KR102657303B1

KR102657303B1 - 광학 그레이드의 바나듐-보상 4h 및 6h 단결정

Info

Publication number: KR102657303B1
Application number: KR1020210027388A
Authority: KR
Inventors: 즈위백 일리아; 렌거래잔 바라따라잰; 엔. 수지스 앤드류; 이. 룰랜드 개리
Original assignee: 투-식스 델라웨어, 인코포레이티드
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2041-03-02
Also published as: DE102021003909A1; CN113337892A; DE102021104875A1; US20240287705A1; CN113341485B; US20210269938A1; US12006591B2; CN120401006A; JP2021138606A; JP2021138601A; US12060650B2; CN113337892B; CN113341485A; CN113337891A; KR20210111177A; US20240352617A1; CN119800507A; KR102657307B1; JP7421509B2; DE102021104292A1

Abstract

광학 디바이스는 420 nm 내지 4.5 μm의 범위의 파장을 갖는 광의 전송을 위해 구성된 6H 또는 4H 폴리타입의 바나듐-보상 고 저항률 실리콘 탄화물(SiC) 단결정을 포함한다. 디바이스는 윈도우, 렌즈, 프리즘, 또는 도파관을 포함할 수 있다. 광 전송 시스템은 420 nm 내지 4.5 μm의 범위의 파장을 갖는 광을 생성하기 위한 광 소스, 및 광을 수용 및 전송하기 위한 광학 디바이스를 포함하며, 여기서, 광학 디바이스는 6H 또는 4H 폴리타입의 바나듐-보상 고 저항률 SiC 단결정을 포함한다.

Description

광학 그레이드의 바나듐-보상된 4H 및 6H 단결정{VANADIUM-COMPENSATED 4H AND 6H SINGLE CRYSTALS OF OPTICAL GRADE}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2020년 3월 2일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/984,177호의 우선권을 주장한다. 미국 가특허 출원 번호 제62/984,177호의 전체 개시내용은 본원에 참조로 포함된다.

본 개시내용은 일반적으로, 광 에너지 또는 정보를 전송하기 위해 윈도우들, 렌즈들, 프리즘들, 및 도파관들을 포함하는(그러나 반드시 이에 제한되지는 않음) 광학 소자들에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한, 일반적으로, 광 에너지 또는 정보를 전송하기 위해 광학 소자들을 사용하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

본 개시내용은, 기본 투명도 범위, 특히, 약 420 nm 내지 약 4.5 μm의 범위의 파장들(그러나 반드시 이에 제한되지는 않음) 내에서 낮은 광 흡수를 갖는 4H 및 6H 육각형 폴리타입들의 바나듐-보상된 실리콘 탄화물(SiC) 단결정들에 관한 것이다. 본 개시내용에 따른 SiC 단결정들은 가시 광선 및 근-적외선(IR) 스펙트럼 범위들에서 동작하는, 광학 윈도우들, 렌즈들, 프리즘들, 및 도파관들과 같은(이에 제한되지는 않음) 다양한 광학 애플리케이션들에 사용될 수 있다.

본 개시내용은 또한 광학 소자에 관한 것이며, 광학 소자는, 6H 또는 4H 폴리타입의 바나듐-보상된 고 저항률 SiC 단결정을 포함하고, 여기서, SiC 단결정은 420 nm 내지 4.5 μm의 범위의 파장을 갖는 광의 투과를 위해 구성된다. 본 개시내용의 일 양태에 따르면, 광학 소자는 420 nm 내지 4.5 μm의 범위의 파장을 갖는 광을 투과하기 위한 윈도우, 렌즈, 프리즘, 또는 도파관을 포함할 수 있다.

본 개시내용은 또한 광 전송 시스템에 관한 것이며, 광 전송 시스템은, 420 nm 내지 4.5 μm의 범위의 파장을 갖는 광을 생성하기 위한 광 소스, 및 광을 수신 및 전송하기 위한 광학 소자를 포함하며, 여기서, 광학 소자는 6H 또는 4H 폴리타입의 바나듐-보상된 고 저항률 SiC 단결정을 포함한다.

