Полупроводниковый материал
Изобретение относится к твердотельной электронике, конкретно к технологии получения монокристаллических твердых растворов на основе карбида кремния. Материал на основе эпитаксиальных слоев гетеровалентного твердого раствора имеет состав (SiC)i-x(Nbc)x, где О Х {. Ширина запрещенной зоны меньше, чем у карбида кремния. Материал имеет радиационную и химическую стойкость и стабильность полупроводниковых параметров. 5 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (st)s С 30 В 29/36, 23/02
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР,/
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4716124/26 (22) 06.07.89 (46) 30.04.92, Бюл. ¹ 16 (71) Дагестанский государственный университет им. В. И. Ленина (72) Ю. Г. Гогоци, Г. К. Сафаралиев, Ю. М.
Таиров, В. Ф. Цветков и Ш. Ш. Шабанов (53) 621.315.592(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
N. 1297523, кл. С 30 В 23/02, 1985.
Brower L., KrIkorIan О. — А Electrochem
Soc., 1956, ч. 103, р. 38 — 43.
Сафаралиев Г. К. и др. Критерии образования твердых растворов на основе карбида кремния. — Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1986, т. 22, ¹ 11, с, 1839 — 1841.
Изобретение относится к твердотельной электронике, а конкретно к технологии получения монокристаллических твердых растворов на основе карбида кремния. На основе этих твердых растворов создаются твердотельные приборы и устройства, а именно светодиоды и инжекционные лазеры с большой эффективностью, фотоприемники и т. д. Эти растворы наследуют от карбида кремния ряд ценных свойств, таких как радиационная и химическая стойкость, наличие более 140 политипов, сохранение полупроводниковых свойств вплоть до 1000
К, твердость, термостойкость и др.
Известно получение псевдобинарных твердых растворов на основе SiC. Эти твердые растворы получают во всем диапазоне изменения состава (О < х <1), Причем в них изменение состава в диапазоне (0,1 < х <0,9) приводит к увеличе-.
„„Я1 „„1730219 А1 (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ (57) Изобретение относится к твердотельной электронике, конкретно к технологии получения монокристаллических твердых растворов на основе карбида кремния. Материал на основе эпитаксиальных слоев гетеровалентного твердого раствора имеет состав (ЮС)1-x(Nbc)x, где 0 «< Х < E. Ширина запрещенной зоны меньше, чем у карбида кремния. Материал имеет радиационную и химическую стойкость и стабильность полупроводниковых параметров. 5 ил. нию Eg (ширины запрещенной зоны) от 3,0 до 4,8 эВ, а при Х = 0,75 твердый раствор становится прямозонным. Параметры решетки (а и с) в системе (SIC)1x(AIN)x в зависимости от состава (САщ0-100 ат.%), изменялись соответственно от 0,3076—
0,3114 нм и от 0,5048 — 4986 нм. Твердые растворы (SIC)>-x(AIN)x обладают шириной запрещенной зоны большей, чем у карбида кремния.
Однако представляет большой интерес получение твердых растворов с шириной запрещенной зоны, но меньшей, чем у карбида кремния. К числу таких материалов, приводящих к уменьшению ширины запоещеной зоны карбида кремния, могутбыть отнесены металлические карбиды TiC, ZrC, в частности карбид ниобия NbC. Образование твердых растворов между этими карбидами может привести к созданию варизонного
1730219
35
45
55 материала с шириной запрещенной зоны
Eg. 3,0 эВ и со свойствами, наследованными от SiC: радиационная и химическая стабильность, политипизм, и т. д, Известны данные по тройной системе
Si-С-Nb, изученные Бревером и Крикорианом. В этой системе обнаружена гексагональная фаза с периодами решетки (А.=
=3,117 + 0,005 А и С = 4,969 + 0,005 А), представляющая твердый раствор замещения части атомов углерода в NbzC атомами кремния, Указанная фаза обладает некоторой областью гомогенности. Однако получить непрерывный ряд твердых растворов
S1 C-Nb C н е представляется возможным, можно получить только твердый раствор замещения, в котором только часть атомов углерода замещается атомами кремния.
