1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
  4. № 4, 2021

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 4, стр. 36-40

Роль низкотемпературного отжига в модифицировании карбида кремния пучками заряженных частиц

В. В. Козловский a, *, А. Э. Васильев a, **, А. А. Лебедев b, ***

a Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
195251 Санкт-Петербург, Россия

b Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
194021 Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: kozlovski@physics.spbstu.ru
** E-mail: electronych@mail.ru
*** E-mail: shura.lebe@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 30.06.2020
После доработки 22.08.2020
Принята к публикации 25.08.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследовано влияние низкотемпературного отжига на вольт-фарадные и вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов на основе карбида кремния, облученных электронами с энергией 0.9 МэВ и протонами с энергией 15 МэВ. Использовались коммерческие высоковольтные (блокирующее напряжение 1700 В) интегрированные 4H-SiC диоды Шоттки. Впервые установлено, что при обоих видах использованного облучения в n-SiC вводятся не только термически стойкие широко известные радиационные дефекты Z1/Z2 и EH6/7, компенсирующие электропроводимость n-SiC. Но и вторая группа радиационных дефектов, также создающих глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника, но отжигающихся при сравнительно низких (400°С) температурах.

Ключевые слова: протонное и электронное облучение, радиационный дефект, флуенс электронов, карбид кремния, изохронный отжиг.

ВВЕДЕНИЕ

Термическая стабильность радиационных дефектов (РД) в полупроводниках является важнейшим и часто лимитирующим фактором в модифицировании материалов за счет введения любых радиационных дефектов – инженерии радиационных дефектов (Radiation Defect Engineering) [1–3]. Для карбида кремния (SiC) долгое время эта тема считалась недостаточно актуальной, т.к. основные радиационные дефекты Z1/Z2 и EH6/7 отжигаются при температурах ~1000°С [4–7]. Однако в последнее время стали появляться сообщения, свидетельствующие о некой низкотемпературной нестабильности радиационных дефектов, в частности введенных в политип 4H-SiC (CVD) при облучении быстрыми электронами и протонами [8–12].

Целью настоящей работы является исследование влияния низкотемпературного отжига радиационных дефектов на параметры карбид-кремниевых диодов Шоттки, облученных электронами и протонами МэВ-ных энергий.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В работе проводили облучение коммерческих диодов Шоттки (ДШ) производства компании CREE (CPW3-1700SO10) [13]. Исходная концентрация нескомпенсированных доноров (Nd – Na) в n-базе ДШ составляет ~(3–4) × 1015 см–3. Облучение электронами с энергией 0.9 МэВ проводили на ускорителе РТЭ-1В (resonant transformer accelerator). Облучение протонами с энергией 15 МэВ выполнялось на малогабаритном циклотроне MGTs-20 [14]. Изохронный отжиг проводили в вакууме в диапазоне температур 100–600°С в течение 30 мин. В ходе исследований измерялись вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики. Из вольт-фарадных характеристик (ВФХ) определяли концентрацию нескомпенсированных доноров. Измерения C–V-характеристик проводили при частоте 1 MHz. Для удобства измерений ВАХ и ВФХ мы использовали сравнительно небольшие экспозиционные дозы (флуенсы) облучения. Флуенсы выбирали таким образом, чтобы при известной скорости удаления доноров [15, 16] скомпенсировать от одной трети до половины от исходной концентрации доноров.

Для облучения отбирались диоды, характеризующиеся близкой к идеальной I–V-характеристикой при прямом смещении, а именно, экспоненциальной (до области влияния последовательного сопротивления диода) прямой вольт-амперной характеристикой: I = I0 exp(qU/βkT), с коэффициентом идеальности β ≈ 1.02–1.04 и током утечки при малых обратных напряжениях ~10–13–10–12 A. Здесь q – элементарный заряд, k – постоянная Больцмана.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Эксперимент показал, что обычное хранение образцов в течение трех лет (“отжиг при комнатной температуре”) не приводит к деградации характеристик облученных образцов. Начальные изменения характеристик образцов, облученных электронами, мы наблюдали, начиная с температур отжига 150°С. Для образцов, облученных протонами, граничная температура отжига была примерно на 100 градусов выше.

Вольт-фарадные характеристики

На рис. 1 представлены ВФХ облученных электронами флуенсом 2 × 1016 см–2 диодов после отжига при различных температурах. Как видно из рис. 1, отжиг реально начинает проявляться при Тотж > 150°С. При повышении Тотж до 400°С низкотемпературный отжиг завершается. Дальнейший рост температуры отжига до 600°С не приводил к изменениям ВФХ. Изменения ВФХ связаны с уменьшением концентрации доноров в слаболегированной базе диодов. Уменьшение концентрации доноров происходит за счет захвата свободных электронов из зоны проводимости на глубокие уровни радиационных дефектов, созданных облучением.

