eng
Выпуск #4/2016
В.Лучинин
Отечественная экстремальная ЭКБ: карбидокремниевая индустрия СПбГЭТУ "ЛЭТИ"
Отечественная экстремальная ЭКБ: карбидокремниевая индустрия СПбГЭТУ "ЛЭТИ"
Просмотры: 5160
Наиболее востребованной технологической возможностью при создании приборов на SiC по абсолютно доминирующей эпитаксиальной технологии является смена типа легирующей примеси в ростовом реакторе без его "разгерметизации" непосредственно в процессе эпитаксиального роста. Имеющийся у ЛЭТИ современный эпитаксиальный реактор позволяет реализовать данный процесс, включая автоматическую загрузку подложек.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.40.50
DOI:10.22184/1993-8578.2016.66.4.40.50
Теги: electronic components microelectronics nanoelectronics silicon carbide карбид кремния микроэлектроника наноэлектроника электронная компонентная база
Необходимость формирования в России карбидокремниевой индустрии как одного из приоритетных направлений при решении задач импортозамещения ЭКБ и обеспечения паритета в технологиях, определяющих научно-технологическую конкурентоспособность и безопасность государства, не вызывает сомнений. Рассмотрим конкурентоспособные разработки экстремальной ЭКБ на SiC, выполненные в ЛЭТИ.
ЭКБ силовой импульсной
высоковольтной электроники
В современной зарубежной полупроводниковой индустрии карбид кремния прочно занял нишу материала силовой высоковольтной электроники. В отечественной практике также декларируется появление карбидокремниевых силовых модулей, однако до сих пор базовые электронные компоненты являются заимствованными из-за рубежа, поэтому данные конструктивно-технологические решения нельзя признать импортозамещающими.
Применительно к созданию реальной собственной карбидокремниевой ЭКБ следует отметить ОКР, реализуемую по заказу Минпромторга РФ, "Разработка и освоение производства линии коммутирующих элементов с наносекундными и пикосекундными временами переключения и рабочими напряжениями 30–3 000 В" (шифр "Аппарат 10"). Базовая конструкторско-технологическая разработка была выполнена в Центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ (ЛЭТИ), а основным результатом работы является организация в России на базе ОАО "Светлана" серийного выпуска приборов силовой высоковольтной электроники на карбиде кремния.
Дрейфовые диоды с резким восстановлением (ДДPB, DSRD – drift step recovery diodes), предложенные группой советских ученых ФТИ им. А.Ф.Иоффе [1] и реализованные впервые на кремнии, до настоящего времени являются наиболее быстрыми полупроводниковыми ключами. Время переключения определяется процессами, происходящими в базе диода, где формируется электронно-дырочная плазма, и зависит в первую очередь от толщины базы и насыщенной скорости дрейфа основных носителей заряда. Для реализации высоковольтного сильноточного импульсного режима переключателя важны также такие параметры материала, как пробивная напряженность электрического поля, уровень легирования и распределение примесей в базе, а также время жизни неравновесных носителей заряда в базе диода. Последнее связано с тем, что при короткой импульсной двусторонней инжекции в базу носители не успевали бы рекомбинировать до момента их выведения из базы при переключении.
По комплексу вышеуказанных параметров, ширине запрещенной зоны и, безусловно, теплопроводности, определяющей тепловые преимущества материала и, как следствие, повышение тактовой частоты следования импульсов, карбид кремния более чем на порядок превосходит кремний и уступает только алмазу.
Образцы ДДPB, созданные по эпитаксиальной технологии n+-p-p+ (рис.1) и реализованные с двумя видами защиты от пробоя (траншейного и мезаструктурного типов) имеют рабочие напряжения до 2 кВ и субнаносекундные времена переключения (600–900 пс) при скорости нарастания импульса напряжения (dU/dt) 3–5 В/пс. Прямое падение напряжения на диодной структуре не превышает 3 В, а обратный ток при площади чипа 4 мм2 находится на уровне 10–8 А. Увеличение рабочих напряжений более 10 кВ достигается формированием высоковольтной сборки при сохранении субнаносекундных времен переключения прибора [2].
ЭКБ силовой транзисторной электроники
Значительной вехой в развитии отечественной технологии полупроводникового SiC стало создание в СПбГЭТУ полевого транзистора с изолированным затвором (MOSFET) на карбиде кремния как базового усилительного элемента ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации.
В краткосрочной перспективе силовые МДП-транзисторы на карбиде кремния политипа 4H способны занять свою нишу в области силовых электронных систем благодаря сочетанию высоких рабочих напряжений пробоя, низкого сопротивления активной области, высокой плотности коммутируемой мощности и низких потерь при переключении, а также достаточно высоких рабочей частоты и температуры эксплуатации.