도 1은 본 개시내용에 따라 구성된 실리콘 탄화물(SiC) 웨이퍼의 예의 평면도이다.
도 2는 도 1의 SiC 웨이퍼의 측면도이다.
도 3은 본 개시내용에 따라 구성된 광 전송 시스템의 예의 개략도이다.
도 4는 특정 바나듐-보상된 4H-SiC 웨이퍼들에 대한 투과(T_mes) 및 반사(R_mes) 곡선들(파장의 함수로서의 T_mes, R_mes)의 그래프이다.
도 5는 특정 바나듐-보상된 6H-SiC 웨이퍼들에 대한 투과 및 반사 곡선들(파장의 함수로서의 T_mes, R_mes)의 그래프이다.
도 6은 2개의 웨이퍼들에 대한 광 흡수 곡선들(파장의 함수로서의 흡수 계수)을 도시하는 그래프이다.
도 7은 6개의 바나듐-보상된 6H-SiC 웨이퍼들에 대한 투과 곡선들(파장의 함수로서의 투과율)을 도시하는 그래프이다.
도 8은 4H-SiC 웨이퍼들에 대한 가시 광선 범위에서의 광 흡수(파장의 함수로서의 흡수 계수)의 그래프이다.
도 9는 6H-SiC 웨이퍼들에 대한 가시 광선 범위에서의 광 흡수(파장의 함수로서의 흡수 계수)의 그래프이다.
동일한 참조 번호들 또는 다른 피처 지정자들은 동일하거나 유사한 피처들을 지정하기 위해 도면들에서 사용된다.

도 1 및 도 2는 본 개시내용에 따라 구성된 실리콘 탄화물(SiC) 웨이퍼(10)의 예를 도시한다. 웨이퍼(10)는 면(12) 및 원통형 에지(14)를 가질 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 웨이퍼(10)는 4H 또는 6H 육각형 폴리타입의 바나듐-보상된 고 저항률 SiC 단결정일 수 있다. 도 3은 본 개시내용에 따라 구성된 광 전송 시스템의 예의 도면이다. 전송 시스템은 광(20)을 생성하기 위한 광 소스(18), 광(20)을 수용 및 전송하기 위한 광학 소자(16), 및 광학 소자(16)에 의해 광(20)이 전송되는 목적지(22)를 포함할 수 있다.

광(20)은 420 nm 내지 4.5 μm의 범위의 하나 이상의 파장들을 가질 수 있다. 광학 소자(16)는 웨이퍼(10)로부터 생성될 수 있고, 예컨대, 광 소스(18)와 목적지(22) 사이에 물리적 배리어를 제공하면서 광(20)을 전송하기 위한 윈도우, 광(20)을 포커싱 또는 분산시키기 위한 렌즈, 광(20)의 스펙트럼 성분들을 분리하기 위한 프리즘, 또는 목적지(22)를 향해 광(20)을 인도하기 위한 도파관일 수 있다.

SiC 단결정들은, 고 전력 및 고 주파수 다이오드들 및 트랜지스터들, 초-고속 반도체 광학 스위치들, 열악한 환경들에서 작동하는 검출기들을 포함하는 특정 반도체 소자들에 사용된다. 육각형 SiC 결정은 SiC 또는 갈륨 질화물(GaN) 에피층(epilayer)들의 에피택셜 성장을 위한 기판들로서 사용될 수 있다. 질소-도핑된 n-타입 4H-SiC 결정들은 MOSFET과 같은 에피택셜 4H-SiC 전력 스위칭 다이오드들 및 트랜지스터들의 기판들로서 사용된다. 미국 특허 번호 제8,507,986호를 참조한다. 고-저항률(반-절연성) 4H-SiC 및 6H-SiC 결정들은 HEMT와 같은 에피택셜 GaN-기반 고-주파수 트랜지스터들에 대한 기판들로서 사용된다. 미국 특허 번호 제9,484,284호를 참조한다.

