Анотація до роботи:

Калабухова К. М. Фізичні властивості парамагнітних домішкових та дефектних центрів у політипах карбіду кремнію. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук по спеціальності 01.04.10 – фізики напівпровідників і діелектриків. – Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2005.

В дисертації вивчені фізичні властивості домішкових та дефектних центрів у 6Н, 4H та 3С SiC методами високочастотного/високопольового (ВЧ/ВП) ЕПР та ПЕЯР. На основі дослідження ВЧ/ВП спектрів ЕПР та ПЕЯР донорів азоту, закономірностей їх температурного та концентраційної поведінки визначені електрона структура, енергетичні характеристики та тип вузла, який заміщує донори азоту в 6Н та 4H-SiC. Виявлений та вивчений низькотемпературний стрибковий механізм делокалізації електронів в 4Н та 6Н SiC сильно легованих азотом. Досліджені дві групи спектрів ЕПР та ПЕЯР фосфору у 6Н SiC, що відрізняються величиною та характером надтонкої взаємодії (НТВ). Обговорюються модель центрів фосфору та їх енергетичні характеристики. Вивчені спектри ЕПР бору на частоті 140 ГГц в 6Н, 4Н та 3С SiC від 4.2K до 100K. Отримані дані про напрямки головних осей g-тензорів, тензорів НТВ та частотної залежності температури, при якій симетрія спектру ЕПР бору змінюється від моноклінної до аксіальної, що узгоджуються з моделлю бору, в якій неспарована дірка локалізована на найближчому атомі вуглецю: B_Si -C⁺, а в оточенні атомів бору існує релаксація гратки. Виявлено відмінність у механізмі дефектоутворення у 6Н та 4H-SiC з порушеним стехіометричним складом. Досліджені рекомбінаційні процеси, що протікають у напівізолюючому матеріалі 4H-SiC при фотозбудженні. Встановлено, що дефектом, що відповідає за час життя неосновних носіїв заряду у наівізолюючому 4Н SiC є вакансія кремнію у зарядовому стані 3-, яка має донорний характер.

1. Вперше обґрунтовано необхідність застосування та застосовано ВЧ/ВП спектроскопію ЕПР короткохвильової частини міліметрового діапазону для дослідження напівпровідникового матеріалу карбіду кремнію.

2. Вперше встановлено електронну структуру донорної домішки азоту у політипах карбіду кремнію. Доведено, що основним станом для донорів азоту, які заміщують квазікубічні позиції у гратці SiC є 1S(A₁) стан, тоді як у донорів азоту, які зміщують гексагональні позиції у гратці SiC, до основного 1S(A₁) стану донору відбувається примішування 1S(E) збудженого стану. Відмінність у характері хвильової функції основного стану донорів пов’язана з відмінністю величини долин-орбітального розщеплення для атомів азоту, що заміщують гексагональні та квазікубічні позиції у гратці SiC. На основі дослідження лігандної НТС в спектрах ЕПР та ПЕЯР, встановлено що в 6Н SiC донори азоту заміщують атоми вуглецю, а в 4Н SiC атоми кремнію.

3. Вперше встановлено стрибковий механізм низькотемпературної делокалізації електронів у зразках 6Н та 4Н політипів SiC, сильно легованих азотом. Отримано енергії активації стрибкової провідності в 6Н SiC.

4. Вперше виявлено відхилення температурних залежностей інтенсивностей ліній спектрів ЕПР донорів від закону Кюрі. Встановлено наявність кореляції між температурним інтервалом спостереження спектрів ЕПР донорів та положенням рівня Фермі у напівпровіднику.

5. Із температурних залежностей інтенсивностей ліній спектрів ЕПР донорів та величин їх надтонкого розщеплення визначено величини енергії іонізації та долин-орбітального розщеплення донорів азоту у 6Н та 4Н SiC.

6. У зразках 6Н SiC, легованих фосфором методом НТЛ вперше виявлено дві групи спектрів ЕПР фосфору, які відрізняються величинами та характером НТВ. З аналізу спектрів ЕПР та ПЕЯР визначено g-тензори, константи НТВ та величини долин-орбітального розщеплення донорів фосфору. Відмінність у характері НТВ у донорів фосфору та азоту пояснена відмінністю величин їх долин-орбітального розщеплення. Наявність двох груп спектрів ЕПР фосфору у 6Н SiC пояснено можливістю для атомів фосфору у нейтронно-опромінених зразках SiC заміщення двох типів вузлів гратки Si та C, завдяки присутності антивузельних C_Si та Si_C дефектів.

