А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, А. В. Корляков, А. О. Лебедев, В. В. Лучинин, Ю. М. Таиров

КАРБИД КРЕМНИЯ.

ВКЛАД СПбГЭТУ «ЛЭТИ». ПРИЗНАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Обеспечение технологической независимости и конкурентоспособности России по критическим технологиям требует развития отечественных материалов для электронной компонентной базы нового поколения с ранее недостижимыми режимами и условиями эксплуатации. Технология карбида кремния– визитная карточка Санкт-Петер- бургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ».

Данная статья отражает вклад старейшего в стране вуза и, в частности, кафедры микро- и наноэлектроники, в современный технологический облик этого уникального материала, синтезируемого из абсолютно доступных для человека элементов: кремния и углерода. Признанием роли ЛЭТИ в формировании отечественной технологической культуры карбида кремния является решение корпорации«РОСНАНО» от 10.07.2011 о финансировании представленного университетом проекта «Организация производства объемных монокристаллов карбида

кремния и эпитаксиальных структур на его основе для электронной компонентной базы нового поколения».

Карбид кремния – наноструктурно-зависимое семейство материалов

В терминологии рубрикатора корпорации«РОСНАНО» карбид кремния может быть отнесен к наноматериалам, «макроскопические свойства которых определяются размерами и/или взаимным расположением элементов» [1].

Свойства карбида кремния зависят от порядка чередования наноразмерых элементов (слоев). Он представляет собой слоистый материал с характерными размерами фрагментов порядка постоянной решетки. Иными словами: его кристаллическая структура представляет собой слоистую сверхструктуру, построенную из элементарных слоев трех типов: A, B и С (рис. 1), отличающихся друг от друга кристаллической упаковкой в пределах одного слоя. Период повторения после-

50

довательности слоев может варьироваться от десятков ангстрем до десятка нанометров, что обеспечивает формирование слоистых сверхрешеток, макроскопические свойства которых зависят от взаимного расположения слоев и периода их повторения (трансляции).

В результате этого при синтезе карбида кремния формируется ряд индивидуальных слоистых структурных модификаций, называемых политипами (3С, 2Н, 4Н, 6Н, 21R), которые отличаются по характеристикам: электрофизическим (ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда); оптическим (коэффициент поглощения, коэффициент преломления); химическим (скорость окисления, скорость диффузии примесей) (рис. 2).

Рис. 1. Структурное упорядочение семейства естественных сверхрешеток SiC:

а– виды упаковок А, В, С – в пределах слоя;

б– вид элементарных ячеек основных слоистых модификаций

51

Карбид кремния, в рамках единой химической формулы (SiС) интегрирует целое семейство материалов, являясь наноструктурированным слоистым полупроводником, макроскопические свойства которого зависят от взаимного расположения слоев, то есть последовательности их чередования и периода трансляции [2].

Разработанные процессы целенаправленного синтеза определенных слоистых композиций на основе кремния и углерода позволяют получать наноупорядоченный карбид кремния с заданной последовательностью чередования слоев и периодом их повторения, что обеспечивает возможность создания материала с заданными свойствами(например, с высокой подвижностью носителей заряда, имеющей место у политипа 4Н), пригодного для решения конкретных задач.

DЭ, эВ

а 3,2 2,8 2,4

Лmax , мкм

0,58

б

0,56

0,54

X p-n 6H

, о. е.

d, мкм

Рис. 2. Влияние изменения метрической протяженности периода повторения нанослоевых композиций SiC на свойства материала: а – на ширину запрещенной зоны; б – на положение спектрального максимума люминесценции SiC, легированного бором;

в– на глубину залегания p–n-перехода; г – на толщину слоя термического окисла на грани (0001) карбида кремния

52

В основе разработанных процессов управления политипией -ле жит критерий управления протяженностью слоевой структурыSiC в зависимости от условий синтеза[3], базисом которого является кинетическая зависимость неравновесных процессов упорядочения от скорости поступления вещества на поверхность роста, температуры и методов подготовки поверхности подложки-затравки, а также от основного и примесного состава ростовой среды. Данный критерий позволил определить условия управляемого синтеза промышленно значимых структурных модификаций SiC и целенаправленно получить их синтетические композиции – как слоевые, так и латеральные, т. е. расположенные в плоскости подложки-затравки (рис. 3).

Рис. 3. Управляемый рост определенных политипных структур SiC

по заданной топологии. Представлены люминесцентные топограммы латерально упорядоченных композиций в слое структурных модификаций 4Н и 6Н

На основе карбида кремния также возможно формировать гетероструктуры в виде сочетания различных модификацийSiC – кубических и гексагональных: 3С–2Н, 3С–6Н. Кроме того, возможны гетероструктурные нанокомпозиции карбида кремния с нитридом алюминия и нитридом галлия [4], а также с кремнием – хорошими «партнерами» с кристаллохимической и термомеханической точек зрения.

Следует также отметить, что последние исследования указывают на возможность стимулированного подложного матричного устойчивого псевдоморфного синтеза других структурных модификаций нит-

53

Рис. 4. Сравнительная характеристика основных параметров AlN, GaN, Si и SiC

54

55

Данные особенности материалов внимательно изучаются исследователями и разработчиками приборов . В области силовой (в том числе и быстродействующей) электроники наибольший интерес представляют эпитаксиальные структуры на основе карбида кремния.

В СВЧ-электронике повышенной мощности доминируют композиции GaN/AlN/SiC. В оптоэлектронике лидируют структурыGaAlN/SiC, обеспечивающие работу в УФ-области спектра. Для микросистемной техники важны такие свойства SiC, как твердость и теплопроводность, а также наличие пъезоэффекта у кристаллохимически совместимого с SiC нитрида алюминия.

Конечный успех в создании указанной электронной компонентной базы (ЭКБ) во многом определяется успешным решением проблемы подложки, к которой могут предъявляться различные требования, но главным среди них остается стоимость.

Выделим ряд технических требований, предъявляемых к SiCподложкам и определяющих эффективность создания на их основе широкой номенклатуры ЭКБ:

–диаметр 50,8 … 101,6 мм;

–толщина 350 ± 50 мкм;

–структурная политипная однородность 4Н или 6Н;

–удельное сопротивление 10–3…1012 Ом · см;

–тип проводимости n-(азот), p-(алюминий, бор);

–плотность дислокаций < 103 см–2;

–плотность микропор < 5 см–2.

Дополнительные требования к подложке могут выдвигаться в -от ношении качества ее предэпитаксиальной подготовки, с учетом реализа-

ции процессов эпитаксии SiC или соединений Me3N5, которые осуществляются, как правило, методом CVD, т. е. осаждением из газовой фазы или MBE, т. е. молекулярной эпитаксией в глубоком вакууме. В настоящее время при выполнении определенной совокупности вышеуказанных требований стоимость подложкиSiC составляет не менее 100 долларов США за 1 кв. дюйм.

56