대형 SiC 단결정들은 승화에 의해 증기 상으로부터 성장될 수 있다. 미국 특허 번호 제5,746,827호를 참조한다. 성장을 준비하기 위해, 흑연 도가니의 고온 구역에 SiC 분말 또는 입자 형태로 이루어질 수 있는 SiC 소스가 제공될 수 있다. 단결정질 SiC 플레이트 또는 웨이퍼와 같은 SiC 시드가, 예컨대, 도가니 덮개에 부착된 도가니의 저온 구역에 위치된다. 도가니는 SiC 소스를 승화시키고 승화의 가스 생성물들로 도가니를 충전(fill)하기 위해 가열된다. 결과적인 증기들은 온도가 더 낮은 SiC 시드로 이동하고, 적절한 치수들의 SiC 불(boule)을 성장시키기 위해 시드 상에 증착된다.

특정 요건들을 만족시키기 위해, 전도성 타입 및 전기 저항률과 같은, 성장된 SiC 결정들의 전자 파라미터들을 변경하도록 성장 시스템에 도펀트들이 도입될 수 있다. 질소 도핑을 사용하여 저-저항률 n-타입 4H-SiC 단결정들이 생성될 수 있다. 적어도 2개의 타입의 보상 고-저항률 SiC 단결정들, 즉, 바나듐 도핑을 사용하여 생성되는 바나듐-보상된 반-절연성(vanadium-compensated semi-insulating, VCSI) SiC 결정들(미국 특허 번호 제5,611,955호 참조), 및 고-순도 반-절연성(high-purity semi-insulating, HPSI) SiC 결정들(미국 특허 번호 제7,601,441호 참조)이 존재한다. 후자는 도핑 없이 생성될 수 있고, 딥-레벨 포인트(deep-level point) 결함들의 도입에 의해 보상된다.

다양한 결정질 SiC 형태들의 광학 및 분광 특성들은 자외선(UV), 가시광선, 및 IR 범위들에서 연구되었다. Singh 등의 Nonlinear Optical Properties of Hexagonal Silicon Carbide, Appl. Phys. Lett, Vol. 19, 2 (1971) 53-56을 참조한다. 4H-SiC 및 6H-SiC의 기본 광 투과 구역은 가시 광선에서의 대역 에지 컷-오프로부터 적외선에서의 λ 4.5 μm까지 이어지며, 여기서, 다광자 흡수의 대역들에 의해 투명도가 종결된다(예컨대, Singh의 도 1 참조).

SiC의 기계적, 화학적, 및 열적 특성들은 다양한 광학 애플리케이션들에 대해 매력적일 수 있다. 바람직한 특성들은 저 밀도, 고 강도 및 경도, 높은 내마모성, 높은 내열 충격성, 높은 열 전도성, 및 화학적 안정성을 포함할 수 있다. 화학 기상 증착(CVD)에 의해 성장된 다결정질 3C-SiC는 열악한 환경들에서 동작하기 위한 중적외선 윈도우들 및 돔들에 대한 잠재적인 재료로서 연구되었다. Goela 등의 Transparent SiC for mid-IR windows and domes, SPIE Vol. 2286 (1994) 46-59를 참조한다.

육각형 단결정질 SiC는 광학 도파관들에 대한 재료로서 조사되었다. Luan 등의 Optical ridge waveguides in 4H-SiC single crystal produced by combination of carbon ion irradiation and femtosecond laser ablation, Optical Materials Express, Vol.4, No.6 (2014) 1166-1171; 일본 특허 문서 번호 제6002106호(Silicon Carbide Optical Waveguide Element); 및 중국 특허 문서 번호 제103472533호(Method for Preparing Er-Doped Silicon Carbide Optical Waveguide Through Ion Implantation)를 참조한다.

가시 광선(VIS) 내지 IR 범위에서의 승화-성장된 4H-SiC 및 6H-SiC 단결정들의 광 흡수가 연구되었다. Wellmann 등의 Optical Quantitative Determination of Doping Levels and Their Distribution in SiC, Mat. Sci. Eng. B91-92 (2002) 75-78을 참조한다. 이들 결정들은 최대 1·10¹⁸ cm^-3의 양들로 N, B, 및 Al으로 도핑되었고, 열악한 광 투과를 가졌다. 적외선에서의 4H-SiC 및 6H-SiC 결정들의 광 투과 및 반사가 연구되었다. Cuia 등의 Infrared Transmission and Reflectivity Measurements of 4H- and 6H-SiC Single Crystals, Mat. Sci. For. Vols. 821-823, pp 265-268 (2015)를 참조한다. 연구 중인 샘플들은 순수 (고의적인 도핑 없음), N-도핑, B-도핑, VCSI, 및 HPSI를 포함하였다. 모든 이들 연구들에서, N-도핑 및 B-도핑된 SiC 결정들은 도펀트 농도에 따라 증가된 상당한 광 손실들을 나타내었다. 순수 SiC 결정들은 특히 가시 광선 범위에서 더 적은 손실들을 나타내었다. 반-절연성 VCSI 및 HPSI 샘플들 상에서 최상의 IR 광 투명도가 측정되었다.

