ES2272317T3 - Carburo de silicio semiaislante sin dominio de vanadio. - Google Patents
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Abstract
Monocristal volumétrico semiaislante de carburo de silicio que tiene una resistividad de al menos 5.000 O-cm a temperatura ambiente, una concentración de elementos de captura de nivel profundo que se encuentra por debajo de la cantidad que afecta a las características eléctricas del cristal, y una concentración de átomos de nitrógeno que se encuentra por debajo de 1 x 1017 cm-3.
Description
Carburo de silicio semiaislante sin dominio de
vanadio.
La presente invención se refiere al crecimiento
de cristales de carburo de silicio de elevada calidad para fines
específicos, y en particular se refiere a la producción de sustratos
de carburo de silicio semiaislantes de elevada calidad que son
útiles en dispositivos de microondas. Esta invención se elaboró bajo
el número de contrato del Departamento de Fuerzas Aéreas
F33615-95-C-5426. El
gobierno puede tener ciertos derechos en esta invención.
El término "microondas" se refiere a
energía electromagnética en frecuencias que cubren el intervalo de
aproximadamente 0,1 gigahertzios (GHz) a 1.000 GHz con longitudes
de onda correspondientes de aproximadamente 300 centímetros a
aproximadamente 0,3 milímetros. Aunque los profanos en la materia
quizás asocian más las "microondas" con dispositivos de
cocina, las personas familiarizadas con los dispositivos
electrónicos reconocen que las frecuencias de microondas se usan
para una gran variedad de fines electrónicos y en los dispositivos
electrónicos correspondientes, incluyendo varios dispositivos de
comunicación, y los elementos de circuito asociados y los circuitos
que funcionan con ellos. Como es el caso de muchos otros
dispositivos electrónicos semiconductores y circuitos resultantes,
la capacidad de un dispositivo (o circuito) de mostrar ciertas
características de rendimiento deseadas o necesarias depende en
gran medida, y a menudo exclusivamente, 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 un campo de descarga
disruptiva muy elevada. Esta característica del carburo de silicio
permite que dispositivos tales como transistores de efecto de campo
de metal semiconductor (MESFET) funcionen a tensiones de drenaje
diez veces superior a los transistores de efecto de campo formados
en arseniuro de galio (GaAs).
Adicionalmente, el carburo de silicio tiene la
ventaja significativa 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 le dan al carburo
de silicio una elevada densidad de potencia en términos de
periferia de puerta medida en términos de vatios por milímetro
(W/mm) y también una capacidad de manejo de potencia extremadamente
elevada en términos de superficie de microplaqueta (W/mm). Esto es
particularmente ventajoso para aplicaciones de frecuencia elevada,
potencia elevada debido a que el tamaño de microplaqueta se limita
por la longitud de onda. Por consiguiente, debido a las excelentes
propiedades térmicas y electrónicas del carburo de silicio, a
cualquier frecuencia dada, los MESFET de carburo de silicio deben
ser capaces de ejercer al menos cinco veces la potencia de
dispositivos elaborados a partir de arseniuro de galio.
Tal como lo reconocen los familiarizados con los
dispositivos de microondas, a menudo precisan sustratos de
resistividad elevada ("semiaislantes") con fines de
acoplamiento porque los sustratos conductores tienden a producir
problemas significativos a las frecuencias de microondas. Tal como
se utilizan en el presente documento, los términos "resistividad
elevada" 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 1.500 ohmios-centímetros
(\Omega-cm).
Tales dispositivos de microondas son
particularmente importantes para circuitos integrados de microondas
monolíticos (MMIC) que se usan comúnmente en dispositivos de
comunicación tales como buscas y teléfonos móviles, y que
generalmente requieren un sustrato de resistividad elevada. Por
consiguiente, las siguientes características son deseables para
sustratos de dispositivos de microondas: una calidad cristalina
elevada adecuada para elementos de circuito de alto rendimiento y
muy complejos, una buena conductividad térmica, un buen aislamiento
eléctrico entre los dispositivos y de cara al sustrato,
características de pérdida resistiva bajas, características de
cruce bajas, y un gran diámetro de oblea.
Dada la banda prohibida ancha ("wide
bandgap") de carburo de silicio (3,2 eV en carburo de silicio 4 H
a 300 K), tales características semiaislantes deberían ser posibles
teóricamente. Como resultado, un sustrato de carburo de silicio
apropiado de resistividad elevada permitiría que en el mismo
circuito integrado ("chip") se colocaran tanto dispositivos de
potencia como dispositivos pasivos reduciendo así el tamaño del
dispositivo al tiempo que se aumenta su eficacia y rendimiento. El
carburo de silicio también proporciona otras cualidades favorables,
incluyendo la capacidad de funcionar a temperaturas elevadas sin una
descarga disruptiva física, química o eléctrica.
Sin embargo, como ya saben los familiarizados
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 no intencionada en el carburo de silicio tiende
a ser lo suficientemente elevada en cristales que se hacen crecer
por sublimación (1-2x10^{17} cm^{-3}) para
proporcionar la suficiente conductividad para evitar que el carburo
de silicio de este tipo se utilice en dispositivos de
microondas.