7. Вперше на частоті 140 ГГц визначено головні значення та напрямки осей g-тензорів та тензорів НТВ магнітно-нееквівалентних центрів бору в 6Н, 4Н та 3С SiC політипах карбіду кремнію в температурному інтервалі від 4.2 K до 100 K. Виявлено, що одна із головних осей g-тензорів та тензорів НТВ співпадає з орієнтацією кристалічних зв’язків Si-C. Виявлено частотну залежність температури, при якій змінюється симетрія спектру ЕПР від моноклінної C_2h до аксіальної C_3v у квазікубічних центрів бору в 6Н та 4Н SiC. На основі отриманих даних підтверджено модель центрів бору, в якої неспарована дірка атому бору локалізується на сусідньому атомі вуглецю: B_Si^- -C⁺ та існує релаксація гратки в оточенні центру бору. При підвищенні температури відбувається термічно активований рух дірки по трьом сусіднім вузлам вуглецю, що оточують атом бору.

8. Вперше встановлено відмінність у механізмі дефектоутворення в 6Н та 4Н карбіду кремнію, з порушеним стехіометричним складом. Якщо у 4Н SiC надлишковий вуглець займає кремнієві вакансії, утворюючі антивузельні дефекти, то у 6Н SiC надлишковий кремній кластерізується у міжвузлях, утворюючі протяжні дефекти.

9. Вперше встановлено електронну модель та визначено енергію іонізації дефектного центру, що відповідає за напівізолюючі властивості 4Н SiC. Цим дефектом є кремнієва вакансія у зарядовому стані 3- (V_Si³), яка має рівень залягання у верхній половині забороненої зони. Встановлено, що V_Si^3- є дефектом, контролюючим час життя неосновних носіїв заряду у напівізоллючому 4H SiC.

Публікації автора:

1. Matsumoto T., Poluektov O.G., Schmidt J., Mokhov E.N., Baranov P.G. The electronic structure of the shallow Boron acceptor in 6H SiC - A Pulsed EPR/ENDOR Study at 95 GHz // Phys. Rev. B. - 1997. - Vol. 55, N4. - P. 2219-2229.

2. Петренко Т.Л., Тесленко В.В., Мохов Е.Н. ДЭЯР и электронная структура примесных центров бора в 6H SiC .// ФТП. - 1992.- Т. 26, N9. - C. 1556-1564.

3. Mller R., Feege M., Greulich-Weber S., Spaeth J.-M. ENDOR Investigation of the Microscopic Structure of the Boron Acceptor in 6H-SiC // Semicond. Sci. Technol. 1993. - Vol.8. - P. 1377-1384.

4. Bratus V., Baran N., Maksimenko V., Petrenko T., Romanenko V. Boron in Cubic Silicon Carbide: Dynamic Effects in ESR // Mater. Sci. Forum 1994. - Vol.143-147. - P. 81-86.

[1] Калабухова Е. Н., Бугай А.А., Максименко В.М., Неймарк Е.И., Шанина Б.Д., Шаховцов В.И. Спектр ЭПР фосфора в сплаве Si:Ge // ФТТ. - 1982. - Т. 24, в. 4. - C. 1233 - 1235.

[2] Калабухова Е.Н., Кабдин Н.Н., Лукин С.Н. Новое представление о донорных состояниях азота в 6H-SiC // ФТТ. -1987. – Т. 29, N8. - С.2532-2534.

[3] Калабухова Е.Н., Кабдин Н.Н., Лукин С.Н., Петренко Т.Л. Исследование распределения парамагнитного азота по неэквивалентным позициям в 6H-SiC // ФТТ. - 1988. - 30, N8. - С. 2531-2532.

[4] Калабухова Е.Н., Кабдин Н.Н., Лукин С.Н., Шанина Б.Д., Мохов Е.Н. Спектр ЭПР неэквивалентных позиций азота в 15RSiC // ФТТ. - 1989. - Т. 31, N3. - C. 50-59.

[5] Калабухова Е.Н., Лукин С.Н., Шанина Б.Д., Артамонов Л.В., Мохов Е.Н. Эффекты прыжковой проводимости в спектрах ЭПР 4Н-SiC, сильно легированных азотом // ФТТ. - 1990. - Т. 32, N3. - С. 818 - 825.

[6] Калабухова Е.Н., Лукин С.Н., Шанина Б.Д., Мохов Е.Н. Влияние Ge и избыточного Si на спектр ЭПР донорных состояний азота в 6Н-SiC // ФТТ. - 1990. – Т.32, N3. - С. 789 - 795.

