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

Questo studio dimostra che l'irraggiamento con protoni, neutroni e raggi gamma altera significativamente le proprietà elettriche dei diodi 4H-SiC e degli LGAD inducendo difetti profondi che compensano il materiale massivo e modificano le concentrazioni di drogaggio effettive, cambiando così i comportamenti di corrente di perdita e capacità ad alte fluenze.

Autori originali: 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

Pubblicato 2026-07-14

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CC BY 4.0

Autori originali: 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)

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Immagina di avere un sandwich super-resistente e ultra-sottile fatto di un materiale speciale chiamato 4H-SiC. Non è il tuo solito pranzo; è un sandwich a semiconduttore progettato per agire come un rilevatore di particelle invisibili. Gli scienziati della Repubblica Ceca e di onsemi hanno deciso di vedere cosa succede se si colpisce questo sandwich con tre diversi tipi di "proiettili" cosmici: protoni ad alta velocità, neutroni da reattore e raggi gamma.

Pensa agli strati del sandwich così: un pane inferiore (il substrato) spesso e super-forte, uno strato centrale di pane soffice (lo strato epitassiale) e uno strato di salsa segreta speciale (lo strato di moltiplicazione) che aiuta ad amplificare i segnali minuscoli. L'obiettivo era vedere se questo sandwich sarebbe sopravvissuto a un inverno nucleare e se avrebbe ancora un buon sapore (o meglio, se avrebbe ancora funzionato come sensore).

Il bombardamento di protoni: Il grande gioco dell'equilibrio

Per prima cosa, hanno colpito i sandwich con protoni da 24 GeV/c (pensa a loro come a delle palline da ping-pong minuscole e incredibilmente veloci). Fino a un certo punto, il sandwich ha retto bene. Ma una volta colpito un flusso di 1 × 10¹⁴ protoni/cm², è successo qualcosa di strano.

Di solito, quando colpisci un materiale con le radiazioni, questo diventa "poroso", come un secchio con un buco. Ma qui è successo l'opposto. Man mano che il bombardamento di protoni diventava più pesante (fino a 1 × 10¹⁶ protoni/cm²), la "perdita" iniziava effettivamente a rimpicciolirsi. Gli scienziati suggeriscono che questo accade perché i protoni hanno creato dei "buchi" profondi e invisibili nella struttura del materiale che hanno agito come spugne, assorbendo la carica elettrica in eccesso. È come se i protoni avessero accidentalmente aggiunto un peso di bilanciamento che ha neutralizzato la naturale personalità elettrica del sandwich.

A causa di questo "effetto spugna", il sandwich ha smesso di comportarsi come una valvola monodirezionale (un diodo) e ha iniziato ad agire quasi allo stesso modo sia che spingessi l'elettricità in avanti che all'indietro. Lo strato centrale di pane è diventato così perfettamente bilanciato che l'elettricità non si curava più di quale direzione seguisse. Gli scienziati hanno misurato questo fenomeno controllando la "capacità di bulk" (un modo per vedere quanta carica elettrica può contenere il sandwich), e hanno scoperto che è diventata piatta e costante, provando che lo strato centrale era stato efficacementmente neutralizzato.

La tempesta di neutroni: L'immersione profonda

Successivamente, hanno colpito i sandwich con neutroni da reattore. Questi sono i pesi massimi. A livelli bassi (2,3 × 10¹⁷ neq/cm²), il sandwich si è comportato in modo simile a quelli bombardati dai protoni. Ma quando hanno alzato la posta a livelli estremi (5,2 × 10¹⁷ e 1,0 × 10¹⁸ neq/cm²), le cose si sono fatte selvagge.

Normalmente, la "regione di svuotamento" (la parte del sandwich che è pronta a rilevare i segnali) è spessa circa 50 µm. Ma dopo il pesante bombardamento di neutroni, gli scienziati hanno misurato una regione di svuotamento che si estendeva fino a circa 350 µm. Sette volte più profonda dello strato di pane!

Questo suggerisce che i neutroni non hanno solo messo scompiglio nello strato centrale; sono penetrati profondamente nel pane inferiore (il substrato), che era originariamente carico elettricamente. Le radiazioni hanno effettivamente trasformato questo strato inferiore super-carico in qualcosa di quasi vuoto, permettendo alla zona di rilevamento di espandersi ben oltre i suoi confini previsti. Gli scienziati hanno misurato la capacità scendere a soli 2,2 pF, che è l'impronta digitale matematica di questa massiccia espansione.

Tuttove, anche se la "zona attiva" è diventata enorme, la quantità di elettricità che filtrava non è aumentata drasticamente quanto ci si aspetterebbe. Gli scienziati suggeriscono che, sebbene il volume sia maggiore, il materiale 4H-SiC è così naturalmente resistente (con un enorme bandgap) che non genera molti elettroni vaganti da solo. La corrente extra che hanno visto probabilmente proviene dai bordi del sandwich o da campi elettrici che estraggono elettroni, piuttosto che dall'intero volume che semplicemente si scioglie.

