SE520968C2 - Högresistiv monokristallin kiselkarbid och metod för dess framställning - Google Patents

Description

25 30 35 520 inte påverkar de elektriska egenskaperna hos kiselkarbidkristallen. Som exempel, anger ”680 en koncentration på 5x 1016 cmß för det grunda kvävedopämnet och en koncentration under 1014 cm'3” eller under den analytiska detekteringsgränsen vid mätningar, för över- gångsmetallen vanadin.

Det är nu väl fastställt att framställning av en semi-isolerande kiselkarbidkristall genom dopning med vanadin i vissa praktiska situationer kan leda till skadliga sidoeffekter, såsom försämring av kristallkvalitén och lägre processavkastning. Som exempel, om koncentra- tionen av vanadin införlivad i kristallen är för hög och överskrider löslighetsgränsen för vanadini sic (s-sxio” cmß), ( se Jenny 1.11., m. fl., Appi. Phys. Lea 6804), sid. 1963 (1996)), skapas ytterligare defekter med mikropipor och vanadinrika utfållningar (se Balakrishna V., m. fl., Mat. Res. Soc. Symp. 572, sid. 245 (1999) och Bickermann M., m. fl., J. Cryst. Growth 233, sid. 211 (2001)).

Komplikationerna kopplade till en hög dopningskoncentration av övergångsmetaller, så- som vanadin, har lösts i patentet °680, vilket introducerar användningen av punktdefekter eller ”intrinsiska (eng. intrinsic) defekter” som djupa nivåer, för att kompensera de fria laddningsbärama införda i kristallen genom de grunda donatorema eller acceptorerna.

Det finns ett antal naturliga punktdefekter, såsom vakanser, antilägen och interstitialer (av eng. interstitial), som kan vara förekommande i kristallen. I den sammansatta halvledaren av kiselkarbid kan både en kisel-vakans (Vsi), frånvaron av en Si-atom på en Si-plats i det perfekta kristallgittret, och på liknande sätt en kol-vakans (VC) förekomma. Två defekter genom antilägen (begreppet antiläge används i denna beskrivning om det engelska ut- trycket antisite) , kisel-antiläget (Sig) resulterande från en inkorporering av en Si-atom på en C-plats i kristallgittret och kol-antiläget (Cgi) är möjliga. På liknande sätt kan två inter- stitialer, IS, och IC, bli ett resultat av felplacering av antingen en kisel- eller en kolatom från en gitterplats till en position emellan två eller fler perfekta gitterplatser. Par, sammansätt- ningar och kondensat av dessa intrinsiska defekter kan också uppkomma. Det är emellertid för närvarande i praktiken inte klart, genom vilken metod bildandet av en specifik typ av intrinsiska defekter kan antingen framhävas eller undertryckas under sj älva kristallodlings- processen.

Likväl kan vissa intrinsiska defekter vara icke-stabila och om de används i ett semi-isole- rande kiselkarbidsubstrat kan inte resistiviteten hos substratet vara under god kontroll under vissa omständigheter. Det har till exempel rapporterats att kisel-vakansen kan värmas ut, när kiselkristallen är utsatt tör en tillräckligt lång högtemperaturbehandling. 10 15 20 25 30 35 520 3968 I Schottky-fälteffekttransistorer med styre (MESFETzar) framställda på ett semi-isolerande kiselkarbidsubstrat berett från kristaller odlade med en annan sammansättning än den före- dragna utföringsformen av den framlagda uppfinningen har det observerats att infång- ningar närvarande i dessa substrat kan orsaka en störtning hos MESFET:ens kollektor- emitter-ström. Denna strömstörtning är till exempel märkbar efter anbringande av en hög kollektor-emitter-spänning och kan motverkas antingen genom att värme eller ljus förs till komponenten, så att de infångade fria bärama släpps loss (Fig. l3a). Denna effekt försäm- rar komponentens egenskaper, eftersom komponenten är instabil och har en lägre effekt- hanteringskapacitet än vad den är beräknad for. Kollektorströmstörtning har också påträf- fats i GaN-MESFETar och AlGaN/GaN-HEMT:ar och icke-önskade stationär- och tran- sientfenomen har mer omfattande studerats i GaAs RF-komponenter. I synnerhet har infångningar närvarande i semi-isolerande GaAs-substrat, såsom antiläget genom EL2 djupa donatom eller Cr djupa acceptom, visats påverka egenskaperna hos sammansatta komponenter. Ändamålet med och sammanfattning av uppfmningen Ändamålet med uppfinningen är att tillhandahålla ett högresistivt kiselkarbidsubstrat med elektriska egenskaper och strukturell kvalitet lämpad för efterföljande tillverkning av komponenter, som till exempel högfrekvenskomponenter, så att komponentema uppvisar stabila och linjära egenskaper och att tillhandahålla en metod för att producera ett kisel- karbidsubstrat med dessa nänmda egenskaper.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla ett högresistivt kiselkarbidsub- strat som har en låg täthet av strukturella defekter och en väsentligen kontrollerad, likfor- mig radiell fördelning av dess resistivitet.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla ett kiselkarbidsubstrat med en resistivitet, som inte underskrider 105 Q-cm vid rumstemperatur efter flera olika pro- cessteg inbegripande upphettning av substratet vid en hög temperatur, såsom en temperatur av 1500 till 1700°C som brukligt under epitaxiell odling av kiselkarbid.

Det är ytterligare ett ändamål med uppfinningen att tillhandahålla en metod för att repro- ducerbart styra resistiviteten hos substratet, genom att styra den typ av elektriskt aktiva intrinsiska defekter som införs i kristallen under odlingsprocessen.

Dessa ändamål kan förverkligas medelst en högresistiv kiselkarbidkristall som innehåller en lämplig kombination av djupa nivåer av intrinsisk natur och av yttre natur. Kombina- tionen av intrinsiska defekter, som vakanser och antilägen, och av yttre defekter, som dopämnen, avpassas så att det elektriska uppträdandet (antingen acceptor eller donator) 10 15 20 25 30 35 520 4968 hos de yttre defekterna är motsatta de (donator respektive acceptor) önskade intrinsiska defektema för att styra läget för halvledarens Ferrni-nivå.

För att tillhandahålla ett högresistivt kiselkarbidsubstrat hålls koncentrationen av kväve- donatorer företrädesvis lägre än 1016 cm'3 och kristallen dopad med en djup acceptor såsom titan vid en koncentration företrädesvis under 5><1015 cmß, så att kisel-antilägena eller kol- vakansema införs i kristallen och kompenserar för de djupa och grunda acceptorema.

Kort beskrivning av ritningarna Figur 1 illustrerar energibandmodellema för 3 typer av kompensationsmekanismer som kan användas för att göra en halvledarkristall semi-isolerande: (a) kompensation medelst enbart djupa acceptorer, (b) medelst enbart donatorer och (c) medelst en kombination av djupa donatorer och acceptorer.

Figur 2: EPR-spektrum, mätt vid 77 °K vid X-bandsfrekvensen för en 4H-SiC kristall vid rumstemperatur p > 106 Q-cm, som identifierar närvaron av två intrinsiska defekter i det positiva laddningstillståndet: kol-vakansen (V5 ) också kallat E15-centrum och kisel- antiläget (Sig ), också kallat Eló-centrum.

Figur 3: EPR-spektrum mätt vid 77 °K vid X-bandsfrekvensen för en bestrålad p-typ 4H- SiC kristall med en högre koncentration av kol-vakansen (Vg ) och kisel-antiläges- (Sig) defekterna.

Figur 4: Variation av intensiteten (foto-EPR) för kol-vakansen med stigande excitations- fotonenergi. Dessa mätningar utfördes vid W-bandsfrekvensen (~95 GHz), vid vilken V5 - och Sig -signalema är väl åtskilda.

Figur 5: Variation av intensiteten (foto-EPR) för kisel-antiläget med stigande excitations- fotonenergi. Dessa mätningar utfördes också vid W-bandsfrekvensen (~95 GHz).

Figur 6: Energibandsmodell för den semi-isolerande kristallen med sammansättning enligt det föredragna utförandet av uppfinningen.

Figur 7: Atomkoncentrationema för ett antal ämnen mätta medelst sekundär jon-masspekt- rometri (SIMS) på en kristall beredd enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 5 520 968 Figur 8: Resistivitetens temperaturberoende mätt på ett polerat 4H-SiC substrat innehål- lande djupa acceptorer av titan och kol-vakanserna och antilägen genom djupa donatorer av kisel.

Figur 9: Resistivitetens beroende av koncentrationen enligt SIMS för Ti och B i olika kristaller innehållande defekter genom kol-vakanser/kisel-antilägen. Resistiviteten är mätt vid 300°C.

Figur 10: EPR-spektrum mätt vid 77°K vid W-bands frekvensen för en 4H-SiC kristall med en rumstemperatur p >106 Q-cm, vilket identifierar närvaron av intrinsiska defekter i form av kisel-vakanser i det negativa laddningstillståndet (VSj ).

Figur 1 1: Atomkoncentrationer för flera ämnen mätta med SIMS på en kristall med en medelkoncentration av Ti på ~1.5><10M cm'3.

Figur 12: Temperaturens beroende av resistiviteten mätt på ett 4H-SiC substrat (polerat och sedan upphettat vid 1600 °C) innehållande djupa kisel-vakans acceptom med en låg koncentration av djupa acceptorer av titan.

Figur 13: DC I-V karakteristika under 40V VDS påkänning med och utan belysning fór MESFET:ar på (a) ett 4H-SiC substrat enligt känd teknik och (b) på ett substrat enligt uppfinningen.

Figur 14: modell av kompensationsmekanismen för det föredragna utförandet av uppfin- ningen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Närvaron av infångningsrelaterade kollektorström-störtningar i kisel MESFET:ar och den högre täthet som ofta påträffas i vanadin-dopade substrat motiverar utvecklingen av hög- resistiva substrat med en kontrollerad sammansättning som minimerar koncentrationen av skadliga infångningar.

Detta kräver kristallodlingsprocesser som utnyttjar en ren odlingsmiljö. I teknik för hög- temperaturdeposition genom kemisk förångning (High Temperature Chemical Vapour Deposition, HTCVD), där källmaterialet är på-plats-syntetiserat ur renade källgaser (eng. precursor gas), kan gasfassammansättningen styras att antingen sänka införlivandet av icke-önskvärda störämnen eller, som det kommer att visas, att främja införlivandet av specifika yttre och intrinsiska defekter. Samtidigt måste sammansättningen av kristallen 10 15 20 25 30 35 6 5 2 0 9 6 8 styras för att förse den med de nödvändiga mekanismerna för att upprätthålla dess resisti- vitet vid ett värde, som är användbart vid tillämpningar i mikrovågskomponenter.

