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

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 24H- bzw. 6H-SiC beobachtet. Die folgenden thermischen Ionisationsenergien wurden für den dominierenden Er-korrelierten Defekt Er(p) bestimmt: 1thE (Er(p) ) = 0,58eV in 4H-SiC, 1thE (Er(p) ) = 0,62eV in 6H-SiC. 1Diese Defektzentren sind donatorartig. Für den Löchereinfang ist der Multiphonon-cEinfangmechanismus verantwortlich. Die Einfangbarriere beträgt für Löcher E (Er(p) ) = 10.1eV in 4H- und 6H-SiC. Für Er-korrelierte Defektzentren werden Er oder ein (Er -N )-Si Si CKomplex vorgeschlagen. 3+Der Energietransport zum Er 4f-Elektron erfolgt höchstwahrscheinlich durch die Er-korrelierte Defektzentren.
Publié le : samedi 1 janvier 2005
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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. Admittance spectroscopy (AS)...............................................................................35
3.1.4. Photoconductivity...................................................................................................36
3.2. Sample preparation........................................................................................................37
3.2.1. Chemical cleaning ..................................................................................................37
3.2.2. Fabrication of electrical contacts............................................................................38
3.2.3. Ion implantation......................................................................................................38
3.2.4. Thermal treatments.................................................................................................39
3.2.5. Reactive ion etching ...............................................................................................39
4. Deep level optical spectroscopy (DLOS) .............................................................................41
4.1. Measurement principle ..................................................................................................41
4.2. DLTS / DLOS measurement hardware .........................................................................43
4.2.1. Basic DLTS system FT 1030 .................................................................................43
4.2.2. Optical DLTS hardware .........................................................................................46
4.2.3. DLTS / DLOS measurement modes.......................................................................48
5. Experimental results .............................................................................................................49 2 Contents
5.1. Electrical and optical characterization of erbium-implanted 6H- and 4H-SiC epilayers
...................................................................................................................................... 49
5.1.1. Low temperature photoluminescence (LTPL) measurements ............................... 54
5.2. Shallow defect centers in Al-doped 6H-, 4H- and 3C-SiC........................................... 56
5.3. Identification of sulfur in 4H-, 6H- and 3C-SiC by AS and DLTS .............................. 61
5.4. Deep level optical spectroscopy and photoconductivity investigations of midgap
defects in SiC................................................................................................................ 67
5.4.1. DLOS investigations of quenched n-type 6H-SiC................................................. 67
5.4.2. Photoconductivity investigations on semi-insulating 6H-SiC ............................... 70
5.5. Electrical and optical determination of the minority carrier lifetime in SiC ................ 72
+5.5.1. Characterization of investigated p -n SiC diodes .................................................. 72
5.5.2. Hole lifetime determined by electrical methods .................................................... 76
5.5.3. Hole lifetimined by time-resolved photoluminescence (TRPL) .............. 78
6. Discussion ............................................................................................................................ 79
3+6.1. Energy transfer mechanism to Er ions in SiC ............................................................ 79
6.2. Shallow Al-related defects in SiC................................................................................. 82
6.3. Sulfur as a double donor in SiC .................................................................................... 84
6.4. Midgap defects in 6H-SiC............................................................................................. 91
6.4.1. R-center in quenched n-type 6H-SiC..................................................................... 91
6.4.2. Vanadium midgap level in semi-insulating 6H-SiC .............................................. 94
6.5. Comparison of electrically and optically determined minority carrier lifetimes .......... 96
Summary .................................................................................................................................. 99
Outlook... 102
Appendix. 103
A. Material parameters of SiC ........................................................................................... 103
B. Implantation parameters................................................................................................ 105
B.1. Erbium implantation............................................................................................... 105
B.2. Xenon implantation 105
B.3. Nitrogen implantation............................................................................................. 106
B.4. Aluminum im ......................................................................................... 107
B.5. Hydrogen implantation 108
B.6. Helium im 109
B.7. Sulfur implantation................................................................................................. 110
+B.8. Al-implantation for p -n diodes ............................................................................. 110
C. List of used symbols...................................................................................................... 112
References.............................................................................................................................. 115 Introduction 3