La pioggia di raggi gamma: L'abrasione superficiale

Infine, hanno immerso i sandwich in raggi gamma provenienti da una sorgente di ⁶⁰Co, somministrando dosi fino a 300 kGy. I raggi gamma sono diversi; non frantumano gli atomi con la stessa forza dei protoni o dei neutroni. Invece, disturbano principalmente la "pelle" del sandwich — gli strati di ossido e le interfacce.

Sorprendentemente, la "corrente di fuga" (l'elettricità indesiderata) è cambiata appena. Il sandwich è rimasto serrato come prima. Ma il modo in cui gestiva la tensione è cambiato. Per i sensori LGAD (quelli con la salsa segreta), la capacità è diventata quasi piatta su tutto l'intervallo di tensione, suggerendo che lo strato della "salsa segreta" ha perso parte del suo vigore (la concentrazione di drogaggio efficace è diminuita). Per i diodi PN semplici, la capacità è scesa molto più velocemente all'aumentare della tensione, ma si è comunque stabilizzata allo stesso valore di 16,8 pF una volta completamente svuotata.

Gli scienziati hanno notato qualcosa di strano nella corrente diretta: alcuni campioni improvvisamente si sono rifiutati di condurre elettricità finché la tensione non ha raggiunto una certa soglia, per poi schizzare verso l'alto. Questo suggerisce che i raggi gamma hanno creato piccoli "ingorghi" o blocchi stradali sulla superficie, piuttosto che danneggiare l'intero sandwich.

Il verdetto

Quindi, qual è il punto? Questo sandwich 4H-SiC è incredibilmente resistente.

I protoni agiscono come un agente neutralizzante, bilanciando la carica elettrica nello strato centrale così bene che il dispositivo diventa simmetrico e meno incline alle perdite ad alte dosi.
I neutroni sono gli esperti dell'immersione profonda, aprendo buchi in modo così efficace che la zona di rilevamento si espande dai 50 µm fino a raggiungere i 350 µm nel substrato, eppure il materiale mantiene la sua posizione.
I raggi gamma giocano principalmente con la superficie, cambiando il modo in cui il dispositivo si comporta elettricamente senza causare una perdita massiccia.

Il documento suggerisce che, sebbene le radiazioni cambino la "personalità" interna di questi sensori, il 4H-SiC rimane un candidato di prim'ordine per sopravvivere in ambienti estremi dove altri materiali si arrenderebbero. Non è uno scudo magico che impedisce ogni danno, ma è un materiale straordinariamente resiliente che continua a funzionare anche quando le cose si fanno difficili.

Sintesi Tecnica: Effetti dell'irraggiamento da protoni, neutroni e particelle gamma sulle proprietà elettriche di diodi 4H-SiC e sensori LGAD

Definizione del Problema
Il carburo di silicio (4H-SiC) è un semiconduttore a banda proibita larga con proprietà intrinseche — quali un'elevata energia di soglia di spostamento, un grande campo elettrico critico e una bassa concentrazione intrinseca di portatori — che lo rendono attraente per applicazioni di rilevamento resistenti alle radiazioni. Sebbene i rilevatori LGAD in 4H-SiC abbiano dimostrato un guadagno interno e prestazioni promettenti, gli studi sistematici riguardanti il loro comportamento in ambienti di radiazione estremi rimangono limitati. Nello specifico, vi è la necessità di comprendere come le alte fluenze di adroni e l'irraggiamento neutronico estremo influenzino la carica spaziale effettiva, i meccanismi di compensazione e l'evoluzione della regione di svuotamento nei dispositivi 4H-SiC.

Metodologia
Lo studio ha investigato diodi 4H-SiC P+-in-N (PN) e sensori LGAD (LGAD1 e LGAD2) fabbricati da onsemi su wafer da 6 pollici. I dispositivi presentavano un substrato di tipo N altamente drogato, uno strato epitassiale di tipo N ad alta resistività (spessore 30–100 µm) e strati specifici drogati per ionizzazione per la moltiplicazione e la terminazione della giunzione.

I campioni sono stati sottoposti a tre distinti tipi di irraggiamento:

Irraggiamento da Protoni: Effettuato presso il CERN IRRAD con protoni da 24 GeV/c, mirando a fluenze fino a $1 \times 10^{16}$ protoni/cm².
Irraggiamento da Neutroni: Condotto presso il reattore TRIGA Mark II (Istituto Jožef Stefan) utilizzando neutroni da reattore, mirando a fluenze fino a $1,0 \times 10^{18}$ 1 MeV neq/cm².
Irraggiamento da Gamma: Effettuato tramite una sorgente di $^{60}$ Co presso UJP PRAHA a.s., consegnando dosi ionizzanti totali (TID) fino a 300 kGy.

