Полупроводниковый материал

(5 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ К АВ С) ЬЭ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Дагестанский государственный университет им. В. И. Ленина(56) Авторское свидетельство СССРКт 1297523, кл, С30 В 23/02, 1985,Вгоаег 1, КГ 33 сог 1 ап О. - А ЕестгосЬев Яос., 1956, ч, 103, р. 38 - 43.Сафаралиев Г. К. и др. Критерии образования твердых растворов на основе карбидакремния. - Изв. АН СССР. Неорганические материалы, 1986, т. 22, 1 ч. 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 ЯС. Эти твердые растворы получают во всем диапазоне изменения состава (Ох 1), Причем в них изменение состава в диапазоне (0,1х0,9) приводит к увеличе-. РОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ етение относится к твердотельонике, конкретно к технологии монокристаллических твердых на основе карбида кремния. Маоснове эпитаксиальных слоев геного твердого раствора имеет )1-х(ЙЬс)х, где 0 Х 1. Ширина ой зоны меньше, чем у карбида атериал имеет радиационную и ю стойкость и стабильность полуовых параметров. 5 ил.(54) ПОЛУП (57) Изобр ной электр получения растворов териал на теровален состав (ЮС запрещенн кремния. М химическу проводник нию Е 9 (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 (33 С)1-х(АМ)х в зависимости от состава (САа 0-100 ат.0), изменялись соответственно от 0,3076 - 0,3114 нм и от 0,5048 - 4986 нм. Твердые РаствоРы (3 С)1-х(АИ)х 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 ТС, ЕГС, в частности карбид ниобия МЬС. Образование твердых растворов между этими карбидами может привести к созданию варизонного1730219 51015 20 25 30 35 40 45 50 55 материала с шириной запрещенной зоны Е 9. 3,0 эВ и со свойствами, наследованными от ЯС: радиационная и химическая стабильность, политипизм, и т. д,Известны данные по тройной системе Я-С-ИЬ, 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 ИЬ 2 С атомами кремния, Указанная фаза обладает некоторой областью гомогенности. Однако получить непрерывный ряд твердых растворов Я 1 С-МЬС не 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 Ай, ОаК, ВИ 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(ЯС)1-х(МЬС)х, 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.П р и м е р 1. Получение гетеровалентного твердого раствора (ЯС)1-х(МЬС)х 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 6 Н предварительно травили в расплаве КОН, а кристалл карбида ниобия после резки и шлифовки - в НР.Затем кристаллы ЯС и МЬС 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 2 втечение 30 мин. Ширина полученного слоя гетеровалентного твердого раствора (ЯС)1-х(МЬС)х13 мкм,П р и м е р 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 И 2 в течение 60 мин, Ширина полученного слоя гетеровалентного твердого раствора (ЯС)1-х(ИЬС)х 10 мкм,П р и м е р 3, В 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 ч 2 в течении 60 мин. Ширина слоя гетеровалентного твердого раствора (ЯС)1-х(ИЬС)х 5 - 7 мкм,Во всех трех случаях получали гетеровалентные твердые растворы (ЯС)1- х(МЬС)х во всем диапазоне изменения состава (О х 1). Исследования концентрационного распределения КЬ и Я проводились на Оже-микроанализаторе "3 ЕО Я". 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 ЙЬ продиффундировал на большую глубину в кристалл ЯС, чем Я в ИЬС. Кривые 1, 2, 3 для КЬ и для Я были получены при 2100, 1900 и 1700 С соответственно. При анализе профиля распределения МЬ в ЯС и Я в ИЬС использована модель диффузии из постоянного источника согласно которой: й(х, т) = Ио егфс х/2 Ос; где его =1 - его-дополнительная функцияошибок; 2его = - , -ехр( - у )с у - функция ошибок Гаусса,Из фиг. 2 видно, что при уменьшении концентрации Я непрерывно увеличивается концентрация ЙЬ и наоборот, что свидетельствует о замещении атомов Я атомами МЬ. Смещение спектров люминесценции в длинноволновую область указывает на то, что получен варизонный материал, ширина запрещенной зоны которого непрерывно уменьшалась с увеличением Х, начиная от ЯС, т, е. был получен непрерывный ряд твердых растворов (ЯС)1-х(МЬС)х во всем диапазоне изменения Х. Результаты рентгено1730219 35 40 45 50 55 структурного анализа монокристаллических зерен, вырезанных из керамики ЯСИЬС различного состава, является прямым доказательством получения твердого раствора. 5Толщина слоев полученного твердого раствора до " 13 мкм на монокристалле 3 С (фиг. 2). Такие толщины являются достаточными для создания на их основе фото- и оптически активных структур и гетеропере 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 ич А В, т. к. они наследуют все полезные свойства. карбида кремния, такие как ради ационная и химическая стойкость, стабильность характеристик и т, д,Кроме того, керамика на основе твердых растворов ЫС - КЬС 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 ют, что в системе ЯС - ИЬС 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 9 С и МЬС. Светлые поля на фиг. 3 и 4 соответствуют МЬ и 5, Подтверждением существования непрерывного ряда твердых растворов ЯС - МЬС явилось исследование края собственного поглощения и люминесценциитонких слоев ЯС - КЬС. Спектры фотол юминесцен ции были получены при 300 К (представлены на фиг.5). Наблюдаемый сдвиг максимума длинно- волновую область с увеличением содержания КЬС подтверждает существование непрерывного ряда твердых растворов (ЯС)1-х(йЬС)х так как в ЯС подобного сдвига в красную и ИК-области не наблюдается. Известно, что ЯС и ИЬС являются жара стойкими механически твердыми радиационно и химически стойкими веществами. Поэтому и твердые растворы 3 С - МЬС 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 9 С и ИЬС. Например, исследование спектра ФЛ твердого раствора ЯС - ИЬС после 100-часовой обработки УФ- лучами и 5-кратного термоциклирования до 1000 К на воздухе показало, что такая обработка не приводит к сдвигу максимума и изменению формы спектра фотолюминисценции.Преимуществом предлагаемого материала является также отсутствие узкозонных материалов на основе 5 С с Есс 2,4 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 2 В 6, АЗВБ, А 4 В 6 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 ЫС: изготовление мощных выпрямител ьн ых 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 щ и й с я тем, что, с целью уменьшения ширины запрещенной зоны, в качестве второго соединения материал содержит карбид ниобия и имеет состав, соответствующий формуле (ЯС)1-х(МЬС)х, где 0 х 1,1730219 Корректор Н.Король каз 1492 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производст издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина 20 27 фас. 5 Составитель В.Цвет Редактор Л.Веселовская Техред М.Моргентал