Рис. 1.

Зависимость обратных вольт-фарадных характеристик облученных электронами флуенсом 2 × × 1016 см–2 диодов от температуры отжига (°С): 2 – 400, 3 – 300, 4 – 185, 5 – 150, 6 – 100, 7 – 20. Кривая 1 – ВФХ необлученного диода.

На рис. 2 представлены результаты сравнения влияния отжига (400°С, 30 мин) на ВФХ образцов, облученных протонами и электронами. Данные измерений, представленные на рис. 1 и 2, мы пересчитали в концентрацию доноров и концентрацию компенсирующих радиационных дефектов. Концентрация радиационных дефектов оценивалась как разница концентраций доноров до и после соответствующего радиационно-термического воздействия (табл. 1 ).

Рис. 2.

Обратные вольт-фарадные характеристики образцов до (1) и после облучения протонами (4) и электронами (5). Отжиг (400°С, 30 мин) образцов, облученных протонами (3) и электронами (2).

Таблица 1.  

Влияние радиационно-термических воздействий на основные параметры экспериментальных образцов

Вид радиационно-термического воздействия Концентрация доноров, см–3 Концентрация радиационных дефектов, см–3 Коэффициент идеальности
Необлученный образец N0 = 3.4 × 1015 0 1.02
Необлученный образец 1.6 × 1015 1.8 × 1015 1.04
Облучение протонами (флуенс 4 × 1013 см–2)* 2.2 × 1015 1.2 × 1015 1.03
Отжиг после протонного облучения (400°C, 30 мин) 1.1 × 1015 2.3 × 1015 1.04
Облучение электронами (флуенс 2 × 1016 см–2)*   3 × 1015 0.4 × 1015 1.03

Скорость удаления доноров ηe после облучения оценивалась по стандартной формуле:

(1)
${{\eta }_{e}} = {{({{N}_{0}} - {{N}_{1}})} \mathord{\left/ {\vphantom {{({{N}_{0}} - {{N}_{1}})} {F,}}} \right. \kern-0em} {F,}}$
где N0, N1 – концентрации доноров в эпитаксиальном слое до и после облучения соответственно; F – флуенс облучения. Используя данные табл. 1, мы оценили ηe для обоих видов облучений, используемых в настоящей работе. Для электронов с энергией 0.9 МэВ ηe составила 0.115 см–1; для протонов с энергией 15 МэВ – 45 см–1. Можно считать, что протонное облучение примерно в 400 раз эффективнее электронного облучения в плане введения глубоких ловушек и компенсации электропроводимости материала.

Согласно данным табл. 1, нагрев при температуре 400°С в течение 30 мин приводит к отжигу примерно (2.3 – 0.4)/2.3 = 83% введенных электронным облучением радиационных дефектов. Аналогичный нагрев образцов, облученных протонами, приводит к отжигу только (1.8 – 1.2)/1.8 = = 33% введенных радиационных дефектов. Важно отметить, после вышеуказанного отжига концентрация радиационных дефектов составляет 1.2 × × 1015 см–3. Одновременное же воздействие такого же протонного облучения и такой же температуры 400°С (“горячее” протонное облучение), как следует из работы [18], приводит к образованию значительно меньшего количества радиационных дефектов – 0.36 × 1015 см–3. Трехкратное различие в концентрации РД показывает, что горячее облучение далеко неэквивалентно холодному облучению с последующим отжигом.

Для сравнения наших результатов с работами [10, 23], в которых используется не экспозиционная доза F (флуенс), а поглощенная доза энергии D, напомним стандартную формулу пересчета [11, 17]:

