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Effects of irradiation by protons, neutrons, and gamma particles on electrical properties of 4H-SiC diodes and LGAD sensors

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और गामा किरणों के साथ विकिरण, गहरे दोषों (deep defects) को प्रेरित करके 4H-SiC डायोड और LGADs के विद्युत गुणों को महत्वपूर्ण रूप से परिवर्तित करता है जो बल्क सामग्री की क्षतिपूर्ति करते हैं और प्रभावी डोपिंग सांद्रता को संशोधित करते हैं, जिससे उच्च फ्लुएंस (fluences) पर लीकेज करंट और कैपेसिटेंस व्यवहार बदल जाता है।

मूल लेखक: Jiří Kroll (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Pavla Federičová (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Jan Chochol (onsemi, Rož

प्रकाशित 2026-07-14

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Jiří Kroll (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Pavla Federičová (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Jan Chochol (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Adam Klimsza (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Jana Kozáková (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Adam Kozelský (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Vojtěch Kráčmar (Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Jiří Kvasnička (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Roman Malousek (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Mária Marčišovská (Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Michal Marčišovský (Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Marcela Mikeštíková (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), David Novák (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Radek Novotný (Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Prague, Czechia), Peter Slovák (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Radim Špetík (onsemi, Rožnov pod Radhoštěm, Czechia), Peter Švihra (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia), Pavel Tůma (Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, Prague, Czechia)

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आपके पास 4H-SiC नामक एक विशेष सामग्री से बना एक अत्यंत मजबूत, अति-पतला सैंडविच है। यह आपका सामान्य लंच नहीं है; यह एक सेमीकंडक्टर सैंडविच है जिसे अदृश्य कणों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। चेक गणराज्य और onsemi के वैज्ञानिकों ने यह देखने का निर्णय लिया कि क्या होगा यदि वे इस सैंडविच पर तीन अलग-अलग प्रकार की ब्रह्मांडीय "गोलियों" की बौछार करें: उच्च-गति वाले प्रोटॉन, रिएक्टर न्यूट्रॉन, और गामा किरणें।

इस सैंडविच की परतों को इस तरह सोचें: एक मोटा, अत्यंत मजबूत निचला बन (सबस्ट्रेट), एक फूला हुआ बीच का ब्रेड वाला हिस्सा (एपिटैक्सियल लेयर), और एक विशेष 'सीक्रेट सॉस' वाली परत (मल्टीप्लिकेशन लेयर) जो सूक्ष्म संकेतों को बढ़ाने में मदद करती है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह सैंडविच परमाणु शीतकाल (न्यूक्लियर विंटर) में जीवित रह सकता है और फिर भी इसका स्वाद अच्छा (यानी, यह एक सेंसर के रूप में काम करता रहे) रहेगा।

प्रोटॉन ब्लास्ट: एक महान संतुलन कार्य

सबसे पहले, उन्होंने सैंडविचों पर 24 GeV/c प्रोटॉन (सोचिए ये बहुत तेज़ चलने वाली छोटी पिंग-पोंग गेंदें हैं) दागे। एक निश्चित बिंदु तक, सैंडविच ने अच्छी तरह से सामना किया। लेकिन जैसे ही वे 1 × 10¹⁴ प्रोटॉन/सेमी² के फ्लुएंस (fluence) तक पहुँचे, कुछ अजीब हुआ।

आमतौर पर, जब आप किसी सामग्री पर बमबारी करते हैं, तो वह "लीकी" हो जाती है, जैसे छेद वाला बाल्टी। लेकिन यहाँ, इसके विपरीत हुआ। जैसे-जैसे प्रोटॉन की बमबारी बढ़ती गई ( 1 × 10¹⁶ प्रोटॉन/सेमी² तक), "लीक" वास्तव में छोटा होने लगा। वैज्ञानिक सुझाव देते हैं कि ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि प्रोटॉन ने सामग्री की संरचना में गहरे, अदृश्य "छेद" बना दिए जो स्पंज की तरह काम करते थे, जिससे अतिरिक्त विद्युत आवेश को सोखा जा सके। यह ऐसा है जैसे प्रोटॉन ने गलती से एक संतुलित वजन जोड़ दिया हो जिसने सैंडविच के प्राकृतिक विद्युत व्यक्तित्व को बेअसर कर दिया।

