English

Electron paramagnetic resonance (EPR) methods are powerful techniques for the determination of defect structures. For the study of small or low resistivity samples (epitaxial layers, diodes, etc.) electrically detected electron paramagnetic resonance (EDEPR) offers several advantages over conventionally detected EPR: it delivers information on microscopic defect structure with an enhanced detection sensitivity and the expensive microwave detection technique becomes superfluous. Up to now it has been successfully used for the investigation of amorphous and porous semiconductors as well as irradiated crystalline semiconductors. However, in the case of nonirradiated crystalline samples it was not clear which concentrations of donors and acceptors were needed for the observation of an EDEPR signal. The aim of this work was to deepen our knowledge of the EDEPR method, in particular for the case of highly doped crystalline semiconductors, in order to be able to predict the optimal conditions for its use. For this purpose, different n-type bulk and epitaxial silicon carbide samples with high nitrogen concentrations were studied by means of electrical characterization techniques, EPR and EDEPR. To begin with, electrical investigations were conducted which aimed at the determination of the defect concentration and compensation as well as the dominating charge transport mechanism at the low temperatures typical for EDEPR investigations. Furthermore the influence of microwave irradiation was investigated. Studies of the temperature and magnetic field dependence of the resistivity showed that hopping was the dominating conduction process at low temperatures for partly compensated samples with a nitrogen concentration ND in the range of 1018cm-3 <ND<1019cm-3. The EDEPR signal was measured in the dark and was found to correspond to a resisitivity decrease at spin resonance conditions in contrast to the case of the donor acceptor recombination. The order of magnitude of the EDEPR effect at optimum conditions was EPR≈10-3. Experimental studies of the EDEPR signal behaviour with parameters such as temperature, microwave power, modulation frequency and defect concentration provided the necessary information to discuss the microscopical processes responsible for the resistivity decrease at spin resonance conditions. In contrast to an earlier proposed mechanism, namely the transfer of the EPR energy to the hopping electrons by the combined action of the exchange interaction and the spin-orbit interaction, we discuss a heating of the sample at resonance conditions as responsible for the resonant resistivity decrease. At resonance the spin system absorbs microwave energy, which is transferred to the surroundings by relaxation processes. As a result, the crystal is heated at resonance conditions. An experiment was carried out on purpose to see whether the sample temperature increases indeed at resonance. A direct measurement of the resonant temperature change was performed. In fact a temperature increase at spin resonance conditions was found. In samples with a nitrogen concentration of about (1-3)1018cm-3 two additional EPR lines were found, as compared to the hyperfine triplet spectra (I=1 for 14N) for low defect concentrations. The additional lines were situated exactly in the middle between two nitrogen hyperfine lines. Such additional lines have been reported before, and their origin has been subject of controversy. Not two but six additional EPR lines, the position of which corresponds to +/-1/4, 1/2 and 3/4 of the hyperfine splitting of nitrogen at the quasicubic position, were found in a further sample. The experimentally determined temperature dependence of the resistivity of these samples showed that hopping dominates the conductivity at low temperatures. Thus, it is shown that the additional EPR lines arise from a donor-electron hopping between two or four nitrogen donors, respectively.

