We report on a bistable defect known as M-center, here introduced in n-type 4H-SiC by 2 MeV He ion implantation. Deep levels of the M-center are investigated by means of junction spectroscopy techniques, namely, deep level transient spectroscopy (DLTS) and isothermal DLTS. In addition to previously reported three deep levels arising from the M-center (labeled as M1, M2, and M3), we provide direct evidence on the existence of a fourth transition (labeled as M4) with an activation energy of 0.86 eV. Activation energies and apparent capture cross sections for all four metastable defects are determined. From first-principles calculations, it is shown that the observed features of the M-center, including the charge state character, transition levels, bi-stability dynamics, and annealing, are all accounted for by a carbon self-interstitial.
REFERENCES
1.
T.
Kimoto
and J. A.
Cooper
, Fundamentals of Silicon Carbide Technology
(John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd
, Singapore
, 2014
).2.
X.
She
, A. Q.
Huang
, O.
Lucia
, and B.
Ozpineci
, IEEE Trans. Ind. Electron.
64
, 8193
(2017
). 3.
L.
Liu
, A.
Liu
, S.
Bai
, L.
Lv
, P.
Jin
, and X.
Ouyang
, Sci. Rep.
7
, 13376
(2017
). 4.
F.
Franceschini
and F. H.
Ruddy
, Properties and Applications of Silicon Carbide
(InTech
, 2011
).5.
J.
Coutinho
, V. J. B.
Torres
, I.
Capan
, T.
Brodar
, Z.
Ereš
, R.
Bernat
, V.
Radulović
, K.
Ambrožič
, L.
Snoj
, Ž
Pastuović
, A.
Sarbutt
, T.
Ohshima
, Y.
Yamazaki
, and T.
Makino
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A
986
, 164793
(2021
). 6.
J. R.
Weber
, W. F.
Koehl
, J. B.
Varley
, A.
Janotti
, B. B.
Buckley
, C. G.
Van de Walle
, and D. D.
Awschalom
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
107
, 8513
(2010
). 7.
W. F.
Koehl
, B. B.
Buckley
, F. J.
Heremans
, G.
Calusine
, and D. D.
Awschalom
, Nature
479
, 84
(2011
). 8.
V.
Ivády
, J.
Davidsson
, N.
Delegan
, A. L.
Falk
, P. V.
Klimov
, S. J.
Whiteley
, S. O.
Hruszkewycz
, M. V.
Holt
, F. J.
Heremans
, N. T.
Son
, D. D.
Awschalom
, I. A.
Abrikosov
, and A.
Gali
, Nat. Commun.
10
, 5607
(2019
). 9.
S.
Castelletto
and A.
Boretti
, J. Phys. Photonics
2
, 022001
(2020
). 10.
N. T.
Son
, X. T.
Trinh
, L. S.
Løvlie
, B. G.
Svensson
, K.
Kawahara
, J.
Suda
, T.
Kimoto
, T.
Umeda
, J.
Isoya
, T.
Makino
, T.
Ohshima
, and E.
Janzén
, Phys. Rev. Lett.
109
, 187603
(2012
). 11.
N. T.
Son
, P.
Stenberg
, V.
Jokubavicius
, T.
Ohshima
, J.
Ul Hassan
, and I. G.
Ivanov
, J. Phys.: Condens. Matter
31
, 195501
(2019
).12.
C. G.
Hemmingsson
, N. T.
Son
, A.
Ellison
, J.
Zhang
, and E.
Janzén
, Phys. Rev. B
58
, R10119
(1998
). 13.
I.
Capan
, T.
Brodar
, Z.
Pastuović
, R.
Siegele
, T.
Ohshima
, S. I.
Sato
, T.
Makino
, L.
Snoj
, V.
Radulović
, J.
Coutinho
, V. J. B.
Torres
, and K.
Demmouche
, J. Appl. Phys.
123
, 161597
(2018
). 14.
I.
Capan
, T.
Brodar
, J.
Coutinho
, T.
Ohshima
, V. P.
Markevich
, and A. R.
Peaker
, J. Appl. Phys.
124
, 245701
(2018
). 15.
M. E.
Bathen
, A.
Galeckas
, J.
Müting
, H. M.
Ayedh
, U.
Grossner
, J.
Coutinho
, Y. K.
Frodason
, and L.
Vines
, NPJ Quantum Inf.
5
, 111
(2019
). 16.
M.
Wagner
, B.
Magnusson
, W. M.
Chen
, E.
