ES2243764T3 - Carburo de silicio semiaislante sin dominacion de vanadio. - Google Patents

Carburo de silicio semiaislante sin dominacion de vanadio.

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ES2243764T3 ES02774112T ES02774112T ES2243764T3 ES 2243764 T3 ES2243764 T3 ES 2243764T3 ES 02774112 T ES02774112 T ES 02774112T ES 02774112 T ES02774112 T ES 02774112T ES 2243764 T3 ES2243764 T3 ES 2243764T3
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Abstract

Monocristal de carburo de silicio semiaislante, que comprende: dopantes donadores, boro y defectos puntuales intrínsecos que actúan como aceptores en dicho monocristal de carburo de silicio; en el que el número de dopantes donadores es superior al número de átomos de boro; y el número de defectos puntuales intrínsecos en dicho cristal de carburo de silicio que actúan para compensar el dopante donador es superior a la diferencia numérica mediante la cual dicho dopante donador predomina sobre dicho boro; y la concentración de elementos de transición es inferior a 1 x 1016; teniendo dicho monocristal de carburo de silicio una resistividad de al menos 5000 ohm-cm a temperatura ambiente.

Description

Carburo de silicio semiaislante sin dominación de vanadio.
Campo de la invención
La presente invención se refiere al crecimiento de cristales de carburo de silicio de alta calidad para fines específicos, y en particular, se refiere a la producción de sustratos de carburo de silicio semiaislante de alta calidad que son útiles en dispositivos de microondas.
Antecedentes de la invención
El término "microondas" se refiere a la energía electromagnética en las frecuencias que cubren el intervalo de aproximadamente 0,1 gigahertzios (GHz) a 1.000 GHz, con longitudes de onda correspondientes de desde aproximadamente 300 centímetros hasta aproximadamente 0,3 milímetros. Aunque las "microondas" se asocian quizá más ampliamente por las personas legas con los dispositivos para cocinar, las personas familiarizadas con los dispositivos electrónicos reconocen que las frecuencias de microondas se utilizan para una gran variedad de fines electrónicos y en los correspondientes dispositivos electrónicos, incluyendo diversos dispositivos de comunicación, y los elementos de circuito y circuitos asociados que funcionan en ellos. Como en caso con muchos otros dispositivos electrónicos semiconductores y circuitos resultantes, la capacidad de un dispositivo (o circuito) para mostrar ciertas características de funcionamiento deseadas o necesarias depende en gran medida, y a menudo por completo, del material del que está fabricado. Un material candidato apropiado para dispositivos de microondas es el carburo de silicio, que ofrece una ventaja principal para aplicaciones de microondas de campo de ruptura dieléctrica muy elevado. Esta característica del carburo de silicio permite que dispositivos tales como transistores de efecto de campo metal-semiconductor (MESFET) funcionen a tensiones de drenaje diez veces superiores a las de los transistores de efecto de campo formados con arseniuro de galio (GaAs).
Adicionalmente, el carburo de silicio tiene la importante ventaja de una conductividad térmica de 4,9 vatios por grado kelvin por centímetro (W/K-cm) que es 3,3 veces superior a la del silicio y diez veces superior a la del arseniuro de galio o el zafiro. Estas propiedades facilitan al carburo de silicio una alta densidad de potencia en cuanto a la periferia de la puerta, medida en términos de vatios por milímetro (W/mm) y también una capacidad de manejo de potencia extremadamente alta en cuanto al área de la pastilla (W/mm). Esto es particularmente ventajoso para aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia debido a que el tamaño de la pastilla se ve limitado por la longitud de onda. En consecuencia, debido a las excelentes propiedades térmicas y electrónicas del carburo de silicio, a cualquier frecuencia dada, los MESFET de carburo de silicio deben poder tener al menos cinco veces la potencia de los dispositivos fabricados a partir de arseniuro de galio.
Tal como reconocen las personas familiarizadas con los dispositivos de microondas, a menudo requieren sustratos de alta resistividad ("semiaislantes") para fines de acoplamiento dado que los sustratos conductores tienden a producir importantes problemas a las frecuencias de microondas. Tal como se utiliza en el presente documento, los términos "de alta resistividad" y "semiaislante" pueden considerarse sinónimos para la mayoría de los fines. En general, ambos términos describen un material semiconductor que tiene una resistividad superior a aproximadamente 1500 ohm-centímetros (\Omega-cm).
Tales dispositivos de microondas son particularmente importantes para circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC) que se utilizan ampliamente en dispositivos de comunicación tales como buscapersonas y teléfonos móviles, y que generalmente requieren un sustrato de alta resistividad. En consecuencia, son deseables las siguientes características para los sustratos de los dispositivos de microondas: una calidad cristalina elevada adecuada para elementos de circuito de alto rendimiento, sumamente complejos, buena conductividad térmica, buen aislamiento eléctrico entre los dispositivos y con respecto al sustrato, bajas características de pérdida resistiva, bajas características de diafonía y un diámetro de oblea grande.
Dada la banda de energía prohibida ancha del carburo de silicio (3,2 eV en el carburo de silicio 4H a 300 K), tales características semiaislantes deben ser posibles en teoría. Como resultado, un sustrato de carburo de silicio de alta resistividad apropiado permitiría que se situasen tanto dispositivos de potencia como pasivos en el mismo circuito integrado ("chip"), disminuyendo así el tamaño del dispositivo mientras se aumenta su eficacia y rendimiento. El carburo de silicio también proporciona otras cualidades favorables, incluyendo la capacidad para funcionar a altas temperaturas sin ruptura física, química o eléctrica.