इस "स्पंज प्रभाव" के कारण, सैंडविच ने एक वन-वे वाल्व (डायोड) की तरह काम करना बंद कर दिया और यह लगभग वैसा ही व्यवहार करने लगा चाहे आप बिजली को आगे से धकेलें या पीछे से। बीच की ब्रेड की परत इतनी पूरी तरह से संतुलित हो गई कि बिजली को इस बात की परवाह नहीं थी कि वह किस दिशा में बह रही है। वैज्ञानिकों ने "बल्क कैपेसिटेंस" (यह देखने का एक तरीका कि सैंडविच कितना विद्युत आवेश रख सकता है) की जाँच करके इसे मापा, और पाया कि यह सपाट और स्थिर हो गया, जिससे सिद्ध हुआ कि बीच की परत प्रभावी रूप से बेअसर हो गई थी।

न्यूट्रॉन स्टॉर्म: गहरी डुबकी

इसके बाद, उन्होंने सैंडविच को रिएक्टर न्यूट्रॉन से टकराया। ये भारी प्रहार करने वाले खिलाड़ी हैं। निचले स्तरों (2.3 × 10¹⁷ neq/cm²) पर, सैंडविच ने प्रोटॉन से प्रभावित सैंडविच के समान व्यवहार किया। लेकिन जब उन्होंने इसे अत्यधिक स्तरों (5.2 × 10¹⁷ और 1.0 × 10¹⁸ neq/cm²) तक बढ़ाया, तो चीजें अनियंत्रित हो गईं।

सामान्यतः, "डिपलीशन रीजन" (वह हिस्सा जो संकेतों का पता लगाने के लिए तैयार होता है) लगभग 50 µm मोटा होता है। लेकिन भारी न्यूट्रॉन बमबारी के बाद, वैज्ञानिकों ने एक डिपलीशन रीजन मापा जो लगभग 350 µm तक फैल गया था! यह ब्रेड की परत से सात गुना गहरा था!

यह सुझाव देता है कि न्यूट्रॉनों ने न केवल बीच की परत के साथ छेड़छाड़ की, बल्कि वे नीचे के बन (सबस्ट्रेट) में भी गहराई तक घुस गए, जो मूल रूप से विद्युत आवेश से भरा हुआ था। रेडिएशन ने प्रभावी रूप से इस अत्यधिक चार्ज वाले निचले स्तर को लगभग खाली कर दिया, जिससे डिटेक्शन ज़ोन इसकी निर्धारित सीमाओं से कहीं आगे तक फैल गया। वैज्ञानिकों ने देखा कि कैपेसिटेंस घटकर केवल 2.2 pF रह गया, जो इस विशाल विस्तार का गणितीय प्रमाण है।

हालाँकि, भले ही "एक्टिव ज़ोन" बहुत बड़ा हो गया था, लेकिन जितना अपेक्षित था उतना बिजली का रिसाव (लीकेज) नहीं बढ़ा। वैज्ञानिक सुझाव देते हैं कि भले ही आयतन (वॉल्यूम) बड़ा है, लेकिन 4H-SiC सामग्री स्वाभाविक रूप से इतनी सख्त (एक विशाल बैंडगैप के साथ) है कि यह अपने आप बहुत कम अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करती है। उन्होंने जो अतिरिक्त करंट देखा, वह संभवतः सैंडविच के किनारों से या इलेक्ट्रिक फील्ड द्वारा इलेक्ट्रॉनों को खींचने से आया होगा, न कि पूरे वॉल्यूम के पिघलने से।

गामा रे शावर: सतह का खरोंच

अंत में, उन्होंने ⁶⁰Co स्रोत से गामा किरणों में सैंडविच को नहलाया, जो 300 kGy तक की खुराक पहुँचाती हैं। गामा किरणें अलग हैं; वे प्रोटॉन या न्यूट्रॉन की तरह परमाणुओं को उतनी ज़ोर से नहीं तोड़तीं। इसके बजाय, वे मुख्य रूप से सैंडविच की "त्वचा" यानी ऑक्साइड परतों और इंटरफेस के साथ छेड़छाड़ करती हैं।

