Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 iC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotier Alternative ristallzüchtungs-Verfahre
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
AlternativeKristallzüchtungs-Verfahren
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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)
SiCKristall
SiC Quelle
T D eckel, P Spule, pArgon
T Boden
T
TKristall
TQuelle
TQuelle > TKristall
T > 2000°C
0 20 40 60 80 1000
1000
2000
3000
4000
T [°
C]
Kohlenstoff [At%]
SiC+C
Si+SiC
F+SiC
F+C
G+CG
F
F+G
Peritektikum( 13% Si)
2830°C±40°C
1414°C
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
SiC Kristallbaufehler
Kohlenstoffeinschlüsse Siliziumeinschlüsse Hohlräume
Versetzungen &StapelfehlerSchleichenderAusfall / schlechtePerformance
Versetzungen Polytypie
6H-SiC
15R-SiC
4H-SiC
10mm
PolytypieOptimierte elektronische Eigenschaften
Mikroröhren
MikroröhrenSofortausfall
Defekte Bauelement
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Kristallzüchtung
Wellmann/Winnacker
M-PVT Verfahren
Definierte Einstellung derGasphasenkomposition
Pensl
Sublimationszüchtung
Züchtung auf neuenKristallflächen
Hofmann/Winnacker
Lösungszüchtung
Kristallzüchtungnahe am
thermodynamischenGleichgewicht
Hundhausen/LeyMikro-
Ramanspektroskopie
Charakterisierungdes Stofftransportes
Projekt I Projekt II Projekt III Projekt VIII
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Isolation
SiC-KeimGasraum
Gasauslass
SiC-Pulver
Graphittiegel
Projekt I – Variation der Gasphasenkomposition
Definierte Einstellung derGasphasenkomposition
Ar / He + SiH4 / C3H8 + N / TMAl
Reduzierte DefektdichteSi-reich: verbessertes Ankeimen
Einstellung PolytypC/Si bestimmt Hexagonalität
Flexible DotierungHomogene (& hohe) Dotierung
A B C BA C
A
B
C
A
C
A
B
B
C
A
B
C
B
C
A
A
3C-SiC
A B C BA C A
A
B
B
A
B
A
B
B
C
A
C
C
C
C
A
A
6H-SiC
A B C BA C A B C
A
C
A
A
B
A
B
A
B
B
C
B
C
C
A
C
15R-SiC
A B C BA C
B
B
B
B
B
B
B
B
C
A
C
A
A
C
A
C
4H-SiC
A B AC B C
B
B
B
B
B
B
B
B
A
A
A
A
A
A
A
A
2H-SiC
(1100)
(000
1)
CSi(1120)
Hexagonalität
Si-reich Gasphase C-reich
SiC Polytypie
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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-face4H-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-SiC4H-SiC/6H-SiC
Substrat
Stabilitätskriterien für SiC Polytypen
Diss. Ellison, 2000.
GasphasenkompositionC/Si Verhältnis
C-reiche Gasphasefördert Hexagonalität(4H-SiC gegenüber 6H-SiC)
4H
6H
KEINE DruckabhängigkeitT
-To
Temperatur undTemperaturgradient
T-T
o
C-r
eich
4H-S
iCC-re
ich
4H-S
iC
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Projekt I – Definierte Einstellung des Polytyps4H-SiC 15R-SiC
ZieleMinimierung FremdpolytypeinschlüsseErzwungene 4H-SiC 6H-SiC und 6H-SiC 4H-SiC Übergänge
Ziele15R-SiC Einkristalle (35mm Wafer)Überprüfung der maximalen MOS-Kanalbeweglichkeit
AnsatzC-face 4H-SiC-SubstratC-reiche Gasphaseniedrige Temperaturgroßer Temperaturgradient
Ansatz(Si-face 15R-SiC-Lely-Substrat)Schwerpunkt: 6H- und 4H-SiC-SubstratC-reiche Gasphase
(Si-reicher als 4H-SiC)niedrige Temperatur (?)Temperaturgradient (?)
