4.3 D´ efauts d’irradiation d´ etect´ es par RPE
4.3.2 Etude du signal de RPE en fonction de la fluence d’´ electrons
4.3.2.1 Introduction
Les premi`eres caract´erisations effectu´ees par RPE dans nos monocristaux ont ´et´e peu fruc- tueuses. En effet, quel que soit le type de particules incidentes (e−, H+, C+), le seul d´efaut d’irradiation mis en ´evidence est la monolacune de silicium charg´ee une fois n´egativement.
Pour tenter d’appr´ehender la cause du d´eficit en centres paramagn´etiques dans le 3C-SiC de type n, discutons succinctement des r´esultats exp´erimentaux acquis en DLTS et en r´esonance paramagn´etique ´electronique dans ce mat´eriau. La litt´erature rapporte l’existence de trois signaux RPE suppl´ementaires, d´esign´es par les symboles T 5, T 6 et T 7, dans des monocristaux dop´es avec une impuret´e acceptrice. Ils ont ´et´e originellement attribu´es, pour le premier, `a la monolacune de carbone positive [128] et pour les deux autres, `a des paires lacune-interstitiel [133] (Tab. 4.10). Nonobstant, l’hypoth`ese de VC+a derni`erement ´et´e remise en cause par quelques travaux th´eoriques mettant en exergue l’incompatibilit´e d’une sym´etrie D2avec ce d´efaut monolacunaire [113,240,241]. Aussi le di-interstitiel (Csp[100])+2 est actuellement l’hypoth`ese privil´egi´ee [122, 123, 139, 241].
L’observation de ces d´efauts ponctuels dans les mat´eriaux de type p, uniquement, suppose qu’ils soient localis´es dans la moiti´e inf´erieure de la bande interdite. Si l’on consid`ere par ailleurs que la raie 0-phonon associ´ee `a VSi− r´esulte d’une transition radiative depuis le minimum de la bande de
conduction jusqu’`a l’´etat fondamental de ce d´efaut, nous estimons `a EV+0,48 eV la position du
niveau d’ionisation (-/0) de la monolacune de silicium (Fig. 4.19a).
Les r´esultats anciens recueillis en spectroscopie transitoire des niveaux profonds par Nagesh et
al. [175] ont r´ev´el´e que 90 % des d´efauts g´en´er´es lors d’une irradiation neutronique se situent dans
Centre RPE T1 T5 T6 T7 Type de dopage n, p p p p Type d’irradiation e−, H+ e−, H+ e− e− Taux d’injection 1,7×10−2 3,3×10−3 3,4×10−2 1,9×10−2 (cm−1) (type n) Tobs (K)a 4→300 ≤100 4→300 ≤150 Structure VSi− (Csp[100])2 V − I V − I
(sym´etrie Td) (sym´etrie D2) (rb=6,1 ) (r=3,8 )
a Temp´erature d’observation. b S´eparation de la paire de Frenkel.
Tab.4.10 – Inventaire d´etaill´e des principaux centres RPE d´etect´es dans le 3C-SiC [119, 128, 133].
auteurs, a permis d’identifier trois centres accepteurs majeurs H1, H2, H3 localis´es entre 0,18 et 0,51 eV au-dessus du maximum de la bande de valence (Fig. 4.19b) ainsi qu’un pi`ege `a ´electron not´e
E2, vraisemblablement imputable `a un d´efaut complexe. Nous faisons correspondre, en Fig. 4.19c,
les niveaux d’ionisation de quelques d´efauts ponctuels calcul´es par DM ab initio [116, 120] et en DFT-LDA [109, 242] avec ceux des signaux DLTS auxquels ils pourraient eventuellement ˆetre associ´es.
Ainsi, la grande majorit´e des d´efauts g´en´er´es pendant l’irradiation se situent dans la moiti´e inf´erieure de la bande interdite. Une fraction d’entre-eux sont paramagn´etiques lorsque le niveau de Fermi (EF) est suffisamment proche du maximum de la bande de valence. Nous d´ecidons
n´eanmoins de proc´eder `a une exp´erience consistant en l’accumulation de faibles pas de fluences jusqu’`a la compensation ´electrique d’un de nos monocristaux afin de contrˆoler la migration de EF
vers le milieu de la bande interdite. Ainsi, la majorit´e des d´efauts ponctuels induits par irradiation dans le polytype cubique du carbure de silicium sont vraisemblablement paramagn´etiques lorsque le niveau de Fermi se situe dans la moiti´e inf´erieure de la bande interdite. Nous proposons n´eanmoins, au cours de cette exp´erience, d’accumuler de faibles pas de fluences jusqu’`a la compensation d’un monocristal dans le but de contrˆoler la migration de EF vers le milieu du gap. Nous tˆacherons
´
egalement de d´eterminer le taux de production de la monolacune de silicium n´egative lors d’une irradiation `a la temp´erature ambiante avec des ´electrons de 1 MeV.
