Vätets dubbla roll i 4H-SiC: från dopantkontroll till passivering av kvantdefekter +

PAM-XIAMEN offers conductive and semi-insulating SiC wafers for scientific research. For details, please contact: [email protected]

4H-SiC, as a third-generation wide bandgap semiconductor, shows great potential in high-temperature, high-frequency, high-power electronic devices, and emerging quantum technologies. During its crystal growth (e.g., by Physical Vapor Transport, PVT) and epitaxy (e.g., by Chemical Vapor Deposition, CVD), hydrogen (H₂) is often used as a carrier or process gas. Furthermore, hydrogen can be readily introduced into the material during device fabrication processes such as ion implantation and plasma treatment. Consequently, hydrogen, as a common impurity, profoundly influences the electrical properties, defect evolution, and optical characteristics of 4H-SiC. Understanding the role of hydrogen is crucial for developing impurity engineering strategies for 4H-SiC.

1. Stable Configurations and Basic Behavior of Hydrogen

Theoretical calculations have revealed various possible sites for hydrogen within the 4H-SiC lattice, including the carbon antisite (H), silicon antisite (H), and several interstitial sites, such as the bond-centered site (H), the silicon tetrahedral interstitial site (H), and the carbon tetrahedral interstitial site (H).

Fig. 1 Schematic diagram of typical atomic configurations of hydrogen in 4H-SiC

Formationsenergiberäkningar indikerar att bildningsenergierna för interstitiellt väte i allmänhet är lägre än för substitutionsväte. I p-typ 4H-SiC är His den dominerande konfigurationen, medan i n-typ material är H den mest stabila. Båda dessa interstitiella vätekonfigurationer uppvisar negativt U-beteende, med deras laddningstillstånd som övergår direkt från +1 till -1 vid Fermi-nivåer (E_F) på 2,80 eV respektive 0,34 eV. De introducerar också djupa nivåer inom bandgapet, som kan fånga laddningsbärare, vilket är den grundläggande orsaken till deras förmåga att påverka de elektriska och optiska egenskaperna hos 4H-SiC.

2. Kompensation och kontroll av dopningsbeteende av väte

2.1 Ersättning av doping av N-typ

I kväve (N)-dopad n-typ 4H-SiC fungerar negativt laddat H som ett kompensationscentrum, vilket motverkar de elektroner som tillhandahålls av kvävedonatorer. När den oavsiktligt införda vätekoncentrationen är hög, kan den fästa Fermi-nivån, vilket allvarligt hindrar ytterligare ökning av elektronkoncentrationen. Beräkningar visar att kompensationseffekten av väte på högkoncentrerad kvävedopning (t.ex. 10¹⁹ cm⁻³) blir signifikant endast när vätekoncentrationen överstiger 10¹8 cm⁻³, vid vilken punkt Fermi-nivån fastställs till cirka 1,4 eV. Dessutom bildas energin för N_C-H-komplexet är högt och dess bindningsenergi är negativ, vilket indikerar att väte sannolikt inte kommer att passivera kvävedonatorer under termiska jämviktsförhållanden. Dess inflytande härrör främst från kompensationseffekten av dess interstitiella tillstånd.

2.2 Inverkan på doping av P-typ

I aluminium (Al)-dopad p-typ 4H-SiC, den inneboende kolvakansen (V_C) är det primära kompensationscentret, med en formationsenergi som är mycket lägre än H. Jämfört med V_C, är kompensationseffekten av väte på dopning av p-typ försumbar. Samtidigt bildas energin för Al_Si-H-komplexet är också högre än det för isolerat Al_Sioch interstitiellt väte, vilket antyder att väte inte lätt passiverar aluminiumacceptorer under termiska jämviktstillväxtbetingelser. Emellertid kan passivering inträffa under icke-jämviktsprocesser som vätejonimplantation, men på grund av dess låga bindningsenergi kan denna passivering lätt avlägsnas genom efterföljande termisk glödgning.

2.3 Undertryckande av oavsiktlig kvävedopning

I tillväxten av högrena halvisolerande (HPSI) 4H-SiC-kristaller är kontroll av oavsiktlig dopning av kväve och bor (B) nyckeln för att uppnå hög resistivitet. Forskning har funnit att införande av väte under PVT-tillväxt avsevärt kan undertrycka kväveinkorporering, samtidigt som det har liten effekt på bor. Mekanismen innebär att väte adsorberas på tillväxtytan och reagerar med kväve för att bilda stabil NH₃-gas, som strömmar ut och därigenom minskar den kemiska potentialen hos kväve och ökar dess bildningsenergi i 4H-SiC. Detta höjer det kritiska partialtrycket av kväve som tillåts för odling av HPSI 4H-SiC med cirka två storleksordningar, vilket mildrar kraven på vakuumnivån i tillväxtsystemet och renheten hos källmaterial.