आश्चर्यजनक रूप से, "लीकेज करंट" (अनचाही बिजली) में बहुत कम बदलाव आया। सैंडविच पहले की तरह ही टाइट रहा। लेकिन जिस तरह से इसने वोल्टेज को संभाला, उसमें बदलाव आया। LGAD सेंसरों (जिनमें सीक्रेट सॉस है) के लिए, कैपेसिटेंस पूरे वोल्टेज रेंज में लगभग सपाट हो गया, जिससे पता चला कि "सीक्रेट सॉस" की परत ने अपनी ताकत खो दी (प्रभावी डोपिंग सांद्रता कम हो गई)। साधारण PN डायोड के लिए, वोल्टेज बढ़ने के साथ कैपेसिटेंस बहुत तेज़ी से गिरा, लेकिन पूरी तरह से डिप्लीट होने के बाद यह उसी 16.8 pF पर स्थिर हो गया।

वैज्ञानिकों ने फॉरवर्ड करंट के बारे में एक अजीब बात देखी: कुछ नमूनों ने अचानक बिजली प्रवाहित करने से इनकार कर दिया जब तक कि वोल्टेज एक निश्चित सीमा तक नहीं पहुँच गया, और फिर अचानक बढ़ गया। यह सुझाव देता है कि गामा किरणों ने पूरे सैंडविच को नुकसान पहुँचाने के बजाय सतह पर छोटे "ट्रैफिक जाम" या अवरुद्ध पथ बनाए।

निष्कर्ष

तो, मुख्य बात क्या है? यह 4H-SiC सैंडविच अविश्वसनीय रूप से मजबूत है।

प्रोटॉन एक न्यूट्रलाइजिंग एजेंट की तरह कार्य करते हैं, जो बीच की परत में विद्युत आवेश को इतनी अच्छी तरह से संतुलित करते हैं कि डिवाइस सममित (सिमेट्रिक) हो जाता है और उच्च खुराक पर कम लीकी होता है।
न्यूट्रॉन गहरे गोताखोर हैं, जो इतने प्रभावी ढंग से छेद बनाते हैं कि डिटेक्शन ज़ोन 50 µm से बढ़कर 350 µm तक फैल जाता है, फिर भी सामग्री अपना नियंत्रण बनाए रखती है।
गामा किरणें मुख्य रूप से सतह के साथ खेलती हैं, जिससे डिवाइस के विद्युत व्यवहार में बदलाव आता है बिना किसी बड़े रिसाव के।

पेपर यह सुझाव देता है कि जबकि रेडिएशन इन सेंसरों के आंतरिक "व्यक्तित्व" को बदल देता है, 4H-SiC उन चरम वातावरणों में जीवित रहने के लिए एक शीर्ष श्रेणी का उम्मीदवार बना हुआ है जहाँ अन्य सामग्रियां हार मान लेंगी। यह कोई जादुई ढाल नहीं है जो सभी नुकसानों को रोक दे, लेकिन यह एक उल्लेखनीय रूप से लचीला कवच है जो कठिन समय में भी काम करता रहता है।

तकनीकी सारांश: 4H-SiC डायोड और LGAD सेंसर के विद्युत गुणों पर प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और गामा कणों के विकिरण के प्रभाव

समस्या विवरण
सिलिकॉन कार्बाइड (4H-SiC) एक वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर है जिसके अंतर्निहित गुण—जैसे कि उच्च विस्थापन थ्रेशोल्ड ऊर्जा (displacement threshold energy), एक बड़ा क्रिटिकल इलेक्ट्रिक फील्ड, और निम्न अंतर्निहित वाहक सांद्रता (low intrinsic carrier concentration)—इसे रेडिएशन-हार्ड डिटेक्टर अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक बनाते हैं। हालांकि 4H-SiC लो-गेन एवलांच डिटेक्टर्स (LGADs) ने आंतरिक गेन और आशाजनक प्रदर्शन प्रदर्शित किया है, लेकिन अत्यधिक विकिरण वातावरण में उनके व्यवहार के संबंध में व्यवस्थित अध्ययन सीमित रहे हैं। विशेष रूप से, उच्च हैड्रॉन फ्लुएंस (hadron fluences) और अत्यधिक न्यूट्रॉन विकिरण के प्रभाव में प्रभावी स्पेस चार्ज, क्षतिपूर्ति तंत्र (compensation mechanisms), और डिप्लेशन क्षेत्र के विकास को समझने की आवश्यकता है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में onsemi द्वारा 6-इंच वेफर्स पर निर्मित 4H-SiC P+-in-N (PN) डायोड और LGAD सेंसर (LGAD1 और LGAD2) का अन्वेषण किया गया। इन उपकरणों में एक अत्यधिक डोप्ड N-टाइप सबस्ट्रेट, एक उच्च-रेसिस्टिविटी N-टाइप एपिटैक्सियल लेयर (30–100 µm मोटी), और मल्टीप्लिकेशन तथा जंक्शन टर्मिनेशन के लिए विशिष्ट आयन-इम्प्लांटेड लेयर्स शामिल थीं।