Sin embargo, tal como son conscientes las personas familiarizadas con el carburo de silicio, el carburo de silicio que se hace crecer mediante la mayoría de las técnicas es generalmente demasiado conductor para estos fines. En particular, la concentración de nitrógeno nominal o involuntaria en el carburo de silicio tiende a ser lo suficientemente alta en los cristales hechos crecer mediante sublimación (1 - 2 x 10^{17}cm^{-3}) para proporcionar una conductividad suficiente que evita que el carburo de silicio se utilice en dispositivos de microondas.
Con el fin de ser particularmente útiles, los dispositivos de carburo de silicio deben tener una resistividad del sustrato de al menos 1500 ohm-centímetros (\Omega-cm) con el fin de conseguir un comportamiento pasivo de RF. Además, se necesitan resistividades de 5000 \Omega-cm o mejores para minimizar las pérdidas en las líneas de transmisión del dispositivo hasta un nivel aceptable de 0,1 dB/cm o menos. Para el aislamiento del dispositivo y para minimizar los efectos de compuerta posterior, la resistividad del carburo de silicio semiaislante debe aproximarse a un intervalo de 50.000 \Omega-cm o superior. El presente trabajo tiende a afirmar que el comportamiento semiaislante de un sustrato de carburo de silicio es el resultado de niveles de energía profundos dentro de la banda de energía prohibida del carburo de silicio; es decir, más alejados de la banda de valencia y la banda de conducción que los niveles de energía creados por los dopantes de tipo p y de tipo n; por ejemplo, patente de los EE.UU. número 5.611.955. Según la patente 955, los niveles profundos en el carburo de silicio entre las bandas de valencia y de conducción pueden producirse mediante la introducción controlada de elementos seleccionados tales como metales de transición o elementos de pasivación tales como hidrógeno, cloro o flúor, o combinaciones de estos elementos en el carburo de silicio para formar los centros de nivel profundo en el carburo de silicio; por ejemplo, columna 3, líneas 37-53. Véase también, Mitchel, The 1.1 eV Deep Level in 4H-SiC. SIMC-X, Berkley CA, junio de 1998; Hobgood, Semi-Insulating GH-SiC Grown by Physical Vapor Transport, Appl. Phys. Lett. vol. 66, nº 11 (1995); documento WO 95/04171; Sriram, RF Performance of SiC MESFETs on High Resistivity Substrates, IEEE Electron Device Letters, vol. 15, nº 11 (1994); Evwaraye, Examination of Electrical and Optical Properties of Vanadium in Bulk n-type Silicon Carbide, J. Appl. Phys. 76 (10) (1994); Schneider, Infrared Spectra and Electron Spin Resonance of Vanadium Deep Level Impurities in Silicon Carbide, Appl. Phys. Lett. 56(12) (1990); y Allen, Frecuency and Power Performance of Microwave SiC FET's, Proceedings of International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 1995, Institute of Physics.
Además de las ideas convencionales, estas impurezas elementales de nivel profundo (también conocidas como elementos de captura de nivel profundo) pueden incorporarse introduciéndolas durante el crecimiento por sublimación a alta temperatura o deposición química en fase de vapor (CVD) de carburo de silicio de alta pureza. En particular, el vanadio se considera un metal de transición deseable para este fin. Según la patente 955 y la técnica similar, el vanadio compensa el material de carburo de silicio y produce las características de alta resistividad (es decir, semiaislantes) del carburo de silicio.
Sin embargo, la introducción de vanadio como elemento de compensación para producir carburo de silicio semiaislante también introduce ciertas desventajas. En primer lugar, la presencia de cantidades electrónicamente significativas de cualquier dopante, incluyendo el vanadio, puede afectar negativamente a la calidad cristalina del material resultante. En consecuencia, en la medida en que pueda reducirse significativamente o eliminarse el vanadio u otros elementos, puede aumentarse la calidad cristalina del material resultante, y su correspondiente calidad electrónica. En particular, la presente interpretación es que las cantidades de compensación de vanadio pueden producir defectos de crecimiento tales como inclusiones y microtubos en el carburo de silicio.
Como segunda desventaja, la introducción de cantidades de compensación de vanadio puede reducir el rendimiento y añadir gastos a la producción de sustratos de carburo de silicio semiaislante. En tercer lugar, la compensación dinámica del carburo de silicio, o cualquier otro elemento semiconductor, puede ser algo compleja e impredecible y, por tanto, introduce complejidad en la fabricación que puede evitarse de manera deseable si puede evitarse la compensación.
En las patentes de los EE.UU. números 6.218.680 y 6.403.982, se da a conocer un carburo de silicio semiaislante mejorado en el que se mantiene la concentración de vanadio por debajo de los niveles detectables (por ejemplo, detectables con SIMS (espectroscopía de masas de iones secundarios)) en monocristales de carburo de silicio compensados. Al describir el dopado pertinente, la patente 680, junto con gran parte de la técnica anterior, se refiere en ocasiones a dopantes particulares que son "profundos" o "superficiales". Aunque los términos "profundo" y "superficial" pueden tener un valor ilustrativo al describir el estado y los niveles de energía asociados con ciertos dopantes, se entienden mejor en un sentido relativo en lugar de limitante.
