Untersuchung von Siliziumkarbidkristallen mit Hilfe der Positronen-Annihilations-Spektroskopie. Dissertation

Transkript

1 Untersuchung von Siliziumkarbidkristallen mit Hilfe der Positronen-Annihilations-Spektroskopie Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr.rer.nat) vorgelegt der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät (mathematisch-naturwissenschaftlicher Bereich) der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg von Dipl-Phys. Frank Redmann geboren am in Wurzen Gutachter: 1. Prof. Dr. R. Krause-Rehberg 2. Prof. Dr. R.-H. Höche 3. Prof. Dr. K. Maier Halle, den 07.April 2003 (Tag der Verteidigung) urn:nbn:de:gbv: [

2

3 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1 Untersuchungsmethoden Positronen-Annihilations-Spektroskopie Positron Grundlagen der Positronenannihilation Wechselwirkung der Positronen mit dem Festkörper Positronenquelle PositroneninHalbleitern KonventionellePositronen-Lebensdauer-Spektroskopie Messanordnung Trappingmodell BestimmungderDefektkonzentration Positronen-Lebensdauer-Messplatz Einstellung der Messplätze GepulstesPositronen-Lebensdauer-Strahl-System Doppler-Annihilations-Spektroskopie Grundlagen MessprinzipderDoppler-Annihilations-Spektroskopie ParameterderAnnihilationslinie DopplerspektroskopiemonoenergetischerPositronen CharakterisierungdesDefektprofiles Doppler-Koinzidenz-Spektroskopie Defektgenerierung durch Bestrahlung Grundlagen der Betrahlungstheorie ElastischeKernwechselwirkung Streuung an Gitterelektronen Implantationscharakteristika Energetische Betrachtung Siliziumkarbid KristallzuchtundEpitaxie EpitaktischesWachstum Defekte im Siliziumkarbid i

4 3.2.1 Ergebnisse anderer Messmethoden Diffusion und Löslichkeit von Verunreinigungen in SiC Umladungsniveaus ausgewählter leerstellenartiger Defekte Ergebnisse UntersuchungvonBulk-Material H-SiC OptischeAktivierungvonDefekten UntersuchungmitmonochromatischemLicht AusheilverhaltenderDefekte Dosiserhöhung auf cm Doppler-Koinzidenz-Messungen Abhängigkeit der Leerstellenkonzentration von der Stickstoff-Dotierungs- Konzentration DermetastabileDefekt H-SiC UntersuchungvonSchichtsystemen Elektronen-bestrahltesn-Typ6H-und4H-SiC Helium-Implantation in 4H- und 6H-SiC BorinSiC DasD-ZentruminSiC Charakterisierung des Oberflächeneffektes Zusammenfassung und Ausblick 99 A Informationen zu Siliziumkarbid 102 A.1 DieDetrappingrate Literaturverzeichnis 105 Eidesstattliche Erklärung 113 Lebenslauf 115 Danksagung 117 ii

5 Abbildungsverzeichnis 0.1 Publikationen übersicindenletztenjahren Energieverteilung der Positronen nach der Emission im 22 Na TransmissionderPositronendurchdieProbe Wechselwirkung der Positronen mit dem Festkörper Potenzial von Leerstelle und flacher Falle Schematischer Temperaturverlauf der mittleren e + -Lebensdauer einer negativ geladenen und neutralen Leerstelle Darstellung des Probensandwiches Darstellung zweier Trappingmodelle für eine Leerstelle Positronen-Lebensdauer-Messplatz Ideales und reales e + -Lebensdauerspektrum PLEPS in München DopplerverbreiterunganplastischdeformiertemGaAs LinienformparameteranplastischdeformiertemGaAs Positronen-StrahlsysteminHalle Darstellung der Implantationsprofile für 4 ausgewählte Positronenenergien TiefenauflösungvonVEPFIT Zweidimensionales Koinzidenzspektrum von 4H n-typ SiC Bulk-Material Reduzierung des Untergrundes durch die Anwendung des Energieerhaltungssatzes Theoretische Berechnungen des Hochimpulsanteils der Positronenannihilation von 4H-SiC Elektronen-Aufenthaltswahrscheinlichkeit für Silizium und Kohlenstoff Verlauf des Hochimpulsanteiles nach theoretischen Rechnungen Streuquerschnitt Frenkel-Paare Induktionsofen für die Herstellung von SiC-Substratmaterial SiCKristallmitMikropipesimLichtmikroskop SiC Kristall mit verschiedenen Bereichen an Polytypen Kohlenstoff-und Siliziumagglomerate und Hohlräume SchematischerAblaufdesCVD-Verfahrens Siliziumdampfdruck iii

