Полупроводниковый материал

( 9) (И) 9922 А ОБРЕТЕНИ ИСАН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Дагестанский государственный университет им. В.И.Ленина(56) Сафаралиев Г.К, и др, Критерии образования твердых растворов на основе карбидакремния. - Изв. АН СССР. Неорганическиемате риалы, 1986, т, 22, ЛЬ 11, с. 1839 - 1841. Изобретение относится к области твердотельной электроники, а конкретнее к технологии получен ия мо нок ристаллических 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, Немаловажным фактом является и то, что они наследуют от карбида кремния ряд ценных свойств, таких как радиационная и химическая стойкость, наличие более 140 политипов, сохранение полупроводниковых свойств вплоть до температуры 1000 К,твердость,термостойкость и др.До настоящего времени было известно получение псевдобинарных твердых растворов на основе ЯС. Эти твердые растворы были получены во всем диапазоне изменения состава(0Х1), Причем в них изменение состава в диапазоне (0,1Х 0,9) приводит к,увеличению ширины запрещенГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ . (57) Использование; твердотельная электроника. Полупроводниковый материал на основе эпитаксиальных слоев твердого раствора имеет состав: (ЯС)1-х(2 гС)х, где 0Х 1. Материал получают путем непосредственного высокотемпературного контакта кристаллических пластин 3)С и ЕГС.Материал может работать в химически агрессивных средах, Достигнуто уменьшение ширины запрещенной зоны. Возможно управляемое изменение электрофизических и оптических свойств. 3 ил,ной эоны от 3,0 до 4,8 эВ, а при Х,75 твердый раствор становится прямозонным. Параметры решетки (а и с) в системе (ЯС-х(АМ)х в зависимости от состава (САщ - 0 - 100 ат. 0 ь), изменялись соответственно от 0,3076 - 0,3114 нм и от 0,5048 - 0,4986 нм, Из приведенных характеристик твердых растворов (3 С)1-х(АЯ)х видно, что они обладают шириной запрещенной зоны большей, чем у карбида кремния, Однако представляет большой интерес получение твердых растворов с шириной запрещенной зоны меньшей, чем у карбида кремния.Целью изобретения является уменьшение ширины запрещенной зоны.Это достигается путем получения тонких слоев непрерывного гомовалентного твердого раствора (3)С)1-х(ЕГС)х во всем диапазоне изменения составов (Ох1) при непосредственном высокотемпературном контакте монокристаллических пластинок (кристаллов) карбида кремния и карбида циркония. В качестве пластинок (кристал 1819922лов) карбида кремния использовались монокристаллы политипа 6 Н, травленные врасплаве КОН. Монокристаллы ЕгС предварительно подвергали резке, шлифованию итравлению в Н Г, Затем они прикладывались 5друг к другу и подвергались горячему прессованию в засыпке порошка дисперсностью5 мкм,Процесс проводили при температурах1700-2200 С и давлении 20-40 МПа в средах М 2 и СО 2,П р и м е р 1. Получение гомовалентного. твердого раствора(31 С)1-х(ггС)х осуществляли путем непосредственного высокотемпературного контакта друг с другом 15монокристаллических кристаллов карбидакремния и карбида циркония. Размеры кристаллов карбида кремния и карбида циркония по диаметру составляли около 5-6 мм,по толщине 0,5 и 1 мм соответственно, Кристаллы карбида кремния политипа 6 Н предварительно травили в расплаве КОН, акристалл карбида циркония после резки ишлифовки травили в НГ. Затем кристаллы31 С и ЕгС прикладывали друг к другу и подвергали горячему прессованию в засыпкепорошка карбида кремния дисперсностью 5 мкм. Процесс проводили в течение30 мин при температуре 2200 С при давлении 40 МПа в среде СО 2, Ширина получен- ЗОного слоя гомовалентного твердогораствора (ЮС)1-х(2 гС)х составила - 13 мкм..П ример 2, Как впримере 1, кристаллыкарбида кремния и карбида циркония былитех размеров и подвергались такой же обработке, Но в отличие от предыдущего случая,процесс проводили при температуре1900 Сдавлении ЗО М 1 а в среде Й 2 в течение 60 мин. Ширина полученного слоя гомовалентного твердого раствора (31 С)1-х(ЕгС)х 40составила 10 мкм.