4H-SiC 및 6H-SiC는 6 mm 공간 그룹에 속하고, 양의 단축 결정이다. 파장, 편광(정상 대 비정상), 및 온도에 대한 굴절률의 의존성들이 승화에 의해 성장된 반-절연성 4H-SiC 및 6H-SiC 단결정들에 대해 연구되었다. Xu 등의 Temperature Dependence of Refractive Indices for 4H and 6H, J. Appl. Phys. 115, 113501 (2014) 1-4를 참조한다. 이들 측정들을 위해, 낮은 정점 각도들을 갖는 프리즘들이 프리즘 에지를 c-축에 평행하게 하여 단결정들로부터 제조되었다. 4H-SiC 및 6H-SiC에 대한 굴절률 및 그 분산의 값들이 실질적으로 동일한 것으로 발견되었다.

VCSI와 HPSI 둘 모두와 같은 대형 반-절연성 SiC 단결정이 상업적으로 이용 가능하지만, 전송 광학에서 이러한 결정들의 산업적 애플리케이션들은 알려진 바 없다. 이는 잘 이해되지도 제어되지도 않은 육각형 SiC에서의 잔류 광 손실들로 인한 것일 수 있다. SiC의 기본 투명도 범위 내에서 광 흡수를 담당할 수 있는 다양한 메커니즘들이 문헌에서 논의되었다. 이들은 도핑-유도 밴드갭 협소화, 도펀트들, 불순물들 또는 결함들을 수반하는 전이들(예컨대, Atabaev 등의 Spectral Dependence of Optical Absorption of 4H-SiC Doped with Boron and Aluminum, J. of Spectroscopy (2018) Article ID 8705658의 도 1을 참조한다), 대역-내 전이들, 및 자유 캐리어들에 의한 흡수를 포함한다.

예로서, 도 1 내지 도 3에 도시된 웨이퍼(10) 및 광학 소자(16)는 가시 광선에서의 약 420 nm 내지 근-적외선에서의 약 4.5 μm의 파장 범위에서 우수한 광 투과를 갖는 6H 또는 4H 폴리타입의 바나듐-보상된 SiC 단결정을 포함할 수 있다. SiC 단결정은 광학 윈도우들, 렌즈들, 프리즘들, 및 도파관들과 같은(그러나 이에 제한되지는 않음) 전송 광학의 애플리케이션들에 대한 광학 재료로서 사용될 수 있다.

본원에서 설명되는 SiC 결정들은 승화에 의해 성장된 바나듐-보상된 4H-SiC 및 6H-SiC 결정들일 수 있다. 성장 동안, 결정들은, 이차 이온 질량 분석법(SIMS)에 의해 측정될 때, 9·10¹⁶ cm^-3 내지 1.5·10¹⁷ cm^-3의 레벨들로 바나듐으로 도핑(보상)될 수 있다. N, B, Al과 같은 얕은 불순물들의 농도들은, SIMS에 의해 측정될 때, 3·10¹⁶ cm^-3을 초과하지 않도록 제어될 수 있다. 바나듐 도핑 및 얕은 불순물 제어를 위한 기법들은 미국 특허 번호 제7,608,524호, 제8,216,369호, 제8,361,227호, 제8,858,709호, 제9,017,629호, 및 제9,090,989호에서 설명된다.

웨이퍼(10) 또는 광학 소자(16)를 구성하는 SiC 결정은, 개재물들 또는 하위-입자들과 같은 치수 결정 결함들이 없고 총 전위 밀도가 1·10⁴ cm^-2 미만인 높은 구조적 품질로 이루어질 수 있다. 전반적인 결정 품질은 X-선 요동 곡선들의 기법을 사용하여 평가될 수 있다. FWHM이 25 각초(arc-second) 미만인 X-선 반사들은 높은 결정 품질의 전형적인 표시들일 수 있다.

4H-SiC 또는 6H-SiC 단결정으로 형성된 웨이퍼(10)는 화학적-기계적 폴리싱(CMP)될 수 있고, 150 mm의 직경 및 0.5 mm의 두께를 가질 수 있다. 웨이퍼(10)는 "축-상"으로 배향될 수 있고, 즉, 웨이퍼(10)의 면(12)이 육각형 c-축에 수직인 상태로 배향될 수 있다. 웨이퍼(10)의 슬라이싱, 랩핑, 및 폴리싱은 공지된 제작 기법들에 따라 수행될 수 있다.

광학 소자(16)와 연관된 광 투과 및 반사는 Cary 7000 UMS(Universal Measurement Spectrophotometer)를 사용하여 VIS 내지 IR 범위에서 측정될 수 있다. 본 개시내용에 따른 광학 파라미터들의 계산을 위해 배치된 수학적 형식은 방정식들 (A1a) 내지 (A7)과 관련하여 아래에서 설명될 수 있다.

4H-SiC 및 6H-SiC는 육각형 단축 결정들이다. 이러한 결정들에서 광축은 결정학적 육각형 c-축과 일치한다. 광 빔이 그러한 결정의 c-면에 수직으로 입사할 때, 이의 편광은 항상 광축에 수직이다. 즉, 이러한 광 빔은 정상 빔이고, 이의 전파는 정상 굴절률(n_o)에 의해 통제된다. n_o에 대해 Xu(위에서 인용됨)로부터의 방정식 (3) 및 표 1을 사용하고, T = 300K로 대체하면, 실온에서의 n_o(λ)에 대한 표현들이 획득될 수 있다.

4H-SiC의 경우:

6H-SiC의 경우:

육각형 단축 결정의 c-면에 수직으로 입사되는 광 빔에 대해, 반사율(R)은 다음과 같이 표현된다.

평행한 표면들을 갖는 플레이트들에 대한 광 투과 및 반사는 플레이트 전방 및 후방 인터페이스들에서의 다수의 반사들을 고려하여 계산된다. 이 근사는 측정된 투과(T_mes) 및 반사(R_mes)에 대해 다음의 방정식들을 산출한다. Pankove J.의 Optical Processes in Semiconductors, Dover Publ. NY 1971, p.93; F. Soler의 Multiple Reflections in an Approximately Parallel Plate, Opt. Comm. 139 (1997) 165-169를 참조한다.

방정식들 (A3) 및 (A4)에서, α는 흡수 계수(cm^-1)이고, d는 플레이트 두께(cm)이다. 반사율(R)의 값이 알려져 있는 경우, 방정식 (A3)은 다음과 같이 α에 대해 해결될 수 있다.

완전히 투명한 플레이트의 극단적인 경우의 투과 및 반사는 다음과 같이 α = 0을 대입하여 방정식들 (A3) 및 (A4)로부터 획득될 수 있다.

측정된 투과(T_mes) 및 반사율(R)을 사용하여, 방정식 (A5)으로부터 SiC 단결정들에 대한 광 흡수의 계수들이 계산되었다. R의 값들은 Xu에 의해 결정된 4H 및 6H에 대한 굴절률 분산들 (A1a) 및 (A1b)로부터의 방정식 (A2)를 사용하여 계산되었다.

광 투과 및 반사에 추가하여, SiC 단결정들의 전기 저항률이, 1·10⁵ Ωcm 내지 1·10¹² Ωcm의 감도를 갖는 비-접촉 기기 COREMA-W를 사용하여, 실온에서 측정되었다. 온도 범위 25 ℃ 내지 400 ℃에서의 저항률의 온도 의존성은 가변-온도 비-접촉 저항률 계측기 COREMA-VT를 사용하여 측정되었고, 전기 전도율(E_A)의 활성화 에너지의 값들이 계산되었다. 웨이퍼 저항률이 1·10¹² Ωcm를 초과한 경우, E_A의 값을 사용하여 저항률을 T=300K로 외삽하여 실온 저항률이 평가되었다. 이 연구에서의 모든 SiC 결정들은 1·10⁶ Ωcm 내지 1·10¹⁴ Ωcm의 이들의 저항률을 가졌다.

여러 고-저항률 바나듐-보상된 4H-SiC 웨이퍼들 상에서 0.35 μm 내지 0.80 μm의 가시 광선 범위에서 측정된 투과 곡선들(50)(0° AOI에서의 T_mes) 및 반사 곡선들(52)(6° AOI에서의 R_mes)의 예들이 도 4에 도시된다. 여러 고-저항률 바나듐-보상된 6H-SiC 웨이퍼들 상에서 0.35 μm 내지 0.80 μm의 가시 광선 범위에서 측정된 투과 곡선들(54)(0° AOI에서의 T_mes) 및 반사 곡선들(56)(6° AOI에서의 R_mes)의 예들이 도 5에 도시된다.

2개의 웨이퍼들에 대한 가시 광선 범위에서의 흡수 스펙트럼(α(λ))의 예들이 도 6에 도시되며, 2개의 웨이퍼들 중 하나는 고-저항률 4H-SiC(라인(60))이고, 다른 하나는 방정식 (A5)를 사용하여 계산된 고-저항률 6H-SiC(라인(58))이다. 이들 흡수 곡선들(60, 58)은 2개의 별개의 흡수 구역들(4H 결정의 경우 대략 0.40 μm 미만, 및 6H 결정의 경우 대략 0.44 μm 미만의 파장들에서의 흡수의 급격한 상승)을 도시한다. 이러한 흡수 상승은 기본적인 컷-오프, 즉, 가전자대로부터 전도대로의 전이들로 인한 것으로 생각된다. 이의 기울기는 육각형 SiC 밴드갭 및 포논-보조 전자 전이들의 간접적인 성질로 인해 λ^-2에 비례한다. Sridhara 등의 Absorption Coefficient of 4H Silicon Carbide from 3900 to 3250 A, J. Appl. Phys. Vol. 84, No. 5(1998) 2963-2964를 참조한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 0.45 μm 내지 0.7 μm에서 대역 에지 근방 흡수(near band edge absorption) "숄더(shoulder)"가 존재하며, 이의 진폭은 λ0.7 μm에서의 약 0.01 cm^-1과 λ0.45 μm에서의 약 1 cm^-1 사이이다. 이러한 잔류 흡수는 일반적으로, 넓은 밴드갭 반도체들에서 관찰되고, 결정 결함들 또는 불순물들과 같은 특정되지 않은 얕은 레벨들을 포함하는 전자 전이들에 대개 할당된다. λ0.7 μm를 넘는 파장들에서의 광 흡수는 0.1 cm^-1 미만으로 매우 낮다.

이 연구 중의 모든 바나듐-보상된 SiC 결정들이 광학적으로 투과성이지만, 이들은 이들의 투과율에서 상당한 변동들을 나타내었다. 이러한 변동들의 예는 6개의 상이한 바나듐-보상된 6H-SiC 웨이퍼들 상에서 측정된 VIS 내지 NIR 범위의 광학 전송을 예시하는 도 7에 도시된다. 가장 낮은 투과율의 2개의 곡선들(66)은 Nu-타입의 2개의 6H 웨이퍼들 상에서 측정되었다. (Nu-타입은 얕은 도너(donor)(질소)가 얕은 억셉터(acceptor)들(Al + B)보다 우세한 보상 SiC 결정의 타입을 지칭한다). Nu-타입 웨이퍼들의 저항률은 9·10⁹ Ωcm 내지 2·10¹¹ Ωcm의 범위였다.

도 7에서의 가장 높은 투과율을 갖는 2개의 곡선들(62)(하나는 실선이고 다른 하나는 점선임)은 Pi-타입의 2개의 웨이퍼들을 나타낸다. (Pi-타입은 얕은 억셉터(이 경우 Al)가 얕은 도너들(N)보다 우세한 보상 SiC 결정의 타입을 의미한다). 이들 웨이퍼들의 저항률은 1·10⁶ Ωcm 내지 1·10⁷ Ωcm였다.