Algunos esfuerzos recientes han tratado de
compensar el nivel eficaz de nitrógeno añadiendo un dopante de tipo
p (es decir, aceptor) tal como el boro. En la práctica, sin embargo,
los dispositivos basados en SiC fabricados utilizando boro para
obtener una elevada resistividad han mostrado inesperadamente malos
resultados a niveles de potencia elevados. Adicionalmente, en
comparación con algunos otros elementos, el boro tiende a
difundirse relativamente bien en SiC, confiriéndole una tendencia
indeseable de migrar hacia capas de dispositivo adyacentes y
afectarlas inintencionadamente.
Con el fin de ser particularmente útiles, los
dispositivos de carburo de silicio deben tener una resistividad de
sustrato de al menos 1.500 ohmios-centímetros
(\Omega-cm) con el fin de lograr un comportamiento
pasivo de RF. Además, se necesitan resistividades de 5.000
\Omega-cm o mejores para minimizar las pérdidas de
línea de transmisión del dispositivo hasta un nivel aceptable de
0,1 dB/cm o inferior. Para el aislamiento del dispositivo y para
minimizar efectos de "backgating" (compuerta secundaria), la
resistividad del carburo de silicio semiaislante debe aproximarse a
un intervalo de 50.000 \Omega-cm o superior. El
presente trabajo tiende a reafirmar que el comportamiento
semiaislante de un sustrato de carburo de silicio es el resultado de
niveles de energía profundos dentro de la banda prohibida del
carburo de silicio, es decir, más alejados tanto de la banda de
valencia y la banda de conducción que los niveles de energía creados
por dopantes de tipo p y de tipo n. Se cree que estos niveles de
energía "profundos" consisten en estados que se encuentran al
menos 300 meV alejados de los bordes de banda de valencia o de
conducción, por ejemplo, la patente de los EE.UU. número 5.611.955
que es representativa del pensamiento convencional actual en esta
técnica. Según la patente `955 los niveles profundos en el carburo
de silicio entre las bandas de conducción y de valencia 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 además, Mitchel, The 1.1 eV
Deep Level in 4H-SiC. SIMC-X,
Berkley CA, Junio 1998; Hobgood, Semi-Insulating
GH-SiC Grown by Physical Vapor Transport, Appl.
Phys. Lett. vol. 66, número 11 (1995); documento WO 95/04171;
Sriram, RF Performance of SiC MESFETs on High Resistivity
Substrates, IEEE Electron Device Letters, vol. 15, número 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, Frequency and Power
Performance of Microwave SiC FET's, Actas de International
Conference on Silicon Carbide and Related Materials 1995, Institute
of Physics.
Barrett, en las páginas 358-362
de Growth of Large SiC Single Crystals, J. Crystal Growth 128 (1993)
describe el crecimiento de lingotes monocristalinos de carburo de
silicio politipo-6H de hasta 60 milímetros de
diámetro mediante el proceso de transporte en fase gaseosa a
2.300ºC. El método comprende la etapa de calentar el material de
partida del carburo de silicio a una temperatura superior a 800ºC
para reducir la contaminación de base de nitrógeno, seguida de una
etapa de estabilización de la temperatura en argón de elevada pureza
para lograr la diferencia óptima de temperatura entre la fuente y
el germen. La reducción de presión programada para lograr una
nucleación con pocos defectos y un crecimiento epitaxial uniforme y
la etapa de crecimiento de lingote monocristalino completa el
proceso. Las obleas de sustrato preparadas a partir de estos
cristales no dopados muestran resistividades de hasta 10^{5}
ohmios-centímetros. Los sustratos se usaron para una
aplicación de dispositivo de microondas (por ejemplo, un MESFET).
Barrett sugiere que la pureza del material de partida de carburos
de silicio podría ser la clave para el crecimiento de cristales de
elevada resistividad.
Además del pensamiento tradicional, estas
impurezas elementales de nivel profundo (también conocidas como
elementos de captación de nivel profundo) pueden incorporarse
introduciéndolas durante el crecimiento por sublimación a
temperatura elevada o deposición química en fase gaseosa (CVD) de
carburo de silicio de elevada 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 resistividad
elevada (es decir, semiaislantes) del carburo de silicio.
Sin embargo, la introducción de vanadio como un
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 vanadio, puede afectar negativamente a
la calidad cristalina del material resultante. En consecuencia, en
la medida en que puede reducirse o eliminarse significativamente el
vanadio u otros elementos, puede aumentarse la calidad del cristal
del material resultante, y su calidad electrónica correspondiente.
En particular, el presente entendimiento es que la compensación de
cantidades de vanadio puede producir defectos de crecimiento tales
como inclusiones y microporos en 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
semiaislantes. En tercer lugar, la compensación proactiva del
carburo de silicio, o cualquier otro elemento semiconductor, puede
ser algo compleja e impredecible y por tanto introduce una
complejidad de fabricación que de manera deseable puede evitarse si
puede evitarse la compensación.
En consecuencia, es un objeto de la presente
invención proporcionar un sustrato de carburo de silicio
semiaislante que ofrezca las capacidades requeridas y ventajosas
para un funcionamiento de frecuencia elevada, pero que evite las
desventajas de las técnicas y materiales anteriores.