[7] Водаков Ю.А., Калабухова Е.Н., Лукин С.Н., Лепнёва А.А., Мохов Е.Н., Шанина Б.Д. // ЭПР в 2-мм диапазоне и оптическое поглощение собственного дефекта в эпитаксиальных слоях 4НSiC // ФТТ. - 1991. - Т. 33, №11. - С. 3315-3326

[8] Калабухова Е.Н., Лукин С.Н., Шанина Б.Д. ЭПР донорных состояний азота в карбиде кремния // Радиоспектроскопия твердого тела: Сб. науч. тр. АН Украины. Ин-тут полупроводников. – К.: Наук. думка, 1992. - С. 495-517.

[9] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Mokhov E.N., Shanina B.D. EPR of the antisite defect in epitaxial layers of 4HSiC // Proc. of the 1st National Conference "Defects in Semiconductors", (NCDS-1), April 26-30, St-Petersburg, Russia, 1992. Defects and Diffusion Forum - 1993. - Vol. 103-105. - P. 655-659.

[10] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Mokhov E.N., Shanina B.D. New ideas concerning the nitrogen donor states in noncubic SiC basing on the high-resolution EPR data // Proc. of the 1st National Conference "Defects in Semiconductors", (NCDS-1), April 26-30, St-Petersburg, Russia, 1992. Defects and Diffusion Forum - 1993. - Vol. 103-105. - P. 619-626.

[11] Калабухова Е.Н., Лукин С.Н., Мохов Е.Н. ЭПР в 2-х мм диапазоне трансмутационной примеси фосфора в 6НSiC. // ФТТ. - 1993. - Т. 35, N 3. - C. 703 - 707.

[12] Калабухова Е.Н., Лукин С.Н., Сергеев О.Т. Электронный парамагнитный резонанс технологических покрытий из карбида кремния. // ФТТ. - 1993. - Т. 35, N 2. - C. 408 - 413.

[13] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Mokhov E.N., Feege M., Greulich-Weber S., Spaeth J.-M. EPR and ENDOR investigations of a phosphorus defect in 6H silicon carbide. //Proc. of the 5th Intern. Conf. on SiC and Related Materials, Washington DC, USA 1993. Inst. Phys. Conf. Ser. 1993. - Vol. 137, Chapter 3. - P. 215-218.

[14] Reinke J., Greulich-Weber S., Spaeth J.-M., Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Mokhov E.N. EPR and ODEPR investigations on the microscopic structure of the boron acceptor in 6HSiC. // Proc. of the 5th Intern. Conf. on SiC and Related Materials, Washington DC, USA, 1993. Inst. Phys. Conf. Ser. - 1993. - Vol. 137, Chapter 3. - P. 211-214.

[15] Greulich-Weber S., Feege M., Spaeth J.-M., Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Mokhov E.N. On the microscopic structure of shallow donors in 6HSiC studies with EPR and ENDOR. // Sol. St. Com. – 1995. - Vol. 93, N 5. - P. 393-397.

[16] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Kisilev V.S. Hopping conduction effects in the ESR spectra of 6H SiC heavely doped with nitrogen // Proc. of the 6th International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM-95), September 18-21, Kyoto, Japan, 1995. Inst. Phys. Conf. Ser. - 1996. - Vol. 142, Chapter 2. - P.405 - 408.

[17] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Mokhov E.N., Reinke J., Greulich-Weber S., Spaeth J.-M. New deep acceptor at E_v+0. 8eV in 6H silicon carbide // Proc. of the 6th International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM-95), September 18-21, Kyoto, Japan, 1995. Inst. Phys. Conf. Ser. - 1996. - Vol. 142, Chapter 2. - P. 333 - 335.

[18] Калабухова Е. Н., Лукин С.Н. Спектр ЭПР в n- 6НSiC при больших концентрациях донорного азота // ФНТ. - 1996. – Т. 22, N 9. - С. 1059 - 1063.

[19] Spaeth J.-M., Greulich-Weber S., Mrz M., Reinke J. Feege M., Kalabukhova E.N., Lukin S.N. EPR and ENDOR of Defects in Silicon Carbide // Mater. Sci. Forum. - 1997. - Vol. 239-241. - P.149 - 154.

