Doble función del hidrógeno en 4H-SiC: del control dopante a la pasivación de defectos cuánticos +

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4H-SiC, como semiconductor de banda ancha de tercera generación, muestra un gran potencial en dispositivos electrónicos de alta temperatura, alta frecuencia y alta potencia y en tecnologías cuánticas emergentes. Durante su crecimiento cristalino (p. ej., mediante transporte físico de vapor, PVT) y epitaxia (p. ej., mediante deposición química de vapor, CVD), el hidrógeno (H₂) se utiliza a menudo como gas portador o de proceso. Además, el hidrógeno se puede introducir fácilmente en el material durante los procesos de fabricación del dispositivo, como la implantación de iones y el tratamiento con plasma. En consecuencia, el hidrógeno, como impureza común, influye profundamente en las propiedades eléctricas, la evolución de defectos y las características ópticas del 4H-SiC. Comprender el papel del hidrógeno es crucial para desarrollar estrategias de ingeniería de impurezas para 4H-SiC.

1. Configuraciones estables y comportamiento básico del hidrógeno

Los cálculos teóricos han revelado varios sitios posibles para el hidrógeno dentro de la red 4H-SiC, incluido el antisitio de carbono (H), el antisitio de silicio (H) y varios sitios intersticiales, como el sitio centrado en el enlace (H), el sitio intersticial tetraédrico de silicio (H) y el sitio intersticial tetraédrico de carbono (H).

Fig. 1 Diagrama esquemático de configuraciones atómicas típicas del hidrógeno en 4H-SiC.

Los cálculos de energía de formación indican que las energías de formación del hidrógeno intersticial son generalmente más bajas que las del hidrógeno sustitucional. En el 4H-SiC tipo p, His es la configuración dominante, mientras que en el material tipo n, H es la más estable. Ambas configuraciones de hidrógeno intersticial exhiben un comportamiento U negativo, con sus estados de carga pasando directamente de +1 a -1 en los niveles de Fermi (E_F) de 2,80 eV y 0,34 eV, respectivamente. También introducen niveles profundos dentro de la banda prohibida, capaces de atrapar portadores de carga, que es la razón fundamental de su capacidad para afectar las propiedades eléctricas y ópticas del 4H-SiC.

2. Compensación y Control de la Conducta de Dopaje por Hidrógeno

2.1 Compensación por dopaje tipo N

En el 4H-SiC de tipo n dopado con nitrógeno (N), el H cargado negativamente actúa como un centro de compensación, contrarrestando los electrones proporcionados por los donantes de nitrógeno. Cuando la concentración de hidrógeno introducida involuntariamente es alta, puede fijar el nivel de Fermi, obstaculizando gravemente cualquier aumento adicional en la concentración de electrones. Los cálculos muestran que el efecto de compensación del hidrógeno sobre el dopaje con nitrógeno de alta concentración (por ejemplo, 10¹⁹ cm⁻³) se vuelve significativo sólo cuando la concentración de hidrógeno excede los 10¹⁸ cm⁻³, momento en el cual el nivel de Fermi se fija en aproximadamente 1,4 eV. Además, la energía de formación del N_CEl complejo -H es alto y su energía de enlace es negativa, lo que indica que es poco probable que el hidrógeno pasivase a los donantes de nitrógeno en condiciones de equilibrio térmico. Su influencia proviene principalmente del efecto de compensación de sus estados intersticiales.

2.2 Impacto en el dopaje tipo P

En 4H-SiC tipo p dopado con aluminio (Al), la vacante de carbono intrínseca (V_C) es el centro de compensación primario, con una energía de formación mucho menor que la de H. Por lo tanto, en comparación con V_C, el efecto de compensación del hidrógeno sobre el dopaje de tipo p es insignificante. Simultáneamente, la energía de formación del Al_Si-El complejo H también es mayor que el del Al aislado._Sie hidrógeno intersticial, lo que sugiere que el hidrógeno no pasiva fácilmente los aceptores de aluminio en condiciones de crecimiento de equilibrio térmico. Sin embargo, la pasivación puede ocurrir durante procesos de desequilibrio como la implantación de iones de hidrógeno, pero debido a su baja energía de enlace, esta pasivación se puede eliminar fácilmente mediante un recocido térmico posterior.

2.3 Supresión del dopaje involuntario con nitrógeno

En el crecimiento de cristales de 4H-SiC semiaislantes (HPSI) de alta pureza, controlar el dopaje involuntario de nitrógeno y boro (B) es clave para lograr una alta resistividad. La investigación ha descubierto que la introducción de hidrógeno durante el crecimiento de PVT puede suprimir significativamente la incorporación de nitrógeno, mientras que tiene poco efecto sobre el boro. El mecanismo implica la adsorción de hidrógeno en la superficie de crecimiento y la reacción con nitrógeno para formar gas NH₃ estable, que escapa, reduciendo así el potencial químico del nitrógeno y aumentando su energía de formación en 4H-SiC. Esto aumenta la presión parcial crítica de nitrógeno permitida para el cultivo de HPSI 4H-SiC en aproximadamente dos órdenes de magnitud, relajando los requisitos sobre el nivel de vacío del sistema de crecimiento y la pureza de los materiales de origen.

