Universität Erlangen-Nürnberg DFG-Begutachtung Erlangen, 19./20. November 2001 SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung Alternative

Universität Erlangen-NürnbergDFG-BegutachtungErlangen, 19./20. November 2001

SiC als Halbleitermaterial: Alternative Wege in Züchtung und Dotierung

AlternativeKristallzüchtungs-Verfahren



„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



SiC Kristallbaufehler

Kohlenstoffeinschlüsse Siliziumeinschlüsse Hohlräume

Versetzungen &StapelfehlerSchleichenderAusfall / schlechtePerformance

Versetzungen Polytypie

6H-SiC

15R-SiC

4H-SiC

10mm

PolytypieOptimierte elektronische Eigenschaften

Mikroröhren

MikroröhrenSofortausfall

Defekte Bauelement



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



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



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



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 (?)



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



Projekt VIII – Nachweis von Si13C mittels Mikro-Ramanspektroskopie

Mit zunehmender 13C Konzentration• Modenverschiebung

zu niedrigeren Frequenzen• Modenverbreiterung



Projekt VIII - Beispiel Si13C Methode

LängsschnittSiC Kristall

Si13CPulver

Si12C

Si13C

Züchtungsanlage: Pensl



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



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



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)



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



Querverbindungen innerhalb der Forschergruppe

allgemeinSubstratlieferant

Projekt VIDefekte in SiC

Projekt VIIRealstrukturen von SiC

Projekt IX

SiC Teststrukturen

Projekte I,II,IIIKRISTALLZÜCHTUNG

Projekt VIII



Hochdruckanlage(p~200bar)

M-PVT Anlage miterweitertem Gassystem:• Ar/He / H2

• SiH4:H2 / C3H8

• N2

Typische PVT-Anlage



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

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