Por ejemplo, en algunas circunstancias, un nivel de 300 meV o más desde el borde de la banda se denomina como "profundo". Sin embargo, algunos elementos que producen niveles en ese intervalo (por ejemplo, el boro) pueden actuar también de manera "superficial"; es decir, pueden producir un nivel conductor en lugar de un nivel que aumenta la resistividad. Además, y como es el caso con el boro (B), los elementos individuales pueden producir más de un nivel dentro de la banda de energía prohibida.
Objeto y sumario de la invención
Por tanto, es un objeto de la presente invención proporcionar un sustrato de carburo de silicio semiaislante sin caracterizar los dopantes particulares como que son universalmente "profundos" o "superficiales", y proporcionar un sustrato de carburo de silicio semiaislante que ofrezca las capacidades que se requieren y ventajosas para el funcionamiento a alta frecuencia, pero mientras se evitan las desventajas de materiales y técnicas anteriores.
La invención satisface este objeto con un monocristal a granel semiaislante de carburo de silicio, tal como se expone en la reivindicación 1, que tiene una resistividad de al menos 5000 \Omega-cm a temperatura ambiente y una concentración de elementos de transición que es inferior a 1E16.
En otro aspecto, la invención es un monocristal a granel semiaislante de carburo de silicio, tal como se expone en la reivindicación 2, que tiene una resistividad de al menos 5000 ohm-centímetros a temperatura ambiente y una concentración de elementos de captura que crean estados a al menos 700 meV desde la banda de valencia o de conducción, que es inferior a la cantidad que afecta a las características eléctricas del cristal.
Todavía en otro aspecto, la invención comprende dispositivos que incorporan el carburo de silicio semiaislante según la invención reivindicada, incluyendo MESFET, ciertos MOSFET (transistor de efecto campo de semiconductor-metal-óxido) y HEMT (transistores de alta movilidad electrónica).
Los objetos y ventajas anteriores y otros de la invención y la manera en que se consiguen los mismos resultarán más claros basándose en la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos adjuntos, en los que:
Breve descripción de los dibujos
Las figuras 1 a 3 son las representaciones de las mediciones del efecto Hall llevadas a cabo en obleas fabricadas según la presente invención.
La figura 4 es una representación del logaritmo natural de la concentración de portadores frente a la inversa de la temperatura (grados Kelvin) para el carburo de silicio semiaislante según la presente invención.
La figura 5 es una representación del logaritmo natural de la resistividad frente a la inversa de la temperatura para el carburo de silicio semiaislante según la presente invención;
las figuras 6 a 8 son las mismas mediciones representadas en las figuras 1 a 3, pero tomadas de una parte diferente de la oblea de sustrato;
la figura 9 es otra representación del logaritmo natural de la concentración de portadores frente a la inversa de la temperatura para las muestras ilustradas en las figuras 6 a 8;
la figura 10 es otra representación del logaritmo natural de la resistividad frente a la inversa de la temperatura y de nuevo correspondiente a las mediciones de las muestras de las figuras 6 a 8;
las figuras 11 a 13 son todavía otro conjunto de representaciones idénticas a las de las figuras 1 a 3 y 6 a 8, para todavía otra medición en una parte diferente del material de carburo de silicio semiaislante;
la figura 14 es otra representación del logaritmo natural de la resistividad frente a la inversa de la temperatura para las muestras ilustradas en las figuras 11 a 13; y
las figuras 15, 16 y 17 son representaciones de espectroscopía de masas de iones secundarios (SIMS) para varias muestras de materiales según la presente invención y material de la técnica anterior.
Descripción detallada
En una primera realización, la invención es un monocristal a granel semiaislante de carburo de silicio que tiene una concentración de elementos de transición que es inferior al nivel en el cual tales elementos dominan la resistividad del cristal y preferiblemente a una concentración que es inferior a 1 x 10^{16} por centímetro cúbico (cm^{-3}), es decir, 1E16.
En otra realización, la invención es un monocristal a granel semiaislante de carburo de silicio que tiene una resistividad de al menos 5000 ohm-centímetros a temperatura ambiente y una concentración de elementos de captura que crean estados a al menos 700 meV desde la banda de valencia o de conducción, que es inferior a la cantidad que afecta a las características eléctricas del cristal.
Tal como se utiliza en el presente documento, el término "elemento de transición" se refiere a aquellos elementos de la tabla periódica que, cuando se incorporan como dopantes al carburo de silicio forman estados a niveles entre las bandas de valencia y de conducción del carburo de silicio, que están mucho más alejadas de las bandas de conducción y de valencia que las de los dopantes de tipo p o tipo n más convencionales. Tal como se expone en el Campo y los Antecedentes, el vanadio es un elemento de transición común con tales características.
Tal como se utiliza adicionalmente en el presente documento, la concentración que se define como "inferior a los niveles detectables" se refiere a elementos que están presentes en cantidades que no pueden detectarse mediante sofisticadas técnicas analíticas modernas. En particular, dado que una de las técnicas más comunes para detectar elementos en pequeñas cantidades es la espectroscopía de masas de iones secundarios ("SIMS"), los límites detectables a los que se hace referencia en el presente documento son aquellas cantidades de los elementos tales como vanadio y otros metales de transición que están presentes en cantidades inferiores a 1 x 10^{16} cm^{-3} (1E16), o en otros casos, inferiores a aproximadamente 1E14. Estas dos cantidades representan los límites de detección normales para la mayor parte de los elementos traza (particularmente vanadio) utilizando técnicas de SIMS; por ejemplo, SIMS Theory-Sensitivity and Detection Limits, Charles Evans & Associates (1995), www.cea.com.