Сечение спроектированного и реализованного вертикального МДП-транзистора изображено на рис.1а. Активной частью прибора является низколегированный n–cлой со сформированными в нем p-, n+- и p+-областями. Область p+ выполняет роль контакта к p-области и формируется для выравнивания потенциала между p+-областью и истоком (И) для нейтрализации паразитного n-p-n-транзистора. В открытом состоянии, когда на затвор (З) приложено положительное напряжение относительно истока, ток протекает через контакт к истоку, n+-область, канал транзистора, J-FET-область, ограниченную двумя p-n-переходами, низколегированную дрейфовую область, высоколегированную подложку и контакт к стоку (С).
Ячейка транзистора имеет гексагональную форму (рис.1b) с длиной канала 1 мкм и J-FET-областью шириной 3 мкм, а ширина области перекрытия затвора и n+-области истока составляет 1 мкм. Транзистор сформирован из массива гексагональных ячеек и "плавающих" колец по периметру прибора, обеспечивающих плавный градиент напряженности поля на периферии, что позволяет избежать поверхностного пробоя.
Ключевой проблемой при создании быстродействующего силового МДП-транзистора на 4Н карбиде кремния с низким сопротивлением канала являются электрические свойства подзатворного диэлектрика и границы раздела 4H-SiC/SiO2, ухудшающие рабочие характеристики прибора [3].
Силовой МДП-транзистор на карбиде кремния (рис.1c) создан на низколегированном эпитаксиальном слое толщиной 11 мкм с концентрацией азота около 7 · 1015 см–3, выращенном на коммерческой высоколегированной 4-дюймовой SiC (0001) подложке n-типа с углом разориентации 4°. P-область глубиной 1 мкм с прямоугольным профилем распределения примеси с концентрацией алюминия 1 · 1018 см–3 была сформирована методом ионной имплантации. Аналогичным образом были имплантированы n+- и p+-области глубиной 220 и 300 нм с концентрацией фосфора и алюминия 6 · 1019 см–3 и 1 · 1020 см–3 соответственно.
Подзатворный диэлектрик получен нанесением двуслойной системы нитрида кремния (5 нм) и диоксида кремния (45 нм) методом плазмохимического газофазного осаждения (PECVD) c последующим окислением в атмосфере сухого кислорода при температуре 1 150°С в течение 1 ч. Легированный фосфором поликремниевый затвор толщиной 450 нм сформирован методом химического газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD).
Анализ базовых характеристик созданных транзисторных структур (рис.2) показал, что напряжение включения транзистора составляет 1,8 В (Vds = 2 В, Ids = 10 мкА), а сопротивление транзистора во включенном состоянии Rds spec(on) при комнатной температуре, вычисленное из наклона выходных характеристик при Vgs = 20 В, составляет 29 мОм · см2. Плотность коммутируемого тока при комнатной температуре превышает 120 А/см2 при Vds = 5 В.
Пробивное напряжение транзистора при комнатной температуре составило 900 В. Его повышение возможно за счет увеличения количества "плавающих" колец для создания плавного градиента потенциала на периферии прибора и соответствующего увеличения толщины и уменьшения концентрации примеси в дрейфовой области. Результаты сопоставительного анализа основных характеристик созданного карбидокремниевого МДП-транзистора с аналогами представлены на рис.3.
Следует отметить, что в настоящее время силовые МДП-транзисторы на SiC имеют гораздо более низкое сопротивление во включенном состоянии, чем кремниевые аналоги, однако существует ряд проблем, существенно ограничивающих дальнейшее уменьшение их сопротивления, в частности, низкая подвижность носителей заряда, которая преимущественно обусловлена высокой плотностью поверхностных состояний на границе раздела 4H-SiC/SiO2. Низкая подвижность носителей заряда в канале транзистора также приводит к существенному ограничению его рабочего диапазона частот.
ЭКБ автоэмиссионной
высокочастотной электроники
Современный этап развития ЭКБ характеризуется возрождением вакуумной микро- и наноэлектроники с целью достижения сверхвысоких частот гига- и терагерцового диапазона, обеспечения высокого "произведения генерируемой мощности на частоту" в лампах миллиметрового и субмиллиметрового диапазона частот, решения задач коммутации и генерации в сверхкороткоимпульсной электронике и рентгеновской технике. Для вакуумной автоэмиссионной электроники также характерна радиационная и температурная стойкость.
Важнейшим элементом вакуумного прибора является источник электронов. Эффективные катоды с полевой эмиссией до настоящего времени являются предметом интенсивных исследований. Карбид кремния может быть отнесен к перспективным материалам автоэмиссионной электроники, в первую очередь, благодаря экстремальным значениям критической напряженности поля лавинного пробоя, теплопроводности и механической прочности. Дополнительными достоинствами SiC следует считать его устойчивость к химическим и радиационным воздействиям.
Данные обстоятельства позволили прогнозировать создание на основе карбида кремния микрокатодов с полевой эмиссией, сочетающих высокую плотность тока эмиссии, стабильность эмиссионных характеристик и приемлемые невысокие значения напряженности электрического поля начала эмиссии.