Introduction


Silicon carbide (SiC) is a semiconductor material for realizing high-power devices
owing to its superior properties such as the wide bandgap of 2.3 to 3.3eV depending on the
respective polytype, the breakdown field of ≈3MV/cm, the saturation electron drift velocity of
7≈2x10 cm/s, the thermal conductivity of 4.9W/cm⋅K, the extremely high thermal stability and
chemical inertness.
The great progress of SiC technology provides more possibilities to reach the
underlying electrical and optical properties required for the device design. SiC devices like
Schottky barrier diodes, p-i-n diodes, bipolar junction transistors (BJT), gate turn-off (GTO)
thyristors, insulated gate bipolar transistors (IGBT), field effect transistors (MOSFET,
MESFET, JFET), UV-photodiodes, X-ray detectors have been demonstrated in the last
decade. High-voltage 300-1200V (1-20A) Schottky barrier diodes are now on the market
(Cree Inc., Infineon Technologies AG). In addition, 2.7GHz / 60W MESFETs are
commercially available (Cree Inc.).
In spite of the achieved progress in the fabrication of SiC-based electronic devices,
there are still a lot of material problems to be investigated. The knowledge about the influence
of impurities and process-induced (by implantation, irradiation or thermal treatment) intrinsic
defects on the electrical properties of SiC is one of the essentials for a further development of
the SiC technology. By now, energetically deep defects in the upper part of the bandgap of
SiC and frequently used dopants (nitrogen, phosphorus, boron and aluminum) are in general
intensively studied. Defects in the lower half of the bandgap are still insufficiently explored
and the search of alternative dopants like e.g. sulfur, which is supposed to be a double donor,
is also of current importance.
Bipolar devices are superior to unipolar devices for high-voltage applications. The
minority carrier lifetime is one of the most important parameters for bipolar devices. It
controls e.g. the level of base modulation and as a consequence the voltage drop across the
device at high current densities as well as the recovery time and thus the switching losses.
Therefore, reliable device-relevant minority carrier lifetime measurements are an essential
task.
Deep levels, especially midgap levels, act as efficient carrier generation and
recombination centers. Therefore, it is essential to investigate the properties and the origin of 4 Introduction
midgap levels. Control of deep levels is also a key issue to realize high-purity semi-insulating
substrates.
The wide bandgap of the SiC polytypes makes it more difficult to search for such
effective traps by standard deep level transient spectroscopy (DLTS), because extremely high
temperatures far above 700K would be required for thermal emission of charge carriers from
midgap traps into the valence or conduction band. For electrical capture-cross sections known
-11 2 -15 2for attractive or neutral defect centers (≅10 cm to 10 cm), an energy range of
approximately 1.3eV apart from the band edges can be monitored by DLTS leaving an energy
range of up to 1eV in the middle of the bandgap, which is hardly accessible. The standard
analysis of DLTS transients is, in addition, no longer applicable for midgap levels because of
their strong interaction with both the conduction and valence band. In this case, an optical
technique – deep level optical spectroscopy (DLOS) allows the observation of defect levels
located in the midgap region of the bandgap of SiC.
Doping of wide bandgap semiconductors such as SiC with rare-earth elements appears
to be especially attractive for photonic applications. Substantial research is concentrated on
3+the implantation with Er ions because of the emission wavelength of 1.54µm, which
coincides with the attenuation minimum of silica based optical fibers.


This thesis contains six chapters:
In Chapter 1, the theoretical background of the photoionization of energetically deep
defects is given. Firstly, the electronic part of the optical capture cross section is discussed
and, secondly, the electron-phonon interaction is considered within the Huang-Rhys model.
The multiphonon-broadened photoionization cross section of deep levels is finally described
in a semi-classical approximation by convolution of the temperature-independent electronic
part with the thermally broadened Franck-Condon factor.
In Chapter 2, the basic concepts of nonradiative recombination processes and minority
carrier lifetime measurement techniques are presented. The Shockley-Read-Hall
recombination and Auger recombination are briefly given. Two electrical lifetime
measurement techniques (current recovery transient (CRT) and open circuit voltage decay
(OCVD)) and one optical (time-resolved photoluminescence (TRPL)) are considered.
In Chapter 3, the experimental methods and the sample preparation are described. The
measurement principles of the capacitance-voltage (C-V) method, deep level transient
spectroscopy (DLTS), admittance spectroscopy (AS) and photoconductivity are presented.
Chapter 4 gives a basic introduction into the principle, technique, and apparatus of the
deep level optical spectroscopy (DLOS). Also the experimental DLTS/DLOS setup used in
this work is described.
Experimental results and their discussion are given Chapter 5 and Chapter 6,
respectively. The following topics are in detail treated:

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