3.Efectos de pasivación del hidrógeno en defectos clave en 4H-SiC

3.1 Pasivación de vacantes de carbono: mejora de la vida útil de los transportistas

V_Ces ampliamente reconocido como un "eliminador de la vida útil de los portadores" en los dispositivos bipolares 4H-SiC, ya que sus niveles profundos atrapan eficazmente a los portadores en desequilibrio, lo que degrada el rendimiento del dispositivo. Los estudios teóricos indican que la introducción de hidrógeno mediante métodos de no equilibrio (p. ej., implantación de iones de hidrógeno) puede formar V_CComplejos -nH (n=1-4). Entre estos, el V_C-El complejo 4H puede eliminar completamente los niveles defectuosos de V_Cdentro de la banda prohibida.

Fig. 2 Energías de formación y energías de enlace de V_C-complejos nH

Aunque la energía de formación de V_C-4H es alto en condiciones de equilibrio térmico y posee una energía de enlace positiva dentro de un rango de nivel de Fermi específico (0,44 – 3,03 eV), lo que indica que una vez formado, este complejo es difícil de disociar. Esto implica que la pasivación de hidrógeno lograda a través de procesos de no equilibrio es una estrategia eficaz para eliminar V_Cestados defectuosos y mejorar la vida útil del portador de 4H-SiC.

3.2 Pasivación de vacantes de silicio: un obstáculo para las aplicaciones cuánticas

V_Sies un centro de color en 4H-SiC que exhibe emisión de fotón único a temperatura ambiente y largos tiempos de coherencia de espín, lo que lo convierte en un candidato para las tecnologías de la información cuántica. Sin embargo, el hidrógeno se une fácilmente con V_Sipara formar V_Si-NH (n=1-4), alterando su estructura electrónica y propiedades ópticas. Por ejemplo, los niveles de defecto de (V_Si-3H)^–difieren de los del V aislado^–_Si, lo que provoca cambios en la longitud de onda e intensidad de la fotoluminiscencia (PL), o incluso una extinción completa de su luminiscencia.

Los experimentos de irradiación de protones confirman que cuando la implantación de hidrógeno se realiza a temperaturas elevadas (por ejemplo, 400 °C), la movilidad mejorada del hidrógeno aumenta la probabilidad de encontrar V inducido por la irradiación._Siy formando complejos, lo que resulta en un debilitamiento significativo de la V_Si-Señales PL relacionadas (líneas V1 y V2). Estos V_SiTodos los complejos -nH tienen energías de enlace positivas; una vez formados, son muy estables y requieren recocido térmico para disociarlos y restaurar la luminiscencia uniforme de la V._Sicentros de color.

3.3 Influencia en la formación de centros de color vacantes de nitrógeno

Entonces_CV_Si^–El centro de color ha atraído mucha atención debido a su emisión en la banda del infrarrojo cercano (alrededor de 1300 nm). La investigación sobre la formación de este centro mediante la implantación de iones de hidrógeno reveló un fenómeno de fluencia umbral único (~5,0×10¹⁵ cm⁻²) después del recocido a 1000°C.

En fluencias por debajo de este umbral, la señal PL es extremadamente débil, lo que se atribuye a la formación de complejos como V_Si-H, que apagan la luminiscencia de N_CV^– _Si. Cuando la fluencia excede el umbral, el efecto de eliminación del portador inducido por la irradiación transforma el material de tipo n a tipo n débil o intrínseco. Esto cambia el estado de carga estable del hidrógeno de H^–_ia H⁰_io H⁺_i, reduciendo su tendencia a unirse con defectos y haciendo que sea más probable que se desorba del material. Esto, a su vez, permite que el N_CV^– _SiCentro de color para formar eficazmente y emitir luz. Este fenómeno resalta la influencia crítica del estado de carga del hidrógeno en su comportamiento y su complejidad en la fabricación de centros de color cuánticos.

En resumen, el hidrógeno desempeña un doble papel en el 4H-SiC: es un pasivo beneficioso que puede neutralizar las vacantes de carbono y mejorar el rendimiento del dispositivo, pero también es una impureza perjudicial que puede compensar el dopaje y apagar la luminiscencia de los centros de color cuánticos.

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Referencias:

1. Huang, Y., Wang, R., Zhang, Y., Yang, D. y Pi, X. (2022). Evaluación del efecto del hidrógeno sobre las propiedades electrónicas del 4H-SiC.Física China B,31(5), 056108.
2. Huang, Y., Wang, R., Zhang, N., Zhang, Y., Yang, D. y Pi, X. (2022). Efecto del hidrógeno sobre el dopaje involuntario de carburo de silicio 4H.Revista de Física Aplicada,132(15).
3. Bathen, ME, Galeckas, A., Coutinho, J. y Vines, L. (2020). Influencia de la implantación de hidrógeno en las emisiones de la vacante de silicio en 4H-SiC.Revista de Física Aplicada,127(8).
4. Narahara, T., Sato, SI, Kojima, K., Hijikata, Y. y Ohshima, T. (2021). Influencias de la irradiación de iones de hidrógeno en la formación de NcVsi− en carburo de silicio 4H.Física Aplicada Express,14(2), 021004.