(2)
$D = ({1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 \rho }} \right. \kern-0em} \rho })({{dE} \mathord{\left/ {\vphantom {{dE} {dx}}} \right. \kern-0em} {dx}})F,$
где ρ – плотность вещества, (dE/dx) – линейные потери энергии бомбардирующих частиц. Для случая облучения SiC электронами с энергией 0.9 МэВ формула (2) приобретает вид [11, 17]:
(3)
${{D}_{е}}({\text{Грэй}}) = 2.5 \times {{10}^{{ - 10}}}{{F}_{е}}({\text{электрон}}\,\,\cdot\,\,{\text{с}}{{{\text{м}}}^{{ - 2}}}).$
Для облучения протонами с энергией 15 МэВ [11, 17]:
(4)
${{D}_{р}}({\text{Грэй}}) = 4 \times {{10}^{{ - 9}}}{{F}_{р}}({\text{протон}}\,\,\cdot\,\,{\text{с}}{{{\text{м}}}^{{ - 2}}}).$
В работе [10, 23] указывается, что концентрация радиационных дефектов в SiC после облучения электронами с энергией 1.05 МэВ дозой 500 кГр составляет 3 × 1015 см–3 . Согласно формуле 2а вышеуказанная поглощенная доза соответствует флуенсу 2 × 1016 cм–2. При меньшей энергии электронов, используемых в настоящей работе (0.9 МэВ), образующаяся концентрация радиационных дефектов (табл. 1 ) также немного уменьшается и составляет 2.3 × 10–15 см.

Вольт-амперные характеристики

Согласно экспериментальным данным, облучение как протонами, так и электронами слабо влияет на зависимость прямого тока от напряжения на экспоненциальном участке зависимости вольтамперной характеристики. Коэффициент идеальности β остается в пределах ≈1.02–1.04.

На рис. 3 показаны вольтамперные характеристики диодов при больших прямых смещениях, когда большая часть приложенного напряжения падает на базе прибора (квазилинейные вольтамперные характеристики). Как видно из рисунка, в области больших прямых смещений облучение (кривые 4 и 5) приводит к существенному возрастанию дифференциального сопротивления базы Rs. При исходном значении Rs ~ 0.3 Ом (при токе 1 А) после облучения протонами флуенсом F = 4 × × 1013 см–2 значение Rs увеличивается приблизительно в 2.5 раза до ~0.75 Ом. Уменьшение концентрации свободных электронов в 2.5 раза после протонного облучения хорошо коррелирует с уменьшением концентрации нескомпенсированных доноров, полученных из ВФХ и представленных в таблице. Эта корреляция подтверждается и в случае электронного облучения. Здесь Rs после электронного облучения увеличивается примерно в 3.3 раза (от 0.3 до 1.0 Ом). Значения Rs облученных диодов после нагрева до 400°С в течение 30 мин показывают, что в облученных протонами образцах отжигается до около 30% радиационных дефектов, а в образцах, облученных электронами – больше 80%.

Рис. 3.

Прямые вольт-амперные характеристики образцов до (1) и после облучения протонами (4) и электронами (5). Отжиг (400°С, 30 мин) образцов, облученных протонами (3) и электронами (2).

Полученные в настоящей работе результаты требуют некоторого пересмотра сложившейся картины радиационного дефектообразования в n-SiC [19, 20]. Действительно, как и раньше можно считать, что основные радиационные дефекты, обуславливающие компенсацию проводимости n-SiC, связаны с компонентами пары Френкеля ПФ (вакансия и междоузельный атом) только в одной из подрешеток SiC, а именно – в углеродной [21, 22]. При облучении первичные ПФ частично избегают рекомбинации и разделяются на отдельные компоненты. Раньше считалось, что эти компоненты входят в состав только известных термически стойких Z1/Z2 и EH6/7 дефектов, создающих в запрещенной зоне n-SiC глубокие акцепторные уровни Ec – 0.65 эВ и Ec – 1.55 эВ соответственно [19–23]. Захват электронов на эти уровни приводит к росту удельного сопротивления базы. Теперь необходимо признать, что при облучении образуется и вторая группа радиационных дефектов с глубокими акцепторными уровнями, но термически нестабильных. При электронном облучении эта группа термически нестабильных дефектов составляет практически 80% от общего количества РД, а при протонном облучении – порядка 30%. Необходимо отметить, что вышеуказанные соотношения справедливы для образцов, облученных дозами, не приводящими к полной компенсации проводимости материала. Для сильно компенсированного n-SiC низкотемпературный отжиг, возможно, будет иметь свои особенности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований было установлено, что низкотемпературный (400°С) отжиг приводит к частичному восстановлению ВАХ и ВФХ облученных диодов. Предположено, что при облучении вводится не одна, а (минимум) две группы радиационных дефектов с различной термической стойкостью. Первая группа дефектов отжигается при температурах ~1000°С, вторая группа – при температурах ~400°С При электронном облучении группа термически нестабильных дефектов составляет практически 80% от общего количества РД, а при протонном облучении – порядка 30%. Для практических целей, варьируя режимы облучения (энергия и флуенс) и отжига (температура и время), можно модифицировать выходные параметры приборов или создавать с помощью экранов и масок локальные многослойные конструкции с полуизолирующими слоями.