Basmetoden för att odla en högresistiv kristall som är tillämplig för kiselkarbid och andra halvledare av teknisk betydelse, såsom galliumarsenid, är skisserade i det följ ande. Det illustreras först i den kända tekniken enligt patentet US 5 611 955.

I denna beskrivning används termen donator- och acceptornivå, såsom de vanligen är definierade i halvledarfysik. En donator D-nivå har ett neutralt laddningstillstånd D°, om den är fylld med en elektron och ett positivt laddningstillstånd D+, om den är joniserad. En grund donator SD, avsiktligt införd eller ej i halvledaren, avger vid rumstemperatur en av- sevärd mängd fria bärare (elektroner) till ledningsbandet enligt: SD” -> SD* + e Omvänt, en grund acceptor SA har ett neutralt laddningstillstånd SA°, om den är fylld och ett negativt laddningstillstånd SA", om den är joniserad och skapar fria bärare, hål, i valensbandet enligt: SA” -> SA" + h Sådana grunda nivåer kan införas i kiselkarbid genom, utan att vara begränsat till, kväve- donatom och aluminium- eller boracceptorema.

Djupa nivåer i halvledare beskriver vanligen nivåer längre bort från banden och är däri- genom i stånd till att endast skapa ett fåtal lägre antal fria bärare. I stället kan de, beroende på deras laddningstillstånd, fånga in båda typerna av fria bärare. Som exempel kan en neu- tral dj up nivå DD fånga in hål eller emittera elektroner enligt: DD°+h->DD+ DD°-+DD*+e Omvänt, en dj up acceptor, vare sig den är neutral eller negativt laddad, uppträder som en och verksam fälla för fria elektroner eller en liten källa för fria hål: DA°+e->DA_ and DA”->DA"+h Av tekniska skäl är det i praktiken svårt att fullständigt förhindra att en grund nivå i viss mån införs under kristallodlingsprocessen. Det är välkänt för fackmännen inom teknologin för odling av kiselkarbid, att kväve är ett störämne som är svårt att eliminera ur odlingsmil- jön. Även i de renaste odlingsteknikema som för närvarande är kända, såsom kemisk ång- deposition (CVD), har kvävekoncentrationer nära eller över 1013 cmß fram till idag varit oundvikliga. I kristallodlingsprocesser där processtemperaturer över 2000°C används för att uppnå ekonomiskt intressanta tillväxthastigheter blir avgasningen av kväve från fasta delar som är utsatta för de höga temperaturema ännu effektivare än vid temperaturema nyttjade i CVD (typiskt runt l500-1650°C). Som exempel, även i halogenrenad grafit, 10 15 20 25 30 35 7 5 2 0 9 6 8 vilket är ett av de material som vanligen används vid kiselkarbidodling, kan kväve vara närvarande i koncentrationer upp till ungefårligen 1018 cmi3. I metoden för fysisk ång- transport (PVT) eller sublimeringsmetoden använd för kiselkarbidodling, är det fasta käll- materialet av kiselkarbid också en kvävekälla. Även i vissa CVD-odlade kiselkarbidpulver har kväve rapporterats vara närvarande i en koncentration av 10” cm'3 .

Som illustrerat i figur l har djupa nivåer, såsom vanadin, använts för att kompensera för de dominerande grunda nivåerna. Som exempel, elektronema skapade av det grunda kvävet (pil (1) i figur 1) kompenseras av ett överskott (avsiktligt eller ej) av grunda acceptorer, så att alla elektroner rekombinerar med hålen införda av acceptorema. Om acceptorerna har en grund karaktär, såsom aluminium, är resistiviteten hos kristallen låg och regleras av koncentrationen av hål h :NSA "NSD =iAll-lNl av relationen p = 1 / (oc-h-e-u), där oc är en termisk aktiveringskoefficient som avspeglar energiläget hos de grunda acceptorema och u mobiliteten hos hålen. För att göra kristallen semi-isolerande behöver en djup donatomivå, såsom vanadinnivån (D°/D+ = V4+/V5+), in- föras till en tillräcklig koncentration för att överkompensera alla de fiia hålen (3). För att erhålla en hög resistivitet av tekniskt intresse väljs koncentrationen djupa donatorer att uppfylla: NDD >NSA *NSD >0 så att Ferminivån binds vid djupa donatomivån: den joniserade koncentrationen av dona- torer ( N DD + = N SA_ - N SD +) uppträder som elektroninfångare och den kvarvarande neutrala donatorkoncentrationen( N D Do = N D D - N DD + > 0) som hålinfångare.

Denna metod kan summeras i tre regler enligt följande: 1) kristallen skall vara så ren som möjligt, så att koncentrationen av resterande grunda donatorer eller grunda acceptorer skall vara så låg som möjligt. 2) djupa nivåema behöver vara närvarande i kristallen för att fånga in de fria laddnings- bärama som härrör från de dominerande grunda dopämnena. De djupa nivåerna skall verka som antingen acceptorer, om de fria laddningsbärarna är elektroner (N 5D > NSA), eller som donatorer om de fria bärama är hål (N 5 A > NSD). 3) för att erhålla en homogent högresístiv kristall, skall tätheten för de aktiva djupa nivå- erna överskrida den resterande dopningen bestämd av de grunda nivåerna överallt i kristallen.