[20] Spaeth J.-M., Greulich-Weber S., Mrz M., Kalabukhova E.N., Lukin S.N. The microscopic structure of shallow donors in silicon carbide // Proc. of the Symposium Defects in Electronic Materials II, December 2-6, Boston, USA, 1996. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1997. - Vol.442. - P.619-624.

[21] Greulich-Weber S., Feege F., Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Spaeth J.-M., Adrian F.J. EPR and ENDOR investigations of B acceptors in 3C-, 4H- and 6H-silicon carbide // Semicond. Sci. Technol. - 1998. – Vol. 13 - P. 59 - 70.

[22] Калабухова Е. Н., Лукин С.Н., Громовой Ю.С., Мохов Е.Н. Спектр ЭПР доноров в 6НSiC в широком температурном интервале // ФТТ. - 1998. – Т. 40, N 10. - C. 56 - 60.

[23] Калабухова Е. Н., Лукин С.Н., Мохов Е.Н. ЭПР возбужденного состояния азота в 6НSiC // ФТТ. - 2000. – T. 42, N 5. - C. 821 - 825.

[24] Калабухова Е. Н. Закономерности температурного поведения донорных состояний в карбиде кремния.// Радиоспектроскопия конденсированных сред (коллективная монография в двух частях) часть вторая. – К.: Институт физики полупроводников, 2000. - С. 157-176.

[25] Kalabukhova E.N., Lukin S.N. ESR Spectrum of Nitrogen in 6Н SiC in the Ground and Excited States // Mater. Sci. Forum. - 2000. - Vol. 338-342. - P. 791 - 794.

[26] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Saxler A, Mitchel W.C., Smith S. R., Solomon J.S. Evwaraye A. O. Photosensitive electron paramagnetic resonance spectra in semi-insulating 4H - SiC crystals.// Phys. Rev. B. - 2001. – Vol. 64. N23. - Art.No.235202 - 5 pages.

[27] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Mitchel W.C., Saxler A., Jones R.L. EPR and photoluminescence studies of semi-insulating 4H SiC samples // Physica B. - 2001. - Vols. 308-310. - P.698-701.

[28] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Saxler A, Mitchel W.C., Smith S R., Solomon J.S. Evwaraye A. O. Photo EPR Study of Trapping and Recombination Processes in Semi-Insulating 4H-SiC Crystals as Function of Temperature.// Mat. Res. Soc. Symp. Proc. - 2001. - Vol. 680E. - P. E9.4.1-E9.4.6.

[29] Kalabukhova E.N., Lukin S.N. 140 GHz CW ESR Studies of the Photosensitive Donor and Acceptor Centers in Semi - Insulating 4H SiC Material // Abstracts Specialized Colloque AMPERE "ESR and Solid State NMR in High Magnetic Fields", July 22-26, Stuttgart, Germany, 2001.-P. 84

[30] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Zorenko A.V. Solid State Heterodyne 140GHz ESR Spectrometer Equipped with Optical Facilities Applicable to the Investigations of Semiconductor Materials // Abstracts Specialized Colloque AMPERE "ESR and Solid State NMR in High Magnetic Fields", July 22-26, Stuttgart, Germany, 2001.-P. 54

[31] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Mitchel W.C Electrical and Multifrequency EPR Study of Nitrogen and Carbon Antisite Related Native Defect in n-Type as-Grown 4H-SiC // Mater. Sci. Forum. - 2003. - Vol.433-436. - P.499-502.

[32] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Savchenko D.V., Mitchel W.C. Electrical and multifrequency EPR study of nonstoichiometric defects in 4H-SiC // Physica B, 2003. - Vols.340-342. - P. 156-159.

[33] Kalabukhova E.N., Lukin S.N., Savchenko D.V., Mitchel W.C., Mitchel W.D. Photo EPR and Hall measurements on undoped high purity semi-insulating 4H-SiC substrates // Mat. Sci. Forum. - 2004. – Vols.457-460. – P.501-504.

[34] Lukin S.N., Kalabukhova E.N. 140GHz EPR Spectrometer Applicable to the Investigations of Semiconductor Materials // Abstracts Intern. Conf. "Modern Development of Magnetic Resonance", August 15-20, Kazan, Russia, 2004. – P.86-87.

[35] Savchenko D.V., Lukin S.N., Kalabukhova E.N. Direct Observation of Intercenter Charge Transfer Process in Semi-Insulating 4H SiC Material by Photo EPR Method // Proc. of VIII International Youth Sceintific School "Actual Problems of Magnetic Resonance and Application", August 15-20, Kazan, Russia, 2004. - P. 84 -88.