Tal como se indicó anteriormente, el vanadio (V) es uno de los elementos más comunes para producir carburo de silicio semiaislante. En consecuencia, la invención se caracteriza porque el vanadio está ausente, o si está presente, está presente en cantidades inferiores a aquellas que afectarán sustancialmente a la resistividad del cristal, y preferiblemente inferiores a 1E16.
Aunque son posibles otros politipos (es decir, estructuras cristalinas), el monocristal de carburo de silicio según esta realización de la invención tiene preferiblemente un politipo seleccionado del grupo que consiste en los politipos 3C, 4H, 6H y 15R.
Además, con el fin de evitar los problemas asociados con la presencia de nitrógeno, y la necesidad resultante de intentar compensar el nitrógeno, los monocristales de carburo de silicio según esta realización de la invención tienen preferiblemente una concentración de átomos de nitrógeno inferior a aproximadamente 1 x 10^{17} cm^{-3} (1E17). Más preferiblemente, el monocristal semiaislante de carburo de silicio según la presente invención tendrá una concentración de nitrógeno de 5E16 o menos. La concentración de vanadio es inferior a 1E16 átomos por centímetro cúbico, y lo más preferido inferior a 1E14 átomos por centímetro cúbico. Adicionalmente, el monocristal de carburo de silicio a granel resultante tendrá preferiblemente una resistividad de al menos 10.000 \Omega-cm a temperatura ambiente, y lo más preferido una resistividad de al menos 50.000 \Omega-cm a temperatura ambiente.
Para los fines de proporcionar sustratos de carburo de silicio semiaislante para los MESFET de alta frecuencia, se prefiere el politipo 4H por su mayor movilidad electrónica volumétrica. Para otros dispositivos, pueden preferirse los demás politipos. En consecuencia, una de las realizaciones más preferidas de la invención es un monocristal a granel semiaislante de carburo de silicio 4H que tiene una resistividad de al menos 10.000 \Omega-cm a temperatura ambiente y una concentración de átomos de vanadio inferior a 1E14.
Preferiblemente, el método de producción de un monocristal a granel semiaislante de carburo de silicio comprende calentar un polvo fuente de carburo de silicio hasta sublimación, mientras se calienta y mantiene luego un cristal simiente de carburo de silicio a una temperatura inferior a la temperatura del polvo fuente, y temperatura a la cual las especies sublimadas procedentes del polvo fuente condensarán sobre el cristal simiente. Posteriormente, el método incluye continuar el calentamiento del polvo fuente de carburo de silicio hasta se haya producido la cantidad deseada de crecimiento a granel de monocristales sobre el cristal simiente. El método se caracteriza porque (1) las cantidades de elementos de transición en el polvo fuente (tal como se describió anteriormente) son inferiores a las cantidades pertinentes, (2) el polvo fuente contiene 5E16 o menos de nitrógeno, y (3) durante el crecimiento por sublimación, el polvo fuente y el cristal simiente se mantienen a temperaturas respectivas suficientemente altas para reducir significativamente la cantidad de nitrógeno que si no se incorporaría al crecimiento a granel sobre el cristal simiente y aumentar el número de defectos puntuales (denominados a menudo defectos puntuales intrínsecos) en el crecimiento a granel sobre el cristal simiente hasta una cantidad que hace semiaislante el monocristal a granel de carburo de silicio resultante. Preferible y conceptualmente, manteniendo las cantidades de nitrógeno u otros dopantes lo más bajas posibles, puede también minimizarse el número de defectos puntuales requeridos para hacer el cristal semiaislante. Actualmente, el número preferido de defectos puntuales parece estar en el intervalo de 1E15 - 5E17.
Con el fin de producir el carburo de silicio semiaislante según la invención, el polvo fuente que se utiliza debe estar libre de vanadio, o si está presente vanadio, debe estar por debajo de los niveles detectables. Tal como se indicó anteriormente, los niveles detectables se caracterizan normalmente como aquellos que pueden medirse utilizando SIMS. Expuesto de manera diferente, la cantidad de vanadio en el polvo fuente es preferiblemente inferior a 1E16 átomos por centímetro cúbico, y lo más preferido inferior a 1E14 átomos por centímetro cúbico.
En las realizaciones preferidas, se minimiza el nitrógeno utilizando grafito de alta prioridad como uno de los materiales de partida para el SiC, así como utilizando piezas de grafito purificado en el propio reactor. En general, el grafito (para el polvo fuente o las piezas del reactor) puede purificarse de posibles elementos dopantes, tales como boro o aluminio, calentando en presencia de gases de halógeno (por ejemplo, Cl_{2}), y si fuese necesario, mediante calentamiento adicional (una desgasificación por calentamiento, "bake out") en una atmósfera inerte (por ejemplo, Ar) a aproximadamente 2500ºC. También se conocen técnicas de purificación apropiadas en la técnica (por ejemplo, patentes de los EE.UU. números 5.336.520; 5.505.929 y 5.705.139) y pueden practicarse según se necesite sin demasiada experimentación.