Janzén
, E.
Sörman
, C.
Hallin
, and J. L.
Lindström
, Phys. Rev. B
62
, 16555
(2000
). 17.
E.
Janzén
, A.
Gali
, P.
Carlsson
, A.
Gällström
, B.
Magnusson
, and N. T.
Son
, Phys. B: Condens. Matter
404
, 4354
(2009
). 18.
X. T.
Trinh
, K.
Szász
, T.
Hornos
, K.
Kawahara
, J.
Suda
, T.
Kimoto
, A.
Gali
, E.
Janzén
, and N. T.
Son
, Phys. Rev. B
88
, 235209
(2013
). 19.
J.
Coutinho
, V. J. B.
Torres
, K.
Demmouche
, and S.
Öberg
, Phys. Rev. B
96
, 174105
(2017
). 20.
R.
Kuate Defo
, X.
Zhang
, D.
Bracher
, G.
Kim
, E.
Hu
, and E.
Kaxiras
, Phys. Rev. B
98
, 104103
(2018
). 21.
P.
Udvarhelyi
, G.
Thiering
, N.
Morioka
, C.
Babin
, F.
Kaiser
, D.
Lukin
, T.
Ohshima
, J.
Ul-Hassan
, N. T.
Son
, J.
Vučković
, J.
Wrachtrup
, and A.
Gali
, Phys. Rev. Appl.
13
, 054017
(2020
). 22.
V.
Ivády
, J.
Davidsson
, N. T.
Son
, T.
Ohshima
, I. A.
Abrikosov
, and A.
Gali
, Phys. Rev. B
96
, 161114
(2017
). 23.
T.
Kimoto
, A.
Itoh
, H.
Matsunami
, S.
Sridhara
, L. L.
Clemen
, R. P.
Devaty
, W. J.
Choyke
, T.
Dalibor
, C.
Peppermüller
, and G.
Pensl
, Appl. Phys. Lett.
67
, 2833
(1995
). 24.
C.
Hemmingsson
, N. T.
Son
, O.
Kordina
, J. P.
Bergman
, E.
Janzén
, J. L.
Lindström
, S.
Savage
, and N.
Nordell
, J. Appl. Phys.
81
, 6155
(1997
). 25.
T.
Hiyoshi
and T.
Kimoto
, Appl. Phys. Express
2
, 041101
(2009
). 26.
L. S.
Løvlie
and B. G.
Svensson
, Appl. Phys. Lett.
98
, 052108
(2011
). 27.
N. T.
Son
, P. N.
Hai
, and E.
Janzén
, Mater. Sci. Forum
353–356
, 499
(2001
). 28.
T. T.
Petrenko
, T. L.
Petrenko
, and V. Y.
Bratus
, J. Phys.: Condens. Matter
14
, 12433
(2002
). 29.
A.
Gali
, P.
Deák
, E.
Rauls
, N. T.
Son
, I. G.
Ivanov
, F. H. C.
Carlsson
, E.
Janzén
, and W. J.
Choyke
, Phys. B: Condens. Matter
340–342
, 175
(2003
). 30.
M.
Bockstedte
, M.
Heid
, and O.
Pankratov
, Phys. Rev. B
67
, 193102
(2003
). 31.
D. M.
Martin
, H.
Kortegaard Nielsen
, P.
Lévêque
, A.
Hallén
, G.
Alfieri
, and B. G.
Svensson
, Appl. Phys. Lett.
84
, 1704
(2004
). 32.
H. K.
Nielsen
, A.
Hallén
, and B. G.
Svensson
, Phys. Rev. B
72
, 085208
(2005
). 33.
F. C.
Beyer
, C.
Hemmingsson
, H.
Pedersen
, A.
Henry
, E.
Janzén
, J.
Isoya
, N.
Morishita
, and T.
Ohshima
, J. Appl. Phys.
109
, 103703
(2011
). 34.
G.
Alfieri
and A.
Mihaila
, J. Phys.: Condens. Matter
32
, 465703
(2020
). 35.
T.
Brodar
, L.
Bakrač
, I.
Capan
, T.
Ohshima
, L.
Snoj
, V.
Radulović
, and Ž
Pastuović
, Crystals
10
, 845
(2020
). 36.
A.
Gali
, P.
Deák
, P.
Ordejón
, T.
Son
, E.
Janzén
, and J.
Choyke
, Phys. Rev. B
68
, 125201
(2003
). 37.
M.
Bockstedte
, A.
