Impact of Surface Treatment on Noise in PL-Measurements of Silicon Vacancies in 4H-SiC Lateral pin-Diodes

Sintesi Tecnica: Impatto del Trattamento di Superficie sul Rumore nelle Misurazioni di Fotoluminescenza (PL) delle Vacanze di Silicio in Diodi pin Laterali in 4H-SiC

Enunciato del Problema
Le vacanze di silicio (VSi) nel 4H-SiC sono candidati promettenti per le tecnologie quantistiche grazie ai loro lunghi tempi di coerenza di spin e alla compatibilità con la lavorazione dei semiconduttori matura. Tuttavia, l'integrazione di questi centri di colore in strutture di dispositivi laterali complesse, come diodi pin o guide d'onda nanofotoniche, richiede flussi di fabbricazione estesi che coinvolgono centinaia di passaggi di processo. La lavorazione convenzionale compatibile con il CMOS, in particolare l'incisione a secco e la deposizione basata su plasma, introduce un rumore significativo nella fotoluminescenza (PL). Questo rumore origina da difetti otticamente attivi generati nel cristallo vicino alla superficie o alle interfacce degli strati. Questa luminescenza di fondo spesso offusca l'emissione intrinseca delle VSi, specialmente per gli emettitori vicini alla superficie, e degrada la risoluzione spettrale allargando le larghezze di linea della fotoluminescenza eccitata risonante (PLE). Di conseguenza, ciò riduce i tempi di coerenza, i tempi di rilassamento e la sensibilità complessiva delle misurazioni, ponendo un ostacolo grave per le applicazioni di sensing e calcolo quantistico ad alta precisione che si basano sull'eccitazione fuori risonanza.

Metodologia
Lo studio adotta un approccio sistematico per quantificare l'impatto dei singoli passaggi di processo sul rumore PL e per ottimizzare le strategie di passivazione della superficie.

• Preparazione dei Campioni: Gli esperimenti hanno utilizzato chip da 5 mm × 5 mm provenienti da un singolo wafer di 4H-SiC con uno strato epitassiale di tipo n spesso 10 µm per garantire l'uniformità del materiale. I campioni hanno subito varie modifiche superficiali, inclusi diversi tecniche di deposizione per la passivazione (plasma-enhanced vs. termica), trattamenti superficiali (immersione in HF, acido di Caro) e processi di incisione.
• Caratterizzazione:
  • PL Confocale: È stato utilizzato un setup commerciale SQUTEC con un laser a 730 nm (0,25 mW) e un obiettivo 100x (NA=0,9) per l'eccitazione fuori risonanza a temperatura ambiente. Profili PL risolti in profondità sono stati registrati per distinguere il rumore superficiale/di interfaccia dall'emissione di volume.
  • Analisi Statistica: Le distribuzioni di intensità PL entro ±100 nm dalla superficie sono state estratte e visualizzate utilizzando grafici a violino per confrontare i livelli di fondo tra diverse condizioni di processo.
  • Ispezione in Linea: Uno strumento automatizzato di ispezione superficiale su misura (Intego) ha eseguito la mappatura PL dell'intero wafer prima e dopo i passaggi critici (ad esempio, implantazione ionica, ricottura) per monitorare le modifiche indotte dal processo in modo non distruttivo.
  • Fabbricazione del Dispositivo: Diodi pin laterali sono stati fabbricati su wafer di piano c e piano a utilizzando un processo compatibile con il CMOS. Sono stati testati tre progetti: un riferimento con stack di passivazione completi, uno con superfici di SiC incise a secco e uno con una "finestra ottica" dove gli strati sono stati incisi selettivamente fino a un ossido cresciuto termicamente.
• Generazione di Difetti: I centri di colore sono stati generati tramite irradiazione elettronica (10 MeV, efficace 4,5 MeV) seguita da ricottura sotto vuoto a 600 °C.

Contributi Chiave e Risultati

1. Identificazione delle Fonti di Rumore: Lo studio dimostra che i processi basati su plasma (CCP PECVD, RIE) degradano significativamente la qualità della superficie, aumentando la PL di fondo di fattori da 4 a 8 rispetto alle superfici nude a causa di danni indotti da ioni. Al contrario, gli ossidi cresciuti termicamente e gli strati di deposizione chimica da vapore a bassa pressione (LPCVD) mostrano un rumore di fondo minimo.
2. Ottimizzazione della Passivazione:
   • Ossidazione Termica: Il SiO2 cresciuto termicamente, in particolare quando seguito da ricottura in monossido di azoto (NO), fornisce la PL di fondo più bassa (<0,5 kcounts/s) e rimane stabile durante la successiva ricottura a 600 °C richiesta per l'attivazione dei centri di colore.
   • Strategia di Incisione: Sebbene l'incisione ionica reattiva (RIE) causi gravi danni superficiali, la combinazione di RIE seguita da incisione a strato atomico (ALE) rimuove completamente il danno indotto, ripristinando la qualità della superficie a livelli comparabili ai processi basati solo su ALE.
   • Stabilità della Ricottura: I film depositati al plasma (ossidi Al/Hf PEALD) e le superfici non passivate degradano significativamente sotto ricottura a 600 °C, mentre gli ossidi cresciuti termicamente mantengono bassi livelli di rumore.
3. Integrazione del Dispositivo e Prestazioni:
   • Progetto della Finestra Ottica: I diodi pin laterali dotati di una finestra ottica incisa fino allo strato di ossido cresciuto termicamente hanno eliminato con successo la PL parassita dallo stack di passivazione.
   • Rapporto Segnale-Rumore (SNR): Questi dispositivi ottimizzati hanno raggiunto un SNR di 15 per emettitori vicini alla superficie e fino a 50 per emettitori più profondi su entrambi i wafer di piano c e piano a.
   • Verifica dell'Emettitore Singolo: Le misurazioni di autocorrelazione di intensità del secondo ordine ($g^{(2)}$) hanno confermato il comportamento di emettitore singolo con un picco inferiore a 0,5. Il livello di rumore all'interno della finestra ottica era sufficientemente basso da risolvere chiaramente il picco, mentre le misurazioni esterne alla finestra mostravano picchi degradati a causa del rumore di fondo.
   • Proprietà Elettriche: I dispositivi hanno mantenuto caratteristiche elettriche ideali, bloccando fino a 150 V con correnti di dispersione inferiori a 10 pA/µm. L'irradiazione elettronica e la successiva ricottura hanno avuto un impatto trascurabile sulle caratteristiche I-V, garantendo che i miglioramenti ottici non compromettessero le prestazioni elettriche.

Significato
Il documento stabilisce che la minimizzazione del rumore di fondo PL è critica per l'applicazione pratica delle VSi nel 4H-SiC per le tecnologie quantistiche. Identificando i passaggi di processo specifici che generano difetti otticamente attivi e dimostrando strategie di mitigazione efficaci, in particolare l'uso di ossidi cresciuti termicamente con ricottura NO e finitura ALE, il lavoro consente l'integrazione di centri di colore di alta qualità in dispositivi semiconduttori laterali complessi. La fabbricazione riuscita di diodi pin laterali con alto SNR e eccellenti capacità di blocco elettrico fornisce una via praticabile per piattaforme di sensing e calcolo quantistico scalabili che richiedono sintonizzazione dello spostamento Stark ed eccitazione risonante. Lo studio convalida inoltre la mappatura PL in linea come strumento rapido e non distruttivo per l'ottimizzazione del processo e il monitoraggio dei difetti nella produzione di dispositivi quantistici.