Electronic properties and dopant pairing behavior of manganese in boron-doped silicon

Boron-doped silicon wafers implanted with low doses of manganese have been analyzed by means of deep-level transient spectroscopy(DLTS), injection-dependent lifetime spectroscopy, and temperature-dependent lifetime spectroscopy. While DLTSmeasurements allow the defect levels and majority carrier capture cross sections to be determined, the lifetime spectroscopy techniques allow analysis of the dominant recombination levels and the corresponding ratios of the capture cross sections. Interstitialmanganese and manganese-boron pairs were found to coexist, and their defect parameters have been investigated.One of the authors T.R. gratefully acknowledges a scholarship of the German Federal Environmental Foundation Deutsche Bundesstiftung Umwelt. Another D.M. is supported by an Australian Research Council QEII Fellowship

Fe- and Cr-related defects in monocrystalline Si:Ga and electrical properties of multicrystalline Si:P

1.FeGa- und CrGa-Paare in einkristallinem Silizium. FeGa- und CrGa-Paare wurden durch Fe- bzw. Cr-Diffusion sowie Implantation in einkristallinem Ga-dotierten Silizium erzeugt und mittels elektrischer (DLTS, MCTS) sowie optischer (µ-PCD) Messmethoden untersucht. Als dominierende Störstellen in den DLTS-Spektren von Fe- bzw. Cr-verunreinigten Proben wurden die FeGa1- und CrGa1-Paare in stabiler -Konfiguration beobachtet. Mittels DLTS wurden Ionisierungsenergie (E=ET–EV) und Einfangquerschnitt für Löcher (sp) für FeGa1- und CrGa1-Paare bestimmt:E(FeGa1)=0.24eV, sp(FeGa1)=2.0x10^-14cm^2, E(CrGa1)=0.47eV, sp(CrGa1)=2.1x10^-14 cm^2. In der oberen Hälfte der Bandlücke von p-Typ Si wurden mittels MCTS interstitielles Chrom in Cr-verunreinigten Proben, aber keine Fe-korrelierten Defekte mit einer Defektkonzentration größer als 10^11cm^-3 (Nachweisgrenze) in Fe-verunreinigten Proben nachgewiesen. Mittels Lebensdaueruntersuchungen wurde nachgewiesen, dass FeGa1 und CrGa1 effektive rekombinationsaktive Zentren sind. Aus der Korrelation zwischen DLTS- und Lebensdauer-Untersuchungen wurden für FeGa1- und CrGa1-Paare die Einfangquerschnitte für Elektronen ermittelt: sn(FeGa1)=8.4x10^-14cm^2, sn(CrGa1)=7.1x10^-14cm^2. Die thermische Aktivierungsenergie für die Dissoziation von FeGa1- und CrGa1-Paaren wurde aus DLTS-Ergebnissen bestimmt: EA(diss,FeGa1)=0.46eV, EA(diss,CrGa1)=0.65eV. Die thermische Aktivierungsenergie für die Paarbildung von FeGa1- und CrGa1-Paaren ergibt sich aus DLTS-Ergebnissen zu: EA(form,FeGa1)=0.25eV, EA(form,CrGa1)=0.52eV. Nach Abkühlen der Fe- bzw. Cr-verunreinigten Proben zeigen die FeGa- bzw. CrGa-Paare metastabiles Verhalten im DLTS-Spektrum. Diese Paare sind stabil in der -Konfiguration (FeGa1- und CrGa1-Paare) und metastabil in der -Konfiguration (FeGa2- und CrGa2-Paare). Die Besetzung der stabilen Konfiguration ist um eine Größenordnung höher als die der metastabilen Konfiguration. Mittels DLTS wurden Ionisierungsenergie (E=ET–EV) und Einfangquerschnitt für Löcher für die metastabilen FeGa2- und CrGa2-Paare bestimmt: E(FeGa2)=0.15eV, sp(FeGa2)=1.5x10^-14cm^2, E(CrGa2)=0.39eV, sp(CrGa2)=1.5x10^-13cm^2. Unter Beleuchtung zeigen FeGa- und CrGa-Paare in Abhängigkeit der injizierten Überschussladungsträgerkonzentration entweder metastabiles Verhalten oder die Paare dissoziieren. Dabei verläuft die Dissoziation der FeGa1-Paare unter Beleuchtung um eine Größenordnung schneller als die der CrGa1-Paare. Die Defektreaktionen bei Beleuchtung von FeGa- und CrGa-Paaren können im Rahmen des „rekombinationsbeschleunigten Modells“ qualitativ erklärt werden. 