La invención cumple este objeto con un
monocristal volumétrico semiaislante de carburo de silicio que tiene
una resistividad de al menos 5.000 \Omega-cm a
temperatura ambiente, una concentración de elementos de captura de
nivel profundo ("deep level trapping elements") que se
encuentra por debajo de niveles detectables o que no afecta a las
propiedades electrónicas del material y una concentración de átomos
de nitrógeno por debajo de 1 x 10^{17} cm^{-3}.
En otro aspecto, la invención es un método para
producir un monocristal volumétrico semiaislante de carburo de
silicio. El método comprende calentar un polvo de partida de carburo
de silicio hasta la sublimación mientras que se calienta y luego
mantiene un cristal germen de carburo de silicio hasta una
temperatura por debajo de la temperatura del polvo de partida,
temperatura a la cual se condensarán la especie sublimada a partir
del polvo de partida hasta el cristal germen; y continuar calentando
el polvo de partida de carburo de silicio hasta producir una
cantidad deseada de crecimiento volumétrico de monocristal sobre el
cristal germen. El método se caracteriza porque las cantidades de
elementos de captura de nivel profundo en el polvo de partida se
encuentran por debajo de niveles detectables; y porque durante el
crecimiento por sublimación, el polvo de partida y el cristal
germen se mantienen a temperaturas respectivas lo suficientemente
elevadas para reducir de manera significativa la cantidad de
nitrógeno que de otro modo se incorporaría en el crecimiento
volumétrico sobre el cristal germen y para aumentar el número de
defectos puntuales en el crecimiento volumétrico hasta una cantidad
que hace que el monocristal volumétrico de carburo de silicio
resultante sea semiaislante.
En otro aspecto más, la invención comprende
dispositivos que incorporan el carburo de silicio semiaislante
según la invención reivindicada, incluyendo MESFET, ciertos MOSFET,
y HEMT (transistores de alta movilidad de electrones).
Los anteriores y otros objetos y ventajas de la
invención y la manera en la que pueden conseguirse los mismos se
harán más evidentes en base a la siguiente descripción detallada
tomada en combinación con los dibujos adjuntos en los que:
Las figuras 1 a 3 son gráficos de las mediciones
del efecto Hall llevadas a cabo en obleas fabricadas según la
invención.
La figura 4 es un gráfico del logaritmo natural
de la concentración de portadores de carga frente al inverso de la
temperatura (grados Kelvin) para carburo de silicio semiaislante
según la presente invención.
La figura 5 es un gráfico del logaritmo natural
de la resistividad frente al inverso de la temperatura para carburo
de silicio semiaislante según la presente invención.
Las figuras 6 a 8 son las mismas mediciones que
las representadas en las figuras 1 a 3, pero tomadas desde un
segmento diferente de la oblea del sustrato.
La figura 9 es otro gráfico del logaritmo
natural de la concentración portadora frente al inverso de la
temperatura para las muestras ilustradas en las figuras 6 a 8.
La figura 10 es otro gráfico del logaritmo
natural de resistividad frente al inverso de la temperatura y de
nuevo correspondiente a las mediciones de muestra de las figuras 6 a
8.
Las figuras 11 a 13 son otro conjunto más de
gráficos idénticos a las figuras 1 a 3 y 6 a 8 para otra medición
más en un segmento diferente del material de carburo de silicio
semiconductor.
La figura 14 es otro gráfico del logaritmo
natural de resistividad frente al inverso de la temperatura para
las muestras ilustradas en las figuras 11 a 13; y
las figuras 15, 16 y 17 son gráficos de
espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para varias
muestras de materiales según la presente invención y material de la
técnica anterior.
En una primera realización, la invención es un
monocristal volumétrico semiaislante de carburo de silicio que
tiene una concentración de elementos de captura de nivel profundo
que se encuentra por debajo de un nivel al que tales elementos
dominan la resistividad del cristal y preferiblemente a una
concentración que se encuentra por debajo de niveles
detectables.
Tal como se utiliza en el presente documento
"elemento de captura de nivel profundo" se refiere a aquellos
elementos de la tabla periódica que, cuando se incorporan como
dopantes en una forma de carburo de silicio se establecen en
niveles entre las bandas de valencia y de conducción del carburo de
silicio que están mucho más alejados (esto es, al menos 300 MeV)
tanto de las bandas de conducción, como de valencia que los dopantes
de tipo p o tipo n más convencionales. Tal como se expone en Campo
y Antecedentes, los elementos de captura de nivel profundo comunes
incluyen vanadio y otros metales de transición.
