🔬 physics

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

Deze studie toont aan dat bestraling met protonen, neutronen en gammastraling de elektrische eigenschappen van 4H-SiC-diodes en LGADs significant verandert door diepe defecten te induceren die het bulkmateriaal compenseren en effectieve dopingconcentraties modificeren, waardoor de lekstroom- en capaciteitsgedragingen bij hoge fluenties veranderen.

Oorspronkelijke auteurs: 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

Gepubliceerd 2026-07-14

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: 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)

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Stel je voor dat je een supersterk, ultradun broodje hebt gemaakt van een speciaal materiaal genaamd 4H-SiC. Dit is niet je gemiddelde lunch; dit is een halfgeleidend broodje ontworpen om te fungeren als een detector voor onzichtbare deeltjes. Wetenschappers uit Tsjechië en onsemi wilden zien wat er gebeurt als ze dit broodje bestoken met drie verschillende soorten kosmische "kogels": hogesnelheidsprotonen, reactornewtronen en gammastraling.

Denk aan de lagen van het broodje als volgt: een dikke, supersterke onderste broodjeshelft (het substraat), een luchtige middelste laag brood (de epitaxiale laag), en een speciale geheime sauslaag (de multiplicatielaag) die helpt om kleine signalen te versterken. Het doel was om te zien of dit broodje een nucleaire winter zou overleven en nog steeds goed zou smaken (of beter gezegd: nog steeds zou werken als sensor).

De Protonenbestorming: De Grote Balansact

Eerst beschoten ze de broodjes met 24 GeV/c protonen (denk aan deze als piepkleine, ongelooflijk snelle pingpongballen). Tot op een bepa zeker punt hield het broodje het goed vol. Maar zodra ze een fluëntie bereikten van 1 × 10¹⁴ protonen/cm², gebeurde er iets vreemds.

Normaal gesproken wordt een materiaal "lek" wanneer je het bestookt met straling, zoals een emmer met een gat erin. Maar hier gebeurde het tegenovergestelde. Naarmate de protonenbestorming zwaarder werd (tot 1 × 10¹⁶ protonen/cm²), begon de "lek" zelfs kleiner te worden. De wetenschappers suggereren dat dit komt doordat de protonen diepe, onzichtbare "gaten" in de structuur van het materiaal creëerden die fungeerden als sponsjes, die de extra elektrische lading opzogen. Het is alsof de protonen per ongeluk een evenwichtsgewicht toevoegden dat de natuurlijke elektrische persoonlijkheid van het broodje neutraliseerde.

Vanwege dit "sponseffect" stopte het broodje met het functioneren als een eenrichtingsventiel (een diode) en begon het bijna hetzelfde te reageren of je de elektriciteit nu vooruit of achteruit duwde. De middelste laag brood werd zo perfect in balans dat de elektriciteit er niet meer om gaf welke kant het op stroomde. De wetenschappers maten dit door te controleren hoe de "bulkcapaciteit" (een manier om te zien hoeveel elektrische lading het broodje kan vasthouden) zich gedroeg, en ze vonden dat deze vlak en stabiel werd, wat bewees dat de middelste laag effectief geneutraliseerd was.

De Neutronenstorm: De Diepe Duik

Vervolgens bestookten ze de broodjes met reactornewtronen. Dit zijn de zware jongens. Bij lagere niveaus (2,3 × 10¹⁷ neq/cm²) gedroeg het broodje zich vergelijkbaar met de met protonen bestoken broodjes. Maar toen ze de extreme niveaus opzochten (5,2 × 10¹⁷ en 1,0 × 10¹⁸ neq/cm²), werd het wild.

Normaal gesproken is de "depletiezone" (het deel van het broodje dat klaar is om signalen te detecteren) ongeveer 50 µm dik. Maar na de zware neutronenbestorming maten de wetenschappers een depletiezone die uitstrekte tot wel 350 µm. Dat is zeven keer dieper dan de broodlaag!