2. Elektrische Charakterisierung von EFG-Wafern. Es wurden die elektrischen Eigenschaften von p- und n-Typ EFG-Wafern untersucht. Zur Charakterisierung der p- und n-Typ EFG-Wafer wurden Widerstandstopographien, Lebensdauertopographien und DLTS-Untersuchungen durchgeführt. Widerstandsmessungen nach mechanischer, chemischer bzw. thermischer Behandlung der p- und n-Typ EFG-Wafer zeigen, dass für korrekte Widerstandstopographien von EFG-Wafern eine Temperung bei 500°C für 30 min erforderlich ist. Mit Widerstandstopographien wurden in EFG-Wafern elektrisch aktive Korngrenzen lokal aufgelöst, die meistens in Ziehrichtung der Wafer verlaufen. Ferner wurden Widerstandsschwankungen von ca. 10% bei p-Typ und von ca. 30% bei n-Typ EFG-Wafern detektiert. Widerstandstopographie-Untersuchungen an H-passivierten p- bzw. n-Typ EFG-Wafern ergaben, dass die beobachteten Messartefakte bei unbehandelten EFG-Wafern mit großer Wahrscheinlichkeit durch eine oberflächennahe, elektrische Deaktivierung der Bor- bzw. Phosphor-Atome durch atomaren Wasserstoff verursacht werden. Die Korrelation von Widerstandtopographien mit Lebensdauertopographien an p- bzw. n-Typ EFG Wafern zeigt, dass die Schwankungen der Lebensdauer von Minoritäts-ladungsträgern durch Widerstandsschwankungen der EFG-Wafer hervorgerufen werden. In DLTS-Spektren von n-Typ EFG-Wafern treten drei tiefe Störstellen auf, die als D1-, D2- und D3-Defekt bezeichnet werden. Diese Störstellen werden erzeugt durch die chemische Behandlung der Probenoberfläche mit CP6-Ätze. DLTS-Untersuchungen an lebensdauervorcharakterisierten n-Typ EFG-Wafern zeigen, dass diese Defekte nicht lebensdauerlimitierend sind. Die energetische Lage (E=EC–ET) und der Einfangquerschnitt für Elektronen für die D1-, D2- und D3-Defekte wurden mittels DLTS bestimmt: E(D1)=0.144eV, sn(D1)=6.6x10^-16cm^2, E(D2)=0.22eV, sn(D2)=4.0x10^-16cm^2, E(D3)=0.248eV, sn(D3)=1.5x10^-15cm^2.In the framework of this thesis, electrical (Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS), Minority Carrier Transient Spectroscopy (MCTS), resistivity topography) and optical (microwave-detected photoconductance decay (µ-PCD)) methods are applied to investigate the electrical properties of FeGa- and CrGa-pairs in monocrystalline Si and of P-doped EFG (edge defined film fed growth) -Si. The following results are obtained. 1. FeGa- and CrGa-pairs in monocrystalline Silicon. FeGa- and CrGa-pairs in monocrystalline Ga-doped Si were generated by Fe- and Cr-diffusion as well as by ionimplantation. These pairs were investigated by electrical (DLTS, MCTS) and optical (µ-PCD) methods. FeGa1- and CrGa1-pairs in the stable -configuration were observed as the dominating peaks in the DLTS-spectra of Fe- and Cr-contaminated samples. The ionisation energy (E=ET–EV) and the electrical capture cross section of holes (sp) of FeGa1- and CrGa1-pairs were determined by DLTS: E(FeGa1)=0.24eV, sp(FeGa1)=2.0x10^-14cm^2, E(CrGa1)=0.47eV, sp(CrGa1)=2.1x10^-14cm^2. In the upper half of the bandgap of p-type Si, interstitial chromium was detected by MCTS in Cr-contaminated samples. No Fe-related defects with a concentration greater than 10^11cm^-3 (detection limit) could be detected in Fe-contaminated samples. It is shown by lifetime measurements that the FeGa1- and CrGa1-pairs are effective recombination active centers. The electrical capture cross section of electrons of FeGa1- and CrGa1-pairs are obtained from the correlation between DLTS- und lifetime measurements: sn(FeGa1)=8.4x10^-14cm^2, sn(CrGa1)=7.1x10^-14cm^2. The thermal activation energy for the dissociation of FeGa1- and CrGa1-pairs is determined by DLTS: EA(diss,FeGa1)=0.46eV, EA(diss,CrGa1)=0.65eV. The thermal activation energy for the formation of FeGa1- and CrGa1-pairs results in: EA(form,FeGa1)=0.25eV, EA(form,CrGa1)=0.52eV. After cooling down the Fe- and Cr-contaminated samples, FeGa- and CrGa-pairs show a metastable behaviour. These pairs are stable in the -configuration (FeGa1- and CrGa1-pairs) and metastable in the -configuration (FeGa2- and CrGa2-pairs). The occupation of the stable configuration is an order of magnitude larger than the metastable