Наиболее близкими к предлагаемому являются твердые растворы на основе карбида кремния, содержащего в качестве второго компонента бинарное соединение, в том числе AIN, GaN, ВN и др.
Однако использование этих соединений не приводит к значительному уменьшению ширины запрещенной зоны.
Цель изобретения — уменьшение ширины запрещенной зоны.
Поставленная цель обеспечивается следующим составом твердого раствора (S i C)1 x(Nb C)x, где 0 х 1 .
На фиг. 1 приведена обычная электронная микрофотография; на фиг. 2 — концентрационные профили ниобия и кремния при различных температурах и давлениях; на фиг, 3 и.4 — изображения в Оже-электронах ниобия и кремния соответственно; на фиг. 5 — спектр фотолюминесценции.
Пример 1. Получение гетеровалентного твердого раствора (Я!С)1-x(NbC)x осуществляют путем непосредственного высокотемпературного контакта друг с другом монокристаллических кристаллов карбида кремния и карбида ниобия. Диаметры кристаллов карбида кремния и карбида ниобия составляли около 5 — 6 мм, а толщина
0,5 мм и 1 соответственно, Кристалл карбида кремния политипа 6Н предварительно травили в расплаве КОН, а кристалл карбида ниобия после резки и шлифовки — в HF.
Затем кристаллы SiC u NbC прикладывали друг к другу и подвергали горячему прессованию в засыпке порошка карбида кремния дисперсностью 5 мкм, Процесс проводили при 2100 С и давлении 40 МПа в среде СО в течение 30 мин. Ширина полученного слоя гетеровалентного твердого раствора (SiC)<-x(NbC)x 13 мкм, Пример 2. Кристаллы карбида кремния и карбида ниобия были тех же размеров, что и в примере 1 и подвергались такой же обработке. Но в отличие от предыдущего случая процесс проводили при 1900 С, давлении 30 МПа в среде Nz в течение 60 мин, Ширина полученного слоя гетеровалентного твердого раствора (SIC)>-x(NbC)x 10 мкм.
Пример 3. B этом случае кристаллы карбида кремния и карбида ниобия, обработанные так же, как и в примерах 1 и
2, прикладывали друг к другу и подвергали горячему прессованию в засыпке порошка дисперсностью .5 мкм, Процесс проводили при 1700 С, давлении 20 МПа в среде Nz в течении 60 мин. Ширина слоя гетеровалентного твердого раствора (Я!С)1-x(NbC)x 5 — 7 мкм.
Во всех трех случаях получали гетеровалентные твердые растворы (SIC) "J E0LS". На фиг, 1 дана обычная электронная микрофотография. Области с элементами различной тяжести отличаются. Более тяжелые элементы светлее. На фиг. 2 изображены концентрационные профили ниобия и кремния при различных температурах и давлениях, где отчетливо видно, что Nb продиффундировал на большую глубину в кристалл SiC, чем Si в NbC. Кривые 1, 2, 3 для Nb и для Si были получены при 2100, 1900 и 1700 С соответственно. При анализе профиля распределения Nb в SiC u Si в NbC использована модель диффузии из постоянного источника согласно которой: N(x, t) = No erfc х/2 jDt; где erfc = 1 — erfz — дополнительная функция ошибок; 2 г erfz = —,— ) ехр (— у ) d y — функция ошибок Гаусса, Из фиг. 2 видно, что при уменьшении концентрации Si непрерывно увеличивается концентрация Nb и наоборот, что свидетельствует о замещении атомов Si атомами Nb. Смещение спектров люминесценции в длинноволновую область указывает на то, что получен варизонный материал, ширина запрещенной зоны которого непрерывно уменьшалась с увеличением Х, начиная от SiC, т, е. был получен непрерывный ряд твердых растворов (ЯС)1-х(МЬС)х во всем диапазоне изменения X. Результаты рентгено1730219 45 55 структурного анализа монокристаллических зерен, вырезанных из керамики SiCNbC различного состава, является прямым доказательством получения твердого раствора. 