In this thesis, a comprehensive study of the electrical properties of carbon-hydrogen (CH) complexes in silicon (Si) and silicon-germanium (SiGe) alloys is presented. These complexes form by the reaction of residual carbon impurities with hydrogen that is introduced either by wet chemical etching or a dc hydrogen plasma. The complexes were detected and characterized by the deep level transient spectroscopy (DLTS), Laplace DLTS, and minority carrier transient spectroscopy (MCTS) technique. With this approach, properties like the activation enthalpy for carrier emission, the capture cross section, the charge state, and the thermal stability of the complexes were determined. The composition of the complexes was derived from the analysis of their depth profiles in samples with different impurity concentrations. Using these methods, eight carbon-hydrogen related defect levels (E42, E65, E75, E90, E90', E262, H50, H180) and one hydrogen related level (E150) were detected in Si, SiGe alloys and Ge. Hydrogen plasma treatment at temperatures around 373 K introduces four dominant traps in Si at about Ec-0.06 eV (E42), Ec-0.52 eV (E262), Ev+0.33 eV (H180), and Ev+0.08 eV (H50). E42 and E262 are shown to be two charge states of the same defect. The characteristic field dependence of their emission rate links E42 with the double acceptor level and E262 with the single acceptor level of a CH complex. By comparison of their properties with calculations they are assigned to the anti-bonding configuration of the CH complex (CH_1AB). H180 was previously suggested to be the donor state of the CH_1AB configuration. This hypothesis could not be confirmed. Instead, it is shown that H180 exhibits a barrier for hole capture of about 53 meV, which hinders the reliable determination of its charge state from the field dependence of the emission rate. However, its activation enthalpy is in reasonable agreement with the predicted level position of the acceptor state of the CH_T configuration of CH, where H sits on the tetrahedral interstitial (T) position next to carbon. Therefore, H180 is tentatively assigned to CH_T. H50 is reported for the first time and it appears with concentrations close to the detection limit of the DLTS technique (~1E11 cm^-3). This complicates the determination of its charge state. Nevertheless, theory predicts the acceptor level of the CH_2AB configuration at about Ev+0.07 eV, which is remarkably close to the experimental value of H50. Therefore, H50 is tentatively assigned to the acceptor level of CH_2AB. In contrast, hydrogenation of silicon by wet chemical etching introduces three dominant levels at Ec-0.11 eV (E65), Ec-0.13 eV (E75), and Ec-0.16 eV (E90). Previously, E90 was contradictorily assigned by different authors to the donor and to the acceptor state of the bond-centered configuration of the CH complex (CH_1BC). In this work, this contradiction is resolved. It is shown that two different defect levels (E90 and E90') appear in the DLTS spectra at about 90 K in samples with a low oxygen concentration (< 1E17 cm^-3). The acceptor state of the CH_1BC configuration (E90) can be observed directly after hydrogenation by wet chemical etching or a dc hydrogen plasma treatment at temperatures below 373 K. In contrast, the donor state of a CH_n complex (E90', Ec-0.14 eV), that involves more than one hydrogen atom, is formed by a reverse bias annealing of samples with a net donor concentration of Nd > 1E15 cm^-3. By comparison with theory it is concluded that n > 2. In samples with a high oxygen concentration (> 1E17 cm^-3) E65 and E75 are dominant. Both levels belong to the CH_1BC configuration disturbed by a nearby oxygen atom. The appearance of two levels is the result of two inequivalent positions of the oxygen atom in respect to the CH bond. E42, E90, E262, and H180 are also investigated in diluted SiGe alloys to analyze the influence of alloying on their electrical properties. The presence of Ge atoms in the closest environment of the defects leads to the appearance of additional defect levels close to those observed in pure Si. The relative concentration of these additional defects is in agreement with models of the proposed defect structure of E42, E90, E262, and H180. An increase of the Ge content in SiGe alloys leads to a shift of the defect levels in the band gap of SiGe. An extrapolation of this shift predicts the appearance of E90 and E262 also in pure Ge. A hydrogen related level E150 (Ec-0.31 eV) is indeed observed in hydrogenated n-type Ge. Its concentration is significantly higher