one. The ionisation energy (E=ET–EV) and the electrical capture cross section of holes (sp) for metastable FeGa2- and CrGa2-pairs are determined by DLTS: E(FeGa2)=0.15eV, sp(FeGa2)=1.5x10^-14cm^2, E(CrGa2)=0.39eV, sp(CrGa2)=1.5x10^-13cm^2. Under illumination, FeGa- and CrGa-pairs show either metastable behavior or they are dissociated depending on the injected excess carrier density. The dissociation of FeGa1-pairs under illumination is one order of magnitude faster than the dissociation of the CrGa1-pairs. The defect reactions of FeGa- and CrGa-pairs under illumination can be qualitatively explained within the framework of a recombination-enhanced defect reaction. 2. Electrical characterisation of EFG-Wafers. The electrical properties of p- and n-type EFG-wafers are investigated. For the characterisation of p- and n-type EFG-wafers, resistivity topographies, lifetime topographies and DLTS investigations are conducted. Resistivity topographies of p- and n-type EFG-wafers after mechanical, chemical and thermal treatment require an annealing step at 500°C for 30 min to achieve a correct result. Electrically active grain boundaries are locally dissolved by resistivity topography; they are predominantly orientated parallel to the growth direction of the wafer. In addition, fluctuations of the resistance of about 10% in p-type and of about 30% in n-type EFG-wafers are detected. Resistivity topography investigations of H-passivated p- and n-type EFG-wafers show that the measurement artefacts observed in not heat-treated EFG-wafers are probably caused by the electrical deactivation of boron- and phosphorus-atoms by atomic hydrogen. A correlation between resistivity topographies and lifetime topographies of p- and n-type EFG-wafers has been found. It is observed that the fluctuations of the lifetime of minority carriers are caused by resistivity fluctuations in the EFG-wafers. Three deep defects appear in DLTS-spectra of n-type EFG-wafers, which are denoted by D1-, D2- and D3. These defects are created by the chemical treatment of the sample surface with CP6-etch. It is shown that these defects do not limit the lifetime. The ionisation energy (E=EC–ET) and the capture cross section of electrons for the D1-, D2- and D3-defects are determined by DLTS: E(D1)=0.144eV, sn(D1)=6.6x10^-16cm^2, E(D2)=0.22eV, sn(D2)=4.0x10^-16cm^2, E(D3)=0.248eV, sn(D3)=1.5x10^-15cm^2

Fe- und Cr-korrelierte Defekte in einkristallinem Si:Ga und elektrische Eigenschaften von multikristallinem Si:P

In the framework of this thesis, electrical (Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS), Minority Carrier Transient Spectroscopy (MCTS), resistivity topography) and optical (microwave-detected photoconductance decay (µ-PCD)) methods are applied to investigate the electrical properties of FeGa- and CrGa-pairs in monocrystalline Si and of P-doped EFG (edge defined film fed growth) -Si. The following results are obtained. 1. FeGa- and CrGa-pairs in monocrystalline Silicon. FeGa- and CrGa-pairs in monocrystalline Ga-doped Si were generated by Fe- and Cr-diffusion as well as by ionimplantation. These pairs were investigated by electrical (DLTS, MCTS) and optical (µ-PCD) methods. FeGa1- and CrGa1-pairs in the stable -configuration were observed as the dominating peaks in the DLTS-spectra of Fe- and Cr-contaminated samples. The ionisation energy (E=ET–EV) and the electrical capture cross section of holes (sp) of FeGa1- and CrGa1-pairs were determined by DLTS: E(FeGa1)=0.24eV, sp(FeGa1)=2.0x10^-14cm^2, E(CrGa1)=0.47eV, sp(CrGa1)=2.1x10^-14cm^2. In the upper half of the bandgap of p-type Si, interstitial chromium was detected by MCTS in Cr-contaminated samples. No Fe-related defects with a concentration greater than 10^11cm^-3 (detection limit) could be detected in Fe-contaminated samples. It is shown by lifetime measurements that the FeGa1- and