Оптимизация процесса роста монокристаллов карбида кремния на затравках различных кристаллографических ориентаций

• Автор: Фадеев, Алексей Юрьевич
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Методы выращивания 8ІС. Дефекты в віС

1.1. Основные методы, применяемые при выращивании монокристаллов БІС

1.1.1. Сублимационный рост (РУТ)

1.1.2. Химическое осаждение из газовой фазы (СУБ)

1.1.3. Сублимационная эпитаксия

1.1.4. Жидкофазная эпитаксия

1.2. Точечные дефекты

1.3. Линейные дефекты

1.3.1. Общие положения

1.3.2. Базисные дислокации
1.3.3. Прорастающие краевые дислокации
1.3.4. Прорастающие винтовые дислокации
1.3.5. Микропоры
1.4. Планарные дефекты
1.4.1. Малоугловые доменные границы
1.4.2. Дефекты упаковки
1.5. Объемные дефекты
1.5.1. Включения углерода и кремния
1.5.2. Паразитные включения политипов
1.6. Источники напряжений и релаксация напряжений в растущем слитке
1.7. Рост монокристаллов БІС на нетрадиционных гранях
1.7.1. Рост монокристаллов БІС на неполярных (призматических) гранях
1.7.2. Рост монокристаллов БІС на квазиполярных (наклонных) гранях
1.8. Постановка задачи
Глава 2. Методика процесса роста
2.1. Установка для выращивания слитков БІС методом ЛЭТИ
2.1.1. Камера роста
2.1.2. Резистивная система нагрева постоянного тока
2.1.3. Вакуумная система
2.1.4. Газовая система
2.1.5. Система водяного охлаждения
2.1.6. Автоматизированная система управления и регистрации параметров роста.
2.1.7. Внутренняя арматура камеры роста
2.1.8. Система внешнего крепления и расстановки
2.2. Подготовка затравки БІС к процессу роста
2.2.1. Кругление выращенных слитков
2.2.2. Разрезание слитков БІС
2.2.3. Шлифование и полирование пластин БІС
2.2.4. Травление пластин БІС
2.3. Процесс выращивания слитков БІС методом ЛЭТИ
2.3.1. Подготовка ростовой ячейки к процессу роста
2.3.2. Крепление затравки к держателю
2.3.3. Проведение ростового эксперимента
2.4. Выводы