BC BV VSi EV+0,48 eV - 0 BC BV E2 EC-0,49 eV Région insondable en DLTS H3 EV+0,51 eV H2 EV+0,24 Ev H1 EV+0,18 eV BC BV E2 EC-0,49 eV Région insondable en DLTS H3 EV+0,51 eV H2 EV+0,24 Ev H1 EV+0,18 eV EC EV VCCSi EV+1,79 eV VSi EV+0,61 eV SiCEV+0,24 eV VSi EV+0,18 eV EV BC BV - 0 0 + 0 -
Fig. 4.19 – Repr´esentation sch´ematique des niveaux ´electroniques de quelques d´efauts ponctuels dans 3C-SiC a) estim´e d’apr`es les mesures de photoluminescence, b) d´etermin´es en DLTS par Nagesh et al. [176] et c) pr´edits par le calcul par Bockstedte et al. [155] et Torpo et al. [109]. Les niveaux sont donn´es `a partir du maximum de la bande de valence (EV) ou du minimum de la
4.3.2.2 D´etails exp´erimentaux
Des fluences d’´electrons de 980 keV sont administr´ees dans un monocristal HOYA nomm´e
H1e980k300K2F, le long de la direction cristallographique [100]. Le flux de particules incidentes
est fix´e `a 1,8×1014cm−2.s−1pour ´eviter l’´echauffement du mat´eriau plac´e sur le porte-´echantillon refroidi `a l’eau glac´ee de l’enceinte CIRANO.
Entre chaque s´equence d’irradiation, l’´echantillon est analys´e en RPE entre 4 et 300 K au moyen du spectrom`etre Bruker ESP 300e en bande X du LSI. Afin de permettre une meilleure comparaison entre les spectres, nous maintenons fix´es les param`etres d’acquisition tout au long de l’exp´erience tels que l’att´enuation, la modulation, le gain ainsi que l’orientation du cristal par rapport au champ magn´etique statique. Enfin, les concentrations exp´erimentales en azote donneur sont d´etermin´ees apr`es mod´elisation num´erique des spectres RPE puis soustraction du signal de la monolacune de silicium.
4.3.2.3 R´esultats et discussion
Les densit´es de spins de T1 et de N0, enregistr´ees `a 300 K pour le premier signal et `a 30 K pour le second, en fonction de la fluence sont trac´ees en Fig. 4.20.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Fluence (1017e-/cm2) Dens ité d e spins de N 0(10 15 cm -3) Densité d e spin s de T 1 (1 0 16 cm -3 )
Fig. 4.20 – Densit´e de spins de T1et de N0 en fonction de la fluence d’´electrons de 980 keV. Nous constatons tout d’abord que le signal de N0 diminue avec la fluence d’´electrons. L’extra- polation des points exp´erimentaux r´ev`ele que la compensation ´electrique du mat´eriau est atteinte pour une fluence de 5,2×1017 cm−2 environ. Le taux d’annihilation de l’azote neutre peut ˆetre ainsi estim´ee `a 1,54×10−2 cm−1.
Parall`element, l’intensit´e du centre T1 croˆıt proportionnellement avec la fluence de sorte que la concentration finale en monolacunes de silicium n´egatives soit ´egale `a 2,5×1016 cm−3. Le taux d’injection de ce d´efaut est alors ´evalu´e `a 1,92×10−2 cm−1, c’est-`a-dire tr`es voisine du taux de disparition des porteurs libres. Itoh et al. [243] ont effectivement montr´e qu’une irradiation entraˆıne la compensation ´electrique du mat´eriau au cours de laquelle VSi− agit comme un pi`ege `a ´electron [102].
La valeur du taux d’injection de VSi− calcul´ee dans cet ´echantillon est tout `a fait comparable
avec celle d´eduite de l’analyse du monocristal H1e920K20K (Tab. 4.9). Nous en d´eduisons donc que la production de VSi− suit un r´egime lin´eaire jusqu’`a des fluences d’´electrons de 1 MeV au
En accord avec les calculs de Bockstedte et al. [155] discut´es plus haut, l’observation du signal
T1 d`es apr`es la premi`ere fluence enseigne que le niveau de Fermi est positionn´e sur le niveau d’ionisation d’un accepteur localis´e pr`es du milieu de la bande.
4.3.2.4 Conclusion
Des mesures de RPE ont ´et´e r´ealis´ees dans un monocristal HOYA en accumulant des faibles pas de fluences d’´electrons de 1 MeV jusqu’`a la compensation du mat´eriau. Nous avons constat´e que la diminution du signal de l’azote donneur est tr`es bien corr´el´ee avec l’augmentation de l’intensit´e du centre T1. La monolacune de silicium n´egative agit donc comme un pi`ege `a ´electron dans le 3C-SiC de type n. La d´etection du signal de VSi−apr`es l’administration d’une faible fluence sugg`ere que le niveau de Fermi soit situ´e pr`es du milieu de la bande interdite.