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Projekt I – Grundlagenuntersuchungen zumStofftransport im M-PVT Verfahren
Si12C Si12C
SiH
4 +
13C
3H8
Si12C
Si13C
Markierung Stofftransportmit 13C
Numerische SimulationTemperatur- undStofftransportfeldes
SiC SiC
SiH
4/C
3H
8
SiC KristallSiC-Pulver
GraphittiegelSiC Verbrauch
Form der Phasengrenze
Röntgen-Insitu-Beobachtung
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Projekt VIII – Nachweis von Si13C mittels Mikro-Ramanspektroskopie
Mit zunehmender 13C Konzentration• Modenverschiebung
zu niedrigeren Frequenzen• Modenverbreiterung
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Projekt VIII - Beispiel Si13C Methode
LängsschnittSiC Kristall
Si13CPulver
Si12C
Si13C
Züchtungsanlage: Pensl
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Projekt III – Züchtung auf neuen Kristallflächen
(1-100)Polytypinformation
(0001)konventionelle
Kristallzüchtungauf c-Fläche
keinePolytypinformation
Stabiles 4H-SiCKristallwachstum
Kristallzüchtungauf a-Fläche
(11-20)Polytypinformation
Vermeidung vonMikroröhren(Schraubenversetzungin (0001) Richtungmit Anteil vonStufenversetzung)
A B C BA C
A
B
C
A
C
A
B
B
C
A
B
C
B
C
A
A
3C-SiC
A B C BA C A
A
B
B
A
B
A
B
B
C
A
C
C
C
C
A
A
6H-SiC
A B C BA C
B
B
B
B
B
B
B
B
C
A
C
A
A
C
A
C
4H-SiC
(1-100)
(11-20)
(000
1)
CSi
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
80 mm
T
0 mm
60 mm
2180°C 2150°C
SiC
Graphit
(1120)-Fläche (4H)
Projekt III – Züchtung auf neuen Kristallflächen4H-SiC auf (11-20) und 3C-SiC auf (001)
2000°C 1970°C
Glasgraphit/TaC
(001)-Fläche (3C)
+10% Si
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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 Hochdruckanlagein Erlangen (p~200bar)
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Projekt II - Kristallzüchtung aus der Lösung
C crucible
S i m e lt
S iC crystal
flow pattern
heat rem ova l
feed end
D ista n ce
Tem
pera
ture S
iC la
yer
So
lid c
arb
on
Sili
con
mel
t
Defekt-Reduzierung
Polytypie
Reaktionskinetik
Stofftransport
Si-C Phasendiagramm
Mikroröhren-Schließen in 4H-SiC?(in 6H-SiC bereits demonstriert)
C/Si Abhängigkeit auf Si-reicherSeite untersuchen
Reaktion von Si mit C über SiC
C-Transport durch Si Schmelze
Si-reiche Seite des Phasen-diagramms
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Querverbindungen innerhalb der Forschergruppe
allgemeinSubstratlieferant
Projekt VIDefekte in SiC
Projekt VIIRealstrukturen von SiC
Projekt IX
SiC Teststrukturen
Projekte I,II,IIIKRISTALLZÜCHTUNG
Projekt VIII
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
Hochdruckanlage(p~200bar)
M-PVT Anlage miterweitertem Gassystem:• Ar/He / H2
• SiH4:H2 / C3H8
• N2
Typische PVT-Anlage
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SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung
4H-SiC 6H-SiC 15R-SiC 3C-SiCBandlücke [eV] 3,265 3,023 2,986 2,390Gitterparameter[Å]
a = 3.08c = 10.05
a = 3.08c = 15.12
a = 3.08c = 37.70
a = 4.36
Effektive Masse[me]
me = 0.37mh = 0.94
me = 0.69mh = 0.92
me||/ = 0.53/0.28 me||/ = 0.68/0.25
Beweglichkeit beiT=300K [cm2/Vs]
µn = 500µp = 50
µn = 300µp = 50
µn = 400(nicht optimiert)
µn = 900µp = 20
Physikalische Eigenschaften von SiC