Deutsch

Elektron Paramagnetische Resonanz (EPR) Methode sind leistungsfähige Techniken für die Bestimmung von Defekt-Strukturen. Für die Untersuchung von kleinen oder nieder-ohmischen Proben (Epitaxie-Schichten, Dioden, etc.) bietet die elektrisch nachgewiesene Elektron Paramagnetische Resonanz (EDEPR) verschiedene Vorteile gegenüber der konventionell nachgewiesene-EPR: sie liefert Information über die mikroskopische Defektstruktur mit einer erhöhten Empfindlichkeit und die kostspielige Mikrowellentechnik wird überflüssig. Bisher wurde EDEPR für Untersuchungen von amorphen und porösen Halbleitern, sowie bestrahlten kristallinen Halbleitern angewandt. Im Falle von nicht-bestrahlten kristallinen Proben war es jedoch nicht klar, welche Konzentrationen von Donatoren und Akzeptoren waren nötig für die Beobachtung eines EDEPR-Signals. Das Ziel dieser Arbeit war das Vertiefen unserer Kenntnissen von der EDEPR-Methode, insbesondere für den Fall von hoch-dotierten kristallinen Halbleitern, um die optimalen Meßbedingungen voraussagen zu können. Zu diesem Zweck wurden verschiedene n-Typ Einkristall- und Epitaxie- Silizium Karbid Proben mit hohen Stickstoff-Konzentrationen mittels elektrische Methoden, EPR und EDEPR untersucht. Zunächst wurden elektrische Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel, die Defekt-Konzentration und Kompensation, sowie der vorwiegende Ladungstransport Mechanismus bei den niedrigen Temperaturen typisch für EDEPR Untersuchungen zu bestimmen. Ferner wurde der Einfluß von Mikrowellen-Bestrahlung untersucht. Untersuchungen der Temperatur- und Magnetfeld-Abhängigkeit des Widerstandes zeigten, daß hopping der vorwiegende Ladungstransport-Prozeß bei niedriden Temperaturen war in dem Fall von teilweisekompensierten Proben mit einer Stickstoff-Konzentration ND im Bereich von 1018cm-3<ND<1019cm-3. Das EDEPR-Signal wurde ohne Beleuchtung der Probe gemessen und entsprach einer Widerstandsverminderung bei Spin Resonanz-Bedingungen, im Gegensatz zum Fall der Donator-Akzeptor Rekombination. Die Größenordnung des Effekts bei optimalen Bedingungen betrug EPR≈10-3. Experimentelle Untersuchungen des Verhaltens des EDEPR-Signals mit Parametern wie Temperatur, Microwellenleistung, Modulationsfrequenz und Defekt-Konzentration lieferten die nötigen Informationen, um die mikroskopische Prozeße, die für die Widerstandsverminderung bei Spin Resonanz-Bedingungen verantwortlich sind, zu diskutieren. Im Gegensatz zu früher vorgeschlagenen Mechanismen, nämlich die Übertragung von EPREnergie zu den hopping Elektronen mittels die Auschtauschwechselwirkung und die Spin-Bahn Kopplung, wir diskutieren eine Erwärmung der Probe bei Resonanz-Bedingungen als Ursprung der resonanten Widerstandsverminderung. In der Resonanz absorbiert das Spin-System Mikrowellen-Energie, die durch verschiedene Relaxationsprozeße zu der Umgebung übertragen wird. Daraus folgt, daß der Kristall bei Resonanz-Bedingungen erwärmt wird. Ein Experiment wurde durchgeführt, um zu beobachten, ob sich die Temperatur an der Probe tatsächlich erhöht. Eine direkte Messung der Temperatur-Änderung wurde durchgeführt. In der Tat wurde eine Temperatur Erhöhung bei Resonanz-Bedingungen festgestellt. In Proben mit einer Stickstoff-Konzentration von ungefähr (1-3)1018cm-3 wurden zwei zusätzliche EPR-Linien gefunden, im Vergleich zu den Hyperfein-Triplet Spektren (I=1 for 14N) für niedriegen Defekt-Konzentrationen. Die zusätzlichen Linien lagen genau in der Mitte zwischen zwei Hyperfein- Linien. Solche zusätzliche Linien waren schon früher beobachtet worden, und deren Ursprung war Gegenstand von Kontroverse. In einer weiteren Probe wurden jedoch sechs zusätzliche Linien beobachtet, deren Lage entsprach +/-1/4, 1/2 and 3/4 der Hyperfein-Aufspaltung vom Stickstoff –Donator auf dem quasikubischen Platz. Die experimentell ermittelte Temperatur-Abhängigkeit des Widerstandes dieser Proben zeigte, dass hopping-Prozeße die Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen bestimmt. Wir haben gezeigt, daß die zusätzlichen EPR-Linien aus hopping der Donator-Elektronen zwischen zwei oder vier Stickstoff-Donatoren resultieren.