Tal como se usa adicionalmente en el presente
documento, la concentración definida como "por debajo de niveles
detectables" se refiere a elementos que están presentes en
cantidades que no pueden detectarse mediante técnicas analíticas
sofisticadas modernas. En particular, porque una de las técnicas más
comunes para detectar elementos en pequeñas cantidades es la
espectrometría de masas de iones secundarios ("SIMS"), los
límites detectables a los que se hace referencia en el presente
documento son aquellas cantidades de 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,
inferior a aproximadamente 1E14. Estas dos cantidades representan
límites de detección típicos para la mayor parte de los elementos
traza (particularmente vanadio) usando 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 lo elementos más comunes para producir capturas de nivel
profundo ("deep level traps") en carburo de silicio. En
consecuencia, la invención se caracteriza porque el vanadio está
ausente, o si está presente, está presente en cantidades por debajo
de aquéllas que afectarán sustancialmente a la resistividad del
cristal, y preferiblemente por debajo de la cantidad que puede
detectarse mediante SIMS.
A pesar de que son posibles otros politipos
(esto es, estructuras cristalinas), el monocristal de carburo de
silicio según esta realización de la invención preferiblemente tiene
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 preferiblemente
tienen una concentración de átomos de nitrógeno por debajo de
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 inferior. Puesto que la concentración de vanadio se
encuentra por debajo del nivel que afecta a las características
eléctricas del cristal, y es preferiblemente inferior al que puede
detectarse mediante espectrometría de masas de iones secundarios, la
concentración de vanadio es en consecuencia inferior a 1E16 átomos
por centímetro cúbico, y más preferiblemente inferior a 1E14 átomos
por centímetro cúbico. Adicionalmente, el monocristal de carburo de
silicio volumétrico resultante tendrá preferiblemente una
resistividad de al menos 10.000 \Omega-cm a
temperatura ambiente, y lo más preferiblemente una resistividad de
al menos 50.000 \Omega-cm a temperatura
ambiente.
Con el fin de proporcionar sustratos de carburo
de silicio semiaislantes para MESFET de frecuencia elevada, se
prefiere el politipo 4H por su mayor movilidad de electrones
volumétricos. Para otros dispositivos, pueden preferirse los otros
politipos. En consecuencia, una de las realizaciones más preferidas
de la invención es un monocristal volumétrico 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.
En otra realización, la invención comprende un
método para producir un monocristal volumétrico semiaislante de
carburo de silicio. En esta realización, el método comprende
calentar un polvo de partida de carburo de silicio hasta la
sublimación mientras que se calienta y luego mantiene un cristal
germen de carburo de silicio hasta una temperatura por debajo de la
temperatura del polvo de partida, y temperatura a la que se
condensarán la especie sublimada a partir del polvo de partida
sobre el cristal germen. Posteriormente, el método incluye
continuar calentando el polvo de partida de carburo de silicio hasta
que se haya producido una cantidad deseada de crecimiento
volumétrico de monocristal en el cristal germen. El método se
caracteriza porque (1) las cantidades de elementos de captura de
nivel profundo en el polvo de partida (tal como se describió
anteriormente) se encuentran por debajo de las cantidades
relevantes, (2) el polvo de partida contiene 5E16 o menos nitrógeno,
y (3) durante el crecimiento por sublimación, el polvo de partida y
el cristal germen se mantienen a las temperaturas respectivas lo
suficientemente elevadas como para reducir de forma significativa la
cantidad de nitrógeno que de otro modo se incorporaría en el
crecimiento volumétrico en el cristal germen y para aumentar el
número de defectos puntuales (a los que a veces se hace referencia
como defectos puntuales intrínsecos) en el crecimiento volumétrico
en el cristal germen hasta una cantidad que hace que el monocristal
volumétrico de carburo de silicio resultante sea semiaislante.
Preferiblemente y de manera conceptual, al mantener las cantidades
de nitrógeno u otros dopantes lo más bajas posible, también puede
minimizarse el número de defectos puntuales requeridos para hacer
que el cristal sea semiaislante. Actualmente, el número preferido de
defectos puntuales parece encontrarse en el intervalo de
1E15-5E17.
A pesar de que los inventores no desean verse
limitados por ninguna teoría en particular, las capturas profundas
resultantes en el carburo de silicio que lo hacen semiaislante
parecen ser el resultado de lagunas, intersticios u otros defectos
puntuales intrínsecos más que la presencia de vanadio, otros metales
de transición u otros elementos. Con el fin de producir el carburo
de silicio semiaislante según la invención, el polvo de partida que
se usa debe estar libre de vanadio, o si existe vanadio, debe
encontrarse por debajo de niveles detectables. Tal como se indicó
anteriormente, los niveles detectables se caracterizan normalmente
por ser aquellos que pueden medirse usando SIMS. Expuesto de
diferente manera, la cantidad de vanadio en el polvo de partida es
preferiblemente inferior a 1E16 átomos por centímetro cúbico, y lo
más preferiblemente inferior a 1E14 átomos por centímetro
cúbico.
Según la presente invención se ha descubierto
además que puede reducirse la cantidad de nitrógeno en el
monocristal volumétrico resultante, no sólo usando las técnicas de
elevada pureza a las que se hace referencia en la técnica anterior
(que ciertamente son aceptables como parte de la técnica inventiva),
sino también llevando a cabo la sublimación a temperaturas
relativamente superiores, mientras que se mantiene la temperatura
del cristal germen, y cualquier crecimiento volumétrico en el
cristal germen a una temperatura por debajo de la temperatura del
polvo de partida. Una técnica preferida para el crecimiento por
sublimación (diferente de la modificada tal como se describe en el
presente documento) se expone en la patente de los EE.UU. número RE
34.861, cuyos contenidos se incorporan completamente al presente
documento como referencia ("la patente `861").
