RU1819922C - Полупроводниковый материал - Google Patents

Abstract

Использование: твердотельна  электроника . Полупроводниковый материал на основе эпитаксиальных слоев твердого раствора имеет состав: (SiC)t-x(ZrC)x, где О X 1. Материал получают путем непосредственного высокотемпературного контакта кристаллических пластин SIC и 2гС. Материал может работать в химически агрессивных средах. Достигнуто уменьшение ширины запрещенной зоны. Возможно управл емое изменение электрофизических и оптических свойств. 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к области твердотельной электроники, а конкретнее к технологии получени  монокристаллических твердых растворов на основе карбида кремни . На основе этих твердых растворов создаютс  твердотельные приборы и устройства, а именно светодиоды и инжек- ционные лазеры с большой эффективностью , фотоприемники и т.д. Немаловажным фактом  вл етс  и то, что они наследуют от карбида кремни  р д ценных свойств, таких как радиационна  и химическа  стойкость, наличие более 140 политипов, сохранение полупроводниковых свойств вплоть до температуры 1000 К, твердость, термостойкость и др.

До насто щего времени было известно получение псевдобинарных твердых растворов на основе SiC. Эти твердые растворы были получены во всем диапазоне изменени  состава (0 X 1). Причем,в них изменение состава в диапазоне (0,1 ,9) приводит к.увеличению ширины запрещенной зоны от 3,0 до 4,8 эВ, а при ХН3.75 твердый раствор становитс  пр мозон- ным. Параметры решетки (а и с) в системе (SiC)i-x(AIN)x в зависимости от состава (CAIN 0-100 ат. %), измен лись соответственно от 0,3076-0,3114 нм и от 0,5048- 0,4986 нм. Из приведенных характеристик твердых растворов (SiC)i-x(AIN)x видно, что они обладают шириной запрещенной зоны большей, чем у карбида кремни . Однако представл ет большой интерес получение твердых растворов с шириной запрещенной зоны меньшей, чем у карбида кремни .

Целью изобретени   вл етс  уменьшение ширины запрещенной зоны.

Это достигаетс  путем получени  тонких слоев непрерывного гомовалентного твердого раствора (SiC)i-x(ZrC)x во всем диапазоне изменени  составов (0 х 1) при непосредственном высокотемпературном контакте монокристаллических пластинок (кристаллов) карбида кремни  и карбида циркони . В качестве пластинок (кристал (Л

00

ч ю

ю ю

лов) карбида кремни  использовались монокристаллы политипа 6Н, травленные в расплаве КОН. Монокристаллы ZrC предварительно подвергали резке, шлифованию и травлению в Н F. Затем они прикладывались друг к другу и подвергались гор чему прессованию в засыпке порошка дисперсностью 5 мкм.

Процесс проводили при температурах 1700-2200°С и давлении 20-40 МПа в сре- дах N2 и С02.

Пример 1. Получение гомовалентного твердого раствора (SIC)i-x(ZrC)x осуществл ли путем непосредственного высокотемпературного контакта Друг с другом монокристаллических кристаллов карбида кремни  и карбида циркони . Размеры кристаллов карбида кремни  и карбида циркони  по диаметру составл ли около 5-6 мм, по толщине 0,5 и 1 мм соответственно. Кри- сталлы карбида кремни  политипа 6Н предварительно травили в расплаве КОН, а кристалл карбида циркони  после резки и шлифовки травили в HF. Затем кристаллы SIC и ZrC прикладывали друг к другу и под- вергали гор чему прессованию в засыпке порошка карбида кремни  дисперсностью 5 мкм. Процесс проводили в течение 30 мин при температуре 2200°С при давлении 40 МПа в среде СОг. Ширина получен- ного сло  гомовалентного твердого раствора ()i-x(ZrC)x составила 13 мкм. Пример 2. Как в примере 1, кристаллы карбида кремни  и карбида циркони  были тех размеров и подвергались такой же обра- ботке. Но в отличие от предыдущего случа , процесс проводили при температуре 1900°С.давлении 30 МПа в среде N2 в течение 60 мин. Ширина полученного сло  гомовалентного твердого раствора (SiC)i-x(ZrC)x составила 10 мкм...

