Deep-level defects in epitaxial 4H-SiC irradiated with low-energy electrons

• Autorzy: Kaminski P. , Kozubal M. , Caldwell J. D. , Kew K. K. , Van Mil B. L. , Myers-Ward R. L. , Eddy C. R. jr. , Gaskill D. K.

Warianty tytułu

PL

Głębokie centra defektowe w warstwach epitaksjalnych 4H-SiC napromieniowanych elektronami o niskiej energii

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Deep level transient spectroscopy (DLTS) has been applied to study defect centers in the epitaxial layers of nitrogen-doped n-type 4H-SiC before and after the irradiation with a dose of 1.0x10¹⁷ cm^-2 of 300-keV electrons. It is shown that the minority carrier lifetime in the as-grown epilayers is predominantly affected by the Z_1/2 center concentration. The capture cross-section of the Z_1/2 center for holes is found to be ˜ 6.0x10^-14 cm². We have tentatively attributed the center to the divacancy V_CV_Si formed by the nearest neighbor silicon and carbon vacancies located in different (h or k) lattice sites. The substantial increase in the Z_1/2 center concentration induced by the low-energy electron irradiation is likely to be dependent on both the residual concentration of silicon vacancies and nitrogen concentration in the as-grown material. Four irradiation-induced deep electron traps with the activation energies of 0.71, 0.78, 1.04 and 1.33 eV have been revealed. The 0.71-eV trap, observed only in the epilayer with a higher nitrogen concentration of 4.0x10¹⁵ cm³, is provisionally identified with the complex defect involving a dicarbon interstitial and a nitrogen atom. The 0.78-eV and 1.04-eV traps are assigned to the carbon vacancy levels for V_C (2-/-) and V_C (-/0), respectively. The 1.33-eV trap is proposed to be related to the dicarbon interstitial.

PL

Niestacjonarną spektroskopię pojemnościową (DLTS) zastosowano do badania centrów defektowych w domieszkowanych azotem warstwach epitaksjalnych 4H-SiC typu n przed oraz po napromieniowaniu dawką elektronów o energii 300 keV, równą 1,0x10¹⁷ cm³. Pokazano, że czas życia mniejszościowych nośników ładunku w warstwach nienapromieniowanych jest zależny głównie od koncentracji centrów Z_1/2. Stwierdzono, że przekrój czynny na wychwyt dziur przez te centra wynosi ˜ 6x10¹⁴ cm². W oparciu o dyskusję wyników badań przedstawionych w literaturze zaproponowano konfigurację atomową centrów Z_1/2. Stwierdzono, że centra te są prawdopodobnie związane z lukami podwójnymi V_CV_Si, utworzonymi przez znajdujące się w najbliższym sąsiedztwie luki węglowe (V_C) i luki krzemowe (V_Si) zlokalizowane odpowiednio w węzłach h i k lub k i h sieci krystalicznej 4H-SiC. Otrzymane wyniki wskazują, że przyrost koncentracji centrów Z_1/2 wywołany napromieniowaniem elektronami o niskiej energii zależny jest zarówno od koncentracji luk krzemowych, jak i od koncentracji azotu w materiale wyjściowym. Wykryto cztery pułapki elektronowe charakteryzujące się energią aktywacji 0,71 eV, 0,78 eV, 1,04 eV i 1,33 eV powstałe w wyniku napromieniowania. Pułapki o energii aktywacji 0,71 eV, które wykryto tylko w warstwie epitaksjalnej o większej koncentracji azotu równej 4x10¹⁵ cm^-3, są prawdopodobnie związane z kompleksami złożonymi z atomów azotu i dwóch międzywęzłowych atomów węgla. Pułapki o energii aktywacji 0,78 eV i 1,04 eV przypisano lukom węglowym znajdującym się odpowiednio w dwóch różnych stanach ładunkowych V_C(2-/-) i V_C(-/0). Pułapki o energii aktywacji 1,33 są prawdopodobnie związane z aglomeratami złożonymi z dwóch międzywęzłowych atomów węgla.

Słowa kluczowe

EN

4H-SiC; electron trap; point defects

PL

4H-SiC; DLTS; pułapka elektronowa; defekt punktowy

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
• Czasopismo: Materiały Elektroniczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 38, nr 3-4
• Strony: 26--34
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kaminski P.

autor

Kozubal M.

autor

Caldwell J. D.

autor

Kew K. K.

autor

Van Mil B. L.

autor

Myers-Ward R. L.

autor

Eddy C. R. jr.

autor

Gaskill D. K.

• Institute of Electronic Materials Technology, 133 Wolczynska Str., 01-919 Warszawa, Poland