Глава 3. Упругие напряжения в монокристаллах SiC
3.1. Расчет упругих напряжений
3.1.1. Основные теоретические положения
3.1.2. Анализ упругих напряжений
3.2. Результаты расчета упругих напряжений
3.2.1. Двуслойная модель
3.2.2. Трехслойная модель
3.2.3. Модель «свободной» затравки
3.2.4. Осевой градиент температуры
3.3. Проведение эксперимента
3.4. Выводы
Глава 4. Рост SiC на нетрадиционных гранях затравки
4.1. Рост на off-cut (Ю-Ю)-затравке
4.2. Рост на off-cut (11-20)-затравке
4.3. Рост на трех призматических затравках в одном процессе
4.4. Рост на on-axis (11-20)-затравке. Изменение типа примеси
4.5. Рост на (11-22)-затравке
4.6. Модифицированный RAF-процесс
4.6.1. Эксперимент
4.6.2. Особенности многостадийного процесса роста
4.6.3. Исходные пластины ориентации (0001)
4.6.4. Рост на пластинах с ориентацией (10-10)
4.6.5. Финальный рост па пластинах с ориентацией (0001)
4.6.6. Разращивание затравок
4.7. Выводы
Заключение
Список сокращений и обозначений
Список литературы
Приложение 1. Упругие модули и тензоры упругих постоянных
Введение
Карбид кремния является единственным бинарным соединением, образуемым полупроводниковыми элементами IV группы периодической системы элементов и уже многие десятилетия привлекает к себе внимание исследователей из различных областей благодаря своим уникальным свойствам.
Большая ширина запрещенной зоны (~ 3,2 эВ для 4Н-Б1С) и высокая
теплопроводность (~ 400 Втм’-К'1) делают карбид кремния идеальным для
высокотемпературных приложений. Высокие значения пробивного напряжения (~ 4 МВ/см) позволяют использовать его в переключателях и преобразователях силовой и сильноточной электроники [1]. Практически отсутствующие при комнатной температуре обратные токи (благодаря большой ширине запрещенной зоны), высокое быстродействие, высокие рабочие температуры позволяют использовать карбид кремния при создании СВЧ-приборов — мощных диодов Шоттки и полевых транзисторов [2]. Устойчивость к агрессивным средам позволяет применять БЮ при создании МЕМБ-систем [3]. Например, Б1С газоанализаторы внутри автомобильных двигателей позволяют контролировать эффективность сгорания топлива, а значит уменьшить загрязнение окружающей среды и уменьшить расход топлива. Высокие пороговые энергии смещения атомов позволяют использовать карбид кремния в радиационностойких приборах [4], в т.ч. детекторах ядерных излучений.
Карбид кремния активно применяют при создании оптоэлектронных устройств. Еще в 1907 году была продемонстрирована электролюминесценция монокристаллов Б1С [5] — прямой путь к созданию светодиодов. Однако, Б1С - непрямозонный полупроводник, поэтому эффективность таких светодиодов невелика. Сегодня на основе Б1С создают УФ-дстекторы [6]. Параметры решетки Б1С близки к параметрам решетки СаЫ, это позволяет его использовать в качестве подложки в сверхярких голубых СаЫ и зеленых ОаА1У светодиодах [7]. В отличие от нитридных светодиодов на изолирующей сапфировой подложке, Б1С подложка позволяет создавать вертикальную структуру кристалла, которая подразумевает только один этап пайки контактов, что увеличивает скорость сборки светодиодов, снижает себестоимость и увеличивает их надежность.
В последнее время карбид кремния нашел свое применение в качестве подложки, на которой выращивают пленки графена [81 большой площади методом графитизации Б1-грани (0001) изолирующей подложки в аргоновой атмосфере при атмосферном давлении. Одни из многочисленных перспективных применений графена:
В сильно легированных азотом (> 2-1019 см'3) кристаллах 4Н-Б[С после окисления [15-16] или отжига в аргоне [92] (Т = 1150°С, I = 90 мин) появляются дефекты упаковки Шокли. Предположительно, образование дефектов упаковки происходит из-за скольжения частичных дислокаций Шокли 1/3 <10-10> в базисной плоскости, которые таким образом релаксируют напряжения, вызванные высокой степенью легирования [93]. Возможно, большая концентрация атомов азота влияет на межплоскостное расстояние в Б1С [94]. Плотность дефектов упаковки в таких кристаллах составляет от 35 до 80 мкм 1 [92]. Активизация скольжения частичных дислокаций Шокли было отмечено только для температур выше 1100°С.
Дефекты упаковки, появляющиеся на начальных стадиях роста кристалла, могут привести к генерации пар прорастающих дислокаций с противоположными векторами Бюргерса. Причем, дефекты упаковки Шокли приводят к генерации пары краевых дислокаций, а дефекты упаковки Франка - пары винтовых дислокаций [51].
Отрицательным является тот факт, что во время работы биполярных приборов дефекты упаковки могут увеличиваться в их активной области, что приводит к еще большей деградации их характеристик. Это можно объяснить следующим образом. Электроны, инжектированные в базисную область, например, р-Бп-диода, захватываются квантовой решеткой, созданной дефектом упаковки. Дефект упаковки заряжается отрицательно. Дырки устремляются к отрицательно заряженному дефекту упаковки. Локальное увеличение концентрации электронов и дырок увеличивает вероятность их рекомбинации, что ведет к уменьшению времени жизни носителей заряда и уменьшению числа свободных носителей. Это приводит к увеличению падения напряжения биполярных приборов. В случае безызлучательной рекомбинации может активизироваться механизм ЛЕПМ (движение дислокаций в результате рекомбинации), который приводит частичные дислокации в движение, увеличивая тем самым длину дефекта упаковки. Такая деградация происходит только в биполярных приборах, созданных на Б1С гексагонального или ромбоэдрического политипа
Дефекты упаковки по Франку не распространяются в р-Бп диодах под действием приложенного внешнего воздействия, однако могут вносить вклад в токи утечки [95]. Образование таких дефектов упаковки возможно на прорастающих винтовых дислокациях с элементарным вектором Бюргерса [96]. В отличие от дефектов упаковки по Шокли, дефекты упаковки по Франку гораздо меньше изучены, и механизм их образования и их влияние на приборы остаются не полностью ясными.