title: Aktivierung von Aluminium implantiert in 4H-SiC
Creators: name: Mletschnig, Kristijan Luka
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025

description: In der vorliegenden Arbeit wird der Aktivierungsgrad von implantiertem Aluminium in 4H-Siliziumkarbid (4H-SiC) bei unterschiedlichen Akzeptorkonzentrationen nach Ausheilprozessen bei hoher Temperatur untersucht. Der Begriff des Aktivierungsgrads entspricht dabei dem Maß, mit dem in den Halbleiter eingebrachte Dotieratome substitutionelle Gitterplätze besetzen und dadurch ionisiert werden können. Die Erforschung dieser Fragestellung ermöglicht eine verbesserte Prozess- und Bauelementesimulation. Dadurch kann die Anzahl der Lernzyklen bei der Entwicklung von Leistungshalbleiter-Bauelementen reduziert werden. Zur konsistenten Abhandlung der Konzentrationsabhängigkeit der Aktivierung von implantiertem Aluminium in 4H-SiC wurde ein weiter Bereich an Dotierstoffkonzentrationen abgedeckt, der bisher noch nicht in diesem Umfang methodisch untersucht wurde. Die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters wurden mittels Messung von Kapazitäts-Spannungs-Charakteristiken C(U) und Messungen des Hall-Effekts bestimmt. Untersuchungen an planaren Metall-Oxid-Halbleiter-Kondensatoren mit lateraler Kontaktierung ermöglichen dabei eine direkte C(U)-Charakterisierung implantierter p-Typ-Bereiche in stickstoffdotiertem 4H-SiC. Aus den erhaltenen Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien wurde die Netto-Dotierstoffkonzentration ermittelt. Der Hall-Effekt wurde an stegförmigen Hall-Strukturen gemessen. Die daraus bestimmte freie Ladungsträgerdichte und die zugehörige Beweglichkeit wurden unter Anwendung unterschiedlicher Modelle hinsichtlich der Zusammensetzung der Störstellendichten und der Streumechanismen analysiert. Die Ergebnisse der beiden Methoden lassen sich mit den bisher verwendeten Modellen nicht erklären. Um die Ergebnisse widerspruchsfrei in Übereinstimmung zu bringen, wird ein neuartiges Löcherfallen-Modell vorgeschlagen. Im Löcherfallen-Modell wird eine bei tiefen Temperaturen kompensierend wirkende Löcherfalle eingeführt. Sie ergänzt die in bisherigen Modellen angenommenen Kompensationsstörstellen dadurch, dass sie ebenfalls Löcher aus Akzeptorzuständen kompensiert. Im Unterschied zu tiefen Kompensationsstörstellen wird der Löcherfalle ein Ionisierungsniveau um 400 meV über der Valenzbandkante zugeordnet, sodass eingefangene Löcher mit steigender Temperatur wieder freigegeben werden. Aus einer simultanen Anpassung des Löcherfallen-Modells an die freie Löcherdichte und die zugehörige Beweglichkeit folgt ein mit steigender Akzeptorkonzentration stetig sinkender Aktivierungsgrad. Im Rahmen des Löcherfallen-Modells werden abschließend Parametrisierungen des Aktivierungsgrads und der Löcherfallendichte in Abhängigkeit der Akzeptorkonzentration sowie der entsprechenden Ionisierungsenergien innerhalb eines empirischen Modells angegeben. Darüber hinaus wird eine empirische Beschreibung der Beweglichkeit im für die Leistungshalbleitertechnik relevanten Temperaturbereich vorgelegt. Diese Parametrisierungen können in Prozess- und Bauelementesimulationen zur Abschätzung der freien Löcherdichte und der zugehörigen Beweglichkeit von aluminiumdotiertem 4H-SiC nach einer Implantation bei 500°C und einem Hochtemperatur-Ausheilschritt bei 1800°C für 30 min angewendet werden.
description: In this thesis, the degree of implanted aluminum in 4H-silicon carbide (4H-SiC) is investigated at different acceptor concentrations after a high-temperature annealing process. The concept of activation degree refers to the extent to which dopant atoms occupy substitutional lattice sites and thus can be ionized. Exploring this question enables an improved process and device simulation. This is technically relevant since it can be used to reduce the number of learning cycles in the development of power semiconductor devices. A consistent examination of the concentration dependence of aluminum activation in 4H-SiC is presented by covering a broad range of dopant concentrations, which has not been methodically investigated to this degree in previous studies. The electrical properties of semiconductor samples are determined by measuring capacitance-voltage characteristics C(V ) and the Hall-effect. A direct C(V )-measurement of p-type implanted areas in nitrogen-doped epitaxially-grown crystals is enabled by characterization of specially designed planar metal-oxide-semiconductor capacitors with a lateral contact. From this, the net dopant concentration is determined. The Hall-effect is measured on Hall-bar structures. The resulting free charge carrier density and mobility are analyzed using different models, considering the composition of impurity concentrations and scattering mechanisms. However, the results derived from these two methods are incompatible with established models. To address this, a hole-trap model is proposed. Within this model, a hole trap is introduced acting as a compensating center. In contrast to deep compensating defect states, an ionization level of about 400 meV above the valence band is associated to the hole trap. Thus, holes are released from the hole traps with increasing temperature. Applying a simultaneous fit to the free hole concentration and the corresponding mobility within the hole-trap model it is found that the activation degree steadily decreases with increasing acceptor concentration. For the hole-trap model, an empirical framework and parameterizations of the activation degree and the hole-trap density with the corresponding ionization energies are established as a function of the acceptor concentration. Furthermore, an empirical description of mobility in a temperature range relevant to power semiconductor technology is formulated. These parameterizations can be applied in process and device simulations to estimate the free hole density and mobility of aluminumimplanted 4H-SiC after implantation at 500°C and a subsequent high-temperature annealing step at 1800°C for 30 min.