Defekttechnik und optoelektronische Eigenschaften von Vanadium-dotiertem halbisolierendem 4H-SiC+

PAM-XIAMEN kann mit Vanadium dotierte halbisolierende 4H-SiC-Wafer liefern. Für weitere Spezifikationen wenden Sie sich bitte an[email protected]

Mit Vanadium (V) dotiertes halbisolierendes 4H-SiC ist ein ideales Material für die Herstellung optischer Halbleiterschalter, Kernstrahlungsdetektoren und Quantenlichtquellen, da es durch das amphotere Dotierungsverhalten von Vanadium eine Fermi-Level-Pinning nahe der mittleren Bandlücke erreichen kann, was zu einem hohen spezifischen Widerstand (>10⁹ Ω·cm) führt.

Vanadium ersetzt Siliziumstellen in 4H-SiC und bildet drei stabile Ladungszustände: V³⁺, V⁴⁺ und V⁵⁺, entsprechend der Akzeptorebene, dem Neutralzustand bzw. der Donorebene. Das Akzeptor-Energieniveau liegt unterhalb der Leitungsbandunterseite bei etwa 0,8–1,0 eV und das Donor-Energieniveau liegt oberhalb der Valenzbandoberseite bei etwa 1,2–1,4 eV. Diese Energieniveaustruktur verleiht ihm eine hervorragende Kompensationsfähigkeit und kann zur Herstellung halbisolierender Substrate verwendet werden.

1. Energieniveaustruktur und Ladungszustände von Vanadium in 4H-SiC

Nach ersten Prinzipienrechnungen weisen die thermodynamischen Übergangsenergieniveaus von Vanadium in 4H-SiC eine erhebliche Temperaturabhängigkeit auf. Lan et al. fand heraus, dass der V_SiDas (0/-)-Akzeptorniveau wird bei 800 K im Vergleich zu 0 K um etwa 0,07 eV nach unten verschoben, und der Elektroneneinfangquerschnitt nimmt mit der Temperatur deutlich zu und erreicht bei 750 K etwa das 1000-fache des Raumtemperaturwerts. Darüber hinaus können unter Berücksichtigung der angeregten Zustände der inneren Schale von V⁴⁺ und V³⁺ neue Übergangsenergieniveaus wie (0 */-), (0/- *) und (0 */- *) eingeführt werden, die zusätzlichen DLTS-Signalspitzen in transienten Spektren tiefer Ebenen entsprechen können.

Abb. 1 Temperaturabhängige Energieniveaus von (0/-), V_Si (h) und V_Si(K)

In Bezug auf Experimente haben Rejhon et al. identifizierte durch Photostromspektroskopie vier tiefe Energieniveaus im Bereich von 0,68–4,10 eV, nämlich:

E₁=E_c – 0,89 eV (V-Akzeptorniveau, h-Stelle),

E₂=E_c-1,1eV (möglicherweise im Zusammenhang mit V-Leerstellenkomplexen),

E.₃=E_c-1,5eV (V-Donor-Level),

E₄=E_c – 1,7 eV (positiv geladene Kohlenstofffehlstellen).

Abb. 2 Beziehung zwischen dem Lokalisierungsradius der tiefen Ebene und der Position des Energieniveaus

2. Einfluss der Defekttechnik auf die V⁴⁺-Lumineszenzleistung

Chakravorty et al. führten durch 100-MeV-Ag-Ionenbestrahlung kontrollierbare Defekte in V-dotiertes 4H-SiC ein und untersuchten systematisch deren Auswirkungen auf die V⁴⁺-bezogene Photolumineszenz. Mit zunehmender Bestrahlungsdosis nimmt die Intensität der Alpha- und Beta-Emissionslinien von V⁴⁺ erheblich ab, während der thermische Anregungsstrom zunimmt, was darauf hindeutet, dass durch Bestrahlung verursachte Defekte auf flachem Niveau zu einer Depinierung des Fermi-Niveaus und zu Kompensationsfehlern führen. TSC-Messungen ergaben außerdem, dass Defektenergieniveaus mit Aktivierungsenergien im Bereich von 0,20 bis 0,42 eV auftreten, wenn das Injektionsvolumen 1 × 10¹³ Ag cm⁻² überschreitet. Diese Energieniveaus sind an der Aufnahme und Freisetzung von Ladungsträgern beteiligt und wirken sich direkt auf das halbisolierende Verhalten des Materials aus.

Das Heißglühexperiment zeigte, dass isothermes Glühen im Bereich von 473–1073 K den spezifischen Widerstand der Probe teilweise wiederherstellen kann, jedoch nicht alle strahlungsbedingten Defekte vollständig beseitigen kann, was darauf hindeutet, dass die Hochtemperaturbehandlung nur begrenzte Auswirkungen auf die Defektreparatur hat und eine weitere Optimierung des Glühprozesses erforderlich ist.