Fastän det inte är önskvärt bestäms behovet av införande av vanadin med högre koncen- tration än vad som kan vara optimalt för kristallkvalitén och processutbytet av dessa regler. 10 15 20 25 30 35 8 5 2 0 9 6 8 Såsom läget är i känd teknik är den kvarstående dopningen hos en ren kristall, odlad genom PVT-teknik, vanligen av n-typ med kvävekoncentration i området 5><10l6 till 1017 cm'3. Dessa gmnda donatorer kan kompenseras medelst aluminium med [Al] > [N]. Hålen är i sin tur överkompenserade medelst djupa donatornivåer införda genom vanadindopning med [V] > [Al] - [N].

När endast intrinsiska defekter används, måste dessas koncentration överskrida nettodiffe- rensen mellan grunda donatorer och acceptorer föreliggande i kristallen. Det kan emellertid finnas praktiska fall eller tillverkningsprocesser, där dessa villkor inte räcker till. Om den elektriska arten (antingen djupa acceptorer eller djupa donatorer) av de intrinsiska defek- tema inte kan styras under kristallodlingsprocessen, kan ett läge uppkomma, där de intrin- siska defektema medför att det inte är möjligt att åstadkomma en hög stabil resistivitet efter upphettning. Som exempel, kan inte intrinsiska defekter genom djupa donatorer kompensera för en kristall, där den grunda donatorkoncentrationen överskrider den grunda acceptorkoncentrationen: den andra regeln är uppfylld. Resistiviteten hos kristallen styrs då av nettodifferensen mellan koncentrationema av grunda donatorer och grunda acceptorer och de intrinsiska donatordefektema har ingen påverkan på de elektriska egenskaperna.

Ett ändamål med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla ett tillvägagångssätt att använda för att producera semi-isolerande kiselkarbidkristaller med egenskaper som motsvarar kraven som är nödvändiga för tillverkning av högfrekvenskomponenter. Till- vägagångssättet som beskrivs härefter möjliggör tillverkningen av semi-isolerande kisel- karbidsubstrat som bibehåller en hög resistivitet efter processteg som behövs för tillverk- ning av komponenten, som t. ex., epitaxiell deposition av den aktiva MESFET-strukturen genom CVD. Det skall också visas att sammansättningen av dessa substrat förhindrar in- fångningseffekter av fria bärare injekterade under processen med MESFET-komponenten.

Uppfinningen gör det möjligt att driva komponenten vid högre ström än vid komponenter processade på tidigare känd semi-isolerande kiselkarbid och att därvid ta ut högre elektrisk uteffekt från komponenten.

Fastän beskrivningen av de semi-isolerande kristallsammansättningama är illustrerade för 4H-polytypen, eller kristallgittervarianten, av kiselkarbidkristallen, är det tydligt att meto- den också kan användas för att odla högresistiv kristall av andra polytyper, såsom till exempel 6H, l5R och 3C. Metoden illustreras för kristaller odlade längs, eller nästan, c- axeln i kristallgittret. Likväl kan den också användas för kristaller odlade längs andra rikt- ningar, som till exempel de så kallade a-riktningama [1150] eller [10T0].

Uppfinningen kan också karakteriseras av användningen av djupa nivåer införda genom en styrd mängd av elektriskt aktiva djupa störämnen, så att vissa intrinsiska djupa nivåer väljs till natur för att styra resistiviteten hos kristallen. 10 15 20 25 30 35 5209 968 För att förhindra försämrad prestanda för komponenter processade på kiselkarbidsubstrat beredda enligt denna uppfinning, genom tidigare beskrivna infångningseffekter, hålls kon- centrationen av grunda donatorer och/eller grunda acceptorer i den odlade kristallen så låg som det behövs, företrädesvis under 3>< 1016 cm'3. Termen grunda dopämnen inbegriper här dopämnen, införda avsiktligt eller ej under odlingsprocessen, i form av störämnen (dvs. inte Si- och C-atomer) eller av elektriskt aktiva defekter som dislokationer och staplings- effekter. Vidare så hålls också koncentrationen av varje djup donator- och djup acceptor- nivå, som är avsiktligt införd eller ej, i form av störämnen, under 1017 cm'3 . Enligt ett före- draget utförande av uppfinningen hålls koncentrationen av avsiktligt införda djupa nivåer i form av störänmen, såsom övergångsmetaller , under 5x 1015 cmß .

Figur 2 visar elektronparamagnetiska resonans- (EPR) spektrumet mätt på en högresistiv 4H kiselkarbidkristall beredd enligt uppfinningen. Spektrumet identifierar närvaron av två positivt laddade djupa donatorer, som har fångat in ett hål: E15-linj en för kol-vakansen (V5 ) och E16-linjen för kiselantiläget (Sig ). (Detta spektrum visar samma struktur som EPR-spektrum (figur 3) mätt på en referens, en p-typ dopad SiC-kristall ([Al] ~ 1018 cm'3 , som har blivit bestrålad av höga doser av elektroner (~2.1018 cmß). Det faktum att linjerna som identifierar kol-vakans- och kiselantilägesdefekter är svagare i de odlade högresistiva kristaller än i de bestrålade p-typ kristallema kan förklaras av den mycket lägre koncen- trationen av djupa donatorer skapade under kristallodlingen än av elektronbestrålningen.