Post-irraggiamento, la caratterizzazione elettrica è stata eseguita a temperatura ambiente ( $+20^\circ$ C) mediante misurazioni di Corrente-Tensione (IV) e Capacità-Tensione (CV). La capacità di bulk è stata misurata utilizzando una configurazione in serie (CSRS) con un segnale AC di 20 kHz e 1,0 V. I campioni sono stati conservati a temperature inferiori a $-20^\circ$ C (o lasciati decadere per i neutroni) per minimizzare l'annealing involontario prima dei test.

Risultati Chiave

Irraggiamento da Protoni:
- Corrente di Perdita: Alle basse fluenze, il comportamento della corrente di perdita era simile ai dispositivi non irradiati. Tuttavia, per fluenze superiori a $1 \times 10^{14}$ protoni/cm², la corrente di perdita inversa è diminuita significativamente. Le caratteristiche IV sono diventate quasi simmetriche rispetto alla polarità di tensione.
- Capacità: La capacità di bulk è diventata quasi indipendente dalla tensione di bias ad alte fluenze, stabilizzandosi vicino alla capacità geometrica dello strato epitassiale completamente svuotato (~15,4 pF).
- Interpretazione: Questi cambiamenti indicano una forte compensazione indotta dalle radiazioni del materiale originariamente di tipo N da parte di difetti profondi di tipo accettore (ad esempio, centri Z1/2 ed EH6/7), portando a una riduzione della concentrazione effettiva di portatori liberi e a una distribuzione uniforme del campo elettrico attraverso lo strato epitassiale.
Irraggiamento da Neutroni:
- Corrente di Perdita: La corrente di perdita è aumentata sistematicamente con la fluenza, raggiungendo ~10 nA a $1,0 \times 10^{18}$ neq/cm².
- Capacità: Mentre le fluenze inferiori ( $2,3 \times 10^{17}$ neq/cm²) mostravano un comportamento simile all'irraggiamento da protoni, le fluenze estreme ( $5,2 \times 10^{17}$ e $1,0 \times 10^{18}$ neq/cm²) hanno causato un drastico calo della capacità di bulk a ~2,2 pF.
- Interpretazione: Questa riduzione della capacità corrisponde a una profondità di svuotamento effettiva di circa 350 µm, che supera di gran lunga lo spessore epitassiale nominale di 50 µm. Ciò implica che la regione di svuotamento penetra profondamente nel substrato altamente drogato ( $10^{19}$ cm $^{-3}$ ), suggerendo una sostanziale modifica della densità di carica spaziale nel substrato a un livello effettivo di $10^{12}$ – $10^{13}$ cm $^{-3}$ . La corrente di perdita osservata è attribuita al volume di svuotamento ampliato combinato con meccanismi di generazione potenziati dal campo e legati alla superficie, piuttosto che alla semplice generazione termica di bulk.
Irraggiamento da Gamma:
- Corrente di Perdita: La corrente di perdita inversa è rimasta statisticamente comparabile ai dispositivi non irradiati anche a 300 kGy.
- Capacità: Modifiche significative sono state osservate solo alla dose più alta (300 kGy). Per i diodi PN, la diminuzione della capacità con il bias è diventata più ripida. Per gli LGAD, la capacità è diventata quasi costante nell'intervallo di reverse bias (~17 pF).
- Interpretazione: L'irraggiamento gamma influenza principalmente la concentrazione di drogaggio effettiva negli strati epitassiali e di moltiplicazione attraverso meccanismi correlati all'ionizzazione (ad esempio, trappole di carica in ossidi/interfacce) senza alterare significativamente la profondità di svuotamento o la corrente di perdita.

Significato e Conclusioni
Il documento dimostra che i dispositivi 4H-SiC esibiscono un'eccezionale resistenza alle radiazioni, ma la natura del danno dipende fortemente dal tipo di radiazione.

I protoni inducono principalmente la compensazione all'interno dello strato epitassiale, modificando la carica spaziale effettiva e riducendo la corrente di perdita ad alte fluenze.
I neutroni causano un cambiamento qualitativo espandendo drasticamente la regione di svuotamento nel substrato a causa di una forte modifica della carica spaziale, aumentando significativamente il volume attivo che contribuisce alla corrente di perdita.
I raggi gamma influenzano prevalentemente il drogaggio effettivo e la distribuzione del campo elettrico tramite danni da ionizzazione, con un impatto minimo sulla corrente di perdita.

Gli autori concludono che, sebbene la compensazione indotta dalle radiazioni modifichi fortemente la carica spaziale effettiva nel 4H-SiC ad alte fluenze di adroni, la corrente di perdita è governata da una combinazione di volume di svuotamento ampliato e meccanismi di generazione potenziati dal campo. Questi risultati confermano il potenziale dei sensori PN e LGAD in 4H-SiC per l'operatività in ambienti di radiazione estremi, a condizione che vengano considerati gli effetti specifici dell'espansione dello svuotamento indotta dai neutroni e della riduzione del drogaggio indotta dall'ionizzazione.

Il bombardamento di protoni: Il grande gioco dell'equilibrio

La tempesta di neutroni: L'immersione profonda

La pioggia di raggi gamma: L'abrasione superficiale

Il verdetto

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