La sublimación se lleva a cabo en un crisol
apropiado que, tal y como se expone en la patente `861, se forma
normalmente de grafito. El crisol incluye un soporte de gérmenes, y
ambos se colocan en un horno de sublimación. En el método de la
presente invención, el polvo de partida de SiC se selecciona y
purifica las veces necesarias para tener una concentración de
nitrógeno inferior a aproximadamente 1E17 y preferiblemente inferior
a aproximadamente 5E16. Además, el polvo de partida tiene una
concentración de vanadio u otros metales pesados o elementos de
transición, que se encuentra por debajo de la cantidad que afectaría
a las características eléctricas del cristal resultante. Tales
cantidades incluyen aquéllas por debajo de los niveles detectables
mediante SIMS, lo que significa que usando los SIMS disponibles
actualmente, se encuentran al menos por debajo de 1E16 y
preferiblemente por debajo de 1E14 átomos por centímetro cúbico. El
polvo de partida también cumple preferiblemente las otras
características ventajosas expuestas en la patente `861.
Desde un punto de vista práctico, la sublimación
de carburo de silicio puede llevarse a cabo con temperaturas de
partida que oscilan de entre aproximadamente 2.100ºC hasta 2.500ºC
manteniendo la temperatura del cristal germen proporcionalmente
inferior. Para los materiales descritos en el presente documento, la
fuente se mantuvo a entre aproximadamente 2.360 y 2.380ºC con el
germen estando a 300-350ºC menos. Tal como conocen
los familiarizados 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
captura de nivel profundo de elección para intentos anteriores para
producir carburo de silicio semiaislante de tipo compensado, puede
expresarse la invención como el monocristal de SiC volumétrico, y
el método para producirlo, en el que el vanadio se encuentra por
debajo de los niveles detectables y numéricos expuestos
anteriormente. Sin embargo, los familiarizados con el crecimiento de
carburo de silicio y las características del carburo de silicio tal
como se utiliza con fines semiconductores entenderán, no obstante,
que la invención contempla asimismo la ausencia de cualquier otro
elemento que produciría capturas de nivel
profundo.
profundo.
Al evitar el uso de elementos para crear las
capturas de nivel profundo, la invención elimina asimismo la
necesidad de compensar los elementos de captura con otros elementos
y de manera correspondiente reduce las complicaciones que una
compensación de este tipo introduce en el proceso de crecimiento
cristalino.
Las figuras 1 a 17 ilustran varias 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 tomadas en una oblea de sustrato que
se ha hecho 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 sometieron a prueba por el Laboratorio de
Investigación de Fuerzas Aéreas en Dayton, Ohio. La figura 1 traza
la concentración de portadores de carga frente al inverso de la
temperatura (estando la concentración a escala logarítmica) para
una oblea de sustrato semiaislante según la presente invención. La
pendiente de la línea resultante muestra la energía de activación
que es aproximadamente de 1,1 electronvoltios (eV).
La figura 2 muestra que la resistividad aumenta
a medida que la temperatura disminuye de una manera coherente con
las otras propiedades esperadas del material semiaislante según la
presente invención.
La figura 3 representa la movilidad trazada
frente a la temperatura en grados Kelvin. La figura 4 es un gráfico
del logaritmo natural (ln) de la concentración de portadores de
carga trazada frente al inverso de la temperatura (grados Kelvin).
Tal como conocerán los familiarizados con estas mediciones, la
pendiente del logaritmo natural de la concentración de portadores
de carga frente al inverso de la temperatura muestra la energía de
activación. Tal como indica el recuadro en la figura 4, la energía
de activación para esta muestra según la invención es del orden de
1,1 eV, esto es, coherente con los resultados de la figura 1.
Mediante comparación, y como asimismo conocerán los familiarizados
con el carburo de silicio semiaislante, la energía de activación
para el carburo de silicio semiaislante cuando se usa 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 en una muestra de un espesor de 0,045 centímetros y a
lo largo de un intervalo de temperaturas de aproximadamente 569 K a
aproximadamente 1.012 K.
La figura 5 es un gráfico del logaritmo natural
de la resistividad frente al inverso de la temperatura en grados
Kelvin. Estos datos y este gráfico pueden usarse asimismo para
determinar la energía de activación del material de carburo de
silicio semiaislante. El valor de 1,05667 eV determinado a partir de
este gráfico ayudar a confirmar la energía de activación de 1,1 eV
medida anteriormente. Expuesto de diferente manera, la diferencia
entre las energías de activación tal como se miden en las figuras 4
y 5 se encuentra 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 gráficos que las figuras 1 a 5, pero tomados a
partir de una muestra diferente; específicamente un área diferente
de la misma oblea que la medida para las figuras 1 a 5. En
consecuencia se observará que las figuras 6 a 8 son coherentes con
los resultados trazados en las figuras 1 a 3. Más específicamente,
la figura 9, que es otro gráfico del logaritmo natural de la
concentración de portadores de carga frente al inverso de la
temperatura, muestra una energía de activación calculada de 1,00227
eV. De nuevo, esto se encuentra dentro de los límites experimentales
de los 1,1 eV medidos anteriormente.