CrGa1-pairs are effective recombination active centers. The electrical capture cross section of electrons of FeGa1- and CrGa1-pairs are obtained from the correlation between DLTS- und lifetime measurements: sn(FeGa1)=8.4x10^-14cm^2, sn(CrGa1)=7.1x10^-14cm^2. The thermal activation energy for the dissociation of FeGa1- and CrGa1-pairs is determined by DLTS: EA(diss,FeGa1)=0.46eV, EA(diss,CrGa1)=0.65eV. The thermal activation energy for the formation of FeGa1- and CrGa1-pairs results in: EA(form,FeGa1)=0.25eV, EA(form,CrGa1)=0.52eV. After cooling down the Fe- and Cr-contaminated samples, FeGa- and CrGa-pairs show a metastable behaviour. These pairs are stable in the -configuration (FeGa1- and CrGa1-pairs) and metastable in the -configuration (FeGa2- and CrGa2-pairs). The occupation of the stable configuration is an order of magnitude larger than the metastable one. The ionisation energy (E=ET–EV) and the electrical capture cross section of holes (sp) for metastable FeGa2- and CrGa2-pairs are determined by DLTS: E(FeGa2)=0.15eV, sp(FeGa2)=1.5x10^-14cm^2, E(CrGa2)=0.39eV, sp(CrGa2)=1.5x10^-13cm^2. Under illumination, FeGa- and CrGa-pairs show either metastable behavior or they are dissociated depending on the injected excess carrier density. The dissociation of FeGa1-pairs under illumination is one order of magnitude faster than the dissociation of the CrGa1-pairs. The defect reactions of FeGa- and CrGa-pairs under illumination can be qualitatively explained within the framework of a recombination-enhanced defect reaction. 2. Electrical characterisation of EFG-Wafers. The electrical properties of p- and n-type EFG-wafers are investigated. For the characterisation of p- and n-type EFG-wafers, resistivity topographies, lifetime topographies and DLTS investigations are conducted. Resistivity topographies of p- and n-type EFG-wafers after mechanical, chemical and thermal treatment require an annealing step at 500°C for 30 min to achieve a correct result. Electrically active grain boundaries are locally dissolved by resistivity topography; they are predominantly orientated parallel to the growth direction of the wafer. In addition, fluctuations of the resistance of about 10% in p-type and of about 30% in n-type EFG-wafers are detected. Resistivity topography investigations of H-passivated p- and n-type EFG-wafers show that the measurement artefacts observed in not heat-treated EFG-wafers are probably caused by the electrical deactivation of boron- and phosphorus-atoms by atomic hydrogen. A correlation between resistivity topographies and lifetime topographies of p- and n-type EFG-wafers has been found. It is observed that the fluctuations of the lifetime of minority carriers are caused by resistivity fluctuations in the EFG-wafers. Three deep defects appear in DLTS-spectra of n-type EFG-wafers, which are denoted by D1-, D2- and D3. These defects are created by the chemical treatment of the sample surface with CP6-etch. It is shown that these defects do not limit the lifetime. The ionisation energy (E=EC–ET) and the capture cross section of electrons for the D1-, D2- and D3-defects are determined by DLTS: E(D1)=0.144eV, sn(D1)=6.6x10^-16cm^2, E(D2)=0.22eV, sn(D2)=4.0x10^-16cm^2, E(D3)=0.248eV, sn(D3)=1.5x10^-15cm^2.1.FeGa- und CrGa-Paare in einkristallinem Silizium. FeGa- und CrGa-Paare wurden durch Fe- bzw. Cr-Diffusion sowie Implantation in einkristallinem Ga-dotierten Silizium erzeugt und mittels elektrischer (DLTS, MCTS) sowie optischer (µ-PCD) Messmethoden untersucht. Als dominierende Störstellen in den DLTS-Spektren von Fe- bzw. Cr-verunreinigten Proben wurden die FeGa1- und CrGa1-Paare in stabiler -Konfiguration beobachtet. Mittels DLTS wurden Ionisierungsenergie (E=ET–EV) und Einfangquerschnitt für Löcher (sp) für FeGa1- und CrGa1-Paare bestimmt:E(FeGa1)=0.24eV, sp(FeGa1)=2.0x10^-14cm^2, E(CrGa1)=0.47eV, sp(CrGa1)=2.1x10^-14 