Device-relevant defect centers and minority carrier lifetime in 3C-, 4H- and 6H-SiC [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Sergey Reshanov

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• Publié le: 01 janvier 2005
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Device-relevant defect centers and
minority carrier lifetime
in 3C-, 4H- and 6H-SiC







Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades








vorgelegt von
Sergey Reshanov
aus St.-Petersburg












Als Dissertation genehmigt von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten der
Universität Erlangen-Nürnberg









Tag der mündlichen Prüfung: 24. Oktober 2005

Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. D.-P. Häder
Erstberichterstatter: Prof. Dr. H. Weber
Zweitberichterstatter: L. Ley i

Zusammenfassung

1. Erbium in SiC
Zwei Er-korrelierte Defektzentren Er(p) /Er(p) wurden in DLTS Spektren von p-Typ 1 2
4H- bzw. 6H-SiC beobachtet. Die folgenden thermischen Ionisationsenergien wurden für den
dominierenden Er-korrelierten Defekt Er(p) bestimmt: 1
thE (Er(p) ) = 0,58eV in 4H-SiC, 1
thE (Er(p) ) = 0,62eV in 6H-SiC. 1
Diese Defektzentren sind donatorartig. Für den Löchereinfang ist der Multiphonon-
cEinfangmechanismus verantwortlich. Die Einfangbarriere beträgt für Löcher E (Er(p) ) = 1
0.1eV in 4H- und 6H-SiC. Für Er-korrelierte Defektzentren werden Er oder ein (Er -N )-Si Si C
Komplex vorgeschlagen.
3+Der Energietransport zum Er 4f-Elektron erfolgt höchstwahrscheinlich durch die Er-
korrelierte Defektzentren. Die Rekombinationsenergie entspricht der Energiedifferenz
zwischen dem N-Donatorniveau und den Er-korrelierten Defekten, die 2,5eV bzw. 2,3eV für
4H-SiC bzw. 6H-SiC beträgt.

2. Defekte in Al-dotiertem SiC
In Al-dotierten 4H-, 6H- und 3C-SiC Epitaxieschichten wurde eine Reihe von flachen
Defektzentren beobachtet, die durch Prozessschritte wie Implantation, Ausheilung oder
Oxidation generiert werden können. Diese Defektzentren haben folgende
Aktivierungsenergie:
a3C-SiC: E (RE) = 175meV,
a a6H-SiC: E(RE) = 165meV, E(RE) = 250meV, 1 2
a4H-SiC: E(RE) = 250meV. 3
Die RE -Defektzentren (i = 1 bis 3) sind wahrscheinlich chemisch identisch und bestehen aus i
einem Al-Atom in Verbindung mit einem oder mehreren intrinsischen Defekten. RE und RE 1 2
in 6H-SiC sind wahrscheinlich metastabile Zustände, die ein und demselben Defektkomplex
angehören. RE-Defektzentren sind thermisch stabil bis zu 1700°C; ihre mikroskopische i
Struktur ist noch nicht identifiziert.
KR-Defektzentren (i = 1 bis 3) sind in geringer Konzentration erzeugt worden und i
wurden vorwiegend mit DLTS beobachtet. Diese Defektzentren sind wahrscheinlich
intrinsische Defektkomplexe, obwohl ihre mikroskopische Struktur noch nicht geklärt ist. ii
a a6H-SiC: E(KR) = 385meV, E(KR) = 350meV, 1 2
a4H-SiC: E(KR) = 375meV. 3
KR wurde in 6H-SiC-Proben nach Implantation (Bestrahlung) beobachtet. Er zerfällt bei 2
Temperaturen über 800°C. KR (6H-SiC) und KR (4H-SiC) treten erst nach Ausheilung auf 1 3
und sind selbst nach einem Ausheilschritt bei 1700°C thermisch stabil.

3. Schwefel in SiC
Schwefel ist ein Doppeldonator in 3C-, 6H- and 4H-SiC. Er wird höchstwahrscheinlich
substitutionell in das SiC Gitter eingebaut. Die folgenden thermischen Ionisierungsenergien
wurden für S-Doppeldonatoren (einschließlich der Poole-Frenkel Korrektur) bestimmt:
3C-SiC 6H-SiC 4H-SiC
0/+S 160meV 310meV, 375meV, 395meV 350meV, 520meV
+/++S 330meV 485meV, 615meV, 635meV 560meV, 570meV

Die Einfang des Elektrons am S-Donator erfolgt durch den Kaskadeneinfang.
Der elektrische Aktivierungsgrad von S-Doppeldonatoren liegt bis nahezu 100% nach
einem Ausheilschritt bei 1700°C für 30min für eine implantierte S Konzentration von
15 17 -3(1x10 -1x10 )cm .