after hydrogen plasma treatment than after wet chemical etching. It is shown that E150 contains a single hydrogen atom and involves an unknown impurity, most likely carbon, oxygen, or silicon. E150 represents a reasonable candidate for a CH complex in Ge. / In dieser Arbeit werden die elektrischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Wasserstoff-Komplexen in Silizium (Si) und Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) studiert. Diese Komplexe bilden sich durch Reaktion von Kohlenstoff-Verunreinigungen mit Wasserstoff, welcher durch nasschemisches Ätzen oder eine Wasserstoffplasma-Behandlung eingebracht wird. Der Nachweis und die Charakterisierung der Defekte erfolgte mit den Methoden der Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS), Laplace DLTS und der Minoritätsladungsträgertransientenspektroskopie (MCTS). Damit wurden Eigenschaften wie die Aktivierungsenergie der Ladungsträgeremission, die Einfangquerschnitte, der Ladungszustand und die thermische Stabilität der Komplexe bestimmt. Die Zusammensetzung der Komplexe wurde durch eine Analyse der Tiefenprofile ermittelt, welche in Proben mit verschiedenen Verunreinigungskonzentrationen gemessen wurden. Mit diesen Methoden wurde acht Kohlenstoff-Wasserstoff-korrelierte Defektniveaus (E42, E65, E75, E90', E90, E262, H50, H180) in Si und SiGe und ein Wasserstoff-korreliertes Niveau in Ge nachgewiesen. Eine Wasserstoffplasma-Behandlung bei Temperaturen um 373 K erzeugt vier dominante Defektniveaus in Si bei Ec-0.06 eV (E42), Ec-0.52 eV (E262), Ev+0.33 eV (H180) und Ev+0.08 eV. Es wird gezeigt, dass E42 und E262 zwei Ladungszustände desselben Defektes sind. Die charakteristische Feldabhängigkeit der Emissionsrate zeigt, dass E42 der Doppel-Akzeptor- und E262 der Einfach-Akzeptor-Zustand eines CH-Komplexes ist. Durch Vergleich der beobachteten Eigenschaften mit theoretischen Berechnungen werden beide Niveaus der antibindenden Konfiguration des CH-Komplexes (CH_1AB) zugeordnet. Das Niveau H180 wurde in der Literatur bisher mit dem Donator-Zustand der CH_1AB-Konfiguration in Verbindung gebracht. Diese Hypothese konnte nicht bestätigt werden. Es wird gezeigt, dass H180 eine Barriere für den Löchereinfang von etwa 53 meV besitzt, was die Bestimmung des Ladungszustandes aus der Feldabhängigkeit der Emissionsrate erschwert. Die Aktivierungsenergie von H180 stimmt jedoch befriedigend mit der berechneten Aktivierungsenergie des Akzeptorzustandes der CH_T-Konfiguration überein, bei der H auf der T-Zwischengitterposition sitzt. Daher wird H180 vorläufig dem CH_T-Komplex zugeordnet. Das Niveau H50, welches zum ersten Mal hier beschrieben wird, wird nur mit sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen. Dies erschwert die Bestimmung des Ladungszustandes. Die Aktivierungsenergie von H50 stimmt jedoch auffallend gut mit dem von der Theorie vorhergesagten Akzeptorniveau von CH_2AB (Ev+0.07 eV) überein. Daher wird H50 vorrübergehend CH_2AB zugeordnet. Das Einbringen von Wasserstoff in Silizium durch nasschemisches Ätzen führt zu drei dominanten Defektniveaus bei Ec-0.11 eV (E65), Ec-0.13 eV (E75) und Ec-0.16 eV (E90). E90 wurde bisher widersprüchlich von verschiedenen Autoren dem Donatorzustand und dem Akzeptorzustand der bindungszentrierten Konfiguration (CH_1BC) des CH-Komplexes zugeordnet. Dieser Widerspruch konnte aufgelöst werden. Es wird gezeigt, dass in Silizium mit niedrigem Sauerstoffanteil (< 1E17 cm^-3) zwei verschiedene Defektniveaus (E90 und E90') bei etwa 90 K in den DLTS-Spektren erscheinen, welche nur mit der Laplace DLTS-Technik aufgelöst werden können. Der Akzeptorzustand der CH_1BC-Konfiguration kann direkt nach nasschemischem Ätzen oder einer Wasserstoffplasma-Behandlung bei 373 K beobachtet werden. Im Gegensatz dazu wird durch eine Sperrspannungs-Temperung in Proben mit einer Donatorkonzentration von Nd > 1E15 cm^-3 der Donatorzustand eines CH_n-Komplexes (E90', Ec-0.14 eV), welcher mehr als ein Wasserstoffatom enthält, gebildet. Durch Vergleich mit theoretischen Berechnungen wird n > 2 geschlussfolgert. Die Niveaus E65 und E75 sind in Proben mit einem hohen Sauerstoffanteil (> 1E17 cm^-3) dominant. Beide Niveaus gehören zu einer durch ein O-Atom verzerrten CH_1BC-Konfiguration. Das Auftreten von zwei Niveaus wird durch zwei nicht-äquivalente Positionen des O-Atoms bezüglich der CH-Bindung erklärt. Die Eigenschaften von E42, E90, E262 und H180 wurden ebenfalls in verdünnten SiGe-Legierungen untersucht. Es wird gezeigt, dass Ge-Atome in der direkten Umgebung der Defekte zusätzliche Defektniveaus