Abb. 3 PL- und TSC-Variation mit Strahlendosis

Abb. 4 Wiederherstellung von TSC und spezifischem Widerstand nach dem Glühen

3. Photostromeigenschaften und Lochfalleneffekt von V-dotiertem 4H-SiC

Fu et al. fanden heraus, dass bei der Untersuchung V-kompensierter optischer 4H-SiC-Schalter ein Long-Tail-Phänomen im Photostrom unter 532-nm-Beleuchtung auftrat, während es bei 1064-nm-Beleuchtung kein solches Phänomen gab. Mithilfe von Doppelpulsexperimenten und transienten Simulationsmodellen schlugen sie vor, dass dies auf die flache Akzeptorebene von Aluminium zurückzuführen ist, die als Lochfalle fungiert und Löcher einfängt und langsam freisetzt, wodurch die Lebensdauer der Löcher verlängert wird.

Abb. 5 Photostromreaktion verschiedener Proben unter 532-nm- und 1064-nm-Beleuchtung

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Aluminium-Energieniveau etwa 0,21 eV über der Valenzbandspitze liegt und sein Einfangquerschnitt etwa 2×10⁻¹⁵ cm² beträgt, was in hohem Maße mit den Parametern des Aluminium-Akzeptor-Energieniveaus in der Literatur übereinstimmt. Darüber hinaus können auch unterschiedliche Dotierungsmechanismen (Deep Donor, flacher Akzeptor DDSA vs. flacher Donor, tiefer Akzeptor SDDA) die kompetitive Einfangfähigkeit von Lochfallen beeinflussen und dadurch die Bedeutung des Photostrom-Tailings beeinflussen.

4. Temperaturabhängigkeit tiefer Energieniveaus und ihre Bedeutung in der Gerätesimulation

Lan et al. untersuchte systematisch die Temperaturabhängigkeit tiefer Energieniveaus in V-dotiertem 4H-SiC durch First-Principles-Rechnungen in Kombination mit I-DLTS-Experimenten. Sie fanden heraus, dass das V (0/-)-Energieniveau dem DLTS-Peak E1 (Aktivierungsenergie 0,85 eV) bei 425 K und dem E2-Peak (Aktivierungsenergie 1,15 eV) bei 660 K entspricht, was möglicherweise mit dem (0*/-) Energieniveau des angeregten Zustands zusammenhängt.

Darüber hinaus nimmt der Elektroneneinfangquerschnitt exponentiell mit der Temperatur zu, bei 420 K ist er etwa 25-mal höher als bei 300 K und bei 670 K 568-mal höher. Diese starke Temperaturabhängigkeit hat erhebliche Auswirkungen auf das Trägerrekombinationsverhalten von Hochleistungsgeräten bei hohen Temperaturen und bietet eine theoretische Grundlage für die Simulation optischer Schalter unter Hochtemperatur- oder 532-nm-Lichtanregungsbedingungen.

Abb. 6 Variation des Elektroneneinfangquerschnitts mit der Temperatur

Es ist ersichtlich, dass V-dotiertes halbisolierendes 4H-SiC als multifunktionales Halbleitermaterial breite Anwendungsaussichten in Bereichen wie optoelektronischen Geräten, Quantenemittern und Leistungsschaltern hat.

Egal, ob Sie V-dotierte halbisolierende 4H-SiC-Wafer für die Forschung oder für industrielle Anwendungen benötigen, kontaktieren Sie uns bitte per E-Mail unter[email protected] und [email protected].

 

Verweise:

1. Chakravorty, A. & Kabiraj, D. (2022). Rolle der Fermi-Level-Depinning bei der Löschung der V4+-bedingten Photolumineszenz in halbisolierendem 4H-SiC. Halbleiterwissenschaft und -technologie, 37(9), 095024.
2. Lan, Y., Peng, B., Wang, Y., Yuan, H., Hu, J., Dong, L., … & Zhang, Y. (2025). Temperaturabhängigkeit von Tiefenpositionen und Einfangquerschnitten in Vanadium-dotiertem 4H-SiC. Zeitschrift für Angewandte Physik, 137(17).
3. Rejhon, M., Brynza, M., Grill, R., Belas, E. & Kunc, J. (2021). Untersuchung tiefer Schichten in halbisolierendem Vanadium-dotiertem 4H-SiC mittels Photostromspektroskopie. Physikbuchstaben A, 405, 127433.
4. Fu, W., Wang, L., Wang, B., Chu, X., Xun, T. & Yang, H. (2022). Untersuchung des Photostromschwanzes von Vanadium-kompensiertem 4H-SiC für Mikrowellenanwendungen. AIP-Vorschüsse, 12(9).