De manera similar, la figura 10 traza el
logaritmo natural de resistividad frente al inverso de la
temperatura y de manera similar proporciona una energía de
activación de 1,01159, que asimismo se encuentra dentro de los
límites experimentales de 1,1 eV. Las figuras 11 a 13 muestran
resultados a partir de otra parte más de la oblea, pero que se
consideran menos favorables que los resultados observados en las
mediciones anteriores. En particular, el gráfico de la figura 11 no
forma una línea recta de la manera deseada, y los datos son menos
favorables que los resultados anteriores. De manera similar, la
figura 14, que traza el logaritmo natural de resistividad frente al
inverso de la temperatura muestra una energía de activación
calculada de sólo 0,63299, un valor bien alejado de 1,1 eV, a pesar
de lo incierto del experimento.
Las figuras 15, 16 y 17 representan las
espectrometrías 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
semiaislantes. La figura 15 son los espectros 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 de nivel profundo presentes en la invención no resultan a
partir de la presencia de vanadio u otros metales de transición.
La figura 16 se incluye con fines comparativos y
es el espectro de SIMS de una oblea de tipo N de carburo de silicio
que ni es semiaislante ni se produce según la presente invención,
pero en su lugar representa una muestra de carburo de silicio
conductora. Puesto que no existe ninguna razón para incluir vanadio
para sustratos de tipo N, el vanadio está ausente del espectro de
masas.
La figura 17 proporciona una comparación de una
versión previa de carburo de silicio semiaislante que se compensa
con vanadio. El pico de vanadio está presente de manera intensa a
aproximadamente 51 unidades de masa atómica en el espectro. Este
pico de vanadio está ausente de manera notoria en las figuras 15 y
16.
Los familiarizados con estos materiales
entenderán, por supuesto, que a pesar de que la frase "por debajo
de cantidades detectables", es una descripción completamente
apropiada de la invención, estas cantidades también pueden
considerarse como aquellas que se encuentran por debajo de la
cantidad que afecta a las características electrónicas, y
particularmente a la resistividad, del cristal de carburo de
silicio.
En consecuencia, la invención comprende un
monocristal de carburo de silicio semiaislante con dopantes
donadores superficiales, dopantes aceptores superficiales, y
defectos puntuales intrínsecos. En este aspecto de la invención, el
numero de dopantes donadores superficiales (N_{d}) en el cristal
de carburo de silicio es superior al número de dopantes aceptores
superficiales (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. Adicionalmente a este aspecto,
la concentración de elementos seleccionados del grupo que consiste
en elementos de transición y metales pesados es inferior a la
concentración que afectaría a las propiedades eléctricas del
monocristal de carburo de silicio. El monocristal de carburo de
silicio resultante tiene una resistividad de al menos 5.000
\Omega-cm a temperatura ambiente.
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 un
caso de este tipo, el número de defectos puntuales intrínsecos que
actúan como donadores es superior a la diferencia numérica entre el
número de las impurezas donadoras superficiales y las impurezas
aceptoras superficiales.
Expuesto de manera diferente, los dopantes de
tipo n y tipo p superficiales se compensan entre sí predominando el
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 dopantes de tipo n o de tipo p que
predominan sobre el otro en el cristal. Expuesto como fórmula,
N_{dl} >
(N_{d} -
N_{a})
en la que los donadores predominan
sobre los aceptores,
o
N_{dl} >
(N_{a} -
N_{d})
en la que los aceptores predominan
sobre los donadores. En el primer caso, el cristal sería de tipo n
compensado en base a átomos dopantes. Estos donadores netos vuelven
a compensarse, sin embargo, mediante defectos puntuales de tipo
aceptor para producir el cristal semiaislante. En el segundo caso,
los defectos puntuales actúan como tipo donador y compensan el
exceso neto de aceptores en el
cristal.
Tal como se usa en el presente documento, el
término "dopante" se usa en un sentido amplio; esto es, para
describir un átomo diferente de silicio (Si) o carbono (C) presente
en la red cristalina y que proporciona tanto un electrón extra (un
donador) o una cavidad extra (un aceptor). En la invención, los
dopantes pueden estar presentes bien de manera pasiva o proactiva;
esto es, el término "dopante" no implica ni una etapa
"dopante" ni la ausencia de una.
Se espera que el número de defectos puntuales
pueda controlarse en alguna medida mediante la irradiación de
carburo de silicio con neutrones, electrones de elevada energía, o
rayos gamma para crear el número deseado de defectos puntuales para
conseguir los resultados coherentes con las fórmulas expuestas
anteriormente.
A pesar de que es difícil medir un número exacto
de defectos puntuales, las técnicas tales como la resonancia
paramagnética electrónica (EPR), la espectroscopia de transitorios
de niveles profundos (DLTS) y la espectroscopia de aniquilación de
posición muestran las mejores indicaciones disponibles de los
números presentes. Tal como se expone adicionalmente en el presente
documento, las mediciones del efecto Hall también confirman las
características deseadas del cristal.
