16. Januar 2026

MA: Untersuchung von SiC Material- und Bauelementeeigenschaften bei kryogenen Temperaturen

Elena Hobbacher —

Siliziumkarbid stellt aufgrund der Kombination optisch aktiver Farbzentren mit etablierten halbleitertechnologischen Prozessen eine vielversprechende Materialplattform für Quantentechnologien dar, die einen Betrieb bei kryogenen Temperaturen erfordern. Für solche Anwendungen sind ein stabiler elektrischer Transport sowie zuverlässige ohmsche Kontakte essenziell, da Ladungsrauschen und nichtideales Transportverhalten die Bauelementfunktion bei niedrigen Temperaturen beeinträchtigen können. Während der kryogene Betrieb von Siliziumkarbid-Leistungsbauelementen bereits untersucht wurde, liegen bislang nur wenige systematische und quantitative Studien zu den Transport- und Kontakteigenschaften hochdotierter Siliziumkarbidstrukturen vor, insbesondere hinsichtlich der Anwendbarkeit etablierter Parameterextraktionsmethoden bei tiefen Temperaturen.

In dieser Arbeit werden hochdotierte 4H-SiC-Strukturen über einen Temperaturbereich von 300 K bis 4 K elektrisch charakterisiert. Der Flächenwiderstand und der spezifische Kontaktwiderstand werden mithilfe komplementärer Teststrukturen bestimmt, darunter Van-der-Pauw-Geometrien, Transmission-Line-Method-Strukturen, Mäanderwiderstände und Kontaktlochketten. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich gängiger Extraktionsverfahren sowie eine Bewertung der Temperaturbereiche, in denen zuverlässige Parameterbestimmungen möglich sind. Sowohl n-dotierte als auch p-dotierte Bereiche werden untersucht. Ergänzend werden temperaturabhängige Strom Spannungs-Kennlinien von Siliziumkarbid-PIN-Dioden analysiert, um den Zusammenhang zwischen Materialeigenschaften und Bauelementverhalten herzustellen. TCAD-Simulationen unterstützen die physikalische Interpretation der experimentellen Ergebnisse.

Die Ergebnisse zeigen, dass hochdotiertes n-dotiertes 4H-SiC bis zu kryogenen Temperaturen ein lineares Transportverhalten aufweist und eine zuverlässige Extraktion des Flächen- und Kontaktwiderstands über den gesamten Temperaturbereich erlaubt. Im Gegensatz dazu zeigt p-dotiertes Material bei niedrigen Temperaturen eine ausgeprägte Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit, verbunden mit einem starken Anstieg des Kontaktwiderstands und dem Verlust ohmschen Kontaktverhaltens. Diese Effekte werden auf unvollständige Dotandenionisation und zunehmend kontaktlimitierte Transportmechanismen zurückgeführt. Konsistent dazu zeigen die untersuchten PIN-Dioden eine systematische Verschiebung der Vorwärtskennlinien sowie einen Anstieg des effektiven Serienwiderstands mit abnehmender Temperatur. Die Arbeit liefert damit quantitative Referenzdaten zum Transport- und Kontaktverhalten hochdotierten 4H-SiC bei kryogenen Temperaturen und identifiziert praktische Grenzen für einen zuverlässigen elektrischen Betrieb unter diesen Bedingungen.

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