Список литературы

  1. Lebedev A.A. Radiation Effects in Silicon Carbide, Material Research Forum LLC, Millersville, PA 17 551, USA, V. 6 (2017)

  2. Claeys C., Simoen E. Radiation Effects in Advanced Semiconductor Materials and Devices. Berlin: Springer-Verlag, 2002. 401 p.

  3. Radiation Defect Engineering. Selected Topics in Electronics and Systems. V. 37. / Ed. Kozlovski V., Abrosimova V. Singapore: World Scientific Publ., 2005, 264 p.

  4. Kozlovski V.V., Lebedev A.A., Levinshtein M.E. et al. // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 110. P. 083503. https://doi.org/10.1063/1.4977095

  5. Ohshima T., Onoda Sh., Iwamoto N., et al. In: Physics and technology of silicon carbide devices, Ch. 16, Ed. Hijikata Y. InTech, Croatia, 2013.

  6. Emtsev V.V., Davydov V.Yu., Goncharuk I.N. et al. // Mater. Sci. Forum. 1997. V. 258–263. P. 1143.

  7. Козловский В.В., Васильев А.Э., Лебедев А.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2015. № 3. С. 22. (Kozlovski V.V., Vasil’ev A.E., Lebedev A.A. // J. Surf. Invest.: X-ray, Synchrotron Neutron Tech. 2015. V. 9. № 2. P. 231.) https://doi.org/10.1134/ S102745101502012310 https://doi.org/ 7868/S0207352815030129

  8. Castaldini A., Cavallini A., Rigutti L., Filippo N. // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. P. 3780. https://doi.org/10.1063/1.1812590

  9. Lebedev A.A., Veinger A.I., Davydov D.V. et al. // Semiconductors. 2000. V. 34. № 8. P. 861. https://doi.org/10.1134/1.1188089

  10. Hazdra P., Popelka S. // IET Power Electronics. 2019. V. 12. № 15. P. 3910. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2019.0049

  11. Козловский В.В., Васильев А.Э., Емцев В.В., Оганесян Г.А., Лебедев А.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2019. № 12. С. 20. (Kozlovski V.V., Vasil’ev A.E., Emtsev V.V., Oganesyan G.A., Lebedev A.A. // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2019. V. 13. № 6. P. 1155. https://doi.org/10.1134/S1027451019060387)https://doi.org/10.1134/S1028096019120173

  12. Li H., Liu Ch., Zhang Y. et al. // Semicond. Sci. Technol. 2019. V. 34. P. 095010. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab33c4

  13. http://cree.com/.

  14. Zakharenkov L.F., Kozlovski V.V., Shustrov B.A. // Phys. Status Solidi. A. 1990. V. 117. № 1. P. 85. https://doi.org/10.1002/pssa.2211170107

  15. Davydov D.V., Lebedev A.A., Kozlovski V.V. et al. // Physica B. Condensed Materials. 2001. V. 308. P. 641. https://doi.org/10.1016/S0921-4526(01)00775-X

  16. Kozlovski V.V., Lebedev A.A., Bogdanova E.V. // J. Appl. Phys. 2015. V. 117. P. 155702. https://doi.org/10.1063/1.4918607

  17. Lehmann Ch. Interaction of radiation with solids and elementary defect production. Amsterdam: North-Holland, 1977. 341 p.

  18. Козловский В.В., Корольков O., Давыдовская К.С. и др. // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. В. 6. С. 35. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.06.49163.18072

  19. Iwamoto N., Svensson B.G. Point Defects in Silicon Carbide. Chapter Ten In: Defects in Semiconductors Ed. Romano L., Privitera V. and Jagadish Ch. (Ser. Semiconductors and Semimetals. V. 91). Elsevier, 2015. P.369

  20. Kaneko H., Kimoto T. // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. P. 262 106. https://doi.org/10.1063/1.3604795

  21. Danno K., Kimoto T. // J. Appl. Phys. 2006. V. 100. P. 113 728. https://doi.org/10.1063/1.2401658

  22. Weidner M., Frank T., Pensl G., Kawasuso A., Itoh H., Krause-Rehberg R. // Physica. 2001. V. 308–310. P. 633.

  23. Hazdra P., Vobecky J. // Phys. Status. Solidi. A. 2019. V. 216. P. 1 900 312. https://doi.org/10.1002/pssa.201900312

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал