Zur Physik intrinsischer Defekte in 4H-, 6H- und 3C-Siliziumkarbid

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2005-08-25
Issue Year
2005
Authors
Weidner, Michael
Editor
Abstract

Silicon Carbide (SiC) is a wide bandgap semiconductor material with outstanding properties. The high saturation drift velocity for electrons, the high electric breakdown field strength, and the high thermal conductivity make SiC suitable as a promising material for high power, high frequency and high temperature devices. Since 2001, SiC Schottky diodes with 600V reverse bias and 12A forward current are available from Infineon. In addition, substantial progress in understanding of the SiC-oxide-interface and in the realization of highly p- or n-doped regions were achieved. For the production of bipolar SiC devices, the increase of the minority carrier lifetime will play a crucial role. At the moment its values are less than 1µs, which is at least three orders of magnitude lower than the values for silicon. Intrinsic defects are the main candidates for this reduction of carrier lifetime. Thus a detailed understanding of intrinsic defects is undispensable for systematic improvements. In order to obtain information about the chemical nature and structure of intrinsic defects, different measurement methods have to be applied on identical samples; such correlations are rare in the literature. Especially correlations between investigations of the structure of intrinsic defects and such ones giving information about their effect on the electrical properties are missing. Up to now, the chemical nature and structure of defect centers detected by DLTS are mostly subject to speculations. In this thesis, intrinsic defects in 3C-, 4H- and 6H-SiC are predominantely investigated and analyzed by Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS). The following results were achieved: In n-type 3C-SiC epitaxial layers several electrically active intrinsic defects named W1 to W8 and Z1/Z2(3C) were detected with thermal activation energies ranging from 150meV to 650meV. Their electrical capture cross section was determined. The generation and the thermal stability of these defects were investigated by H+- or He+implantation and by e--irradiation and subsequent annealing at temperatures between 430°C and 1700°C. The C-sublattice was damaged selectively by irradiation with 200keV-electrons. Successive DLTS measurements showed that in 3C-SiC almost all observed electrically active defects are correlated with C-vacancies or C-interstitials. Z1/Z2(3C) at Ec-580meV is the dominating defect after ion implantation and subsequent annealing. It is a double peak, which could be resolved. By DDLTS its acceptor-like character was shown. DLTS-measurements under illumination did not reveal a possible negative-U-behavior of Z1/Z2(3C). In n-type 4H-SiC epitaxial layers, the electrically active intrinsic defects ID3, ID8, ID9, Z1/Z2(3C), EH3, EH4, EH5, RD2 und RD3 were detected with thermal activation energies ranging from 225meV to 920meV; in addition, their electrical capture cross section was determined. The generation and the thermal stability of these defects were investigated by He+-implantation or e--irradiation and subsequent annealing steps at 430°C to 1700°C. The activation energy for the annihilation of the Z1/Z2 defect was determined to 2.1eV by isochronal annealing experiments. Any correlation between the D1-defect in LTPL spectra and the Z1/Z2 center in DLTS spectra of 4H-SiC cannot clearly be confirmed. Irradiation of 4H-SiC by 200keV-electrons only generated the Z1/Z2 center. Since such electron energies can only damage the C-sublattice of SiC, Z1/Z2 is correlated with C-vacancies or C-interstitials. The annealing behavior of defects after He+-implantation or e--irradiation was observed either by DLTS (detection of electrically active defects) or by positron annihilation spectroscopy (detection of vacancy-type defects). The comparison of both analysis techniques results in: The defect centers EH3, RD2 and Z1/Z2 in 4H-SiC are correlated with Si-vacancies. The charge state of E in 6H-SiC was determined by DDLTS-investigations under illumination: Ei^2- à Ei^- + e^- à Ei^0 + 2e^- (i = 1, 2). DLTS-investigations of Z1/Z2 in 4H-SiC under variation of the filling pulse width allowed the determination of the electrical capture cross section of Z2 in different charge states. The optical “pseudo ionization energy” and a lower limit for the Franck-Condon-energy was estimated for Z1/Z2 in 4H- and E1E2 in 6H-SiC by DLTS-measurements under spectral illumination.

Abstract

Siliziumkarbid ist aufgrund herausragender physikalischer Eigenschaften für die Halbleiterindustrie von großem Interesse: großer Bandabstand, hohe Sättigungsdriftgeschwindigkeit für Elektronen, hohe Durchbruchfeldstärke und große Wärmeleitfähigkeit machen SiC zu einem Erfolg versprechenden Material für den Bau von Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturbauelementen. Die Firma Infineon AG brachte 2001 die ersten SiC-Bauelemente auf den Markt (Schottky-Dioden für bis zu 600V Sperrspannung und bis zu 12A Vorwärtsstrom). Ferner wurden große Fortschritte im Verständnis von Oxid-SiC-Grenzflächen und in der Erzeugung hoch p- bzw. n-dotierter Bereiche gemacht. Für die Realisierung von bipolaren SiC-Bauelementen wird die Erhöhung der Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern eine entscheidende Rolle spielen. Sie liegt derzeit bei maximal 1µs und damit um drei Größenordnungen unter dem entsprechenden Wert für Silizium. Für gezielte Verbesserungen müssen die Ursachen dieser Lebensdauerreduzierung verstanden werden. Intrinsische Defekte gelten dabei als Hauptverdächtige. Um über Struktur und Zusammensetzung intrinsischer Defekte genaue Informationen zu erhalten, müssten verschiedene Messmethoden auf gleiche Proben angewendet werden; solche Korrelationen werden in der Literatur kaum berichtet. Insbesondere mangelt es an Korrelationen zwischen Untersuchungen, die Informationen über die Struktur von Defekten liefern, und Untersuchungen, die deren Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften beinhalten. Über chemische Zusammensetzung und Struktur von mittels DLTS bestimmten Defektzentren kann größtenteils nur spekuliert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden intrinsische Defekte in 3C-, 4H- und 6H-Siliziumkarbid vorwiegend mittels Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) untersucht und analysiert. Damit werden Defektparameter wie Erzeugungscharakteristik, thermische Stabilität, thermische Anregungsenergie und elektrischer Einfangquerschnitt von Elektronen ermittelt. Eine Erweiterung erfährt die DLTS-Methode durch die spektrale optische Anregung mittels Laserdioden. Sie ermöglichte eine direkte Abschätzung der optischen Ionisierungsenergie und damit der Franck-Condon-Energie von Negativ-U-Zentren in 4H- und 6H-SiC, d. h. ohne Annahme eines theoretischen Modells. Weiterhin wurden folgende Ergebnisse erzielt: In n-leitenden 3C-SiC-Epitaxieschichten wurden eine Reihe elektrisch aktiver intrinsischer Defekte W1 bis W8 sowie Z1/Z2(3C) mit thermischen Aktivierungsenergien von (150 - 650)meV nachgewiesen und ihr elektrischer Einfangquerschnitt bestimmt. Die Erzeugung und die thermische Stabilität dieser Defekte wurden durch H+- bzw. He+-Implantation oder e--Bestrahlung und nachfolgenden Ausheilschritten bei (430°C-1700°C) untersucht. Nach selektiver Schädigung des C-Untergitters durch Bestrahlung mit 200keV-Elektronen wurde nachgewiesen, dass die Defekte W2, W3, W4, Z1/Z2(3C), W6 und W7 in n-leitendem 3C-SiC korreliert sind mit C-Leerstellen oder C-Zwischengitteratomen. Z1/Z2(3C) bei Ec-580meV ist nach Ionenbeschuss des Kristallgitters und nachfolgenden Ausheilschritten der dominierende Defekt. Seine Doppelpeakstruktur wurde aufgelöst und mittels DDLTS-Untersuchungen sein Akzeptorcharakter nachgewiesen. DLTS-Messungen unter Beleuchtung ergaben keinen Hinweis auf einen möglichen Negativ-U-Charakter des Z1/Z2(3C)-Defekts. In n-leitenden 4H-SiC-Epitaxieschichten wurden die elektrisch aktiven intrinsischen Defekte ID3, ID8, ID9, Z1/Z2, EH3, EH4, EH5, RD2 und RD3 mit thermischen Aktivierungsenergien von (225-920)meV nachgewiesen und ihr elektrischer Einfangquerschnitt bestimmt. Die Erzeugung und die thermische Stabilität dieser Defekte wurden durch He+-Implantation oder e--Bestrahlung und nachfolgenden Ausheilschritten bei (430°C-1700°C) untersucht. Durch isochrones Ausheilen wurde die Aktivierungsenergie für die Vernichtung des Z1/Z2-Defekts zu 2,1eV bestimmt. Eine Korrelation zwischen dem D1-Defekt und dem Z1/Z2-Defekt in 4H-SiC, detektiert mittels Tieftemperatur-Photolumineszenz bzw. DLTS, kann nicht eindeutig bestätigt werden. Durch Bestrahlung von 4H-SiC mit 200keV-Elektronen, welche nur das C-Untergitter in SiC schädigen, wurde ausschließlich der Z1/Z2-Defekt erzeugt. Er ist daher korreliert mit C-Leerstellen oder C-Zwischengitteratomen. Ein Vergleich des Ausheilverhaltens von Defekten nach He+-Implantation und e--Bestrahlung mittels DLTS (Nachweis elektrisch aktiver Defekte) und Positronenvernichtungsspektroskopie (Nachweis leerstellenartiger Defekte) wurde durchgeführt mit folgendem Ergebnis: Die Defektzentren EH3, RD2 und Z1/Z2 in 4H-SiC sind korreliert mit Si-Leerstellen. Durch DDLTS-Untersuchungen unter Beleuchtung wurden die Ladungszustände von E1/E2 in 6H-SiC bestimmt zu: Ei^2- à Ei^- + e^- à Ei^0 + 2e^- (i = 1, 2). DLTS-Messungen an Z1/Z2 in 4H-SiC unter Variation der Länge des elektrischen Füllimpulses ermöglichten die Bestimmung des Einfangquerschnitts des Z2-Defekts in verschiedenen Ladungszuständen.

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