Läget för djupa donatortillstånden i bandgapet hos kiselkarbidkristallen har mätts genom genomförande av ett experiment känt som foto-EPR. Detta experiment genomfördes på referensen, den p-typ bestrålade 4H-SiC kristallen i figur 3, där intensiteten hos E15- och EI6-linjema är tillräcklig för att genomföra denna mätning. Foto-EPR-mätningama genom- fördes på W-band frekvensen, vid vilken E15~ och EI6-linjema är väl åtskilda (spektra med separerade V; och Sig signaler kan återfinnas i Son N.T. m. fl. “Silicon antisite in 4H- SiC” Phys. Rev. Lett. 87 (2001), 045502 och Son N.T. m. fl. “Carbon vacancy-related defect in 4H and 6H SiC”, Phys. Rtev. B 63 (2001) R20120l). Figurerna 4 och 5 visar att EPR-intensiteten för både kol-vakansen och kisel-antilägeslinjen minskar, när excitations- ljusenergin överskrider cirka 1,48 eV respektive 1,46 eV. Denna minskning av EPR-inten- siteten uppenbarar att centra gradvis fylls med elektroner enligt: 1.4 V; Jfe-lïwg och Sigge-isf; När excitationsenergin överskrider cirka 1,8 eV, ökar EPR-intensiteten för de två linjema igen och visar att de två centra återgår till sina positiva laddningstillstånd över 1,8 eV, dvs. att de töms på elektroner enligt den omvända reaktionen: hv>1.8eV VC” ”MB” V; +61- och s1g-__->sig +e- 10 15 20 25 30 35 52010968 Det skall noteras att de två tröskelvärdena som krävs för att fylla (~l .46 och 1.48 eV) respektive tömma (~1.8 eV) de två intrinsiska defektema summeras, inom det experimen- tella felet hos foto-EPR experimentet, till bandgapet hos 4H kiselkarbidpolytypen (3,2 eV).

Ett liknande experiment utfört på 6H-polytypen visar samma resultat med två tröskelener- givärden (135 eV och l. 53 eV), som summeras till det mindre bandgapet hos 6H kristall- strukturen (2,9 eV). Dessa två resultat tillåter att placera kol-vakansen och kisel-antiläges- centren i den lägre halvan av bandgapet för 4H-polytypen, cirka 1,4 eV över kanten av valensbandet (fig. 6). Genom att vara antingen neutralt (icke-detekterade i EPR) eller posi- tivt laddade identifieras de två intrinsiska defektema som djupa donatorer i kiselkarbidgitt- ret.

Genom att följa den tidigare visade andra regeln kommer en kiselkarbidkristall som inne- håller djupa nivåer införda genom intrinsiska defekter eller störämnen att bli semi-isole- rande endast om de djupa nivåema kompenserar ytnivåema. Fotoluminiscensmätningar i regionen nära bandkantema visar att kväve alltid till en viss grad införs i kristallema beredda enligt uppfinningen. Odlingsbetingelsema anpassas emellertid, så att kvävekon- centrationen hålls företrädesvis låg. Sekundärjonmasspektroskopi- (SIMS) mätningar utförda på en kristall med sammansättningen hos kristallen beskriven i figur 2 visar en kvävekoncentration mindre än 1016 cma, vilket var detekteringsgränsen för SIMS-mät- ningen för denna typ. l närvaro av endast djupa donatorer, införda genom kol-vakanser och kisel-antilägen, är en kristall med en kvävekoncentration så låg som 1016 cm'3 inte hög- resistiv: neutrala djupa donatorer kan inte fånga in de fria elektronerna införda genom kväve.

Införandet av grunda aluminiumacceptorer kan synas tillhandahålla den saknade samman- sättningen för att tillåta djupa intrinsiska donatorer att uppfylla relationen i figur 1: NDD >NSA -NSD >0 med NSA _NSD Likväl har det visat sig att denna procedur kräver en mycket noggrann styrning av kon- centrationen av grunda acceptorer som förs in i kristallen. Varje överskridande av grunda acceptorer större än koncentrationen av djupa intrinsiska donatorer kommer att förorsaka att resistiviteten styrs av aluminiumkoncentrationen och att kristallen svänger över till p- typ ledning.

För att komma förbi denna begränsning tillhandahåller uppfinningen införandet av djupa acceptomivåer tillgodosedda genom ett elektriskt aktivt störämne med koncentratio- nen N D A , så att relationen: 10 15 20 25 30 35 11 520 963 N01) >NDA JFNSA-NSD >0 NSD=1N1 NDAz[Tf] NoßziVciJfisíci är uppfylld med och till exempel och Det har visat sig, att en övergångsmetall, såsom titan, är ett passande störämne för att styra resistiviteten hos kristallen. Det har också framkommit att i närvaro av titan, detekteras kol-vakansen och de intrinsiska defektema genom kisel-antilägen i EPR, vilket bevisas i kristallen i figur 2.