Пример 3. В этом случае кристаллы карбида кремни  и карбида циркони , обработанные так же, как и в примерах 1 и 2, прикладывали друг к другу и подвергали гор - чему прессованию в засыпке порошка дисперсностью 5 мкм. Процесс проводили при температуре 1700°С, давлении 20 МПа в среде N2 в течение 60 мин. Ширина сло  гомовалентного твердого раствора (SiC)i-x(ZrC)x составила 5-7 мкм. Во всех трех случа х получались гомовалентные твердые растворы (SiC)i-x(ZrC)x во всем диапазоне изменени  состава (). Исследовани  концентрационного распределени  Zr и SI проводились на Оже-микроанализаторе ДЖАМП и SUPERBROB 733.

На фиг. 1 дана обычна  электронна  микрофотографи . Области с элементами различной т жести отличаютс . Более т желые элементы светлее. На фиг. 2 изображены концентрационные профили циркони  и кремни , где отчетливо видно, что Zr про- диффундировал на большую глубину в кристалл SiC, чем SI в ZrC.

При анализе профил  распределени  Zr в SiC и Si в ZrC использовали модель диффузии из посто нного источника, согласно которой:

N(x, t) No erfc тг-тр-,

где erfcz 1 erfz- дополнительна  функци  ошибок;

erfz -j- exp(-y2)dy - функци  ошибок

Гаусса.

При рассмотрении концентрационных профилей (фиг. 2) видно, что при уменьшении концентрации SI непрерывно увеличиваетс  концентраци  Zr и наоборот, что свидетельствуете замещении атомов SI атомами Zr. Подверждением существовани  непрерывного р да твердых растворов SIC- ZrC  вились исследовани  кра  собственного поглощени  и люминесценци  тонких слоев SiC-ZrC. Спектры фотолюминесценции были получены при 300 К.

На фиг. 3 представлены спектры фотолюминесценции . Наблюдаемый сдвиг максимума в длинноволновую область с увеличением содержани  ZrC подтверждает существование непрерывного р да твердых растворов (SiC)i-x(ZrC)x, т.к. в SIC подобного сдвига в красную и ИК-области не наблюдаетс .

Смещение спектров люминесценции в длинноволновую область указывает на то, что получен варизонный материал, ширина запрещенной зоны которого непрерывно уменьшилась с увеличением X.

Это подтверждают и результаты рентге- ноструктурного анализа монокристаллических зерен, вырезанных из керамики SiC-ZrC различного состава, которые  вл ютс  пр мым доказательством получени  твердого раствора. Что же касаетс  толщины слоев полученного твердого .раствора, то они получались до 13 мкм на монокристалле SiC. Такие толщины  вл ютс  достаточными дл  создани  на их основе фото- и оптически активных структур и гетеропереходов , т.к. при Планерной технологии используютс  слои 0.5-5 мкм.

Таким образом, данные по Оже-спект- роскопии, люминесценции и рентгенострук- турного анализа позвол ют утверждать, что в системе SIC-ZrC образуетс  непрерывный р д твердых растворов.

Что касаетс  конкретного назначени  этого материала, то это может быть и изготовление на его основе светодиодов красной и ИК-област х спектра, способных работать в химически агрессивных и высокотемпературных средах; В таки,х экстремальных услови х приборы на основе АгВб, АзВб, В4Вб и их твердые растворы либо вообще не работают, либо работают непродолжительное врем . Но этим естественно не ограничиваетс  область применени  предлагаемого материала. Ввиду наличи  у него многих полезных свойств карбида кремни , он может быть использован во всех област х, в которых уже успешно работают материалы на основе SIC, Это и изготовление мощных выпр мительных диодов, высокотемпературных тензод атчиков, счетчиков высокой энергии и т.д.

Таким образом, изобретение имеет следующие преимущества:

0

получение непрерывного р да гомова- лентных твердых растворов (SlC)i-x(ZrC)x во всем диапазоне изменени  составов;

высока  степень чистоты и совершенст - во полученных тонких слоев гомовалентно- го твердого раствора (SlC)i-x(ZrC)x:

управл емое изменение электрофизических и оптических свойств за счет изменени  состава.

Формула, изобретени 

Полупроводниковый материал на основе эпйтаксиальных слоев твердого раствора , содержащего карбид кремни  и второе бинарное соединение, отличающий- с   тем, что, с целью уменьшени  ширины запрещенной зоны, в качестве второго соединени  материал содержит карбид циркони  и имеет состав формулы (SIC)i-x (ZrC)x, где 0 х 1. .

Фм. 1

Фи г

и,а- и,к

Ь

Ј

0Л

К4

; 2,г