Se ha descubierto adicionalmente según la presente invención que la cantidad de nitrógeno en el monocristal a granel resultante puede reducirse, no sólo utilizando las técnicas de alta pureza a las que se hace referencia en la técnica anterior (que son ciertamente aceptables como parte de la técnica de la invención), sino también llevando a cabo la sublimación a temperaturas relativamente superiores, mientras se mantiene la temperatura del cristal simiente y cualquier crecimiento a granel sobre el cristal simiente a una temperatura inferior a la temperatura de polvo fuente. Una técnica preferida para el crecimiento por sublimación (distinta a la modificada descrita en el presente documento) se expone en la patente de los EE.UU. número RE 34.861, cuyo contenido se incorpora en su totalidad como referencia al presente documento ("la patente 861").
La sublimación se lleva a cabo en un crisol apropiado que, tal como se expone en la patente 861, está formado normalmente por grafito. El crisol incluye un soporte de simiente y ambos se sitúan en el interior de un horno de sublimación. El polvo fuente de SiC se selecciona y purifica según sea necesario para que tenga una concentración de nitrógeno inferior a aproximadamente 1E17 y preferiblemente inferior a aproximadamente 5E16. Además, el polvo fuente tiene una concentración de vanadio, u otros metales pesados o elementos de transición, que es inferior a la cantidad que afectaría a las características eléctricas del cristal resultante. Tales cantidades incluyen aquellas por debajo de los niveles detectables por SIMS, lo que significa que utilizando la SIMS disponible actualmente, son al menos inferiores a 1E16 y preferiblemente inferiores a 1E14 átomos por centímetro cúbico. El polvo fuente también cumple preferiblemente las demás características ventajosas expuestas en la patente 861.
Cuando se incorpora una pequeña cantidad de boro como un aceptor, se añade mejor en forma de un material fuente (polvo) que incluye la cantidad deseada.
Desde un punto de vista práctico, la sublimación del carburo de silicio puede llevarse a cabo con temperaturas de la fuente que oscilan desde aproximadamente 2360ºC hasta aproximadamente 2500ºC, manteniéndose la temperatura del cristal simiente inferior de manera proporcional. Para los materiales descritos en el presente documento, la fuente se mantuvo entre aproximadamente 2360 y 2380ºC, estando la simiente a 300 - 350ºC menos. Tal como saben las personas familiarizadas con tales procedimientos y mediciones, las temperaturas indicadas pueden depender de cómo y dónde se mida el sistema y pueden diferir ligeramente de sistema a sistema.
Debido a que el vanadio ha sido el elemento de elección en intentos anteriores de producir carburo de silicio semiaislante de tipo compensado, la invención puede expresarse como el monocristal de SiC a granel, y el método para fabricarlo, en el que el vanadio está por debajo de los niveles detectables y numéricos citados anteriormente. Sin embargo, se entenderá por las personas familiarizadas con el crecimiento del carburo de silicio y las características del carburo de silicio utilizado para fines semiconductores, sin embargo, que la invención contempla asimismo la ausencia de cualquier otro elemento que podría producir las mismas características funcionales (y desventajas potenciales) como el vanadio.
Evitando el uso de tales elementos, la invención elimina asimismo la necesidad de compensar tales elementos con otros elementos y, en la misma medida, reduce las complicaciones que tal compensación introduce en los procedimientos de crecimiento cristalino.
Las figuras 1 a 17 ilustran diversas mediciones llevadas a cabo en los sustratos semiaislantes según la presente invención, junto con algunas comparaciones con material de carburo de silicio, compensado y no compensado, más convencional.
Las figuras 1 a 3 representan un conjunto correspondiente de mediciones realizadas en una oblea de sustrato que se hizo crecer en Cree Research Inc., Durham, Carolina del Norte, según la presente invención. Tal como se expone en la parte "Experimental" del presente documento, las características de estos materiales se probaron por el laboratorio de investigación de las Fuerzas Aéreas en Dayton, Ohio. La figura 1 representa la concentración de portadores frente a la inversa de la temperatura (estando la concentración en una escala logarítmica) para una oblea de sustrato semiaislante según la presente invención. La pendiente de la recta resultante da la energía de activación que es aproximadamente de 1,1 electronvoltios (eV).
La figura 2 muestra que la resistividad aumenta según disminuye la temperatura de manera que concuerda con las demás propiedades esperadas del material semiaislante según la presente invención.
La figura 3 representa la movilidad representada frente a la temperatura en grados Kelvin. La figura 4 es una representación del logaritmo natural (ln) de la concentración de portadores representada frente a la inversa de la temperatura (grados Kelvin). Tal como saben las personas familiarizadas con estas mediciones, la pendiente del logaritmo natural de la concentración de portadores frente a la inversa de la temperatura da la energía de activación. Tal como se indica en el recuadro de la figura 4, la energía de activación para esta muestra según la invención es del orden de 1,1 eV, es decir, concuerda con los resultados de la figura 1. Mediante comparación, y como saben asimismo las personas familiarizadas con el carburo de silicio semiaislante, la energía de activación del carburo de silicio semiaislante cuando se utiliza vanadio como el elemento de captura de nivel profundo sería de aproximadamente 1,6 eV en las mismas circunstancias.
Los datos se midieron bajo un campo magnético de 4 kilogauss con un espesor de la muestra de 0,045 centímetros y en un intervalo de temperatura de desde aproximadamente 569 K hasta aproximadamente 1.012 K.