Följaktligen visar figur 7 SIMS-profilen hos en kristall som innehåller kol-vakansen och kisel-antilägen genom djupa donatorer och en titankoncentration mindre än 1016 cm'3 men högre än det grunda aluminiet och högre än borstörärnnet (vilka båda är lägre än 5x1014 cm°3 i detta exempel). Den höga resistiviteten hos de framställda kristallerna enligt till- vägagångssättet hos uppfinningen har blivit reproducerbart verifierad till över 105 Q-cm vid rumstemperatur. Elektriska ström-spännings-mätningar, där man använder två värme- behandlade metalliska kontakter processade på fram- respektive baksidan av ett polerat substrat skuret ur sådana kristaller uppvisar en resistivitet vid rumstemperatur i området 107 till över 10” Q-cm. Hallmätningar har också använts för att bekräfta den semi-isole- rande naturen hos dessa kristaller. Resistivitetens temperaturberoende extraherad ur ström- spännings-mätningen visar att den termiska aktiveringsenergin ligger runt 1.4 10.1 eV i sådana kristaller (figur 8).

Detta aktiveringsenergivärde ligger inom det experimentella felet, samma som energiläget ovanför valensbandet för kol-vakansen och defektema genom kisel-antilägen uppmätta i figurema 4 och 5. Detta resultat ger en bekräftelse på den semi-isolerande naturen hos kristallen dopad med ett djup acceptor-störämne, där Fenninivån binds till de djup donator- intrinsiska defekterna.

Ett andra föredraget utförande för den totala koncentrationen av djupa nivåer av acceptorer införda i kristallen, innefattar att åtminstone det resterande djupa boret (energinivå vid cirka 600 meV ovanför valensbandet) och att en djup acceptor, införd medelst till exempel en övergångsmetall såsom titan, varieras för att styra resistiviteten hos kristallen. Figur 9 visar förhållandet mellan resistiviteten och summan av atomkoncentrationerna hos titan och bor i ett flertal sådana kristaller.

Regleringen av resistiviteten, trots att den är illustrerad för dj up acceptor-störämnet titan, kan lika väl uppnås medelst några andra lämpliga dopämnen, vilka kan uppträda som djupa 10 15 20 25 30 35 12 5 2 0 9 6 8 acceptorer. Tidigare EPR- och DLTS-mätningar har visat att krom (Cr), Wolfram (W) och också övergångsmetaller producerar djupa acceptornivåer. Beroende på koncentrationen och den elektriska egenskapen hos de resterande grunda dopämnena, kan också störämnen såsom skandium (Sc), syre (O), mangan (Mn) och molybden (Mo) vara lämpliga kandidat- er, eftersom de rapporterats producera grunda- och djupa acceptomivåer. Enligt uppfin- ningen kommer vilket som helst av dopämnena valda till exempel från övergångselemen- ten i kolurrmema IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB av det periodiska systemet att styra resistivi- teten i kombination med intrinsiska djupa donatorer, förutsatt att de valda dopämnena producerar djupa acceptomivåer. I till exempel 6H-polytypen, kan titan ersättas med krom eller annat djup acceptor-störämne for att binda Ferrninivån till de intrinsiska djupa dona- tomivåema.

Den större exaktheten i styrningen av resisitiviteten i semi-isolerande kiselkarbidkristaller innehållande intrinsiska defekter kommer nu att ytterligare illustreras med ett exempel där inget titan är lagt till en kristall som i övrigt huvudsakligen odlats under samma betingelser som det tidigare exemplet. Figur 10 visar EPR-spektrum mätt på en 4H kiselkarbidkristall vid samma temperatur, odlingshastighet och inmatad kiseltyp-koncentration som kristallen enligt figur 2. Eftersom odlingsparametrarna, som enligt känd teknik och publikationer i princip påverkar slaget av intrinsiska defekter som skapas i kristallen, huvudsakligen är identiska, skulle man kunna förvänta sig en sådan kristall for att också visa närvaron av kol-vakansen och kisel-antiläges-dj upa nivåer. Emellertid saknas kännetecknet för det positiva laddningstillståndet for dessa två defekter i figur l0. I stället är en ny defekt, iden- tifierad som kisel-vakansen i dess negativa laddningstillstånd, detekterad genom EPR-mät- ningen. Denna intrinsiska defekt har, till skillnad från de två djupa donatorema identifie- rade i figur 2, ett acceptor-(eller elektronfälla) uppträdande enligt reaktionen: V§+e-__>VS; Kristallen kännetecknad av närvaron av defekter relaterade till kisel-vakanser är av högre renhet än den typ som beskrevs i anslutning till figur 2. Figur ll illustrerar en SIMS-profil över samma störämnen som uppmättes i figur 6. Det är tydligt i denna mätning, att koncen- trationen av Ti-, Al- och V-metaller är omkring storleksordningen en magnitud lägre, eller vid detekteringsgränsen for mättekniken i denna andra typ av kristall. Koncentrationen av bor är emellertid nästan samma, med ett medelvärde [B] ~ 4 xl014 cm'3 ,i stället för 1,5 xl014 cmß (jämför med figur 7).