В рамках проведенного комплекса исследований и разработок были предложены и реализованы четыре технологических маршрута создания автоэмиссионных структур на карбиде кремния:
• формирование автоэмиссионных остриев методом остро сфокусированного ионного пучка (рис.4a);
• формирование топологически упорядоченных массивов автоэмиссионных остриев методом реактивного ионно-плазменного травления с металлическим катализатором (рис.4b);
• формирование топологически упорядоченных двухуровневых автоэмиссионных микроразмерных матриц пьедесталов с наноразмерными остриями по двухстадийной технологии, сочетающей процессы фотолитографии, реактивного ионно-плазменного травления и микромаскирования катализатором (рис.4c);
• формирование гетероструктурных двухстадийных матриц автоэмиттеров на основе карбида кремния и нанокристаллического алмаза (рис.4d).
Основой всех автоэмиссионных структур являлись монокристаллы подложки 6H-SiC n-типа с удельным сопротивлением 0,05 Ом · см. Обобщая совокупность полученных результатов, подробно изложенных в работах [4–5], следует отметить, что в настоящий момент можно констатировать устойчивую реализацию на базе SiC микрокатодов с полевой эмиссией со следующими базовыми параметрами:
• напряжения начала эмиссии 10–15 В/мкм;
• плотность тока эмиссии до 10 А/см2;
• плотность автоэмиссионных остриев 5 · 108 см–2;
• устойчивость работы в вакууме от 10–6 до 10–9 мм рт. ст.
Особого внимания заслуживают результаты формирования гетероструктурных катодов "карбид кремния – алмаз" [6], которые показали при росте напряжения начала эмиссии повышение ее стабильности во времени. Кроме того, данная гетерокомпозиция, сочетающая материалы со значительным отличием ширины запрещенной зоны, может рассматриваться как базовая структура для твердотельных автоэмиссионных приборов, не использующих вакуум, который создает определенные сложности при корпусировании.
ЭКБ ультрафиолетовой оптоэлектроники
Благодаря высокому практическому интересу к оптоэлектронным приборам ультрафиолетового диапазона, который проявлялся на протяжении многих десятилетий, к началу 21 века сформировалось направление ультрафиолетовой фотоэлектроники.
Очевидно, что фотоприемные устройства для УФ-области спектра должны обладать малыми темновыми токами, высокими чувствительностью и быстродействием, а также стабильностью эксплуатационных параметров. В настоящее время базовыми материалами УФ-фотометрии являются карбид кремния, нитриды галлия, алюминия и их твердые растворы. На их основе разработаны и доступны на рынке изделия опто-электроники: фотоприемники, работающие в диапазоне длин волн от 180 до 400 нм. Несмотря на то, что приоритетными материалами ультрафиолетовой фотоэлектроники являются GaN и AlN-GaN, карбид кремния занимает свою устойчивую нишу в таких областях, как:
• высокотемпературная УФ-фотоэлектроника;
• контроль излучения мощных УФ-эксимерных лазеров, УФ-ламп и других источников (известно, что фотодетекторы на основе SiC и алмаза наиболее стабильны к длительной засветке УФ-излучением);
• регистрация бактерицидного УФ-излучения;
• контроль возгорания, детекторы пламени, датчики электрической искры.
В настоящее время наиболее популярными типами УФ-фотоприемников на основе карбида кремния являются фотодиоды с мелким p-n-переходом и диоды с барьером Шоттки. На кафедре МНЭ СПбГЭТУ разработаны образцы таких фотоприемных структур. В основе конструкции вышеуказанных фотодетекторов лежат эпитаксиальные структуры 4H-SiC, полученные методом газофазной эпитаксии карбида кремния на подложках n+ 4H-SiC диаметром 76–100 мм, с удельным сопротивлением не более 0,025 Ом · см, толщиной 350 мкм и отклонением от направления 0001 – 4°. При этом количество слоев, их толщины, типы проводимости и концентрации легирующей примеси определяются типом фотоприемной структуры. В то же время толщины и уровни легирования базовых областей выбирались из расчета на максимальные рабочие напряжения Uобр. ≤ 15 В, при которых обеспечивается полное обеднение n (p)-слоев, то есть ширина области пространственного заряда W будет равна толщине эпитаксиального слоя d (1).
Фотодетекторы на основе диода с барьером Шоттки выполнены в виде вертикальной структуры со сплошным полупрозрачным электродом или с электродом сетчатого типа. Изготовление такого типа УФ-фотоприемника предусматривает использование 4H-SiC эпиструктуры типа n-n+ с эпитаксиальным слоем толщиной d = 5 мкм и уровнем легирования азотом 6–7 · 1014 см–3.