En otro aspecto, la invención puede incorporarse
en dispositivos activos, particularmente dispositivos de microondas
activos, que se aprovechan del sustrato de carburo de silicio
semiaislante. Tal como se indicó anteriormente y tal como
reconocerán los familiarizados con dispositivos de microondas
semiconductores activos, la frecuencia con la que un dispositivo de
microondas puede funcionar puede verse significativamente
dificultada por cualquier interacción de portadores con el
sustrato, oponiéndose 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. Estos incluyen pero no se limitan a MESFET, ciertos
MOSFET, y otros dispositivos tales como los descritos en las
patentes vigentes de los EE.UU. y las solicitudes de patente
pendientes números 5.270.554; 5.686.737; 5.719.409; 5.831.288; el
número de serie 08/891.221, con fecha del
10-7-97; y el número de serie
09/082.554, con fecha del 21-5-98,
ambos para "Latch-up Free Power UMOS Bipolar
Transistor"; el número de serie 08/797.536 con fecha de
7-2-97 para "Structure for
Increasing the Maximum Voltage of Silicon Carbide Power
Transistors"; el número de serie 08/795.135, con fecha de
7-2-97 para "Structure to Reduce
the On-resistance of Power Transistors"; y la
solicitud internacional número PCT/US98/13003, con fecha de
23-6-98 (que designa a los Estados
Unidos), para "Power Devices in Wide Bandgap Semiconductors";
los contenidos completos de todos ellos se incorporan en el presente
documento como referencia.
Se sometieron a examen dos obleas de SiC
semiaislante en el Laboratorio de Investigación de las Fuerzas
Aéreas en Dayton, Ohio (Base de las Fuerzas Aéreas de
Wright-Patterson), con efecto Hall de elevada
temperatura y SIMS. No se dispuso de resultados comprensibles de
una de las obleas (posiblemente debido a contactos óhmicos no
satisfactorios), pero dos muestras de Hall de la segunda oblea
dieron ambas los mismos resultados, confiriendo un nivel de
confianza razonable en esos resultados.
Ambas obleas fueron aislantes a temperatura
ambiente. La oblea medible se activó térmicamente a temperaturas
elevadas y la concentración de portadores de carga fue medible, lo
cual no siempre es posible en el material semiaislante debido a las
bajas movilidades debido a las elevadas temperaturas implicadas. La
concentración de portadores de carga fue de aproximadamente
10^{15} cm^{-3} a 1.000 K cuando la resistividad era de
aproximadamente 103 \Omega-cm. Una concentración
de portadores de carga tal es aproximadamente de una 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 podría llevarse a cabo un ajuste de la n frente a la
curva 1/T, de manera que la concentración total para la capa activa
permaneció no disponible. La energía de activación fue de
aproximadamente 1,1 eV.
La SIMS se llevó a cabo en la muestra con un
sistema de alta resolución. No se observó nada aparte de algo de
cobre próximo al límite de detección junto con algo de hidrógeno, lo
cual se supuso a partir de la altura del pico 47 de masa. El pico
47 de masa se atribuyó por consiguiente a SiOH. La exploración de
masa para la invención junto con las exploraciones para dos
muestras comparativas se incluyen en el presente documento como las
figuras 18-20, respectivamente. El titanio (Ti) es
evidente a aproximadamente 1 x 10^{16} cm^{-3} en las figuras
19 y 20, pero no en la muestra de la invención (figura 18). El
vanadio también aparece en la muestra semiaislante convencional
(figura 20) junto con la línea de SiOH que indica hidrógeno.
A partir de estos resultados, se consideró que
la primera oblea era un material de pureza muy elevada y se
considera aislante porque no existe ninguna impureza de vanadio
residual, junto con lo que otro defecto completa 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 fija en el nivel profundo,
haciendo por tanto el material semiaislante. La presencia de
hidrógeno, si existiera, podría significar que está teniendo lugar
la compensación de hidrógeno, pero no cabría esperar que eso
compensara o neutralizara selectivamente las impurezas
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 usado únicamente en un sentido
genérico y descriptivo y no con fines de limitación, exponiéndose
el alcance de la invención en las siguientes reivindicaciones.
Claims (23)
1. Monocristal volumétrico semiaislante de
carburo de silicio que tiene una resistividad de al menos 5.000
\Omega-cm a temperatura ambiente, una
concentración de elementos de captura de nivel profundo que se
encuentra por debajo de la cantidad que afecta a las
características eléctricas del cristal, y una concentración de
átomos de nitrógeno que se encuentra por debajo de 1 x 10^{17}
cm^{-3}.
2. Monocristal de carburo de silicio
semiaislante que comprende:
dopantes donadores superficiales, dopantes
aceptores superficiales, y defectos puntuales intrínsecos en dicho
monocristal de carburo de silicio;
en el que el número de dopantes superficiales de
un primer tipo de conductividad es superior al número de dopantes
superficiales de un segundo tipo de conductividad; y
el número de defectos puntuales intrínsecos en
dicho cristal de carburo de silicio que actúan para compensar el
dopante de primer tipo predominante es superior a la diferencia
numérica por la cual dicho primer tipo de dopante superficial
predomina sobre dicho segundo tipo de dopantes superficiales; y
la concentración de elementos de transición y
metales pesados se encuentra por debajo de la concentración que
afectaría a las propiedades eléctricas del monocristal de carburo de
silicio;
teniendo dicho monocristal de carburo de silicio
una concentración de átomos de nitrógeno por debajo de 1 x
10^{17} cm^{-3} y una resistividad de al menos 5.000
ohmios-cm a temperatura ambiente.