6 3.7 Umladungsniveaus der Silizium-Leerstelle auf kubischem Gitterplatz mit und ohne Madelungkorrektur Umladungsniveaus der Silizium-Leerstelle auf hexagonalem Gitterplatz mit und ohne Madelungkorrektur Umladungsniveaus der Kohlenstoff-Leerstelle mit und ohne Madelungkorrektur Relaxation der Einfachleerstellen V C und V Si Positronen-Aufenthalts-Wahrscheinlichkeiten der V Si und V C im 4H-SiC Umladungsniveaus der Doppelleerstelle im 4H-SiC Positronen-Aufenthalts-Wahrscheinlichkeiten der Doppelleerstellen im Kristallgitter Positronenlebensdauern-undp-dotierterSiCKristalle Positronen-Aufenthalts-Wahrscheinlichkeit im 6H-SiC Positronenlebensdauer fürn-dotiertes6h-sic Lage verschiedener elektrisch aktiver Defekte im 6H-SiC (DLTS) e + -Lebensdauerspektren von Elektronen-bestrahltem SiC und Referenz-Material 6Hn-TypSiC Mittlere e + -Lebensdauer von Elektronen-bestrahltem n-typ 6H-SiC unter Beleuchtung und in Dunkelheit Zerlegung der e + -Lebensdauerspektren von Elektronen-bestrahltem n-typ 6H-SiC unter Beleuchtung und in Dunkelheit Differenz der mittleren e + -Lebensdauer unter Beleuchtung und Dunkelheit Mittlere e + -Lebensdauer unter monochromatischer Beleuchtung Mittlere e + -Lebensdauer für 2 MeV Elektronen-bestrahltes 6H n-typ SiC Differenz der mittleren e + -Lebensdauer zwischen Licht- und Dunkelmessung Mittlere e + -Lebensdauer von Elektronen-bestrahltem n-typ 6H-SiC unter Beleuchtung und in Dunkelheit Mittlere e + -Lebensdauer von Elektronen-bestrahltem 6H-SiC in Dunkelheit und unter Beleuchtung Mittlere e + -Lebensdauer bei Dosiserhöhung auf cm Intensitätsverteilung zwischen Silizium und Doppelleerstelle Hochimpulsanteil verschiedener Ausheilstufen von Elektronen-bestrahltem SiC S(W)-AnalysederAusheilungvonElektronen-bestrahltemSiC Mittlere e + -Lebensdauer von SiC-Substratmaterial mit verschiedenen Stickstoff- Konzentrationen Spektrale Zerlegung eines ausgewählten Bulk-Kristalls mit hoher Stickstoff- Konzentration Konfigurationsdiagramm zweier Ladungszustände Mittlere e + -Lebensdauer der Metastabilität Transmissionsverhaltenvon4Hund6Hn-TypSiC iv

7 4.23 Mittlere e + -Lebensdauer von 4H-Substratmaterial Mittlere e + -Lebensdauer nach Bestrahlung im 4H-SiC Ausheilungvon4H-SiCnachElektronen-Bestrahlung Mittlere e + -Lebensdauer nach Ausheilung im 4H-SiC für 3 Temperaturen S(E)-AnalysenachElektronen-Bestrahlung Ausheilverhalten des S-Parameters nach Elektronen-Bestrahlung S(W)-Analyse des Ausheilverhaltens nach Elektronen-Bestrahlung Hochimpulsanteil von Elektronen-bestrahltem 4H-SiC e + -Lebensdauerspektren von 4H-Substratmaterial und nach Bestrahlung VergleichdesAusheilverhaltensvonPASundDLTS SimulationderHelium-ImplantationeninSiCmitSRIM S-ParameternachderHelium-Implantation AusheilverhaltendesS-ParametersnachHelium-Implantation Vergleich der Ausheilstudien von PAS und DLTS von He-implantierten 4Hund6H-SiC SimulationderKoimplantationinSiC S-ParameternachderKoimplantationvonBmitSi/CinSiC BreitedesDefektprofilesalsFunktionderAusheiltemperatur D-ZentrumnachDLTS-Messungen S(E)-Analyse aller Ausheilstufen für 6H-SiC Ausheilverhalten des S-Parameters der Defektschicht nach Koimplantation vom6h-sic Vergleich der Doppler-Verbreiterungs-Spektroskopie mit der Positronenlebensdauer an getemperten SiC nach Koimplantation von Bor mit Silizium undkohlenstoff Ausheilverhalten der mittleren e + -Lebensdauer nach Koimplantation Theoretische e + -Lebensdauer ausgewähltercluster Oberflächeneffekt S(E)-Analyse für die 6H n-typ SiC Referenzprobe A.1 EinfachstesDetrapping-Modell v

8 Tabellenverzeichnis 3.1 Ionisationsniveaus einiger ausgewählter Akzeptoren in den verschiedenen PolytypenvonSiC Bestrahlungsdefekte in SiC (Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie) StapelfolgenunterschiedlicherPolytypeninSiC Lage der Energieniveaus ausgewählterverunreinigungen Angabe der maximalen Löslichkeit ausgewählter Verunreinigungen in SiC DiffusionskonstantenvonN,BundAlinSiC Spektrenzerlegung nach Elektronen-Bestrahlung für 4H- und 6H-SiC Implantationsdaten für die Koimplantationen von B mit Si/C in 6H-SiC Zerlegung der e + -Lebensdauerspektren bei einer Energie von 6 kev Zerlegung der e + -Lebensdauerspektren bei einer Energie von 10 kev Zerlegung der e + -Lebensdauerspektren bei einer Energie von 2 kev vi