Изготовленные образцы фотоприемников с барьером Шоттки Ni-SiC характеризуются высотами потенциального барьера 1,20–1,25 эВ, а структуры Pt-SiC – 1,00–1,05 эВ. Для всех типов структур обратные темновые токи при напряжениях от 0,5 до 1 В не превышали 50 пА. По результатам вольт-фарадных измерений установлено, что насыщение C-U характеристик наступает при напряжениях Uобр. ≥ 8 В, что соответствует полному обеднению базовой области фотоприемника.
Фотоприемники на основе диодов с p-n-переходом выполнены в виде вертикальных мезаэпитаксиальных структур типа p+-n-n+ и p+-p-n+. В зависимости от типа проводимости активного базового слоя высота мезы варьировалась. Так, при использовании структуры типа p+-n-n+ глубина травления SiC методом реактивного ионно-плазменного травления РИПТ должна была быть больше толщины p+ эмиттерной области. Материалами омических контактов к низкоомным областям n+-SiC и p+-SiC являлись композиции металлов Ti/Ni и Al/Ti/Ni соответственно.
Установлено, что прямые ветви ВАХ структур p+-p-n+ и p+-n-n+ не отличаются. Практически во всех случаях напряжение открытия p-n-структур составило 2,5 В.
Фотоэлектрические свойства образцов исследовались в спектральном диапазоне 200–500 нм. Все измерения проводились в режиме короткого замыкания, а для фотодиодов на основе p+-p-n+-структур – в фотодиодном режиме до Uобр. = 10 В. На рис.5 приведены спектральные характеристики 4H-SiC фотоприемных структур, а также для сравнения представлена спектральная характеристика коммерческого 4H-SiC фотодиода SG01D-18.
Для фотоприемника типа p+-n-n+ на длине волны 295 нм наблюдается максимум фоточувствительности S = 0,138 А/Вт. При этом, максимальное значение чувствительности фотоприемника SG01D-18 приходится также на 295 нм и составляет 0,13 А/Вт.
Заключение
В рамках развития научных исследований и прототипирования образцов новой конкурентоспособной карбидокремниевой элементной базы в 2016 году планируется завершить создание на базе СПбГЭТУ "ЛЭТИ" полной технологической линии изготовления следующих видов приборов:
• силовая электроника (диоды с барьером Шоттки, импульсные высоковольтные ДДРВ-диоды и МДП-транзисторы);
• высокочастотная электроника (вакуумный диод с полевой эмиссией; вакуумный диодный обостритель, автоэмиссионный ограничитель электромагнитного излучения, фотопроводящие антенны ТГЦ-диапазона, плазменные антенны);
• оптоэлектроника (датчики жесткого УФ-излучения для экстремальных условий эксплуатации);
• микросистемная техника (мощные высокочастотные микромеханические ключи).
Создаваемая технологическая линия должна обеспечить замкнутый цикл от роста кристаллов и создания эпитаксиальных структур до формирования в рамках планарной интегрально-групповой технологии пластин с кристаллами – чипами.
Концентрация знаний, инфраструктурных и кадровых ресурсов для реализации амбициозных проектов, направленных на создание конкурентоспособной национальной инновационной среды в области карбидокремниевой электроники, позволяет прогнозировать их развитие с реализацией в СПбГЭТУ концепции "экономики знаний". Учитывая актуальность указанной проблематики и имеющийся в СПбГЭТУ высокий уровень компетенций по указанному комплексу направлений, предполагается дальнейшее развитие системы национальной и международной кооперации для формирования в России карбидокремниевой индустрии и ее профессионально ориентированного кадрового обеспечения.
Общие прогрессивные тенденции в технологии карбида кремния как базового материала ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации отражает рис.6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лучинин В.В., Таиров Ю.М. Гетероэпитаксиальная композиция: редкий политип карбида кремния 2Н на изолирующей подложке: нитрид алюминия – сапфир // Письма в ЖТФ. Т. 10. Вып. 14. 1984. С. 873–875.
2. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф. Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на полупроводниковых диодах // Письма в ЖТФ. Т. 9. Вып. 7. 1984. С. 435–438.
3. Афанасьев А.В., Демин Ю.А., Иванов Б.В. и др. Высоковольтный миниатюрный карбидокремниевый источник наносекундных импульсов для генерации рентгеновского и микроволнового излучений // Нано- и микросистемная техника. № 2 (151). 2013. С. 30–32.
4. Афанасьев А.В., Иванов Б.В., Ильин В.А. и др. Исследование процессов переключения карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением // Электроника и микроэлектроника СВЧ. Т. 2. № 1. 2015. С. 215–219.
5. Михайлов А.И., Афанасьев А.В., Ильин В.А. и др. Особенности вольт-амперных характеристик и МДП-структур SiO2/4H-SiC с имплантированным в карбид кремния фосфором // Физика и техника полупроводников. Т. 50. Вып. 1. 2016. С. 103–105.