La figura 5 es una representación del logaritmo natural de la resistividad frente a la inversa de la temperatura en grados kelvin. Estos datos y esta representación pueden utilizarse asimismo para determinar la energía de activación del material de carburo de silicio semiaislante. El valor de 1,05667 eV determinado a partir de esta representación ayuda a confirmar la energía de activación de 1,1 eV medida previamente. Expuesto de manera diferente, la diferencia entre las energías de activación medidas en las figuras 4 y 5 está dentro de los límites experimentales esperados, y los datos se confirman entre sí.
Las figuras 6 a 10 representan los mismos tipos de mediciones y representaciones que las figuras 1 a 5, pero tomadas de una muestra diferente; específicamente, un área diferente de la misma oblea que se midió en las figuras 1 a 5. Se observará en consecuencia que las figuras 6 a 8 concuerdan con los resultados representados en las figuras 1 a 3. Más específicamente, la figura 9 que es otra representación del logaritmo natural de la concentración de portadores frente a la inversa de la temperatura, muestra una energía de activación calculada de 1,00227 eV. De nuevo, está dentro de los límites experimentales esperados de los 1,1 eV medidos previamente.
De manera similar, la figura 10 representa el logaritmo natural de la resistividad frente a la inversa de la temperatura y de manera similar proporciona una energía de activación de 1,01159, que asimismo está dentro de los límites experimentales de los 1,1 eV. Las figuras 11 a 13 muestran los resultados procedentes de todavía otra parte de la oblea pero se consideran menos favorables que los resultados observados en las mediciones anteriores. En particular, la
representación de la figura 11 fracasa en la formación de una línea recta de la manera deseada, y los datos son menos favorables de lo que fueron los resultados previos. De manera similar, la figura 14 que representa el logaritmo natural de la resistividad frente a la inversa de la temperatura muestra una energía de activación calculada de sólo 0,63299, un valor bastante alejado de los 1,1 eV, independientemente de la incertidumbre experimental.
Las figuras 15, 16 y 17 representan los espectros de masas de iones secundarios (SIMS) de varias muestras comparativas y tienden a mostrar las impurezas elementales y otros materiales en los sustratos de carburo de silicio semiaislante. La figura 15 es el espectro de SIMS del material de carburo de silicio semiaislante según la presente invención y confirma la ausencia de vanadio o cualquier otro metal de transición en la muestra. Esto confirma que la energía de activación y los estados intermedios de la banda de energía prohibida presentes en la invención no resultan de la presencia de vanadio u otros metales de transición.
La figura 16 se incluye para fines de comparación y es el espectro de SIMS de una oblea de tipo N de carburo de silicio que ni es semiaislante ni se fabricó según la presente invención, sino que representa en su lugar una muestra de carburo de silicio conductor. Dado que no existe ninguna razón para incluir vanadio en los sustratos de tipo N, el vanadio está ausente del espectro de masas.
La figura 17 proporciona una comparación de una versión anterior de un carburo de silicio semiaislante que está compensado con vanadio. El pico de vanadio está fuertemente presente a aproximadamente 51 unidades de masa atómica en el espectro. Este pico de vanadio está notoriamente ausente de ambas figuras 15 y 16.
Se entenderá, naturalmente, por las personas familiarizadas con estos materiales, que aunque la frase "por debajo de las cantidades detectables" es una descripción completamente aceptable de la invención, también puede entenderse que estas cantidades son aquellas que están por debajo de la cantidad que afecta a las características electrónicas, y particularmente a la resistividad, del cristal de carburo de silicio.
En consecuencia, en otro aspecto, la invención comprende un monocristal de carburo de silicio semiaislante con dopantes donadores, dopantes aceptores y defectos puntuales intrínsecos. En este aspecto de la invención, el número de dopantes donadores (N_{d}) en el cristal de carburo de silicio es superior al número de dopantes aceptores (N_{a}), y el número de defectos puntuales intrínsecos (N_{dI}) en el carburo de silicio que actúan como aceptores es superior a la diferencia numérica entre el número de estos dopantes donadores y aceptores. En relación con este aspecto, la concentración de elementos de transición y metales pesados es inferior que la concentración que afectaría a las propiedades eléctricas del monocristal de carburo de silicio y preferiblemente inferior a 1E16. El monocristal de carburo de silicio resultante tiene una resistividad de al menos 5000 \Omega-cm a temperatura ambiente, preferiblemente de al menos 10.000 \Omega-cm y lo más preferido de al menos 50.000 \Omega-cm.
Este aspecto de la invención también se aplica a la situación complementaria en la que el número de átomos dopantes aceptores es superior al número de átomos dopantes donadores. En tal caso, el número de defectos puntuales intrínsecos que actúan como donadores es superior a la diferencia numérica entre el número de las impurezas donadoras y las impurezas aceptoras.
Expuesto de manera diferente, los dopantes de tipo n y de tipo p superficiales se compensan entre sí, predominando uno u otro en cierta medida. El número de defectos puntuales intrínsecos en el cristal que se activan eléctricamente es superior a la cantidad neta de átomos de dopantes de tipo n o de tipo p que predominan sobre los otros en el cristal. Expuesto como una fórmula,
N_{dI} > (N_{d} - N_{a})
cuando predominan los donadores sobre los aceptores, o
N_{dI} > (N_{a} - N_{d})
cuando predominan los aceptores sobre los donadores. En el primer caso, el cristal sería de tipo n compensado basado en los átomos dopantes. Sin embargo, estos donadores netos se compensan de nuevo, mediante defectos puntuales de tipo aceptor para producir el cristal semiaislante. En el segundo caso, los defectos puntuales actúan como de tipo donador y compensan el exceso neto de aceptores en el cristal.