П р и м е р 3. В этом случае кристаллыкарбида кремния и карбида циркония, обра-ботанные 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 притемпературе 1700 С, давлении 20 МПа в среде Мг в течение 60 мин. Ширина слоя гомовалентного твердого раствора (31 С)-х(ЕгС)х 50составила 5-7 мкм. Во всех трех случаяхполучались гомовалентные твердые растворы (31 С)1-х(2 гС) во всем диапазоне изменения состава (0 х 1), Исследованияконцентрационного распределения Ег и 31 55проводились на Оже-микроанализаторе"ДЖАМП" и "ЯОРЕВВВОВ 733".На фиг. 1 дана обычная электроннаямикрофотография. Области с элементамиразличной тяжести отличаются. Более тяжелые элементы светлее, На фиг, 2 изображены концентрационные профили циркония и кремния, где отчетливо видно, что Ег продиффундировал на большую глубину в кристалл ЯС, чем Е в ЕгС,При анализе профиля распределения Ег в 9 С и 9 в ЕгС использовали модель диффузии из постоянного источника, согласно которой:Щх; ж) - Йо егс - " -- ,2 От,где егтс к=1-его - дополнительная функцияошибок;его- ехр(-у )бу - функция ошибок2 гГаусса.При рассмотрении концентрационныхпрофилей (фиг. 2) видно, что при уменьшении концентрации 51 непрерывно увеличивается концентрация Ег и наоборот, чтосвидетельствует о замещении атомов Я атомами Ег. Подверждением существованиянепрерывного ряда твердых растворов Й 1 С -2 гС явились исследования края собственного поглощения и люминесценция тонкихслоев 31 С - ЕгС. Спектры фотолюминесценции были получены при 300 К.На фиг. 3 представлены спектрь фотолюминесценции. Наблюдаемый сдвиг максимума в длинноволновую область сувеличением содержания ЛгС подтверждаетсуществование непрерывного ряда твердыхрастворов (51 С)1-х(ЕгС), т.к, в 5 С подобногосдвига в красную и ИК-области не наблюдается.Смещение спектров люминесценции вдлинноволновую область указывает на то,что получен варизонный материал, шириназапрещенной зоны которого непрерывноуменьшалась с увеличением Х.Это подтверждают и результаты рентгеноструктурного анализа монокристаллических зерен, вырезанных из керамики31 С - ЕгС различного состава, которые являются прямым доказательством получениятвердого раствора. Что же касается толщины слоев полученного твердого. раствора, тоони получались до 13 мкм на монокристалле ЫС. Такие толщины являются достаточными для создания на их основе фото- иоптически активных структур и гетеропереходов, т.к. при планарной технологии используются слои 0.5-5 мкм,Таким образом, данные по Оже-спектроскопии, люминесценции и рентгеноструктурного анализа позволяют утверждать, чтов системе 31 С - ЕгС образуется непрерывныйряд твердых растворов.1819922 фй Что касается конкретного назначения этого материала, то это может быть и изготовление на его основе светодиодов красной и ИК-областях спектра, способных работать в химически агрессивных и высокотемпературных средах; В таких экстремальных условиях приборы на основе А 2 В 6, АЗВб, В 4 В 6 и их твердые растворы либо вообще не работают, либо работают непродолжительное время. Но этим естественно не ограничивается область применения предлагаемого материала. Ввиду наличия у него многих полезных свойств карбида кремния, он может быть использован во всех областях, в которых уже успешно работают материалы на основе ЯС, Это и изготовление моЩных выпрямительных диодов, высокотемпературных тензодатчиков, счетчиков высокой энергии и т.д,Таким образом, изобретение имеет следующие преимущества; получение непрерывного ряда гомовалентных твердых растворов (51 С)1-х(2 гС)х вовсем диапазоне изменения составов;высокая степень чистоты и совершенств 5 во полученных тонких слоев гомовалентного твердого раствора (3 С)-,(ЛгС);управляемое изменение электрофизических и оптических свойств за счет изменения состава.10 Формула,. изобретения Полупроводниковый материал на основе эпитаксиальных слоев твердого раство ра, содержащего карбид кремния и второебинарное соединение, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения ширины запрещенной зоны, в качестве второго соединения материал содержит карбид цир кония и имеет состав формулы ЯС)1-хгС)х,где Ох 1.1819922 02 ЯГ 23 2 Составитель Г,СафаралиевТехред М.Моргентал Корректор И.Муска ор Т,Никол су ский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагари одственно-и аз 20 ВНИ Тиражвенного комите113035, Москва,Подписноепо изобретениям и открытиям при35, Раушская наб., 45