6. Григорьев А.Д, Иванов А.С., Ильин В.А. и др. Проектирование лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов // Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. Вып. 4 (327). 2015. С. 28–34.
7. Кузнецова М.А., Лучинин В.В. Формирование карбидокремниевых автоэмиссионных острий методом остросфокусированного ионного пучка. Нано- и микросистемная техника, № 12 (149). 2012. С. 35–40.
8. Афанасьев А.В., Ильин В.А., Коровкина Н.М. и др. Особенности технологии и свойств фотодетекторов на основе структур "металл – пористый карбид кремния" // ПЖТФ. Т. 31. № 15. 2005. С.1–6.
ЭКБ силовой импульсной
высоковольтной электроники
В современной зарубежной полупроводниковой индустрии карбид кремния прочно занял нишу материала силовой высоковольтной электроники. В отечественной практике также декларируется появление карбидокремниевых силовых модулей, однако до сих пор базовые электронные компоненты являются заимствованными из-за рубежа, поэтому данные конструктивно-технологические решения нельзя признать импортозамещающими.
Применительно к созданию реальной собственной карбидокремниевой ЭКБ следует отметить ОКР, реализуемую по заказу Минпромторга РФ, "Разработка и освоение производства линии коммутирующих элементов с наносекундными и пикосекундными временами переключения и рабочими напряжениями 30–3 000 В" (шифр "Аппарат 10"). Базовая конструкторско-технологическая разработка была выполнена в Центре микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ (ЛЭТИ), а основным результатом работы является организация в России на базе ОАО "Светлана" серийного выпуска приборов силовой высоковольтной электроники на карбиде кремния.
Дрейфовые диоды с резким восстановлением (ДДPB, DSRD – drift step recovery diodes), предложенные группой советских ученых ФТИ им. А.Ф.Иоффе [1] и реализованные впервые на кремнии, до настоящего времени являются наиболее быстрыми полупроводниковыми ключами. Время переключения определяется процессами, происходящими в базе диода, где формируется электронно-дырочная плазма, и зависит в первую очередь от толщины базы и насыщенной скорости дрейфа основных носителей заряда. Для реализации высоковольтного сильноточного импульсного режима переключателя важны также такие параметры материала, как пробивная напряженность электрического поля, уровень легирования и распределение примесей в базе, а также время жизни неравновесных носителей заряда в базе диода. Последнее связано с тем, что при короткой импульсной двусторонней инжекции в базу носители не успевали бы рекомбинировать до момента их выведения из базы при переключении.
По комплексу вышеуказанных параметров, ширине запрещенной зоны и, безусловно, теплопроводности, определяющей тепловые преимущества материала и, как следствие, повышение тактовой частоты следования импульсов, карбид кремния более чем на порядок превосходит кремний и уступает только алмазу.
Образцы ДДPB, созданные по эпитаксиальной технологии n+-p-p+ (рис.1) и реализованные с двумя видами защиты от пробоя (траншейного и мезаструктурного типов) имеют рабочие напряжения до 2 кВ и субнаносекундные времена переключения (600–900 пс) при скорости нарастания импульса напряжения (dU/dt) 3–5 В/пс. Прямое падение напряжения на диодной структуре не превышает 3 В, а обратный ток при площади чипа 4 мм2 находится на уровне 10–8 А. Увеличение рабочих напряжений более 10 кВ достигается формированием высоковольтной сборки при сохранении субнаносекундных времен переключения прибора [2].
ЭКБ силовой транзисторной электроники
Значительной вехой в развитии отечественной технологии полупроводникового SiC стало создание в СПбГЭТУ полевого транзистора с изолированным затвором (MOSFET) на карбиде кремния как базового усилительного элемента ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации.
В краткосрочной перспективе силовые МДП-транзисторы на карбиде кремния политипа 4H способны занять свою нишу в области силовых электронных систем благодаря сочетанию высоких рабочих напряжений пробоя, низкого сопротивления активной области, высокой плотности коммутируемой мощности и низких потерь при переключении, а также достаточно высоких рабочей частоты и температуры эксплуатации.
Сечение спроектированного и реализованного вертикального МДП-транзистора изображено на рис.1а. Активной частью прибора является низколегированный n–cлой со сформированными в нем p-, n+- и p+-областями. Область p+ выполняет роль контакта к p-области и формируется для выравнивания потенциала между p+-областью и истоком (И) для нейтрализации паразитного n-p-n-транзистора. В открытом состоянии, когда на затвор (З) приложено положительное напряжение относительно истока, ток протекает через контакт к истоку, n+-область, канал транзистора, J-FET-область, ограниченную двумя p-n-переходами, низколегированную дрейфовую область, высоколегированную подложку и контакт к стоку (С).
Ячейка транзистора имеет гексагональную форму (рис.1b) с длиной канала 1 мкм и J-FET-областью шириной 3 мкм, а ширина области перекрытия затвора и n+-области истока составляет 1 мкм. Транзистор сформирован из массива гексагональных ячеек и "плавающих" колец по периметру прибора, обеспечивающих плавный градиент напряженности поля на периферии, что позволяет избежать поверхностного пробоя.
