English

Radiation-induced point defects in silicon carbide (SiC) were investigated using electron-paramagnetic resonance (EPR), photoluminescence (PL), the magnetic circular dichroism of the absorption (MCDA) and optically detected magnetic resonance (MCDA-EPR and PL-EPR). In neutron-irradiated samples annealed beyond the annealing temperature of the isolated silicon vacancy, EPR spectra of spin S = 1 centers were observed that have the symmetry of nearest neighbor pair defects. EPR spectra of the defect on the three inequivalent lattice sites were resolved and attributed to optical transitions between photon energies of 999 meV and 1075 meV by MCDA-EPR. The hyperfine structure of the EPR spectra shows the presence of one single carbon nucleus and several silicon ligand nuclei. The experimental findings are interpreted with help of total energy and spin density data obtained from the standard local-density approximation of the density-functional theory (LSDADFT), using relaxed defect geometries obtained from the selfconsistent charge density-functional theory based tight binding (SCC-DFTB) scheme. The calculations were performed by the department of theoretical physics at the University of Paderborn (E. Rauls, U. Gerstmann, and H. Overhof). The only model that explains all experimental findings is the photo-excited spin triplet state of the carbon antisite - carbon vacancy pair (CSi-VC) in the doubly positive charge state. It is concluded that the CSi-VC defect is formed from the isolated silicon vacancy as an annealing product by the movement of a carbon neighbor into the vacancy. The optical transitions of a radiation-induced defect that is presently assigned to the silicon vacancy in the neutral charge state were investigated in 6H- and 15RSiC with the MCDA method. Only the quasicubic sites of the defect give rise to a MCDA signal whereas the hexagonal sites do not. The temperature and magnetic field dependence of the MCDA lines indicates a spin S = 1/2 for the ground state of the quasicubic sites, in contrast to published models. The MCDA-EPR signals of the quasicubic sites also differ from the published signals measured with PLEPR. It is suggested that the charge transfer levels of the silicon vacancy at the quasicubic sites differs from the hexagonal sites, so that the quasicubic sites exist in other charge and spin states than the hexagonal sites. The so-called D1 center is a common radiation-induced defect in all polytypes of SiC. Its PL spectrum is frequently observed after irradiation and subsequent annealing and has been known for 30 years, but the microscopic structure of the defect is to date unidentified. This center was investigated with PL-EPR. Its magneto-optical properties indicate a paramagnetic behavior of the defect, in agreement with published data from Zeeman experiments. But despite the use of modern spectroscopic methods like high frequency EPR and EPR detected via the magnetic circular polarization of the emission (MCPE), no EPR signal could be assigned to the defect. Based on the present understanding of the defect, the silicon antisite is suggested as a suitable model for the D1 center.

Deutsch

Mit Hilfe Elektronen-paramagnetischen Resonanz (EPR), Photolumineszenz (PL), des magnetischen Zirkulardichroismus der Absorption (MCDA) und optisch detektierter magnetischer Resonanz (MCDA-EPR und PL-EPR) wurden verschiedene Strahlendefekte in den gängigen Polytypen von Siliziumkarbid, vorwiegend 6H-SiC, untersucht. In 6H-SiC wurde das Kohlenstoff-Antisite/Kohlenstoff-Lücken-Paar (CSi-VC) identifiziert. Ihm konnte ein EPR-Spektrum mit den Symmetrieeigenschaften eines nächste-Nachbarn-Paardefektes zugeordnet werden, von dem man bisher vermutete, es stamme von einem Lückenpaar. Erstmals wurden die Spektren aller drei inäquivalenten Einbauplätze dieses Zentrums in 6H-SiC aufgelöst. Mit Hilfe der optisch detektierten magnetischen Resonanz konnten ihnen optische Übergänge im infraroten Spektralbereich zugeordnet werden. Damit wurde der CSi-VC-Defekt als Ursache für ein Lumineszenzspektrum festgestellt, das zwar schon längere Zeit bekannt ist, über dessen Ursache aber bisher Unklarheit herrschte. Erstmals wurde am CSi-VC-Defekt die Hyperfeinwechselwirkung nicht nur mit den Siliziumnachbarn, sondern auch mit dem Kohlenstoff-Antisite gemessen. Die beobachteten Wechselwirkungen mit Siliziumnachbarn und Kohlenstoff-Antisite wurden in Zusammenarbeit mit der Abteilung für Theoretische Physik der Universität Paderborn (E. Rauls, U. Gerstmann, und H. Overhof) interpretiert. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den theoretischen Berechnungen zeigt, daß CSi-VC im optisch angeregten Spin-Triplett-Zustand des zweifach positiven Ladungszustandes gemessen wurde. Die experimentell beobachteten optischen Eigenschaften und die EPR-Spektren des Defektes konnten mit diesem Modell erklärt werden. Aufgrund des experimentell beobachteten thermischen Ausheilverhaltens der Siliziumlücke und des CSi-VC Defektes wurde vorgeschlagen, daß CSi-VC durch die Wanderung eines Kohlenstoffnachbarn in die Siliziumlücke entstehen kann und somit als Ausheilprodukt der Siliziumlücke betrachtet werden kann. Neueste theoretische Berechnungen der Abteilung für Theoretische Physik der Universität Paderborn bestätigen dieses Modell. Weiterhin wurden MCDA-Spektren der Siliziumlücke in 6H-SiC und 15R-SiC untersucht. Auffallend ist dabei, daß nur die Siliziumlücke auf den quasikubischen Einbauplätzen, nicht aber auf dem hexagonalen Einbauplatz ein MCDA-Signal zeigt. Die Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeit des MCDA-Signales sowie MCDA-EPR-Messungen weisen auf einen Spin S = 1/2 hin, was den gegenwärtigen Modellen bezüglich Spinzustand und Ladungszustand widerspricht. Es ist zu vermuten, daß die Umladungsniveaus der Siliziumlücke auf den quasikubischen Plätzen anders liegen als die der Siliziumlücke auf den hexagonalen Plätzen. Hier zeigt sich noch ein Gebiet für zukünftige Arbeiten, die z. T. schon mit der Präparation entsprechender Proben in die Wege geleitet wurden. Die mikroskopische Struktur des D1-Zentrum, eines der bekanntesten Strahlendefekte in SiC, ist noch immer unbekannt. Obwohl man sein Lumineszenzspektrum schon seit 30 Jahren kennt, konnte ihm noch kein EPRSignal zugeordnet werden. Dieses Zentrum wurde im Rahmen dieser Arbeit mit PL-EPR untersucht. Die magneto-optischen Eigenschaften deuten in Übereinstimmung mit publizierten Zeeman-Experimenten auf einen paramagnetischen Zustand hin. Aber trotz des Einsatzes modernster Methoden wie Höchstfrequenz-ODMR und MCPE-EPR konnte der D1-Lumineszenz immer noch kein EPR-Spektrum zugeordnet werden. Auf der Grundlage der heutigen Kenntnisse über das Auftreten und die Eigenschaften des D1-Zentrums wurde der Silizium-Antisite als Modell für das D1-Zentrum vorgeschlagen.