Электрические характеристики токопроводящих структур на основе алмаза
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Физико-химические свойства токопроводящих структур на основе алмаза 10
I.I Синтез алмаза методом температурного градиента в условиях HPHT 10
1.2 Газохимическое осаждение алмаза 11
1.3 Замещающий бор в алмазе 12
1.4 Замещающий азот в алмазе 12
1.5 Замещающий фосфор в алмазе 12
1.6 Вольтамперная характеристика p-i-n-диода 13
1.7 Формирование контактов к алмазу 14
1.4 Материалы для контактов к алмазу 15
1.0 Вольтамперная характеристика контакта алмаз-A/ 15
1.10 Алмаз-М 16
1.11 Выводы по главе 1. Постановка задачи 19
2 Методика моделирования 20
2.1 Функциональность TCAD Sentaurus (Technology Computer Aided Design) 20
2.2 Основы работы в TCAD Sentaurus 21
3 Квазиомические электрические контакты к алмазу 24
3.1 Слои контактов к алмазу 24
3.2 Осаждение металлических пленок на поверхность алмаза 24
3.3 Измерение электропроводности алмазных образцов с квазиомическими
контактами 25
4 Моделирование p-i-структуры с барьером Шоттки 27
4.1 Производственная практика 29
4.2 Верификация модели 31
5. Электрические характеристики p-алмаза с барьерным контактом Шоттки 37
5.1 Моделирование прибора в САПР TCAD Sentaurus 37
5.2 Экспериментальные вольтамперные характеристики p-алмаза с барьерным
контактом Шоттки 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
ПРИЛОЖЕНИЕ А 48
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 49
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Физико-химические свойства токопроводящих структур на основе алмаза 10
I.I Синтез алмаза методом температурного градиента в условиях HPHT 10
1.2 Газохимическое осаждение алмаза 11
1.3 Замещающий бор в алмазе 12
1.4 Замещающий азот в алмазе 12
1.5 Замещающий фосфор в алмазе 12
1.6 Вольтамперная характеристика p-i-n-диода 13
1.7 Формирование контактов к алмазу 14
1.4 Материалы для контактов к алмазу 15
1.0 Вольтамперная характеристика контакта алмаз-A/ 15
1.10 Алмаз-М 16
1.11 Выводы по главе 1. Постановка задачи 19
2 Методика моделирования 20
2.1 Функциональность TCAD Sentaurus (Technology Computer Aided Design) 20
2.2 Основы работы в TCAD Sentaurus 21
3 Квазиомические электрические контакты к алмазу 24
3.1 Слои контактов к алмазу 24
3.2 Осаждение металлических пленок на поверхность алмаза 24
3.3 Измерение электропроводности алмазных образцов с квазиомическими
контактами 25
4 Моделирование p-i-структуры с барьером Шоттки 27
4.1 Производственная практика 29
4.2 Верификация модели 31
5. Электрические характеристики p-алмаза с барьерным контактом Шоттки 37
5.1 Моделирование прибора в САПР TCAD Sentaurus 37
5.2 Экспериментальные вольтамперные характеристики p-алмаза с барьерным
контактом Шоттки 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
ПРИЛОЖЕНИЕ А 48
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 49
Синтетический алмаз является наиболее перспективным материалом среди других широкозонных полупроводников для мощных и высокотемпературных приборов благодаря превосходным свойствам материала [1-4].
Разработка алмазных диодов, работающих при больших напряжениях, и диодов с высокой плотностью прямого тока длилась много лет, но в настоящее время созданы либо диоды, работающие при больших напряжениях [5-7], либо диоды с высокой плотностью прямого тока [8-11] и лишь -очень малая часть диодов демонстрирует как высокое напряжение, так и высокий прямой ток [12,13]. Совокупность этих функциональных характеристик является наиболее важной для широкого практического применения в высокочастотной и импульсной высоковольтной силовой выпрямительной электронике [3,6].
Невзирая на то, что в алмазной электронике наблюдается значительный прогресс, полупроводниковые устройства на основе алмаза всё ещё не используются в силовой электронике ввиду относительно низких значений прямого тока.
По этой причине актуальной задачей является экспериментальное и теоретическое изучение влияния областей диодной структуры на основе алмаза и различных типов контактов к ней на её электрические и оптические характеристики.
Цель выпускной квалификационной работы заключается в исследовании инжекции носителей заряда в различные области структур на основе синтетического алмаза при помощи численного моделирования в системе автоматического проектирования TCAD Sentaurus.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Обзор литературы. Моделирование квазиомических и барьерных контактов к алмазу.
2. Изготовление контактов к алмазным образцам.
3. Измерение и моделирование вольтамперных характеристик структуры в зависимости от типа контакта.
4. Обобщение результатов ВКР магистранта. Составление и редактирование текста диссертации.