erzeugen, die in der Bandlücke nahe zu den Si-Defektniveaus liegen und von durch Ge-Atomen verzerrten Defekten stammen. Die beobachteten relativen Konzentrationen dieser Ge-korrelierten Niveaus kann mit Modellen der atomaren Struktur der Defekte erklärt werden. Eine Verschiebung der Defektniveaus proportional zum Ge-Anteil in der Legierung wurde beobachtet. Eine Extrapolation dieser Verschiebung legt den Schluss nahe, dass E90 und E262 auch in reinem Ge beobachtbar sein sollten. Tatsächlich wurde ein Wasserstoff-korrelierter Defekt E150 (Ec-0.31 eV) in n-Typ Germanium beobachtet. Die Konzentration von E150 ist nach einer Wasserstoffplasma-Behandlung wesentlich höher als nach nasschemischen Ätzen. Es wird gezeigt, dass E150 ein einzelnes Wasserstoffatom und ein noch unbekanntes Verunreinigungsatom enthält, höchstwahrscheinlich Kohlenstoff, Sauerstoff oder Silizium. Damit ist E150 ein sehr wahrscheinlicher Kandidat für einen CH-Komplex in Germanium.

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The main purpose of this thesis was to examine the communication problems with the DLTS set up in the Division for Electricity at Ångström Laboratory in Uppsala, Sweden, and to make the DLTS software complete. The set up consisted of a C/V meter, a pulse generator, a temperature controller and a PC with a control program written in LabVIEW. It was found that the software had been constructed to fit another set of instruments than the set up currently used at Ångström Laboratory. The task was therefore to properly integrate the correct control commands of those instruments into the software. / DLTS investigation of wide bandgap materials / Diamond electronics

Universiẗat-Gesamthochsch., Diss.--Paderborn, 1996.

Techn. University, Diss., 2001--Berlin. / Gedr. Ausg. im Mensch-und-Buch-Verl., Berlin.

Universiẗat, Diss., 2004--Jena.

Defects in semiconductors are crucial to device operation, as they can either be beneficial or detrimental to the device operation depending on the application. For efficient devices it is important to characterize the defects in semiconductors so that those defects that are bad are eliminated and those that are useful can be controllably introduced. In this thesis, deep level transient spectroscopy (DLTS) and high-resolution Laplace-DLTS (LDLTS) have been used to characterize deep level defects introduced by energetic particles (electrons or Ar ions) and during metallization using electron beam deposition on silicon and germanium. Schottky diodes were used to form the space-charge region required in DLTS and LDLTS measurements. From the DLTS and LDLTS measurements the activation enthalpy required to ionize a trap, ET, and defect carrier capture cross-section ó were deduced. LDLTS proved particularly useful since it could separate deep levels with closely spaced energy levels (the limit being defects with emission rates separated by a factor greater than 2), which was not possible by conventional DLTS. The majority carrier traps in gallium-, boron- and phosphorus-doped silicon introduced after MeV electron irradiation and during electron beam deposition have been characterized, and several defects such as the divacancy, A-center and E-center and other complex defects were observed after the two processes. Annealing studies have shown that all deep levels are removed in silicon after annealing between 500°C-600°C. Both electron and hole traps introduced in n-type germanium by electron irradiation, Ar sputtering and after electron beam deposition have been characterized using DLTS and LDLTS. The E-center is the most common defect introduced in germanium after MeV electron irradiation and during electron beam deposition. Annealing shows that defects in germanium were removed by low thermal budget of between 350°C - 400°C and it has been deduced that the E-center (V-Sb) in germanium anneals by diffusion. The identification of some of the defects was achieved by using defect properties such as defect signature, introduction rates, annealing behavior and annealing mechanisms, and then comparing these properties to theoretical defect models and results from other techniques. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2010. / Physics / unrestricted

