitted light has an extremely small bandwidth and is characterized by high spatial coherence.

IV. Finally, a subject of the invention is a method for producing a silicon carbide junction as specified above, characterized by the following features, used separately or in combination: 11) it basically consists! heating surfaces of two silicon carbide crystals, one of the P type and the other of the N type, at an elevated temperature and under vacuum to remove impurities therefrom; forming on said surfaces a coating of a metal. solvent by evaporation and condensation under a very high vacuum;

and placing these surfaces in contact with each other so that there is interposition of said metal-solvent and a transformation of said crystals into a single crystal occurs under conditions of epitaxial recrystallization; <Desc / Clms Page number 7> 12) the heating is carried out, in a chamber where there is a very high vacuum, by electron bombardment, and said coating is formed in the same chamber before said crystals are exposed to conditions such that they risk to to be contaminated; 13) chromium is used as metal solvent.