Tal como se utiliza en el presente documento, el término "dopante" se utiliza en sentido amplio; es decir, para describir un átomo distinto a silicio (Si) o carbono (C) presente en la red cristalina y que proporciona o bien un electrón adicional (un donador) o bien un hueco adicional (un aceptor). En la invención, los dopantes pueden estar presentes de manera pasiva o de manera dinámica; es decir, el término "dopante" no implica ni una etapa de "dopado" ni la ausencia de ella.
En una realización preferida, el aceptor es boro. En esta realización, el boro sobrecompensa el nitrógeno, y los defectos puntuales actúan como donadores para sobrecompensar el boro, para producir el cristal de carburo de silicio semiaislante. El comportamiento del boro como aceptor es en contra de los conceptos anteriores, en los que el boro se consideraba que era un elemento de captura profunda (por ejemplo la patente de los EE.UU. de cesionario común número 5.270.554 en la columna 8, líneas 49-51). De hecho, el boro puede producir un nivel de captura en el SiC a 700 meV, pero (hasta la fecha) no así de manera reproducible. En consecuencia, en la presente invención, se ha encontrado que el boro es un dopante aceptor apropiado para el carburo de silicio semiaislante del tipo descrito en el presente documento.
En tal realización preferida, el carburo de silicio se hace crecer en condiciones que reducen la concentración de nitrógeno activo hasta el punto en el que una cantidad relativamente pequeña de boro, preferiblemente de aproximadamente 1E15 de boro, harán el cristal de tipo p. Controlando las condiciones de crecimiento, pueden llevarse las concentraciones de defectos puntuales hasta aproximadamente 5E15, sobrecompensando así el boro y produciendo el cristal semiaislante. Reduciendo la concentración de nitrógeno, y las cantidades de compensación correspondientes de boro, la invención evita las desventajas mencionadas previamente de la dominación de metales de transición y los grados más fuertes de dopado y compensación. Debido a que el crecimiento cristalino de SiC es un procedimiento relativamente sofisticado, los parámetros exactos pueden diferir dependiendo de las circunstancias locales o individuales, tales como las temperaturas particulares utilizadas dentro de los intervalos apropiados y las características del equipo que se esté utilizando. No obstante, basándose en las descripciones del presente documento, puede esperarse que los expertos habituales en la técnica practiquen la invención satisfactoriamente y sin una experimentación excesiva.
Se espera que el número de defectos puntuales pueda controlarse hasta cierto punto irradiando el carburo de silicio con neutrones, electrones de alta energía o rayos gamma para crear el número deseado de defectos puntuales, para conseguir resultados que concuerden con las fórmulas expuestas anteriormente.
Aunque es difícil de medir el número exacto de defectos puntuales, técnicas tales como la resonancia paramagnética electrónica (RPE), la espectroscopía transitoria de nivel profundo (DLTS) y la espectroscopía de aniquilación de la posición dan las mejores indicaciones disponibles del número presente. Tal como se expone además en el presente documento, las mediciones del efecto Hall también confirman las características deseadas del cristal.
En otro aspecto, la invención puede incorporarse a dispositivos activos, particularmente a dispositivos de microondas activos, que se aprovechan del sustrato de carburo de silicio semiaislante. Tal como se indicó anteriormente y como reconocen las personas familiarizadas con los dispositivos de microondas semiconductores activos, la frecuencia con la que puede funcionar un dispositivo de microondas puede verse significativamente dificultada por cualquier interacción de portadores con el sustrato, opuesto a la situación ideal en la que los portadores se limitan a un canal particular y otras partes funcionales del dispositivo de microondas.
La naturaleza del material semiaislante de carburo de silicio según la presente invención es tal que tiene excelentes características de rendimiento en los dispositivos apropiados. Éstos incluyen, pero no se limitan a MESFET, ciertos MOSFET y otros dispositivos tales como los descritos en las actuales patentes y solicitudes en trámite de los EE.UU. números 5.270.554; 5.686.737; 5.719.409; 5.831.288; de número de serie 08/891.221, presentada el 10-07-97; y de número de serie 09/082.554, presentada el 21-05-98, ambas para "Latch-up Free Power UMOS Bipolar Transistor"; de número de serie 08/797.536, presentada el 07-02-97 para "Structure for Increasing the Maximum Voltage of Silicon Carbide Power Transistors"; de número de serie 08/795.135, presentada el 07-02-97 para "Structure to Reduce the On-resistance of Power Transistors" y la solicitud de patente internacional número PCT/US98/13003, presentada el 23-06-98 (designando los Estados Unidos) para "Power Devices in Wide Bandgap Semiconductors", cuyos contenidos se incorporan en su totalidad como referencia al presente documento.
Experimental
Se examinaron dos obleas de SiC semiaislante en el laboratorio de investigación de las Fuerzas Aéreas en Dayton, Ohio (base Wright-Patterson de las Fuerzas Aéreas), con efecto Hall a alta temperatura y SIMS. No se dispuso de resultados comprensibles a partir de una de las obleas (posiblemente debido a contactos óhmicos deficientes) pero dos muestras para el efecto Hall de la segunda oblea dieron ambas los mismos resultados, proporcionando un nivel de confianza razonable en esos resultados.
