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Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Alternative.

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1 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Alternative Kristallzüchtungs-Verfahren

2 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung State of the art SiC Kristallzüchtung Phasendiagramm mit Peritektikum Gasphasenzüchtung Sublimations-Kristallzüchtung = PVT-Verfahren (engl. physical vapor transport) T T Kristall T Quelle T >T Kristall T > 2000°C T [°C] Kohlenstoff [At%] SiC+C Si+SiC F+SiC F+C G+C G F F+G Peritektikum ( 13% Si) 2830°C±40°C 1414°C

3 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung SiC Kristallbaufehler Kohlenstoffeinschlüsse Siliziumeinschlüsse Hohlräume Versetzungen & Stapelfehler Schleichender Ausfall / schlechte Performance Versetzungen Polytypie 6H-SiC 15R-SiC 4H-SiC 10mm Polytypie Optimierte elektronische Eigenschaften Mikroröhren Sofortausfall Defekte Bauelement

4 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Kristallzüchtung Wellmann/Winnacker M-PVT Verfahren Definierte Einstellung der Gasphasenkomposition Pensl Sublimationszüchtung Züchtung auf neuen Kristallflächen Hofmann/Winnacker Lösungszüchtung Kristallzüchtung nahe am thermodynamischen Gleichgewicht Hundhausen/Ley Mikro- Ramanspektroskopie Charakterisierung des Stofftransportes Projekt IProjekt II Projekt IIIProjekt VIII

5 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Isolation SiC-Keim Gasraum Gasauslass SiC-Pulver Graphittiegel Projekt I – Variation der Gasphasenkomposition Definierte Einstellung der Gasphasenkomposition Ar / He + SiH 4 / C 3 H 8 + N / TMAl Reduzierte Defektdichte Si-reich: verbessertes Ankeimen Einstellung Polytyp C/Si bestimmt Hexagonalität Flexible Dotierung Homogene (& hohe) Dotierung ABCBAC A B C A C A B B C A B C B C A A 3C-SiC ABCBACA A B B A B A B B C A C C C C A A 6H-SiC ABCBACABC A C A A B A B A B B C B C C A C 15R-SiC ABCBAC B B B B B B B B C A C A A C A C 4H-SiC ABACBC B B B B B B B B A A A A A A A A 2H-SiC (1100) (0001) C Si (1120) Hexagonalität Si-reich Gasphase C-reich SiC Polytypie

6 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Projekt I - Definierte Einstellung des Polytyps Substratpolarität stabiles 15R-SiC Wachstum bisher nur auf 15R-SiC (0001) Si-face 4H-SiC Umschlag in 6H-SiC beobachtet C-face 6H-SiCSi-face 4H-SiC (0001) 6H-SiC Umschlag in 4H-SiC beobachtet C-face 6H-SiCSi-face 6H-SiC (0001) 15R-SiC 4H-SiC/6H- SiC Substrat Stabilitätskriterien für SiC Polytypen Diss. Ellison, Gasphasenkomposition C/Si Verhältnis C-reiche Gasphase fördert Hexagonalität (4H-SiC gegenüber 6H-SiC) 4H 6H KEINE Druckabhängigkeit T-T o Temperatur und Temperaturgradient T-T o C-reich 4H-SiC C-reich 4H-SiC

7 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Projekt I – Definierte Einstellung des Polytyps 4H-SiC15R-SiC Ziele Minimierung Fremdpolytypeinschlüsse Erzwungene 4H-SiC 6H-SiC und 6H-SiC 4H-SiC Übergänge Ziele 15R-SiC Einkristalle (35mm Wafer) Überprüfung der maximalen MOS-Kanalbeweglichkeit Ansatz C-face 4H-SiC-Substrat C-reiche Gasphase niedrige Temperatur großer Temperaturgradient Ansatz (Si-face 15R-SiC-Lely-Substrat) Schwerpunkt: 6H- und 4H-SiC-Substrat C-reiche Gasphase (Si-reicher als 4H-SiC) niedrige Temperatur (?) Temperaturgradient (?)