Ce travail consiste en une tentative de ré-examiner les propriétés électroniques du Fe, Cr et Au au sein de Ge, qui ont déjà été étudiées classiquement par DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy). L'image générale qui en découle est que les métaux de transition dans Ge forment de manière prépondérante des centres accepteurs multiples, introduisant plusieurs niveaux profonds dans la bande de gap. A partir d'un modèle de liaison de valence simple, cette conclusion est en accord avec une survenue des impuretés sur des sites de substitution. Cependant, plusieurs questions demeurent ouvertes, comme le rôle de l'hydrogène en tant que contaminant dans l'élargissement des spectres DLTS. Notre contribution se base sur l'utilisation d'une approche plus performante nommée Laplace DLTS, en ce sens qu'elle autorise une meilleure résolution du signal. Nous présentons une analyse extensive par DLTS, MCTS et Laplace DLTS, afin d'étudier les propriétés électroniques des états accepteurs multiples, induits par les 4 métaux de transition sus-nommés. On distingue, parmis les paramètres étudiés, les barrières de capture des porteurs, les vraies sections efficaces de capture de sporteurs majoritaires (déterminées directement par la méthode de variation du pulse de remplissage), L'effet Pool-Frenkel (en lien avec la détermination de l'état de charge du niveau concerné). Ceci permet d'indiquer avec précision la position exacte des niveaux dans la bande interdite. Nous confirmons la plupart des résultats mis en évidence précédemment, tout en ajoutant quelques précisions sir le rôle de l'hydrogène dans la formation de nouveaux complexes. Une mise en parallèle avec le silicium. Dans le cas de Au, de nouveaux niveaux attribués aux complexes Au-Hn et Au-Sb sont observés. De manière générale, l'analyse des porteurs majoritaires et minoritaires par MCYS est toujours sujette à étude. En ce qui concerne le cas du Fe, la faible différence d'énergie entre ses deux niveaux soulève la possibilité d'un caractère de type U-négatif. L'ensemble de ses points devraient faire l'objet d'un travail approfondis dans un avenir proche.

Ce travail consiste en une tentative de ré-examiner les propriétés électroniques du Fe, Cr et Au au sein de Ge, qui ont déjà été étudiées classiquement par DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy). L'image générale qui en découle est que les métaux de transition dans Ge forment de manière prépondérante des centres accepteurs multiples, introduisant plusieurs niveaux profonds dans la bande de gap. A partir d'un modèle de liaison de valence simple, cette conclusion est en accord avec une survenue des impuretés sur des sites de substitution. Cependant, plusieurs questions demeurent ouvertes, comme le rôle de l'hydrogène en tant que contaminant dans l'élargissement des spectres DLTS. Notre contribution se base sur l'utilisation d'une approche plus performante nommée Laplace DLTS, en ce sens qu'elle autorise une meilleure résolution du signal. Nous présentons une analyse extensive par DLTS, MCTS et Laplace DLTS, afin d'étudier les propriétés électroniques des états accepteurs multiples, induits par les 4 métaux de transition sus-nommés. On distingue, parmis les paramètres étudiés, les barrières de capture des porteurs, les vraies sections efficaces de capture de sporteurs majoritaires (déterminées directement par la méthode de variation du pulse de remplissage), L'effet Pool-Frenkel (en lien avec la détermination de l'état de charge du niveau concerné). Ceci permet d'indiquer avec précision la position exacte des niveaux dans la bande interdite. Nous confirmons la plupart des résultats mis en évidence précédemment, tout en ajoutant quelques précisions sir le rôle de l'hydrogène dans la formation de nouveaux complexes. Une mise en parallèle avec le silicium. Dans le cas de Au, de nouveaux niveaux attribués aux complexes Au-Hn et Au-Sb sont observés. De manière générale, l'analyse des porteurs majoritaires et minoritaires par MCYS est toujours sujette à étude. En ce qui concerne le cas du Fe, la faible différence d'énergie entre ses deux niveaux soulève la possibilité d'un caractère de type U-négatif. L'ensemble de ses points devraient faire l'objet d'un travail approfondis dans un avenir proche. / The present work is an attempt to re-examine the electronic properties of Fe, Ni Cr and Au in Ge which have been already studied by conventional DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy). A general picture, that emerged, is that transition metals in Ge predominantly form multiple-acceptor centres, introducing several deep levels in the band gap, which according to a simple valence bond model is in agreement with a preferential occurrence of the impurities on substitutional sites. However, some questions remained open such as the role of hydrogen as a natural contaminant in the broadening of the