Ambas obleas eran aislantes a temperatura ambiente. La oblea que pudo medirse se activó térmicamente a temperaturas elevadas y se pudo medir la concentración de portadores, que no siempre es posible en un material semiaislante por las bajas movilidades debidas a las altas temperaturas implicadas. La concentración de portadores fue de aproximadamente 10^{15} cm^{-3} a 1000 K, en la que la resistividad era de aproximadamente 103\Omega-cm. Tal concentración de portadores es aproximadamente de uno a dos órdenes de magnitud inferior a la observada en un material semiaislante convencional o material dopado con vanadio a la misma temperatura. Sin embargo, no pudo hacerse un ajuste de la curva de n frente a 1/T, de modo que la concentración total para la capa activa siguió sin estar disponible. La energía de activación fue de aproximadamente 1,1 eV.
Se llevó a cabo una SIMS en la muestra con un sistema de alta resolución. No se observó nada que no fuese cobre cerca del límite de detección, junto con cierta cantidad de hidrógeno, que se supuso a partir de la altura del pico de masa 47. El pico de masa 47 se atribuyó en consecuencia a SiOH. El barrido de masas para la invención junto con los barridos para dos muestras comparativas se incluyen en el presente documento como figuras 18-20, respectivamente. Es evidente titanio (Ti) a aproximadamente 1 x 10^{16} cm^{-3} en las figuras 19 y 20, pero no en la muestra de la invención (figura 18). También aparece vanadio en la muestra semiaislante patrón (figura 20) junto con la línea de SiOH, lo que indica hidrógeno.
A partir de estos resultados, se consideró que la primera oblea era un material de muy alta pureza y se considera aislante debido a que ninguna impureza de vanadio residual está presente junto con otros defectos constituyen el nivel de 1,1 eV, en concentraciones superiores a la suma de las impurezas superficiales y así los niveles de 1,1 eV compensan las impurezas superficiales. El nivel de Fermi se pone en el nivel de 1,1 eV, haciendo así semiaislante el material. La presencia de hidrógeno, si la hubiera, podría significar que está teniendo lugar la compensación del hidrógeno, pero no se esperaría que esto compensara o neutralizara selectivamente las impurezas más superficiales y no los niveles profundos.
En los dibujos y la memoria descriptiva, se han descrito realizaciones típicas de la invención y, aunque se han empleado términos específicos, se han utilizado solamente en sentido genérico y descriptivo y no con fines de limitación, exponiéndose el alcance de la invención por las siguientes reivindicaciones.

Claims (12)

1. Monocristal de carburo de silicio semiaislante, que comprende:
dopantes donadores, boro y defectos puntuales intrínsecos que actúan como aceptores en dicho monocristal de carburo de silicio;
en el que el número de dopantes donadores es superior al número de átomos de boro; y
el número de defectos puntuales intrínsecos en dicho cristal de carburo de silicio que actúan para compensar el dopante donador es superior a la diferencia numérica mediante la cual dicho dopante donador predomina sobre dicho boro; y
la concentración de elementos de transición es inferior a 1 x 10^{16};
teniendo dicho monocristal de carburo de silicio una resistividad de al menos 5000 ohm-cm a temperatura ambiente.
2. Monocristal a granel de carburo de silicio semiaislante, que tiene una resistividad de al menos 5000 \Omega-cm a temperatura ambiente y una concentración de elementos de captura que crean estados a al menos 700 meV de la banda de valencia o de conducción, que es inferior a la cantidad que afecta a las características eléctricas del cristal.
3. Monocristal de carburo de silicio según las reivindicaciones 1 ó 2, que tiene una concentración de átomos de nitrógeno inferior a 1 x 10^{17} cm^{-3}.
4. Monocristal de carburo de silicio según la reivindicación 3, en el que la concentración de nitrógeno es inferior a 5 x 10^{16} cm^{-3} o menos.
5. Monocristal de carburo de silicio según cualquier reivindicación anterior, en el que la concentración de vanadio es inferior a 1 x 10^{16} cm^{-3}.
6. Monocristal de carburo de silicio según la reivindicación 5, en el que la concentración de vanadio es inferior a 1 x 10^{14} cm^{-3}.
7. Monocristal de carburo de silicio según cualquier reivindicación anterior, en el que la concentración de vanadio es inferior al nivel que puede detectarse mediante espectroscopía de masas de iones secundarios (SIMS).
8. Monocristal de carburo de silicio según cualquier reivindicación anterior, en el que el politipo del carburo de silicio se selecciona de los politipos 3C, 4H, 6H y 15R.
9. Monocristal de carburo de silicio según cualquier reivindicación anterior, que tiene una resistividad de al menos 10.000 \Omega-cm a temperatura ambiente.
10. Monocristal de carburo de silicio según la reivindicación 9, que tiene una resistividad de al menos 50.000 \Omega-cm a temperatura ambiente.
11. Transistor que tiene un sustrato que comprende el monocristal a granel según cualquier reivindicación anterior.
12. Transistor según la reivindicación 11, que es un transistor de efecto de campo de metal-semiconductor, un transistor de efecto de campo de metal-aislante o un transistor de alta movilidad electrónica.
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