नमूनों को तीन अलग-अलग विकिरण प्रकारों के अधीन किया गया:

प्रोटॉन विकिरण: CERN IRRAD पर 24 GeV/c प्रोटॉन का उपयोग करके किया गया, जिसमें $1 \times 10^{16}$ प्रोटॉन/cm² तक के फ्लुएंस को लक्षित किया गया।
न्यूट्रॉन विकिरण: Jožéf Stefan Institute में TRIGA Mark II रिएक्टर का उपयोग करके किया गया, जिसमें $1.0 \times 10^{18}$ 1 MeV neq/cm² तक के फ्लुएंस को लक्षित किया गया।
गामा विकिरण: UJP PRAHA a.s. में $^{60}$ Co स्रोत का उपयोग करके किया गया, जो 300 kGy तक की कुल आयनकारी खुराक (TID) प्रदान करता है।

विकिरण के पश्चात, रूम टेम्परेचर ( $+20^\circ$ C) पर करंट-वोल्टेज (IV) और कैपेसिटेंस-वोल्टेज (CV) मापन का उपयोग करके इलेक्ट्रिकल कैरेक्टराइजेशन किया गया। बल्क कैपेसिटेंस को 20 kHz, 1.0 V AC सिग्नल के साथ एक सीरीज़ कॉन्फ़िगरेशन (CSRS) का उपयोग करके मापा गया। परीक्षण से पहले अनचाहे एनीलिंग (annealing) को कम करने के लिए नमूनों को $-20^\circ$ C से नीचे के तापमान पर संग्रहित किया गया (या न्यूट्रॉन के लिए क्षय होने दिया गया)।

मुख्य परिणाम

प्रोटॉन विकिरण:
- लीकेज करंट: कम फ्लुएंस पर, लीकेज करंट का व्यवहार अन-इरेडिएटेड (unirradiated) उपकरणों के समान था। हालांकि, $1 \times 10^{14}$ प्रोटॉन/cm² से अधिक फ्लुएंस के लिए, रिवर्स लीकेज करंट काफी कम हो गया। IV लक्षण वोल्टेज पोलरिटी के संबंध में लगभग सममित (symmetric) हो गए।
- कैपेसिटेंस: उच्च फ्लुएंस पर बल्क कैपेसिटेंस वोल्टेज के प्रति लगभग स्वतंत्र हो गया, जो पूरी तरह से डिप्लीटेड एपिटैक्सियल लेयर की ज्यामितीय कैपेसिटेंस (~15.4 pF) के पास स्थिर हो गया।
- व्याख्या: ये परिवर्तन मूल रूप से N-टाइप सामग्री के गहरे एक्सेप्टर-लाइक डिफेक्ट्स (जैसे Z1/2 और EH6/7 सेंटर्स) द्वारा विकिरण-प्रेरित मजबूत क्षतिपूर्ति (compensation) को दर्शाते हैं, जिससे प्रभावी मुक्त वाहक सांद्रता में कमी आती है और एपिटैक्सियल लेयर में एक समान इलेक्ट्रिक फील्ड वितरण होता है।
न्यूट्रॉन विकिरण:
- लीकेज करंट: लीकेज करंट फ्लुएंस के साथ व्यवस्थित रूप से बढ़ा, जो $1.0 \times 10^{18}$ neq/cm² पर ~10 nA तक पहुँच गया।
- कैपेसिटेंस: जबकि कम फ्लुएंस ( $2.3 \times 10^{17}$ neq/cm²) ने प्रोटॉन विकिरण के समान व्यवहार दिखाया, अत्यधिक फ्लुएंस ( $5.2 \times 10^{17}$ और $1.0 \times 10^{18}$ neq/cm²) के कारण बल्क कैपेसिटेंस में ~2.2 pF तक भारी गिरावट आई।
- व्याख्या: यह कैपेसिटेंस में कमी लगभग 350 µm की प्रभावी डिप्लेशन गहराई के अनुरूप है, जो नाममात्र 50 µm एपिटैक्सियल मोटाई से कहीं अधिक है। यह संकेत देता है कि डिप्लेशन क्षेत्र अत्यधिक डोप्ड सबस्ट्रेट ( $10^{19}$ cm $^{-3}$ ) में गहराई तक प्रवेश कर गया है, जो सबस्ट्रेट में स्पेस चार्ज घनत्व के $10^{12}$ – $10^{13}$ cm $^{-3}$ के प्रभावी स्तर तक महत्वपूर्ण विकिरण-प्रेरित संशोधन का सुझाव देता है। देखा गया लीकेज करंट सरल बल्क थर्मल जनरेशन के बजाय विस्तारित डिप्लेशन वॉल्यूम और फील्ड-एनहैंस्ड एवं सतह-संबंधित जनरेशन तंत्रों के कारण है।
गामा विकिरण:
- लीकेज करंट: रिवर्स लीकेज करंट 300 kGy पर भी अन-इरेडिएटेड उपकरणों के सांख्यिकीय रूप से तुलनीय बना रहा।
- कैपेसिटेंस: केवल उच्चतम खुराक (300 kGy) पर महत्वपूर्ण संशोधन देखे गए। PN डायोड के लिए, वोल्टेज के साथ कैपेसिटेंस में कमी अधिक तीव्र हो गई। LGADs के लिए, कैपेसिटेंस रिवर्स बायस रेंज में लगभग स्थिर (~17 pF) रहा।
- व्याख्या: गामा विकिरण मुख्य रूप से आयनीकरण-संबंधी तंत्रों (जैसे ऑक्साइड/इंटरफेस में चार्ज ट्रैप) के माध्यम से एपिटैक्सियल और मल्टीप्लिकेशन लेयर्स में प्रभावी डोपिंग सांद्रता को प्रभावित करता है, बिना डिप्लेशन गहराई या लीकेज करंट को महत्वपूर्ण रूप से बदले।