DLTS spectra. Our contribution is based on the use of a more powerfull approach called Laplace DLTS in the sense that it allows a better resolution of the signal. We present extensive DLTS, MCTS and Laplace DLTS results to investigate the electronic properties of the multi-acceptor states, induced by mentioned four transition metals. Among the studied parameters we may cite the barrier for carrier capture, the true majority carrier capture cross section directly measured by the variable pulse length method, the Poole-Frenkel effect related to the assignment of the charge states - all these parameters are important to locate the level positions in the band gap. We confirm in the present work most of the results obatained in the past, adding some insight into the role of hydrogen in the formation of new complexes and in this respect a parallel is made with silicon. In case of Au new levels attributed to conjectural Au-Hn and Au-Sb complexes are observed. In addition development of both majority and minority carriers in MCTS analysis still is under consideration. For the Fe case, the small difference in energy of its two levels raises the question as to the possibility of negative-U character. These mentioned points should be treated more thoroughly in a future work.

Le but de ce travail est l'étude et la caractérisation des structures à base du silicium. La première partie de cette thèse traite le sujet des composants de puissance du type VDMOSFET en fonctionnement sous conditions extrêmes. Le comportement électrique des composants étudiés ainsi que l'évolution des temps de commutation sont bien étudiés en fonction de la température qui varie linéairement de 25 à 180ºC. Des contraintes électriques sont appliquées de manière à simuler expérimentalement les conditions réelles de fonctionnement. Les défauts sont ensuite caractérisés par des mesures de capacité et conductance grille-source permettant ainsi le calcul des densités des états d'interface induits par le stress. Les résultats expérimentaux montrent que les densités des états d'interface augmentent avec la durée du stress électrique appliqué. Les défauts induits et activés par le stress électrique sont aussi étudiés par la technique CDLTS qui se repose sur un balayage en largeur de l'impulsion appliquée sur la grille. Le balayage du gap a été assuré par la variation du niveau bas de l'impulsion. Différents défauts ont été détectés et les impuretés dopantes ainsi que les états d'interface ont été distingués des niveaux profonds situés au sein de la bande interdite. La deuxième partie de la thèse concerne la caractérisation et la modélisation des cellules à émetteurs dopés bore. La caractérisation électrique a été assurée par la caractérisation SIMS et la mesure des caractéristiques C(V) et I(V). La modélisation vient accompagner les résultats obtenus expérimentalement afin de tirer tout les paramètres caractéristiques de la cellule étudiée. Par la technique DLTS, un piège ayant une énergie d'activation de 0.029 eV et une section efficace de capture de 1.41 10-24 cm2 a été identifié. / The aim of this work is to study and characterize silicon based structures. The first part of this thesis deals with the operation of VDMOSFET power devices under extreme conditions. The electrical behavior of studied devices and the evolution of switching times were studied as a function of temperature (25 to 180ºC). Electrical stressing was applied in order to simulate real operating conditions. Defects are then characterized by gate-source capacitance and conductance measurements allowing the calculation of interface states densities induced by stress. Experimental results show that interface states densities increase with the stress duration. Defects induced and activated by the electrical stress are also studied by the CDLTS technique based on gate pulse width scan. The band gap was scanned by varying the pulse base level. Different defects were detected and we have distinguished the doping levels and interface states from deep levels located in the forbidden band gap. The second part of the thesis concerns the characterization and modeling of boron-doped emitter photovoltaic cells. The electrical characterization was carried out by SIMS characterization and the measurement of C(V) and I(V) characteristics. Experimental results are supported by modeling in order to estimate all the characteristic parameters of the studied cell. By the DLTS technique, a trap with activation energy of 0.029 eV and capture cross section of 1.41 10-24 cm2 has been identified.