도 7의 2개의 곡선들(64)은 N(얕은 도너)의 농도들을 초과하는 농도들의 붕소(얕은 억셉터)를 함유하는 Pi-타입의 2개의 6H-SiC 웨이퍼들의 광 투과를 도시한다. 이들 웨이퍼들의 저항률은 1·10¹² Ωcm 내지 1·10¹⁴ Ωcm였다.

다양한 도핑 및 저항률을 갖는 여러 4H-SiC 및 6H-SiC 웨이퍼들에 대해 방정식 (A5)를 사용하여 계산된 가시 광선 범위에서의 광 흡수가 도 8 및 도 9에 도시된다.

도 8 및 도 9의 라인들(68 및 76)에 의해 도시된 가장 강한 흡수는 얕은 불순물 배경에서 질소가 우세한 Nu-타입 웨이퍼들의 흡수이다. 4H 웨이퍼는 1·10¹¹ Ωcm의 저항률을 갖는 한편, 6H 웨이퍼는 1·10⁹ Ωcm의 저항률을 가졌다. 이들 웨이퍼들의 경우, 광 흡수는 가시 광선 범위는 물론 적외선에서도 가장 높았다.

라인들(70 및 77)에 의해 도시된 다소 더 낮은 광 흡수는 또한 Nu-타입 웨이퍼들이다. 그러나, 이러한 웨이퍼들은 4H의 경우 5·10¹² Ωcm, 및 6H의 경우 5·10¹⁰ Ωcm의 더 높은 저항률을 가졌다.

도 8 및 도 9의 라인들(72, 74, 및 78)은 얕은 불순물 배경에서 붕소가 우세한 Pi-타입 웨이퍼들 상에서 측정된 광 흡수를 표현한다. 4H 웨이퍼들은 1·10¹³ Ωcm(라인(72)) 및 1·10¹⁴ Ωcm(라인(78))의 저항률을 가졌다. 6H 웨이퍼는 1·10¹¹ Ωcm(라인(78))의 저항률을 가졌다. 이들 웨이퍼들에서의 흡수는 대역 에지 숄더로 제한되었고, 적외선으로 확장되지 않았다.

가장 낮은 광 흡수는 도 9의 곡선들(80 및 82)에 의해 도시된다. 이는 얕은 불순물 배경에서 Al이 우세한 Pi-타입의 2개의 6H-SiC 웨이퍼들 상에서 측정되었다. 웨이퍼들은 1·10⁵ Ωcm 및 1·10⁷ Ωcm의 비교적 낮은 저항률을 가졌다.

바나듐-보상된 SiC 결정의 광 흡수, 이의 타입, 도핑, 및 저항률 사이의 상관 관계가 아래의 표 1에서 제공된다. λ = 2.5 μm로 적외선에서 결정된 광 흡수의 계수는 마지막 열에 추가된다.

획득된 데이터는 가시 광선 및 근-적외선 스펙트럼 범위들에 대한 전송 광학의 애플리케이션들을 위한 특정 타입의 바나듐-보상된 고-저항률 SiC 단결정들을 선택하기 위한 지침으로서 역할을 할 수 있다.

6H 및 4H 폴리타입 둘 모두의 바나듐-보상된 고-저항률 SiC 단결정들은, 특히 이들의 도핑 및 저항률이 최적화된 경우, 가시 광선에서의 420 nm 내지 적외선에서의 약 4.5 μm의 파장 범위에서의 전송 광학의 요구 애플리케이션들에 적합하다.

더 넓은 밴드갭으로 인해, 바나듐-보상된 4H-SiC 단결정들은 450 nm 미만의 더 짧은 파장들에서의 광학 애플리케이션들에 대해 바람직하다.

Nu-타입의 바나듐-보상된 SiC 단결정들은, 이들의 저항률이 6H의 경우 1·10¹⁰ Ωcm 미만이고 4H의 경우 1·10¹² Ωcm 미만인 경우, 요구 광학 애플리케이션들에 사용될 수 없다. 이러한 결정들은 가시 광선 범위에서 1cm^-1에 접근하고 적외선에서 최대 0.1 cm^-1인 광 손실들을 가질 것이다.