En sådan kristall förväntas ha hög resistivitet (Fig. 1), eftersom kisel-vakansema i form av djupa acceptomivåer, om de finns i tillräcklig koncentration , kompenserar de resterande grunda donatorema (såsom kväve). Likväl har erfarenhet visat, även om sådana kristaller 10 15 20 25 30 35 5263968 kan ha hög resistivitet vid rumstemperatur efter att ha blivit skivade och polerade till sub- strat, att resistiviteten hos dessa substrat minskar efter uppvärmning vid en temperatur på 1600 °C, som den använda vid epitaxiell tillväxt av CVD (figur 12). Minskningen av resis- tiviteten efter uppvärmning kan förklaras av en minskad koncentration av kisel-vakanser och sålunda en lägre kompensation av grunda kvävedonatorer. Minskningen, eller även försvinnandet, av kisel-vakans signaturen efter uppvärmningen har verkligen iakttagits i denna kristall genom absorptionsmätningar i infrarödregionen. Minskningen av resistivi- teten efter uppvärmning kan vara godtagbar för vissa tillämpningar, så länge som substra- tens resistivitet kvarblir över 105 Q-cm vid rumstemperatur.

Det kan noteras, att någon minskning av resistiviteten efter upphettning vid 1600 °C inte har iakttagits av författarna i kristaller beredda enligt det föredragna utförandet av denna uppfinning. I stället förblir resistiviteten oförändrad och mätningar med infrarödabsorption visar att den optiska signaturen för kol-vakansen och kiselantiläges-defekterna ökar med uppvärmingen. Detta motsatta uppträdande till kisel-vakans-signaturen i infrarödregionen understryker den fördelaktiga effekten av tillsättandet av en djup acceptor, såsom titan för att stabilisera bildandet av de önskade intrinsiska djupa nivåema i kristallen. Det har också uppmätts bättre MESFET-komponentprestanda på komponenter på en kiselkarbidkristall beredda enligt det föredragna utförandet av denna uppfinning.

Det är sålunda experimentellt funnet att det avsiktliga införandet av ett djupt störärrme, såsom titan gynnar bildandet av kol-vakanser och kisel-antilägen i stället för kisel-vakan- ser. Samdopning under kristallodlingen ser sålunda ut som ett medel att styra vilken typ av intrinsisk defekt som är aktiv i kristallen och därvid styr dess resistivitet.

Fastän författama inte vill bli bundna till någon teori, kan närvaron av kol-vakansen och kisel-antiläget i stället för kisel-vakansen i kristaller som är samdopade med djupa accep- tor-störämnen, såsom titan, förklaras av effektema hos dessa störärrmen under kristall- odlingsprocessen. Som tidigare noterats är odlingsbetingelserna, såsom temperatur och odlingshastighet, som skulle påverka formeringen av intrinsiska defekter huvudsakligen samma i kristallen karakteriserad i figurema 2 och 10. Detta är i enlighet med de teoretiska beräkningama utförda på 4H-polytypen (se Torpo L. m. fl., J. of Physics: Condens. Matter 13 p. 6203 (2001)), vilka förutsäger att bildningsenergin för intrinsiska defekter, såsom vakanser och antilägen, är 3 till 4 eV för alla defekter, med undantag för kisel-vakansen som kräver en högre energi, uppskattad till ungefär 8 eV. Följaktligen skall kristaller som innehåller kisel-vakanser också innehålla kol-vakanser och kisel-antilägen, VCO and Sig.

Figur 10 visar emellertid att dessa två intrinsiska defekter inte föreligger i sitt positiva laddningstillstånd i kristaller odlade med för låg koncentration av titan. Den teoretiska 10 15 20 25 30 35 52o”9ss utredning som citerats ovan indikerar också, att odlingsprocessens stökiometri (vilken kan beskrivas som det så kallade kol-till-kisel förhållandet) endast i ringa mån påverkar bildningsenergin för de olika intrinsiska defektema, vilket är i enlighet med de experi- mentella resultaten for föreliggande uppfinning.

Det är emellertid känt att titan ersätter kisellägena i kristallgittret. Detta kan förklara att bildningen av kisel-vakanser är mindre gynnad under odlingen, när titan är närvarande.

Tidigare DLTS-mätningar har också fastslagit att titan alstrar åtminstone två nivåer, vilka verkar som elektronfällor (djupa acceptorer) och lokaliserade ungefärligen 0,13 till 0,17 eV under ledningsbandet för 4H-polytypen (se Dalibor T. m. fl., phys. Stat. Sol. (a) 162, p. 199 (1997)). Titan agerar sålunda som en högst effektiv fälla för alla elektroner skapade genom grunda donatorer, såsom kväve.

Närvaron av positiva laddningstillstånd hos djupa donatorema, Vä / VC+ och Sig / Siê i kristaller där de styr Fenni-nivåns position och agerar som elektron- och hålfällor (fig. 4, 5 och 8) visar att en djup acceptomivå som har möjlighet att skapa hål också är associerad med närvaron av titan i kristallen. Detta djup acceptor-störärrme har möjlighet att skapa en liten mängd hål (figur 14, pil (3)) som är överkompenserade av kol-vakanser och kisel- antilägen (fig. 14 (4)).