5 Толщина слоев полученного твердого раствора до 13 мкм на монокристалле SIC (фиг. 2). Такие толщины являются достаточными для создания на их основе фото- и оптически активных структур и гетеропере- 10 ходов, так как в планарной технологии используются слои 0,5 — 5 мкм. Полученные твердые растворы могут быть. использованы для получения светодиодов, фотоприемников, работающих в красной и инфракрасной 15 областях спектра. Причем эти твердые растворы не уступают существующим полупроводниковым приборам на основе А В и и ч А В, т. к. они наследуют все полезные свойства. карбида кремния, такие как ради- 20 ационная и химическая стойкость, стабильность характеристик и т. д, Кроме того, керамика на основе твердых растворов SiC — NbC может служить материалом для зеркал лазеров, работающих 25 на длине волны 10,6 мкм; и отражателей синтротронного излучения. Таким образом, данные по Оже-спектроскопии, люминесценции и результаты рентгеноструктурного анализа подтвержда- 30 ют, что в системе SiC — NbC образуется непрерывный ряд твердых растворов. На фиг. 3 и 4 даны изображения в Ожеэлектронах ниобия и кремния соответственно. Отсутствие резкой прямолинейной границы между белыми и темными полями свидетельствуют о протекании диффузионных процессов на границе раздела SiC u NbC. Светлые поля на фиг. 3 и 4 соответствуют Nb и Si, Подтверждением существования непрерывного ряда твердых растворов SiC — NbC явилось исследование края собственного поглощения и люминесценции тонких слоев SiC — NbC. Спектры фотол юминесцен ции были получены при 300 К (представлены на фиг. 5). Наблюдаемый сдвиг максимума длинноволновую область с увеличением содержания NbC подтверждает существование непрерывного ряда твердых растворов (ЯС)1-х(ИЬС)х, так как в SiC подобного сдвига в красную и ИК-области не наблюдается. Известно, что SiC u NbC являются жара стойкими механически твердыми радиационно и химически стойкими веществами. Поэтому и твердые растворы SiC — NbC сохраняют эти полезные свойства. Таким образом, известные материалы уступают предлагаемому по таким свойствам, как радиационная и химическая стойкость, стабильность полупроводниковых параметров в зависимости от температуры вплоть до 1000 К, механическая прочность и др. Кроме того, он не деградирует, что свойственно входящим в него SiC u NbC. Например, исследование спектра ФЛ твердого раствора SiC — NbC после 100-часовой обработки УФлучами и 5-кратного термоциклирования до 1000 К на воздухе показало, что такая обработка не приводит к сдвигу максимума и изменению формы спектра фотолюминисцен ции. Преимуществом предлагаемого материала является также отсутствие узкозонных материалов на основе SiС с Еяс2,4 эВ. Предлагаемый материал может быть использован для изготовления на его основе светодиодов красной и ИК областей спектра, способных работать в химически агрессивных и высокотемпературных средах. В таких экстремальных условиях приборы на основе А Вв, АзВь, А4В6 и их твердые растворы либо вообще не работают, либо работают непродолжительное время; Кроме того он может быть использован во всех областях, где уже успешно работают материалы на основе SiC: изготовление мощных выпрямител ьн blx диодов, высокотемпературн ы х тензодатчиков, счетчиков высокой энергии и т. д, Формула изобретения Полупроводниковый материал на основе эпитаксиальных слоев гетеровалентного твердого раствора, содержащего карбид кремния и второе бинарное соединение, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения ширины запрещенной зоны, в качестве второго соединения материал содержит карбид ниобия и имеет состав, соответствующий формуле (SiC))-)((NbC)x, где 0 <х <1. 1730219 Юыг. / 10 75 ZO Эи 2.2 1730219 1 . Ц . Ц " РН ,,Ц(, ! ,! @Ь 4. 7 1730219 7Я 7,7 1,Я 1,g z,Q z,7 2,2 23 23 2,5 h >,эд Составитель В.Цветков Редактор Л.Веселовская Техред М.Моргентал Корректор Н.Король Заказ 1492 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