8 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Projekt I – Grundlagenuntersuchungen zum Stofftransport im M-PVT Verfahren Si 12 C SiH C 3 H 8 Si 12 C Si 13 C Markierung Stofftransport mit 13 C Numerische Simulation Temperatur- und Stofftransportfeldes SiC SiH 4 /C 3 H 8 SiC Kristall SiC-Pulver Graphittiegel SiC Verbrauch Form der Phasengrenze Röntgen-Insitu-Beobachtung

9 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Projekt VIII – Nachweis von Si 13 C mittels Mikro- Ramanspektroskopie Mit zunehmender 13 C Konzentration Modenverschiebung zu niedrigeren Frequenzen Modenverbreiterung

10 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Projekt VIII - Beispiel Si 13 C Methode Längsschnitt SiC Kristall Si 13 C Pulver Si 12 C Si 13 C Züchtungsanlage: Pensl

11 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Projekt III – Züchtung auf neuen Kristallflächen (1-100) Polytypinformation (0001) konventionelle Kristallzüchtung auf c-Fläche keine Polytypinformation Stabiles 4H-SiC Kristallwachstum Kristallzüchtung auf a-Fläche (11-20) Polytypinformation Vermeidung von Mikroröhren (Schraubenversetzung in (0001) Richtung mit Anteil von Stufenversetzung) ABCBAC A B C A C A B B C A B C B C A A 3C-SiC ABCBACA A B B A B A B B C A C C C C A A 6H-SiC ABCBAC B B B B B B B B C A C A A C A C 4H-SiC (1-100) (11-20) (0001) C Si

12 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung 80 mm T 0 mm 60 mm 2180°C2150°C SiC Graphit (1120)-Fläche (4H) Projekt III – Züchtung auf neuen Kristallflächen 4H-SiC auf (11-20) und 3C-SiC auf (001) 2000°C1970°C Glasgraphit/TaC (001)-Fläche (3C) +10% Si

13 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Projekt II - Kristallzüchtung aus der Lösung Idee: Ansatz: Züchtung nahe am thermodynamischen Gleichgewicht zur Vermeidung struktureller Defekte Züchtung aus Si-Lösung (Problem: hoher Si-Partialdruck) Einzigartige Hochdruckanlage in Erlangen (p~200bar)

14 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Projekt II - Kristallzüchtung aus der Lösung Defekt-Reduzierung Polytypie Reaktionskinetik Stofftransport Si-C Phasendiagramm Mikroröhren-Schließen in 4H-SiC? (in 6H-SiC bereits demonstriert) C/Si Abhängigkeit auf Si-reicher Seite untersuchen Reaktion von Si mit C über SiC C-Transport durch Si Schmelze Si-reiche Seite des Phasen- diagramms

15 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Querverbindungen innerhalb der Forschergruppe allgemein Substratlieferant Projekt VI Defekte in SiC Projekt VII Realstrukturen von SiC Projekt IX SiC Teststrukturen Projekte I,II,III KRISTALLZÜCHTUNG Projekt VIII

16 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Hochdruckanlage (p~200bar) M-PVT Anlage mit erweitertem Gassystem: Ar/He / H 2 SiH 4 :H 2 / C 3 H 8 N 2 Typische PVT-Anlage

17 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung 4H-SiC6H-SiC15R-SiC3C-SiC Bandlücke [eV]3,2653,0232,9862,390 Gitterparameter [Å] a = 3.08 c = a = 3.08 c = a = 3.08 c = a = 4.36 Effektive Masse [m e ] m e = 0.37 m h = 0.94 m e = 0.69 m h = 0.92 m e||/ = 0.53/0.28m e||/ = 0.68/0.25 Beweglichkeit bei T=300K [cm 2 /Vs] µ n = 500 µ p = 50 µ n = 300 µ p = 50 µ n = 400 (nicht optimiert) µ n = 900 µ p = 20 Physikalische Eigenschaften von SiC


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