Den effektiva karaktären hos titan, när det gäller att producera högresistiv 4H kiselkarbid- kristall kan vidare bestyrkas av den höga effektiviteten som titannivåer under ledningsban- det har att fånga in elektroner skapade av någon kvävedonator (fig. 14 (1) och (2)), även om kvävekoncentrationen är mycket låg. Tack vare effektiviteten hos denna elektronin- fångningsprocess kan endast små koncentrationer av titan föras in för att göra kristallen semi-isolerande. Dessutom kan, om det är en icke likformig fördelning av kvävekon- centration i kristallvolymen, i några regioner, titankoncentrationen lokalt överskrida kvävekoncentrationen. I sådana regioner kan en djup acceptor som titan, till skillnad från en grund acceptor som aluminium, endast skapa en liten mängd hål. I närvaro av en sådan dj up acceptor stannar F enninivån fastlåst på de intrinsiska djupa donator-nivåema och resistiviteten minskar inte lokalt i dessa regioner med lägre kvarstående kvävekoncentra- tion. Detta möjliggör odlingen av kristaller, av vilka substrat med radiellt likformig hög resistivitet kan framställas.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 s2o”96s Patentkrav Patentkrav 1 En semi-isolerande monokristall av kiselkarbid som har en resistivitet av åtminstone 105 Q-Cm vid 25 °c, innehållande åtminstone ett störämne med dj up nivå och en intrinsisk defekt med dj up nivå där koncentrationen av störämnen med dj up nivå är tillräcklig for att påverka de elektriska egenskaperna hos kristallen genom att kompensera antingen grunda donatorer eller grunda acceptorer men lägre än koncentrationen av djupa intrinsiska nivåer. Patentkrav 2 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav l, i vilken åtminstone en av de intrinsiska defek- tema är en djup donator och är antingen ett kisel på kolposition eller en kol-vakans och åtminstone ett av de djupa störämnena är en acceptor. Patentkrav 3 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 2, i vilken ett av acceptorstörärnnena har nivåer lokaliserade i den övre halvan av bandgapet på halvledaren. Patentkrav 4 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav l eller 2, där ett av de djupa acceptorstörämnena är titan. Patentkrav 5 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1 eller 2, där ett av de djupa acceptorstörämnena är bor. Patentkrav 6 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1 eller 2, där ett djupt acceptorstörämne är en kom- bination av titan och bor. Patentkrav 7 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav l eller 2, där ett av de djupa acceptorstörämnena är valt från IIIB, IVB, VB, V IB, V IB eller IIIA av de periodiska kolumnerna, såsom Sc, Ti, Nb, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni och B eller Ga. 10 15 20 25 30 35 s2o'%es Patentkrav 8 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1, i vilken åtminstone en av de intrinsiska defek- tema är en djup acceptor och är en kisel-vakans och åtminstone ett av de djupa störämnena är en donator. Patentkrav 9 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 8, i vilken ett av de djupa störämnena har nivåer lokaliserade i den lägre halvan av bandgapet hos halvledaren. Patentkrav 10 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav l eller 8, där ett av de djupa donatorstörämnena är valt ur övergångsmetallema från IIIB, IVB, VB, VIB, VIB av de periodiska kolumnerna, som till exempel Ta, Zn eller Mo, eller från den periodiska kolumnen VA. Patentkrav ll En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1 eller 2 eller 8, där koncentrationen hos det djupa störämnet är valt att vara mindre än 1016 cm'3 . Patentkrav 12 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1 eller 2 eller 8, där koncentrationen hos de djupa störämnena är valda att vara mindre än 5xl0'5 cm'3. Patentkrav 13 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1 eller 2 eller 8, där koncentrationen hos det djupa störämnet är vald tillräcklig för att ge en likformig fördelning av resistiviteten i kristall- volymen. Patentkrav 14 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1, där kristallgitterstrukturen är någon av 4H-, 6H-, l5R- eller 3C-polytypema. Patentkrav 15 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav l, där det djupa störämnet fors in i kristallgittret under kristallodlingsprocessen. Patentkrav 16 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1, där resistiviteten uppmätt vid 25°C inte minskar väsentligt after uppvärmning av kristallen vid temperaturer upp till 1700°C. 10 15 20 25 30 52o“ëes Patentkrav 17 En kiselkarbidkristall enligt patentkrav 1, där aktiveringsenergin för resistiviteten kvarstår väsentligen oförändrad efter uppvärmning av kristallen vid temperaturer upp till 1700°C. Patentkrav 18 En metod för att producera en högresistiv monokristall av kiselkarbid, innefattande stegen: ett flöde av kisel- och kolatominnehållande gaser förs in i en inneslutning, inneslutningen innehållande en kärna av en kiselkarbidkristall upphettas till en temperatur över 1900°C på ett sådant sätt att temperaturen hos kristallkärnan förblir lägre än den tem- peratur vid vilken den skulle brytas ned under partialtrycken hos de Si- och C-innehållande ämnen som förs in i den upphettade inneslutningen, flödena av kisel- och kolgaser samt temperatur över 1900°C bibehålls under en tillräcklig tid för att en kristallkropp tillväxer, under odlingstiden förs ett djup störämne in i kristallen så att bildningen av åtminstone en sorts intrinsiska defekter med djupa nivåer gynnas och därvid formar kristallen med hög resistivitet. Patentkrav 19 En metod enligt patentkrav 18, där det införda störämnet uppträder som ett djupt accep- torstörämne och befrämjar bildningen av kisel-antilägen eller kol-vakanser i den odlade kristallen. Patentkrav 20 En metod enligt patentkrav 18, där det införda störämnet uppträder som ett djup donator- störämne och befrämjar bildningen av kisel-vakanser i den odlade kristallen. Patentkrav 21 En metod enligt patentkrav 18, där kristallen kyls ned från odlingstemperaturen till rums- temperatur på ett tillräckligt snabbt sätt för att höja koncentrationen av intrinsiska defekter.