Предметом исследования является инжекция носителей заряда в различные области токопроводящих структур на основе алмаза.
Объектом исследования являются токопроводящие структуры на основе алмаза с квазиомическими и барьерными контактами.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Для борированного алмазного образца в случае двух квазиомических контактов вольтамперная характеристика симметрична и нелинейна, для того же образца с одним квазиомическим и барьерным контактами вольтамперная характеристика ассиметрична и нелинейна, имеет вид характерный для диода с барьером Шоттки.
2. Для диодов с барьером Шоттки на основе контакта никель - алмаз, легированный бором, при концентрации бора 5 • 1019 см-3 высота барьера 0,17 эВ.
Научная значимость: в результате исследований обнаружено, что напряжение открытие диода испытывает сильную зависит от температуры в диапазоне 70-150 К. При концентрации акцепторной примеси 5 * 1019 см-3 наблюдается сильная нелинейная зависимость прямого тока в диоде с барьером Шоттки на основе алмаза даже при малых напряжениях (напряженность электрического поля менее 30 В/см).
Практическая значимость: полученные экспериментальные данные в работе позволили верифицировать модель полупроводникового алмазного диода Шоттки для моделирования полупроводниковых приборов на основе алмаза в системе автоматизированного проектирования Sentaurus TCAD. Результаты данной работы найдут свое применение при создании диодов с барьером Шоттки на основе алмаза, легированного бором.
Магистерская диссертация включает в себя:
1. Обзор литературы по следующим направлениям: способы синтеза алмаза, влияние легирующих примесей - бор, азот, фосфор на физические свойства алмаза, физические процессы транспорта носителей заряда в p-i-n-диоде, материалы для напыления омических и барьерных контактов к алмазу и физические свойства таких структур.
2. Описание программного пакета Sentaurus TCAD Synopsys и информацию о возможностях проведения в нём численного моделирования
3. Описание технологических операций по осаждению контактов на реальные образцы, их влияние на физические свойства, а также измерение электропроводности этих образцов.
4. Модель p-z-структуры с барьером Шоттки и её электрические характеристики. Модель p-z-n-диода из литературного источника и её расчётные электрические характеристики. Выводы о необходимости верификации модели.
5. Корректировку данных о зависимостях подвижности носителей заряда от напряжённости электрического поля и энергии ионизации бора.
6. Расчёт вольтамперных характеристик ^-структуры с барьером Шоттки и сравнение их с экспериментальными данными.
В приложении А представлена фотография ГХО-установки ИСЭ СО РАН г. Томск.
В приложении Б представлен патентный поиск по теме «Электрические характеристики токопроводящих структур на основе алмаза».
Разработка алмазных диодов, работающих при больших напряжениях, и диодов с высокой плотностью прямого тока длилась много лет, но в настоящее время созданы либо диоды, работающие при больших напряжениях [5-7], либо диоды с высокой плотностью прямого тока [8-11] и лишь -очень малая часть диодов демонстрирует как высокое напряжение, так и высокий прямой ток [12,13]. Совокупность этих функциональных характеристик является наиболее важной для широкого практического применения в высокочастотной и импульсной высоковольтной силовой выпрямительной электронике [3,6].
Невзирая на то, что в алмазной электронике наблюдается значительный прогресс, полупроводниковые устройства на основе алмаза всё ещё не используются в силовой электронике ввиду относительно низких значений прямого тока.
По этой причине актуальной задачей является экспериментальное и теоретическое изучение влияния областей диодной структуры на основе алмаза и различных типов контактов к ней на её электрические и оптические характеристики.
Цель выпускной квалификационной работы заключается в исследовании инжекции носителей заряда в различные области структур на основе синтетического алмаза при помощи численного моделирования в системе автоматического проектирования TCAD Sentaurus.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Обзор литературы. Моделирование квазиомических и барьерных контактов к алмазу.
2. Изготовление контактов к алмазным образцам.
3. Измерение и моделирование вольтамперных характеристик структуры в зависимости от типа контакта.
4. Обобщение результатов ВКР магистранта. Составление и редактирование текста диссертации.
Предметом исследования является инжекция носителей заряда в различные области токопроводящих структур на основе алмаза.
Объектом исследования являются токопроводящие структуры на основе алмаза с квазиомическими и барьерными контактами.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Для борированного алмазного образца в случае двух квазиомических контактов вольтамперная характеристика симметрична и нелинейна, для того же образца с одним квазиомическим и барьерным контактами вольтамперная характеристика ассиметрична и нелинейна, имеет вид характерный для диода с барьером Шоттки.
2. Для диодов с барьером Шоттки на основе контакта никель - алмаз, легированный бором, при концентрации бора 5 • 1019 см-3 высота барьера 0,17 эВ.