Ключевой проблемой при создании быстродействующего силового МДП-транзистора на 4Н карбиде кремния с низким сопротивлением канала являются электрические свойства подзатворного диэлектрика и границы раздела 4H-SiC/SiO2, ухудшающие рабочие характеристики прибора [3].
Силовой МДП-транзистор на карбиде кремния (рис.1c) создан на низколегированном эпитаксиальном слое толщиной 11 мкм с концентрацией азота около 7 · 1015 см–3, выращенном на коммерческой высоколегированной 4-дюймовой SiC (0001) подложке n-типа с углом разориентации 4°. P-область глубиной 1 мкм с прямоугольным профилем распределения примеси с концентрацией алюминия 1 · 1018 см–3 была сформирована методом ионной имплантации. Аналогичным образом были имплантированы n+- и p+-области глубиной 220 и 300 нм с концентрацией фосфора и алюминия 6 · 1019 см–3 и 1 · 1020 см–3 соответственно.
Подзатворный диэлектрик получен нанесением двуслойной системы нитрида кремния (5 нм) и диоксида кремния (45 нм) методом плазмохимического газофазного осаждения (PECVD) c последующим окислением в атмосфере сухого кислорода при температуре 1 150°С в течение 1 ч. Легированный фосфором поликремниевый затвор толщиной 450 нм сформирован методом химического газофазного осаждения при пониженном давлении (LPCVD).
Анализ базовых характеристик созданных транзисторных структур (рис.2) показал, что напряжение включения транзистора составляет 1,8 В (Vds = 2 В, Ids = 10 мкА), а сопротивление транзистора во включенном состоянии Rds spec(on) при комнатной температуре, вычисленное из наклона выходных характеристик при Vgs = 20 В, составляет 29 мОм · см2. Плотность коммутируемого тока при комнатной температуре превышает 120 А/см2 при Vds = 5 В.
Пробивное напряжение транзистора при комнатной температуре составило 900 В. Его повышение возможно за счет увеличения количества "плавающих" колец для создания плавного градиента потенциала на периферии прибора и соответствующего увеличения толщины и уменьшения концентрации примеси в дрейфовой области. Результаты сопоставительного анализа основных характеристик созданного карбидокремниевого МДП-транзистора с аналогами представлены на рис.3.
Следует отметить, что в настоящее время силовые МДП-транзисторы на SiC имеют гораздо более низкое сопротивление во включенном состоянии, чем кремниевые аналоги, однако существует ряд проблем, существенно ограничивающих дальнейшее уменьшение их сопротивления, в частности, низкая подвижность носителей заряда, которая преимущественно обусловлена высокой плотностью поверхностных состояний на границе раздела 4H-SiC/SiO2. Низкая подвижность носителей заряда в канале транзистора также приводит к существенному ограничению его рабочего диапазона частот.
ЭКБ автоэмиссионной
высокочастотной электроники
Современный этап развития ЭКБ характеризуется возрождением вакуумной микро- и наноэлектроники с целью достижения сверхвысоких частот гига- и терагерцового диапазона, обеспечения высокого "произведения генерируемой мощности на частоту" в лампах миллиметрового и субмиллиметрового диапазона частот, решения задач коммутации и генерации в сверхкороткоимпульсной электронике и рентгеновской технике. Для вакуумной автоэмиссионной электроники также характерна радиационная и температурная стойкость.
Важнейшим элементом вакуумного прибора является источник электронов. Эффективные катоды с полевой эмиссией до настоящего времени являются предметом интенсивных исследований. Карбид кремния может быть отнесен к перспективным материалам автоэмиссионной электроники, в первую очередь, благодаря экстремальным значениям критической напряженности поля лавинного пробоя, теплопроводности и механической прочности. Дополнительными достоинствами SiC следует считать его устойчивость к химическим и радиационным воздействиям.
Данные обстоятельства позволили прогнозировать создание на основе карбида кремния микрокатодов с полевой эмиссией, сочетающих высокую плотность тока эмиссии, стабильность эмиссионных характеристик и приемлемые невысокие значения напряженности электрического поля начала эмиссии.
В рамках проведенного комплекса исследований и разработок были предложены и реализованы четыре технологических маршрута создания автоэмиссионных структур на карбиде кремния:
• формирование автоэмиссионных остриев методом остро сфокусированного ионного пучка (рис.4a);
• формирование топологически упорядоченных массивов автоэмиссионных остриев методом реактивного ионно-плазменного травления с металлическим катализатором (рис.4b);
• формирование топологически упорядоченных двухуровневых автоэмиссионных микроразмерных матриц пьедесталов с наноразмерными остриями по двухстадийной технологии, сочетающей процессы фотолитографии, реактивного ионно-плазменного травления и микромаскирования катализатором (рис.4c);
• формирование гетероструктурных двухстадийных матриц автоэмиттеров на основе карбида кремния и нанокристаллического алмаза (рис.4d).
