Structural and optical characterization of SiC

Abstract

The main topic of this thesis is the structural and optical characterisation of SiC samples. The samples were divided in three groups: bulk, thick and thin epilayers. The bulk samples were grown with the continuous feed - physical vapour transport technique and used a modified crystal holder geometry to create high purity and quality seeds of 3C-SiC. The thick epilayers were grown with the sublimation epitaxy technique, trying to demonstrate the creation of low impurity n and p type layers for device applications. Finally the thin epilayers were grown with the vapour liquid solid technique and doped with Ga impurities in an effort to create either heavily p-type doped samples or components for white LED applications. The samples were studied with four different spectroscopy characterisation techniques: the low temperature photoluminescence, micro-Raman, secondary ion mass spectroscopy and transmission electron microscopy. With the help of these techniques it was possible to determine the impurity concentration and identify the n or p character of these samples. A qualitative analysis of the quality of the samples was done using both the observation of the structural defects and the information from the optical characterisation techniques. We were able to acquire information about physical parameters of 3C-SiC like the binding energy of Ga and Al, the Al bound exciton fine structure and the Al-N and Ga-N donor acceptor pair fine structure. The appearance of a new structural defect called the fourfold twin was observed and presented. Finally the goals set from this project were met up to a point but more work is required in order to create material of sufficient quality for device applications.

Το κύριο θέμα αυτής της διατριβής ήταν ο δομικός και οπτικός χαρακτηρισμός δειγμάτων ανθρακοπυριτίου (SiC). Τα δείγματα ήταν χωρισμένα σε τρεις κατηγορίες: συμπαγή δείγματα, παχέα και λεπτά υμένια. Τα συμπαγή δείγματα αναπτύχθηκαν με την μέθοδο φυσικής μεταφοράς ατμών με συνεχή τροφοδότηση, χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη γεωμετρία του δειγματοφορέα για τη δημιουργία υψηλής ποιότητας και καθαρότητας δειγμάτων κυβικού ανθρακοπυριτίου (3C-SiC). Τα παχέα υμένια αναπτύχθηκαν με την μέθοδο επιταξίας εξάχνωσης, προσπαθώντας να επιδείξουν τη δημιουργία υμενίων χαμηλής περιεκτικότητας προσμίξεων τύπου n και p, για την εφαρμογή τους σε ηλεκτρονικές διατάξεις. Τέλος, λεπτά υμένια αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο ατμού-υγρού-στερεού με προσμίξεις Γαλλίου (Ga) ώστε να επιτευχθούν είτε δείγματα υψηλής περιεκτικότητας φορέων τύπου p είτε ένα από τα μέρη της διόδου εκπομπής λευκού φωτός (white LED). Τα δείγματα μελετήθηκαν με τέσσερις διαφορετικές τεχνικές φασματοσκοπίας: την φωτοφωταύγεια χαμηλής θερμοκρασίας, την τεχνική μικρο-Ράμαν, την φασματοσκοπία μάζας δευτερευόντων ιόντων και την ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης. Με τη βοήθεια αυτών των τεχνικών ήταν εφικτό να καθοριστεί η περιεκτικότητα προσμίξεων και να αναγνωρίσουμε τον n ή p χαρακτήρα αυτών των δειγμάτων. Έγινε μία ποιοτική ανάλυση της ποιότητας των δειγμάτων χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες από τις οπτικές μεθόδους και την παρατήρηση των δομικών σφαλμάτων. Ήταν εφικτό να παρθούν πληροφορίες για τις φυσικές παραμέτρους του κυβικού ανθρακοπυριτίου, όπως η ενέργεια δέσμευσης του γαλλίου και του αλουμινίου, την λεπτή δομή του δεσμευμένου εξιτονίου του αλουμινίου και τη λεπτή δομή των ζευγών δότη-δέκτη του Ga-N και του Al-N. Η εμφάνιση ενός νέου δομικού σφάλματος, με το όνομα τετραπλή διδυμία, παρατηρήθηκε και παρουσιάστηκε. Το τελικό συμπέρασμα ήταν ότι οι στόχοι αυτού του προγράμματος επιτεύχθηκαν ως ένα σημείο αλλά χρειάζεται επιπλέον εργασία ώστε να δημιουργηθεί υλικό κατάλληλης ποιότητας για ηλεκτρονικές εφαρμογές.