Научная значимость: в результате исследований обнаружено, что напряжение открытие диода испытывает сильную зависит от температуры в диапазоне 70-150 К. При концентрации акцепторной примеси 5 * 1019 см-3 наблюдается сильная нелинейная зависимость прямого тока в диоде с барьером Шоттки на основе алмаза даже при малых напряжениях (напряженность электрического поля менее 30 В/см).
Практическая значимость: полученные экспериментальные данные в работе позволили верифицировать модель полупроводникового алмазного диода Шоттки для моделирования полупроводниковых приборов на основе алмаза в системе автоматизированного проектирования Sentaurus TCAD. Результаты данной работы найдут свое применение при создании диодов с барьером Шоттки на основе алмаза, легированного бором.
Магистерская диссертация включает в себя:
1. Обзор литературы по следующим направлениям: способы синтеза алмаза, влияние легирующих примесей - бор, азот, фосфор на физические свойства алмаза, физические процессы транспорта носителей заряда в p-i-n-диоде, материалы для напыления омических и барьерных контактов к алмазу и физические свойства таких структур.
2. Описание программного пакета Sentaurus TCAD Synopsys и информацию о возможностях проведения в нём численного моделирования
3. Описание технологических операций по осаждению контактов на реальные образцы, их влияние на физические свойства, а также измерение электропроводности этих образцов.
4. Модель p-z-структуры с барьером Шоттки и её электрические характеристики. Модель p-z-n-диода из литературного источника и её расчётные электрические характеристики. Выводы о необходимости верификации модели.
5. Корректировку данных о зависимостях подвижности носителей заряда от напряжённости электрического поля и энергии ионизации бора.
6. Расчёт вольтамперных характеристик ^-структуры с барьером Шоттки и сравнение их с экспериментальными данными.
В приложении А представлена фотография ГХО-установки ИСЭ СО РАН г. Томск.
В приложении Б представлен патентный поиск по теме «Электрические характеристики токопроводящих структур на основе алмаза».
В процессе выполнения ВКР были изучены литературные данные о свойствах синтетических алмазов и способах их получения. Освоена методика моделирования полупроводниковых приборов и их характеристик в САПР TCAD Synopsys. Проведено исследование влияния различных параметров областей и типа контакта на характеристики структуры.
Созданы модели структур и получены их электрические характеристики. Получены экспериментальные данные. Сравнение результатов позволяет сделать следующие выводы: для квазиомических контактов модель верифицирована и показывает значения, близкие к эксперименту; для квазиомического и барьерного контактов следует проводить верификацию модели; необходимо продолжить отработку технологических операций напыление контактов к алмазу.
В процессе выполнения ВКР можно сделать следующие выводы:
1. Метод ГХО алмаза позволяет получать кристаллы лучшего качества;
2. В зависимости от условий синтеза алмаза (от концентрации примесей) получают различные глубины залегания и энергии активации;
3. Технологические операции и материалы контакта заметно влияют на вид вольтамперных характеристик.
4. САПР Sentaurus TCAD позволяет моделировать вольтамперные характеристики с учётом физических процессов, происходящих в полупроводниках, в полном объёме.
5. Энергия ионизации бора, полученная опытным путём, достаточно близка к теоретической.
6. Аппроксимация вольтамперных характеристик алмазного образца С164 с омическими контактами показало концентрацию акцепторной примеси 5 * 1019 см-3
7. Анализируя экспериментальные данные установлены величины барьеров Шоттки для алмазных образцов, легированных бором: С164 - 0,17 эВ, С165 - 0,3 эВ.
Созданы модели структур и получены их электрические характеристики. Получены экспериментальные данные. Сравнение результатов позволяет сделать следующие выводы: для квазиомических контактов модель верифицирована и показывает значения, близкие к эксперименту; для квазиомического и барьерного контактов следует проводить верификацию модели; необходимо продолжить отработку технологических операций напыление контактов к алмазу.
В процессе выполнения ВКР можно сделать следующие выводы:
1. Метод ГХО алмаза позволяет получать кристаллы лучшего качества;
2. В зависимости от условий синтеза алмаза (от концентрации примесей) получают различные глубины залегания и энергии активации;
3. Технологические операции и материалы контакта заметно влияют на вид вольтамперных характеристик.
4. САПР Sentaurus TCAD позволяет моделировать вольтамперные характеристики с учётом физических процессов, происходящих в полупроводниках, в полном объёме.
5. Энергия ионизации бора, полученная опытным путём, достаточно близка к теоретической.
6. Аппроксимация вольтамперных характеристик алмазного образца С164 с омическими контактами показало концентрацию акцепторной примеси 5 * 1019 см-3
7. Анализируя экспериментальные данные установлены величины барьеров Шоттки для алмазных образцов, легированных бором: С164 - 0,17 эВ, С165 - 0,3 эВ.