Mattausch
, and O.
Pankratov
, Phys. Rev. B
68
, 205201
(2003
). 38.
G.
Alfieri
, E. V.
Monakhov
, B. G.
Svensson
, and M. K.
Linnarsson
, J. Appl. Phys.
98
, 043518
(2005
). 39.
M. L.
David
, G.
Alfieri
, E. M.
Monakhov
, A.
Hallén
, C.
Blanchard
, B. G.
Svensson
, and J. F.
Barbot
, J. Appl. Phys.
95
, 4728
(2004
). 40.
H. M.
Ayedh
, V.
Bobal
, R.
Nipoti
, A.
Hallén
, and B. G.
Svensson
, J. Appl. Phys.
115
, 012005
(2014
). 41.
L.
Storasta
, J. P.
Bergman
, E.
Janzén
, A.
Henry
, and J.
Lu
, J. Appl. Phys.
96
, 4909
(2004
). 42.
R.
Karsthof
, M. E.
Bathen
, A.
Galeckas
, and L.
Vines
, Phys. Rev. B
102
, 184111
(2020
). 43.
T.
Umeda
, N. T.
Son
, J.
Isoya
, E.
Janzén
, T.
Ohshima
, N.
Morishita
, H.
Itoh
, A.
Gali
, and M.
Bockstedte
, Phys. Rev. Lett.
96
, 145501
(2006
). 44.
J. W.
Steeds
, Phys. Rev. B
80
, 245202
(2009
). 45.
N. T.
Son
, P.
Stenberg
, V.
Jokubavicius
, H.
Abe
, T.
Ohshima
, J.
Ul Hassan
, and I. G.
Ivanov
, Appl. Phys. Lett.
114
, 212105
(2019
). 46.
K.
Szász
, V.
Ivády
, I. A.
Abrikosov
, E.
Janzén
, M.
Bockstedte
, and A.
Gali
, Phys. Rev. B
91
, 121201
(2015
). 47.
48.
A.
Gali
, Mater. Sci. Forum
679–680
, 225
(2011
). 49.
J.
Coutinho
, J. D.
Gouveia
, T.
Makino
, T.
Ohshima
, Ž.
Pastuović
, L.
Bakrač
, T.
Brodar
, and I.
Capan
, Phys. Rev. B
103
, L180102
(2021
). 50.
M.
Ito
, L.
Storasta
, and H.
Tsuchida
, Appl. Phys. Express
1
, 015001
(2008
). 51.
Ž.
Pastuović
, R.
Siegele
, I.
Capan
, T.
Brodar
, S.
Sato
, and T.
Ohshima
, J. Phys.: Condens. Matter
29
, 475701
(2017
). 52.
53.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Comput. Mater. Sci.
6
, 15
(1996
). 54.
J.
Heyd
, G. E.
Scuseria
, and M.
Ernzerhof
, J. Chem. Phys.
118
, 8207
(2003
). 55.
J.
Heyd
, G. E.
Scuseria
, and M.
Ernzerhof
, J. Chem. Phys.
124
, 219906
(2006
). 56.
P. E.
Blöchl
, Phys. Rev. B
50
, 17953
(1994
). 57.
G.
Kresse
and D.
Joubert
, Phys. Rev. B
59
, 1758
(1999
). 58.
J. P.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
). 59.
M. E.
Bathen
, J.
Coutinho
, H. M.
Ayedh
, J.
Ul Hassan
, I.
Farkas
, S.
Öberg
, Y. K.
Frodason
, B. G.
Svensson
, and L.
Vines
, Phys. Rev. B
100
, 014103
(2019
). 60.
C.
Freysoldt
, J.
Neugebauer
, and C. G.
Van de Walle
, Phys. Rev. Lett.
102
, 016402
(2009
). 61.
G.
Henkelman
, B. P.
Uberuaga
, and H.
Jónsson
, J. Chem. Phys.
113
, 9901
(2000
). 62.
Y.
Tokuda
, N.
Shimizu
, and A.
Usami
, Jpn. J. Appl. Phys.
18
, 309
(1979
). 63.
Y.
Zohta
and M. O.
Watanabe
, J. Appl. Phys.
53
, 1809
(1982
). 64.
65.
D. C.
Hunt
, D. J.
Twitchen
, M. E.
Newton
, J. M.
Baker
, T. R.
Anthony
, W. F.
Banholzer
, and S. S.
Vagarali
, Phys. Rev. B
61
, 3863
(2000
). © 2021 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.