3. Cristal de carburo de silicio semiaislante
según la reivindicación 2, en el que dichos dopantes de primer tipo
son donadores, dichos dopantes de segundo tipo son aceptores y
dichos defectos puntuales intrínsecos actúan como aceptores.
4. Cristal de carburo de silicio semiaislante
según la reivindicación 2, en el que dichos dopantes de primer tipo
son aceptores, dichos dopantes de segundo tipo son donadores y
dichos defectos puntuales intrínsecos actúan como donadores.
5. 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.
6. Monocristal de carburo de silicio según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la
concentración de nitrógeno es 5 x 10^{16} cm^{-3} o
inferior.
7. 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}.
8. Monocristal de carburo de silicio según la
reivindicación 7, en el que la concentración de vanadio es inferior
a 1 x 10^{14} cm^{-3}.
9. Monocristal de carburo de silicio según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores 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. Monocristal de carburo de silicio
semiaislante según cualquier reivindicación anterior en el que la
concentración de defectos puntuales no supera los 5 x 10^{17}
cm^{-3}.
12. Monocristal de carburo de silicio
semiaislante según la reivindicación 11 que tiene una concentración
de defectos puntuales superior a la concentración de nitrógeno.
13. Transistor que tiene un sustrato que
comprende el monocristal volumétrico según cualquier reivindicación
anterior.
14. Transistor según la reivindicación 13 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 de electrones.
15. Método para producir un sustrato de
monocristal de carburo de silicio de elevada resistividad que
comprende:
irradiar un monocristal de carburo de silicio,
en el que la concentración de elementos de captura de nivel
profundo se encuentra por debajo de 1 x 10^{16} cm^{-3} y la
concentración de nitrógeno se encuentra por debajo de 1 x 10^{17}
cm^{-3,} con una fuente de irradiación seleccionada de neutrones,
electrones, y radiación gamma, y hasta que el número de defectos
puntuales compensadores en el cristal es superior a la cantidad
neta de átomos dopantes de un tipo de conductividad que predomina
sobre los átomos dopantes del otro tipo de conductividad en el
cristal.
16. Método según la reivindicación 15 que
comprende irradiar un monocristal de carburo de silicio en el que
el politipo del carburo de silicio se selecciona de los politipos
3C, 4H, 6H y 15R.
17. Método según la reivindicación 15 o la
reivindicación 16 que comprende irradiar un monocristal de carburo
de silicio que tiene una concentración de átomos de nitrógeno por
debajo de 1 x 10^{17}cm^{-3}.
18. Método según la reivindicación 17 que
comprende irradiar un monocristal de carburo de silicio según la
reivindicación 1 en el que la concentración de nitrógeno es 5 x
10^{16} cm^{-3} o inferior.
19. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 15 a 18 que comprende irradiar un monocristal de
carburo de silicio en el que la concentración de vanadio es inferior
a 1 x 10^{14} cm^{-3}.
20. Método para producir un monocristal
volumétrico semiaislante de carburo de silicio, comprendiendo el
método:
calentar un polvo de partida de carburo de
silicio, en el que las cantidades de elementos de captura de nivel
profundo en el polvo de partida se encuentran por debajo de 1 x
10^{16} cm^{-3} hasta la sublimación mientras
se calienta y luego se mantiene un cristal
germen de carburo de silicio hasta una temperatura por debajo de la
temperatura del polvo de partida, temperatura a la cual la especie
sublimada a partir del polvo de partida se condensará sobre el
cristal germen; y
continuar el calentamiento del polvo de partida
de carburo de silicio hasta que se haya producido una cantidad
deseada de crecimiento volumétrico de monocristal sobre el cristal
germen; y mientras
se mantiene el polvo de partida y el cristal
germen durante el crecimiento por sublimación a temperaturas
respectivas lo suficientemente altas como para reducir la cantidad
de nitrógeno que de otro modo se incorporaría en el crecimiento
volumétrico sobre el cristal germen hasta una concentración por
debajo de 1 x 10^{17} cm^{-3} y para aumentar el número de
defectos puntuales en el crecimiento volumétrico hasta una cantidad
que hace que el monocristal volumétrico de carburo de silicio
resultante sea semiaislante.
21. Método según la reivindicación 20, en el que
la cantidad de vanadio en el polvo de partida es inferior a 1 x
10^{16} cm^{-3}.
22. Método según la reivindicación 21, en el que
la cantidad de vanadio en el polvo de partida es inferior a 1 x
10^{14} cm^{-3}.
23. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 25 a 28, en el que la concentración de metales de
transición en el polvo de partida es inferior a 1 x 10^{14}
cm^{-3}.
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