4. Midgap-Defekte in 6H-SiC
Die elektrische DLOS-Methode wurde als ein effektives Verfahren für die
Untersuchung von Midgap-Defekten in 6H-SiC vorgestellt.
Das modifizierte Modell von Chantre et al. für den optischen Einfangquerschnitt wurde
ofür die Bestimmung der optischen Ionisationsenergie E und der Franck-Condon-Energie
d aus den optischen Absorptionsspektren verwendet. Eine semi-klassische Annäherung für FC
das Franck-Condon-Moment ist nötig um eine adäquate Analyse des thermisch verbreiterten
optischen Querschnitts in SiC durchzuführen. Die effektive Phononenenergie von 6H-SiC
wurde bestimmt zu
ε (6H-SiC) = 60meV.
Folgende dominierende Midgap-Defekte wurden mit DLOS in „quenched“ n-Typ 6H-
SiC beobachtet:
o thZ /Z (6H): E ≅1,1eV, d ≅0,4eV, E ≅0,7eV, 1 2 FC
o thR-center: E =1,64eV, d ≅0,31eV, E =1,33eV, FC
o thM: E ≅2,2eV, d ≅0,3eV, E ≅1,9eV. 1 FC
Das Konfigurationskoordinatendiagramm für das R-Defektzentrum wurde aus DLOS-
Ergebnissen erstellt. iii
M (E -1,9eV) wird als verantwortlicher Defekt für die Limitierung der 1 C
Minoritätsladungsträgerlebensdauer in n-Typ 6H-SiC vorgeschlagen.
Die thermische Ionisierungsenergie des Vanadium-Donatorniveaus wurde aus der
Analyse der Photoleitungsspektren, gemessen an V/Al-codotiertem SI 6H-SiC, bestimmt
th 4+ 5+ th 4+ 5+6H-SiC: E(V/V (k ,k ))=1,52eV, E(V/V (h))=1,67eV. 1 2

5. Minoritätsträgerlebensdauer-Messungen
Aus dem Vergleich der Löcherlebensdauer, die mit bauelementrelevanten elektrischen
Messmethoden (CRT, OCVD) bzw. optischen Messmethoden (TRPL) bestimmt wurde, wird
gefolgert, dass die erhaltenen Lebensdauerwerte stark von der verwendeten Analysemethode
abhängen. Diese Unterschiede beruhen auf physikalischen Gründen und nicht auf
systematischen Fehlern der Messmethoden.
In Hinblick auf elektrische Messmethoden, hängt die Löcherlebensdauer vom
jeweiligen Bauelementbereich ab, in dem die Minoritätsträgerrekombination stattfindet. Die
CRT Methode bestimmt die Löcherlebensdauer am Rand der Raumladungszone, wo
-8implantationsinduzierte Defektzentren die Lebensdauer (bis zu ≈10 s) absenken, während die
OCVD Methode die Rekombination in der n-Basisbereichepischicht detektiert und die
Kristallqualität dieses Bereichs charakterisiert. Diese Methode führt zu den höchsten
-6Lebensdauerwerten ( ≈10 s).
Die optische TRPL Methode hängt stark von experimentellen Bedingungen ab. Die
beobachteten Zeitkonstanten werden durch Oberflächenrekombination beeinflusst und sind
durch emittierte Photonen bestimmt, die aus verschiedenen Rekombinationsprozessen
stammen.
Die bestimmte optische Löcherlebensdauer nimmt Werte zwischen den durch CRT und
OCVD ermittelten Lebensdauerwerten an. Die Ladungsträgerlebensdauer beschreibt deshalb
eher die Eigenschaften des Elektrons bzw. des Lochs unter bestimmten
Umgebungsbedingungen, als die Eigenschaften des Halbleiters selbst. iv
Contents 1
Contents

Introduction ................................................................................................................................3
1. Photoionization of energetically deep defects........................................................................6
1.1. Basic concept of the optical capture cross section ..........................................................6
1.2. Inkson model for the photoionization cross section ........................................................8
1.3. Electron-phonon coupling. The Huang-Rhys model.......................................................9
1.4. Thermally broadened optical capture cross section11
1.5. Chantre model for the optical capture cross section......................................................13
2. Determination of minority carrier lifetime ...........................................................................16
2.1. Minority carrier recombination and lifetime .................................................................16
2.1.1. Recombination via defect: Shockley-Read-Hall (SRH) recombination.................16
2.1.2. Auger recombination ..............................................................................................18
2.2. Determination of the minority carrier lifetime ..............................................................19
2.2.1. Current recovery transient (CRT)19
2.2.2. Open circuit voltage decay (OCVD) ......................................................................22
2.2.3. Time-resolved photoluminescence (TRPL) ...........................................................24
2.3. Recombination in SiC....................................................................................................27
3. Experimental.........................................................................................................................28
3.1. Analysis techniques .......................................................................................................28
3.1.1. Capacitance-Voltage (C-V) measurements ............................................................28
3.1.2. Deep level transient spectroscopy (DLTS).............................................................29
3.1.3. Admitta