Nu-타입의 바나듐-보상된 SiC 단결정들은, 이들의 저항률이 6H의 경우 1·10¹¹ Ωcm를 초과하고 4H의 경우 5·10¹² Ωcm를 초과하는 경우, 적외선의 광학 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 이러한 결정들의 경우, 광 흡수는 적외선에서 0.01 cm^-1 미만일 것이다.

얕은 불순물 배경에서 붕소가 우세한 Pi-타입의 바나듐-보상된 SiC 단결정들은, 이들의 저항률이 6H의 경우 1·10¹¹ Ωcm를 초과하고 4H의 경우 1·10¹³ Ωcm를 초과하는 경우, 적외선의 광학 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 이러한 결정들의 경우, 광 흡수는 적외선에서 0.01 cm^-1 미만일 것이다.

얕은 불순물 배경에서 붕소가 우세한 Pi-타입의 바나듐-보상된 SiC 단결정들은, 이들의 저항률이 4H의 경우 1·10¹³ Ωcm를 초과하고 6H의 경우 5·10¹¹ Ωcm를 초과하는 경우, 가시 광선의 광학 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 이러한 결정들의 경우, 광 흡수는 λ = 450 nm에서 0.8 cm^-1 미만, 및 λ = 750 nm에서 0.01 cm^-1 미만이어야 한다.

얕은 불순물 배경에서 알루미늄이 우세한 Pi-타입의 바나듐-보상된 6H-SiC 단결정들은, 이들의 저항률이 1·10⁵ Ωcm 내지 1·10⁸ Ωcm인 경우, 요구 광학 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 이러한 결정들은 가시 광선 범위에서 최상의 투과율을 제공할 수 있다. 광 흡수는 λ = 450 nm에서 0.8 cm^-1 미만, 및 λ = 750 nm에서 0.01 cm^-1 미만이어야 한다. 이들의 대역 에지 근방 흡수 숄더는 모든 다른 결정 타입들보다 더 낮고 더 좁다.

위에서 설명된 것은 예들이다. 본 개시내용은 첨부된 청구항들을 포함하는 본 출원의 범위 내에 속하는 본원에서 설명된 청구 대상에 대한 변경들, 수정들, 및 변화들을 포함하도록 의도된다. 본원에서 사용되는 바와 같이 "포함한다"라는 용어는 비제한적으로 포함하는 것을 의미한다. "기초하는"이라는 용어는 적어도 부분적으로 기초한다는 것을 의미한다. 추가적으로, 본 개시내용 또는 청구항들이 단수 표현("a", "an", "a first", 또는 "another")의 엘리먼트 또는 이의 등가물을 언급하는 경우, 하나 이상의 그러한 엘리먼트를 포함하는 것으로 해석되어야 하며, 2개 이상의 그러한 엘리먼트들이 요구되지도 배제되지도 않아야 한다.

미국의 특허장에 의해 보호가 요구되고 새로운 것으로 청구되는 것은 다음과 같다.

Claims

바나듐-보상된 고 저항률 실리콘 탄화물(SiC) 단결정을 포함하며,
상기 SiC 단결정은 4H 폴리타입 및 Nu-타입의 바나듐-보상된 SiC 단결정이고, 1·10¹² Ωcm 이상의 저항률을 갖거나, 또는 얕은 불순물 배경에서 알루미늄이 우세한 Pi-타입의 바나듐-보상된 6H-SiC 단결정이고, 1·10⁵ Ωcm 내지 1·10⁸ Ωcm의 저항률을 가지며,
상기 SiC 단결정은 420 nm 내지 4.5 μm의 범위의 파장을 갖는 광의 투과를 위해 구성되는, 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 광의 파장은 450nm 미만인, 조성물.
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제 1항에 있어서,
상기 4H 폴리타입 및 Nu-타입의 바나듐-보상된 SiC 단결정은 5·10¹² Ωcm 초과의 저항률을 갖고, 상기 광의 파장은 적외선인, 조성물.
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