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

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

2 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Überblick -> I Dotierung Überblick Projekt I Wellmann, Winnacker M-PVT Verfahren laterale und axiale Homogenität von p-Substraten (Al) Projekt IV Frey, Ryssel p-Dotierung zur Bauelementeisolation Isolation, Steuerelektroden, Randabschluss Projekt III Pensl Kodotierung mit Donatoren (N / P) Reduzierung des Kontakt- / Serien- widerstands Projekt V Bockstedte, Pankratov Theorie der Dotierung von SiC Löslichkeit, Diffusion, Phosphor, Stickstoff, intrinsische Defekte

3 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Dotierung I: Motivation p-Typ 4H-SiC Substrate mit hoher Leitfähigkeit Ziel: 0.2 cm Anforderungen: Hohe Akzeptorkonzentration Homogener Einbau der Akzeptoren Anwendung: IGBT (> 4.5 kV)

4 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Dotierung I: Fakten Al-Feststoffquellen Probleme Verarmung durch hohen Dampfdruck inhomogener Einbau in Wachstumsrichtung zu niedrige Akzeptorkonzentration Realisierung mit Al-Akzeptor Ionisierungsenergie E Al 200 meV Gegenwärtiger Stand 4H-SiC:Al 2 cm Ziel: 0.2 cm

5 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Dotierung I: Lösungsansatz Isolation Ar,TMAl Saatkristall Wachstumsraum Gasauslass SiC Pulver Tiegel Lösungsansatz: Al-Gasquelle (TMAl) modifizierte PVT-Methode modifizierte PVT-Methode Vorarbeit: Prinzip wurde bereits mit Stickstoff für n-Dotierung demonstriert! Definierte zeitlich konstante Al-Quelle

6 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Überblick -> III Dotierung Überblick Projekt I Wellmann, Winnacker M-PVT Verfahren laterale und axiale Homogenität von p-Substraten (Al) Projekt IV Frey, Ryssel p-Dotierung zur Bauelementeisolation Isolation, Steuerelektroden, Randabschluss Projekt III Pensl Kodotierung mit Donatoren (N / P) Reduzierung des Kontakt- / Serien- widerstands Projekt V Bockstedte, Pankratov Theorie der Dotierung von SiC Löslichkeit, Diffusion, Phosphor, Stickstoff, intrinsische Defekte

7 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Dotierung III: Motivation Ziel: n + -Dotierung von SiC Volumenkristallen (für vertikale Bauelemente) SiC-Schichtstrukturen [Donatoren] > 10 20 cm -3 oder 1 m cm

8 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung III: Lösungsansatz Dotierung Lösungsansatz: Kodotierung N + P während der Züchtung (N 2 -Gas / Si-Pyrophosphat, 900°C) n + -Volumenkristalle durch N- / P-Koimplantation (T impl 500°C) n + -Schichtstrukturen N Kohlenstoff-Gitterplatz P Silicium-Gitterplatz ? Si C N P

9 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung experimentelle + theoretische Klärung erforderlich Dotierung III: Probleme Schichtwiderstand von 4H-SiC nach Implantation von 10 20 Atome/cm 3 : Stickstoff 534 / * Phosphor 51 / * Löslichkeit: Stickstoff 8 x 10 20 cm -3 ** Phosphor 3 x 10 18 cm -3 ** *Capano et al., 2000 **Vodakov et al., 1992 Problem Widersprüchliche Literaturdaten

10 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung III: P-Implantation Dotierung Aktuelles Ergebnis* Phosphor-Implantation elektrisch aktive Donatorkonzentration > 10 20 cm -3 (Schichtwiderstand 40 / ) ist möglich! * ICSCRM 2001, Tsukuba, Nov. 2001 4H-SiC:P T impl = 500°C Reziproke Temperatur 1000/T (K -1 ) Elektronenkonzentration (cm -3 )

11 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Überblick -> IV Dotierung Überblick Projekt I Wellmann, Winnacker M-PVT Verfahren laterale und axiale Homogenität von p-Substraten (Al) Projekt IV Frey, Ryssel p-Dotierung zur Bauelementeisolation Isolation, Steuerelektroden, Randabschluss Projekt III Pensl Kodotierung mit Donatoren (N / P) Reduzierung des Kontakt- / Serien- widerstands Projekt V Bockstedte, Pankratov Theorie der Dotierung von SiC Löslichkeit, Diffusion, Phosphor, Stickstoff, intrinsische Defekte

12 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Dotierung IV: Motivation Ziele: Planartechnologie für SiC-Bauelemente Niedriges thermisches Budget für implantierte Strukturen (Randabschluss, Steuerelektroden, Isolation) Geringe Defektdichte Stabile Bauelementecharakteristik

13 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Dotierung IV: Gegenwärtiger Stand Gegenwärtiger Stand: Mesa-Technologie für Bauelementeisolation Sperrende p - -Epischichten für Substratisolation Ausheilschritte für implantierte Strukturen bei T 1700°C

14 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Dotierung IV: Probleme Probleme Mesa-Struktur nicht kompatibel mit Planartechnologie Instabilität der Bauelementecharakteristik durch - elektrisch aktive, energetisch tiefe Störstellen - Umladen von Grenzflächenzuständen zwischen Epischichten Hohe Ausheiltemperaturen nicht Prozess-kompatibel

15 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Dotierung IV: Lösungsansatz Lösungsansatz (Planartechnologie): Implantierte Bauelementeisolation ersetzt p - -Epischicht (mittlere Dosis, wichtig: Ladungsbilanz - nicht Leitfähigkeit) B-Implantation für graduelle Dotierprofile und geringe Defektdichten im n-Kanal und in p-Schichten Senkung der Ausheiltemperatur durch Optimierung der Prozessparameter - Implantationstemperatur - Ionenstrom bei Implantation - B- statt Al-Implantation - Spike anneal

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

17 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Kooperationen I Projekt I homogene p-Substrate Projekt III elektrische Charakterisierung der Substrate Projekt VI, Projekt VII strukturelle Charakterisierung der Substrate Dotierung - Kooperationen

18 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Kooperationen III Projekt III N / P Kodotierung Projekt I Mapping der Dotierkonzentration Projekt V theoretische Klärung: Kodotierung, intrinsische Defekte Dotierung - Kooperationen Projekt IX Bauelemente-Demonstrator: Schottky-Diode, MES-FET extern (Dr. Maier, IAF Freiburg) SIMS extern (Dr. Greulich-Weber, Uni Paderborn) ESR

19 Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Kooperationen IV Projekt IV p-Schichten zur Bauelementeisolation Projekt VIII Mikro-Ramanspektroskopie (Verspannung) Projekt V theoretische Klärung: Diffusion und intrinsische Defekte Dotierung - Kooperationen Projekt IX Bauelemente, Teststrukturen Projekt VI, Projekt VII strukturelle Defekte in vergrabenen Schichten Projekt III elektrische Charakterisierung (Hall Effekt, DLTS)