Aktivierung von Aluminium implantiert in 4H-SiC

In der vorliegenden Arbeit wird der Aktivierungsgrad von implantiertem Aluminium in 4H-Siliziumkarbid (4H-SiC) bei unterschiedlichen Akzeptorkonzentrationen nach Ausheilprozessen bei hoher Temperatur untersucht. Der Begriff des Aktivierungsgrads entspricht dabei dem Maß, mit dem in den Halbleiter eingebrachte Dotieratome substitutionelle Gitterplätze besetzen und dadurch ionisiert werden können. Die Erforschung dieser Fragestellung ermöglicht eine verbesserte Prozess- und Bauelementesimulation. Dadurch kann die Anzahl der Lernzyklen bei der Entwicklung von Leistungshalbleiter-Bauelementen reduziert werden.
Zur konsistenten Abhandlung der Konzentrationsabhängigkeit der Aktivierung von implantiertem Aluminium in 4H-SiC wurde ein weiter Bereich an Dotierstoffkonzentrationen abgedeckt, der bisher noch nicht in diesem Umfang methodisch untersucht wurde. Die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters wurden mittels Messung von Kapazitäts-Spannungs-Charakteristiken C(U) und Messungen des Hall-Effekts bestimmt. Untersuchungen an planaren Metall-Oxid-Halbleiter-Kondensatoren mit lateraler Kontaktierung ermöglichen dabei eine direkte C(U)-Charakterisierung implantierter p-Typ-Bereiche in stickstoffdotiertem 4H-SiC. Aus den erhaltenen Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien wurde die Netto-Dotierstoffkonzentration ermittelt. Der Hall-Effekt wurde an stegförmigen Hall-Strukturen gemessen. Die daraus bestimmte freie Ladungsträgerdichte und die zugehörige Beweglichkeit wurden unter Anwendung unterschiedlicher Modelle hinsichtlich der Zusammensetzung der Störstellendichten und der Streumechanismen analysiert.
Die Ergebnisse der beiden Methoden lassen sich mit den bisher verwendeten Modellen nicht erklären. Um die Ergebnisse widerspruchsfrei in Übereinstimmung zu bringen, wird ein neuartiges Löcherfallen-Modell vorgeschlagen. Im Löcherfallen-Modell wird eine bei tiefen Temperaturen kompensierend wirkende Löcherfalle eingeführt. Sie ergänzt die in bisherigen Modellen angenommenen Kompensationsstörstellen dadurch, dass sie ebenfalls Löcher aus Akzeptorzuständen kompensiert. Im Unterschied zu tiefen Kompensationsstörstellen wird der Löcherfalle ein Ionisierungsniveau um 400 meV über der Valenzbandkante zugeordnet, sodass eingefangene Löcher mit steigender Temperatur wieder freigegeben werden. Aus einer simultanen Anpassung des Löcherfallen-Modells an die freie Löcherdichte und die zugehörige Beweglichkeit folgt ein mit steigender Akzeptorkonzentration stetig sinkender Aktivierungsgrad.
Im Rahmen des Löcherfallen-Modells werden abschließend Parametrisierungen des Aktivierungsgrads und der Löcherfallendichte in Abhängigkeit der Akzeptorkonzentration sowie der entsprechenden Ionisierungsenergien innerhalb eines empirischen Modells angegeben. Darüber hinaus wird eine empirische Beschreibung der Beweglichkeit im für die Leistungshalbleitertechnik relevanten Temperaturbereich vorgelegt. Diese Parametrisierungen können in Prozess- und Bauelementesimulationen zur Abschätzung der freien Löcherdichte und der zugehörigen Beweglichkeit von aluminiumdotiertem 4H-SiC nach einer Implantation bei 500 °C und einem Hochtemperatur-Ausheilschritt bei 1800 °C für 30 min angewendet werden.