Основой всех автоэмиссионных структур являлись монокристаллы подложки 6H-SiC n-типа с удельным сопротивлением 0,05 Ом · см. Обобщая совокупность полученных результатов, подробно изложенных в работах [4–5], следует отметить, что в настоящий момент можно констатировать устойчивую реализацию на базе SiC микрокатодов с полевой эмиссией со следующими базовыми параметрами:
• напряжения начала эмиссии 10–15 В/мкм;
• плотность тока эмиссии до 10 А/см2;
• плотность автоэмиссионных остриев 5 · 108 см–2;
• устойчивость работы в вакууме от 10–6 до 10–9 мм рт. ст.
Особого внимания заслуживают результаты формирования гетероструктурных катодов "карбид кремния – алмаз" [6], которые показали при росте напряжения начала эмиссии повышение ее стабильности во времени. Кроме того, данная гетерокомпозиция, сочетающая материалы со значительным отличием ширины запрещенной зоны, может рассматриваться как базовая структура для твердотельных автоэмиссионных приборов, не использующих вакуум, который создает определенные сложности при корпусировании.
ЭКБ ультрафиолетовой оптоэлектроники
Благодаря высокому практическому интересу к оптоэлектронным приборам ультрафиолетового диапазона, который проявлялся на протяжении многих десятилетий, к началу 21 века сформировалось направление ультрафиолетовой фотоэлектроники.
Очевидно, что фотоприемные устройства для УФ-области спектра должны обладать малыми темновыми токами, высокими чувствительностью и быстродействием, а также стабильностью эксплуатационных параметров. В настоящее время базовыми материалами УФ-фотометрии являются карбид кремния, нитриды галлия, алюминия и их твердые растворы. На их основе разработаны и доступны на рынке изделия опто-электроники: фотоприемники, работающие в диапазоне длин волн от 180 до 400 нм. Несмотря на то, что приоритетными материалами ультрафиолетовой фотоэлектроники являются GaN и AlN-GaN, карбид кремния занимает свою устойчивую нишу в таких областях, как:
• высокотемпературная УФ-фотоэлектроника;
• контроль излучения мощных УФ-эксимерных лазеров, УФ-ламп и других источников (известно, что фотодетекторы на основе SiC и алмаза наиболее стабильны к длительной засветке УФ-излучением);
• регистрация бактерицидного УФ-излучения;
• контроль возгорания, детекторы пламени, датчики электрической искры.
В настоящее время наиболее популярными типами УФ-фотоприемников на основе карбида кремния являются фотодиоды с мелким p-n-переходом и диоды с барьером Шоттки. На кафедре МНЭ СПбГЭТУ разработаны образцы таких фотоприемных структур. В основе конструкции вышеуказанных фотодетекторов лежат эпитаксиальные структуры 4H-SiC, полученные методом газофазной эпитаксии карбида кремния на подложках n+ 4H-SiC диаметром 76–100 мм, с удельным сопротивлением не более 0,025 Ом · см, толщиной 350 мкм и отклонением от направления 0001 – 4°. При этом количество слоев, их толщины, типы проводимости и концентрации легирующей примеси определяются типом фотоприемной структуры. В то же время толщины и уровни легирования базовых областей выбирались из расчета на максимальные рабочие напряжения Uобр. ≤ 15 В, при которых обеспечивается полное обеднение n (p)-слоев, то есть ширина области пространственного заряда W будет равна толщине эпитаксиального слоя d (1).
Фотодетекторы на основе диода с барьером Шоттки выполнены в виде вертикальной структуры со сплошным полупрозрачным электродом или с электродом сетчатого типа. Изготовление такого типа УФ-фотоприемника предусматривает использование 4H-SiC эпиструктуры типа n-n+ с эпитаксиальным слоем толщиной d = 5 мкм и уровнем легирования азотом 6–7 · 1014 см–3.
Изготовленные образцы фотоприемников с барьером Шоттки Ni-SiC характеризуются высотами потенциального барьера 1,20–1,25 эВ, а структуры Pt-SiC – 1,00–1,05 эВ. Для всех типов структур обратные темновые токи при напряжениях от 0,5 до 1 В не превышали 50 пА. По результатам вольт-фарадных измерений установлено, что насыщение C-U характеристик наступает при напряжениях Uобр. ≥ 8 В, что соответствует полному обеднению базовой области фотоприемника.
Фотоприемники на основе диодов с p-n-переходом выполнены в виде вертикальных мезаэпитаксиальных структур типа p+-n-n+ и p+-p-n+. В зависимости от типа проводимости активного базового слоя высота мезы варьировалась. Так, при использовании структуры типа p+-n-n+ глубина травления SiC методом реактивного ионно-плазменного травления РИПТ должна была быть больше толщины p+ эмиттерной области. Материалами омических контактов к низкоомным областям n+-SiC и p+-SiC являлись композиции металлов Ti/Ni и Al/Ti/Ni соответственно.