महत्व और निष्कर्ष
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि 4H-SiC उपकरण असाधारण रेडिएशन हार्डनेस प्रदर्शित करते हैं, लेकिन क्षति की प्रकृति विकिरण के प्रकार पर अत्यधिक निर्भर करती है।

प्रोटॉन मुख्य रूप से एपिटैक्सियल लेयर के भीतर क्षतिपूर्ति (compensation) प्रेरित करते हैं, जिससे प्रभावी स्पेस चार्ज संशोधित होता है और उच्च फ्लुएंस पर लीकेज करंट कम हो जाता है।
न्यूट्रॉन एक गुणात्मक परिवर्तन लाते हैं, जो स्पेस चार्ज के मजबूत संशोधन के कारण सबस्ट्रेट में डिप्लेशन क्षेत्र को नाटकीय रूप से विस्तारित करते हैं, जिससे लीकेज में योगदान देने वाला सक्रिय वॉल्यूम बढ़ जाता है।
गामा किरणें मुख्य रूप से आयनीकरण क्षति के माध्यम से प्रभावी डोपिंग और इलेक्ट्रिक फील्ड वितरण को प्रभावित करती हैं, जिनका लीकेज करंट पर न्यूनतम प्रभाव पड़ता है।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि जबकि उच्च हैड्रॉन फ्लुएंस पर विकिरण-प्रेरित क्षतिपूर्ति 4H-SiC में प्रभावी स्पेस चार्ज को दृढ़ता से संशोधित करती है, लीकेज करंट विस्तारित डिप्लेशन वॉल्यूम और फील्ड-एनहैंस्ड जनरेशन तंत्रों के संयोजन द्वारा नियंत्रित होता है। ये निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि 4H-SiC PN और LGAD सेंसर अत्यधिक विकिरण वातावरण में संचालन के लिए सक्षम हैं, बशर्ते कि न्यूट्रॉन-प्रेरित डिप्लेशन विस्तार और आयनीकरण-प्रेरित डोपिंग कमी के विशिष्ट प्रभावों को ध्यान में रखा जाए।

प्रोटॉन ब्लास्ट: एक महान संतुलन कार्य

न्यूट्रॉन स्टॉर्म: गहरी डुबकी

गामा रे शावर: सतह का खरोंच

निष्कर्ष

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