Bibliografia

• [1] Klein P. B.: Identification and carrier dynamics of the dominant lifetime limiting defect in n- 4H-SiC epitaxial layers, Phys. Status Solidi A, 206, (2009), 2257
• [2] Giles A. J., Caldwell J. D., Stahlbush R. E., Hull B. A., Mahadik N. A., Glembocki O. J., Hobart K. D., Liu K. X.: Electroluminescence spectral imaging of extended defects in 4H-SiC, J. Electron. Mater., 39, (2010), 777
• [3] Troxell J. R., Chatterjee A. P., Watkins G. D., Kimerling L. C.: Recombination-enhanced migration of interstitial aluminium in silicon, Phys. Rev., B 19, (1979), 5336
• [4] Galeckas A., Hallen A., Majdi S., Linnros J., Pirouz P.: Combined photoluminescence-imaging and deep-level transient spectroscopy of recombination processes at stacking faults in 4H-SiC, Phys. Rev. B, 74, (2006), 233203
• [5] Kaminski P., Gawlik G., Kozlowski R.: Deep levels in rapid thermal annealed GaAs, Mat. Sci. Eng. B 28, (1994), 439
• [6] Kozubal M., Kaminski P., Kozlowski R., Tymicki E., Grasza K., Warchol S.: Effect of elektron irradiation on defekt structure of 6H-SiC grown by PVT method, Superlattices and Microstructures, 45, (2009), 402
• [7] Hemmingson C., Son N. T., Kordina O., Bergman J. P., Janzen E., Lindstrom J. L., Savage S., Nordell N.: Deep level defects in electron-irradiated 4H SiC epitaxial layers, J. Appl. Phys., 81, (1977), 6155
• [8] Pintilie I., Pintilie L., Irmscher K., and Thomas B.: Formation of the Z1,2 deep-level defects in 4H-SiC epitaxial layers: Evidence for nitrogen participation, Appl. Phys. Lett., 81, (2002), 4841
• [9] Litton C. W., Johnstone D., Akarca-Biyikli S., Ramaiah K. S., Bhat I., Chow T. P., Kim J. K., Schubert E. F.: Effect of C/Si ratio on deep levels in epitaxial 4H-SiC, Appl. Phys. Lett., 88, (2006), 121914
• [10] Danno K., Hori T., Kimoto T.: Impacts of growth parameters on deep levels in n-type 4H-SiC, J. Appl. Phys., 101, (2007), 053709
• [11] Danno K., Nakamura D., Kimoto T.: Investigation of carrier lifetime in 4H-SiC layers and lifetime control by electron irradiation, Appl. Phys. Lett., 90, (2007), 202109
• [12] Kimoto T., Danno K., and Suda J.: Lifetime-killing defects in 4H-SiC epilayers and lifetime control by low-energy electron irradiation, Phys. Stat. Sol. (b), 245, (2008), 1327
• [13] Storasta L., Henry A., Bergman J. P.Janzen E.: Investigations of possible nitrogen participation in the Z1/Z2 defect in 4H-SiC, Mater. Sci. Forum, 457-460, (2004), 469
• [14] Eberlein T. A. G., Jones R., Briddon P. R.: Z1/Z2 Defects in 4H-SiC, Phys. Rev. Lett., 90, (2003), 225502
• [15] Rempel A. A., Sprengel W., Blaurock K., Reichle K. J., Major J., Schaefer H.-E.: Identification of lattice vacancies on the two sublattices of SiC, Phys. Rev. Lett., 89, (2002), 185501
• [16] Storasta L., Tsuchida H.: Reduction of traps and improvement of carrier lifetime in 4H-SiC epilayers by ion implantation, Appl. Phys. Lett., 90, (2007), 062116
• [17] Storasta L., Bergman J. P., Janzen E., Henry A.: Deep levels created by low energy electron irradiation in 4H-SiC, J. Appl. Phys., 96, (2004), 4909
• [18] FujiwaraH., Danno K., Kimoto T., Tojo T., Matsunami H.: Effects of C/Si ratio in fast epitaxial growth of 4H-SiC (0 0 0 1) by vertical hot-wall chemical vapor deposition, J. Crystal Growth, 281, (2005), 370
• [19] Danno K., Kimoto T.: Investigation of deep levels in n-type 4H-SiC epilayers irradiated with low-energy electrons, J. Appl. Phys., 100, (2006), 113728
• [20] Hurle D. T. J.: Charged native point defects in GaAs and other III-V compounds, J. Crystal Growth, 237-239, (2002), 1621
• [21] Torpo L., Staab T. E. M., Nieminen R. M.: Divacancy in 3C--and 4H-SiC: An extremely stable defect, Phys. Rev. B, 65, (2002), 085202
• [22] Dalibor T., Pensl G., Kimoto T., Matsunami H., Sridhara S., Devaty R. P., Choyke W. J.: Radiation-induced defect centers in 4H silicon carbide, Diamond and Related Materials, 6, (1997), 1333
• [23] Jansen R. W., Sankey O. F.: Theory of relative native- and impurity-defect abundances in compound semiconductors and the factors that influence them, Phys. Rev. B, 39, (1989), 3192
• [24] David M. L., Alfieri G., Monakhov E. M, Hallen A., Blanchard C., Svensson B. G., Barbot J. F.: Electrically active defects in irradiated 4H-SiC, J. Appl. Phys., 95, (2004), 4728
• [25] Torpo L., Mario M., Staab T. E. M., Nieminen R. M.: Comprehensive ab initio study of properties of monovacancies and antisites in 4H-SiC, J. Phys.: Condens. Matter., 13, (2001), 6203
• [26] Son N. T., Carlson P., Ul Hassan J., Magnusson B., Janyen E.: Defects and carrier compensation in semi-insulating 4H-SiC substrates, Phys. Rev. B, 75, (2007), 155204
• [27] Steeds J. W., Sullivan W.: Identification of antisite carbon split-interstitial defects in 4H-SiC, Phys. Rev. B, 77, (2008), 195204