Установлено, что прямые ветви ВАХ структур p+-p-n+ и p+-n-n+ не отличаются. Практически во всех случаях напряжение открытия p-n-структур составило 2,5 В.
Фотоэлектрические свойства образцов исследовались в спектральном диапазоне 200–500 нм. Все измерения проводились в режиме короткого замыкания, а для фотодиодов на основе p+-p-n+-структур – в фотодиодном режиме до Uобр. = 10 В. На рис.5 приведены спектральные характеристики 4H-SiC фотоприемных структур, а также для сравнения представлена спектральная характеристика коммерческого 4H-SiC фотодиода SG01D-18.
Для фотоприемника типа p+-n-n+ на длине волны 295 нм наблюдается максимум фоточувствительности S = 0,138 А/Вт. При этом, максимальное значение чувствительности фотоприемника SG01D-18 приходится также на 295 нм и составляет 0,13 А/Вт.
Заключение
В рамках развития научных исследований и прототипирования образцов новой конкурентоспособной карбидокремниевой элементной базы в 2016 году планируется завершить создание на базе СПбГЭТУ "ЛЭТИ" полной технологической линии изготовления следующих видов приборов:
• силовая электроника (диоды с барьером Шоттки, импульсные высоковольтные ДДРВ-диоды и МДП-транзисторы);
• высокочастотная электроника (вакуумный диод с полевой эмиссией; вакуумный диодный обостритель, автоэмиссионный ограничитель электромагнитного излучения, фотопроводящие антенны ТГЦ-диапазона, плазменные антенны);
• оптоэлектроника (датчики жесткого УФ-излучения для экстремальных условий эксплуатации);
• микросистемная техника (мощные высокочастотные микромеханические ключи).
Создаваемая технологическая линия должна обеспечить замкнутый цикл от роста кристаллов и создания эпитаксиальных структур до формирования в рамках планарной интегрально-групповой технологии пластин с кристаллами – чипами.
Концентрация знаний, инфраструктурных и кадровых ресурсов для реализации амбициозных проектов, направленных на создание конкурентоспособной национальной инновационной среды в области карбидокремниевой электроники, позволяет прогнозировать их развитие с реализацией в СПбГЭТУ концепции "экономики знаний". Учитывая актуальность указанной проблематики и имеющийся в СПбГЭТУ высокий уровень компетенций по указанному комплексу направлений, предполагается дальнейшее развитие системы национальной и международной кооперации для формирования в России карбидокремниевой индустрии и ее профессионально ориентированного кадрового обеспечения.
Общие прогрессивные тенденции в технологии карбида кремния как базового материала ЭКБ для экстремальных режимов и условий эксплуатации отражает рис.6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лучинин В.В., Таиров Ю.М. Гетероэпитаксиальная композиция: редкий политип карбида кремния 2Н на изолирующей подложке: нитрид алюминия – сапфир // Письма в ЖТФ. Т. 10. Вып. 14. 1984. С. 873–875.
2. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф. Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на полупроводниковых диодах // Письма в ЖТФ. Т. 9. Вып. 7. 1984. С. 435–438.
3. Афанасьев А.В., Демин Ю.А., Иванов Б.В. и др. Высоковольтный миниатюрный карбидокремниевый источник наносекундных импульсов для генерации рентгеновского и микроволнового излучений // Нано- и микросистемная техника. № 2 (151). 2013. С. 30–32.
4. Афанасьев А.В., Иванов Б.В., Ильин В.А. и др. Исследование процессов переключения карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением // Электроника и микроэлектроника СВЧ. Т. 2. № 1. 2015. С. 215–219.
5. Михайлов А.И., Афанасьев А.В., Ильин В.А. и др. Особенности вольт-амперных характеристик и МДП-структур SiO2/4H-SiC с имплантированным в карбид кремния фосфором // Физика и техника полупроводников. Т. 50. Вып. 1. 2016. С. 103–105.
6. Григорьев А.Д, Иванов А.С., Ильин В.А. и др. Проектирование лампы бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов // Электронная техника. Серия 1. СВЧ-техника. Вып. 4 (327). 2015. С. 28–34.
7. Кузнецова М.А., Лучинин В.В. Формирование карбидокремниевых автоэмиссионных острий методом остросфокусированного ионного пучка. Нано- и микросистемная техника, № 12 (149). 2012. С. 35–40.
8. Афанасьев А.В., Ильин В.А., Коровкина Н.М. и др. Особенности технологии и свойств фотодетекторов на основе структур "металл – пористый карбид кремния" // ПЖТФ. Т. 31. № 15. 2005. С.1–6.
Отзывы читателей