3. Passiveringseffekter av väte på nyckeldefekter i 4H-SiC

3.1 Passivering av lediga platser för koldioxid: Förbättring av transportörens livslängd

V_Cär allmänt erkänd som en "livstidsdödare för bärare" i 4H-SiC bipolära enheter, eftersom dess djupa nivåer effektivt fångar icke-jämviktsbärare, vilket leder till försämrad enhetsprestanda. Teoretiska studier indikerar att införande av väte via icke-jämviktsmetoder (t.ex. vätejonimplantation) kan bilda V_C-nH (n=1-4)-komplex. Bland dessa, V_C-4H-komplex kan helt eliminera defektnivåerna av V_C inom bandgapet.

Fig. 2 Formationsenergier och bindningsenergier för V_C-nH-komplex

Även om bildningsenergin för V_C-4H är hög under termiska jämviktsförhållanden, den har en positiv bindningsenergi inom ett specifikt Fermi-nivåintervall (0,44 – 3,03 eV), vilket indikerar att när det väl bildats är detta komplex svårt att dissociera. Detta innebär att vätepassivering som uppnås genom icke-jämviktsprocesser är en effektiv strategi för att eliminera V_C defekttillstånd och förbättrar bärarlivslängden för 4H-SiC.

3.2 Passivering av lediga platser i kisel: ett hinder för kvantapplikationer

V_Siär ett färgcenter i 4H-SiC som uppvisar rumstemperatur enfotonemission och långa spinkoherenstider, vilket gör det till en kandidat för kvantinformationsteknik. Men väte binder lätt med V_Siatt bilda V_Si-nH (n=1-4) komplex, förändrar dess elektroniska struktur och optiska egenskaper. Till exempel kan defektnivåerna för (V_Si-3H) ^-skiljer sig från de isolerade V^-_Si, vilket leder till förändringar i fotoluminescens (PL) våglängd och intensitet, eller till och med fullständig släckning av dess luminescens.

Protonbestrålningsexperiment bekräftar att när väteimplantation utförs vid förhöjda temperaturer (t.ex. 400°C), ökar den ökade rörligheten för väte sannolikheten för att stöta på bestrålningsinducerad V_Sioch bildar komplex, vilket resulterar i en betydande försvagning av V_Si-relaterade PL-signaler (V1- och V2-linjer). Dessa V_Si-nH-komplex har alla positiva bindningsenergier; när de väl bildats är de mycket stabila och kräver termisk glödgning för att dissociera dem och återställa den enhetliga luminescensen hos V:n_Sifärgcentra.

3.3 Inflytande på bildandet av kvävevakansfärgcentra

N_CV_Si^- färgcentrum har väckt stor uppmärksamhet på grund av dess emission i det nära-infraröda bandet (cirka 1300 nm). Forskning om att bilda detta centrum via vätejonimplantation avslöjade ett unikt tröskelfluensfenomen (~5,0×10¹⁵ cm⁻²) efter glödgning vid 1000°C.

Vid fluenser under detta tröskelvärde är PL-signalen extremt svag, vilket beror på bildandet av komplex som V_Si-H, som släcker luminescensen av N_CV^- _Si. När fluensen överskrider tröskeln, omvandlar den bäraravlägsnande effekten som induceras av bestrålning materialet från n-typ till svag n-typ eller inneboende. Detta ändrar det stabila laddningstillståndet för väte från H^-_itill H⁰_ieller H⁺_i, vilket minskar dess tendens att binda med defekter och gör det mer sannolikt att desorberas från materialet. Detta gör i sin tur att N_CV^- _Sifärgcentrum för att bilda effektivt och avge ljus. Detta fenomen belyser det kritiska inflytandet av väteladdningstillstånd på dess beteende och dess komplexitet vid tillverkningen av kvantfärgscentra.

Sammanfattningsvis spelar väte en dubbel roll i 4H-SiC: det är en fördelaktig passiveringsmedel som kan neutralisera vakanser i kol och förbättra enhetens prestanda, men det är också en skadlig förorening som kan kompensera dopning och släcka luminescensen hos kvantfärgcentra.

Oavsett om du behöver SiC-skivor för forskning eller för industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Huang, Y., Wang, R., Zhang, Y., Yang, D., & Pi, X. (2022). Bedöma effekten av väte på de elektroniska egenskaperna hos 4H-SiC.Kinesisk fysik B,31(5), 056108.
2. Huang, Y., Wang, R., Zhang, N., Zhang, Y., Yang, D., & Pi, X. (2022). Effekt av väte på oavsiktlig dopning av 4H kiselkarbid.Journal of Applied Physics,132(15).
3. Bathen, M. E., Galeckas, A., Coutinho, J., & Vines, L. (2020). Influence of hydrogen implantation on emission from the silicon vacancy in 4H-SiC. Journal of Applied Physics,127(8).
4. Narahara, T., Sato, S. I., Kojima, K., Hijikata, Y., & Ohshima, T. (2021). Influences of hydrogen ion irradiation on NcVsi− formation in 4H-silicon carbide. Tillämpad fysik Express,14(2), 021004.