cm^2. In der oberen Hälfte der Bandlücke von p-Typ Si wurden mittels MCTS interstitielles Chrom in Cr-verunreinigten Proben, aber keine Fe-korrelierten Defekte mit einer Defektkonzentration größer als 10^11cm^-3 (Nachweisgrenze) in Fe-verunreinigten Proben nachgewiesen. Mittels Lebensdaueruntersuchungen wurde nachgewiesen, dass FeGa1 und CrGa1 effektive rekombinationsaktive Zentren sind. Aus der Korrelation zwischen DLTS- und Lebensdauer-Untersuchungen wurden für FeGa1- und CrGa1-Paare die Einfangquerschnitte für Elektronen ermittelt: sn(FeGa1)=8.4x10^-14cm^2, sn(CrGa1)=7.1x10^-14cm^2. Die thermische Aktivierungsenergie für die Dissoziation von FeGa1- und CrGa1-Paaren wurde aus DLTS-Ergebnissen bestimmt: EA(diss,FeGa1)=0.46eV, EA(diss,CrGa1)=0.65eV. Die thermische Aktivierungsenergie für die Paarbildung von FeGa1- und CrGa1-Paaren ergibt sich aus DLTS-Ergebnissen zu: EA(form,FeGa1)=0.25eV, EA(form,CrGa1)=0.52eV. Nach Abkühlen der Fe- bzw. Cr-verunreinigten Proben zeigen die FeGa- bzw. CrGa-Paare metastabiles Verhalten im DLTS-Spektrum. Diese Paare sind stabil in der -Konfiguration (FeGa1- und CrGa1-Paare) und metastabil in der -Konfiguration (FeGa2- und CrGa2-Paare). Die Besetzung der stabilen Konfiguration ist um eine Größenordnung höher als die der metastabilen Konfiguration. Mittels DLTS wurden Ionisierungsenergie (E=ET–EV) und Einfangquerschnitt für Löcher für die metastabilen FeGa2- und CrGa2-Paare bestimmt: E(FeGa2)=0.15eV, sp(FeGa2)=1.5x10^-14cm^2, E(CrGa2)=0.39eV, sp(CrGa2)=1.5x10^-13cm^2. Unter Beleuchtung zeigen FeGa- und CrGa-Paare in Abhängigkeit der injizierten Überschussladungsträgerkonzentration entweder metastabiles Verhalten oder die Paare dissoziieren. Dabei verläuft die Dissoziation der FeGa1-Paare unter Beleuchtung um eine Größenordnung schneller als die der CrGa1-Paare. Die Defektreaktionen bei Beleuchtung von FeGa- und CrGa-Paaren können im Rahmen des „rekombinationsbeschleunigten Modells“ qualitativ erklärt werden. 2. Elektrische Charakterisierung von EFG-Wafern. Es wurden die elektrischen Eigenschaften von p- und n-Typ EFG-Wafern untersucht. Zur Charakterisierung der p- und n-Typ EFG-Wafer wurden Widerstandstopographien, Lebensdauertopographien und DLTS-Untersuchungen durchgeführt. Widerstandsmessungen nach mechanischer, chemischer bzw. thermischer Behandlung der p- und n-Typ EFG-Wafer zeigen, dass für korrekte Widerstandstopographien von EFG-Wafern eine Temperung bei 500°C für 30 min erforderlich ist. Mit Widerstandstopographien wurden in EFG-Wafern elektrisch aktive Korngrenzen lokal aufgelöst, die meistens in Ziehrichtung der Wafer verlaufen. Ferner wurden Widerstandsschwankungen von ca. 10% bei p-Typ und von ca. 30% bei n-Typ EFG-Wafern detektiert. Widerstandstopographie-Untersuchungen an H-passivierten p- bzw. n-Typ EFG-Wafern ergaben, dass die beobachteten Messartefakte bei unbehandelten EFG-Wafern mit großer Wahrscheinlichkeit durch eine oberflächennahe, elektrische Deaktivierung der Bor- bzw. Phosphor-Atome durch atomaren Wasserstoff verursacht werden. Die Korrelation von Widerstandtopographien mit Lebensdauertopographien an p- bzw. n-Typ EFG Wafern zeigt, dass die Schwankungen der Lebensdauer von Minoritäts-ladungsträgern durch Widerstandsschwankungen der EFG-Wafer hervorgerufen werden. In DLTS-Spektren von n-Typ EFG-Wafern treten drei tiefe Störstellen auf, die als D1-, D2- und D3-Defekt bezeichnet werden. Diese Störstellen werden erzeugt durch die chemische Behandlung der Probenoberfläche mit CP6-Ätze. DLTS-Untersuchungen an lebensdauervorcharakterisierten n-Typ EFG-Wafern zeigen, dass diese Defekte nicht lebensdauerlimitierend sind. Die energetische Lage (E=EC–ET) und der Einfangquerschnitt für Elektronen für die D1-, D2- und D3-Defekte wurden mittels DLTS bestimmt: E(D1)=0.144eV, sn(D1)=6.6x10^-16cm^2, E(D2)=0.22eV, sn(D2)=4.0x10^-16cm^2, E(D3)=0.248eV, sn(D3)=1.5x10^-15cm^2