Dit suggereert dat de neutronen niet alleen de middelste laag hebben aangetast, maar ook diep in de onderste broodjeshelft (het substraat) zijn doorgedrongen, die oorspronkelijk vol zat met elektrische lading. De straling heeft de effectieve werking van deze supergeladen onderste laag bijna leeg gemaakt, waardoor de detectiezone zich ver buiten zijn beoogde grenzen kon uitbreiden. De wetenschappers maten de capaciteit die daalde naar slechts 2,2 pF, wat de wiskundige vingerafdruk is van deze enorme expansie.

Hoewel de "actieve zone" echter enorm werd, nam de hoeveelheid elektriciteit die erdoorheen lekte niet zo spectaculair toe als men zou verwachten. De wetenschappers suggereren dat hoewel het volume groter is, het 4H-SiC-materiaal gewoon zo natuurlijk taai is (met een enorme bandgap) dat het zelf niet veel overtollige elektronen genereert. De extra stroom die ze wel zagen, komt waarschijnlijk van de randen van het broodje of van elektrische velden die elektronen eruit trekken, in plaats van dat het hele volume simpelweg instort.

De Gamma-straalshower: De Oppervlakteschade

Ten slotte baadden ze de broodjes in gammastraling van een ⁶⁰Co-bron, met doses tot 300 kGy. Gammastraling is anders; het sloopt atomen niet zo hard als protonen of neutronen. In plaats daarvan verstoort het vooral de "huid" van het broodje — de oxidelagen en de interfaces.

Verrassend genoeg veranderde de "lekstroom" (de ongewenste elektriciteit) nauwelijks. Het broodje bleef net zo compact als voorheen. Maar de manier waarop het met spanning omging, veranderde wel. Voor de LGAD-sensoren (de exemplaren met de geheime saus) werd de capaciteit bijna vlak over het hele spanningsbereik, wat suggereert dat de "geheime saus"-laag wat van zijn kracht verloor (de effectieve dopingconcentratie daalde). Voor de gewone PN-diodes daalde de capaciteit veel sneller naarmende van de spanning, maar het stabiliseerde zich nog steeds op dezelfde 16,8 pF zodra het volledig gedepleteerd was.

De wetenschappers merkten iets vreemds op bij de voorwaartse stroom: sommige monsters weigerden plotseling elektriciteit te geleiden totdat de spanning een bepaalde drempel bereikte, waarna de stroom omhoog schoot. Dit suggereert dat de gammastraling kleine "files" of geblokkeerde paden aan het oppervlak heeft gecreëerd, in plaats van het hele broodje te beschadigen.

Het Eindoordeel

Dus, wat is de kern van het verhaal? Dit 4H-SiC-broodje is ongelooflijk taai.

Protonen werken als een neutraliserend middel, die de elektrische lading in de middelste laag zo goed in evenwicht brengen dat het apparaat symmetrisch en minder lek wordt bij hoge doses.
Neutronen zijn de diepe duikers, die zo effectief gaten boren dat de detectiezone zich uitbreidt van 50 µm tot wel 350 µm in het substraat, terwijl het materiaal toch standhoudt.
Gammastraling speelt vooral met het oppervlak, waardoor het elektrische gedrag van het apparaat verandert zonder een enorme lekkage te veroorzaken.

Het artikel suggereert dat hoewel straling de interne "persoonlijkheid" van deze sensoren verandert, 4H-SiC een topkandidaat blijft om extreme omgevingen te overleven waar andere materialen het zouden opgeven. Het is geen magisch schild dat alle schade tegenhoudt, maar het is een opmerkelijk veerkrachtig schild dat blijft functioneren wanneer het er echt hard aan gaat gaat.

Technische Samenvatting: Effecten van bestraling door protonen, neutronen en gamma-deeltjes op de elektrische eigenschappen van 4H-SiC-diodes en LGAD-sensoren

Probleemstelling
Siliconcarbide (4H-SiC) is een breed-bandgap halfgeleider met intrinsieke eigenschappen—zoals een hoge drempelenergie voor verplaatsing, een groot kritisch elektrisch veld en een lage intrinsieke ladingsdragerconcentratie—die het aantrekkelijk maken voor stralingsharde detectietoepassingen. Hoewel 4H-SiC Low-Gain Avalanche Detectors (LGADs) interne versterking en veelbelovende prestaties hebben aangetoond, blijven systematische studies naar hun gedrag onder extreme stralingsomgevingen beperkt. Specifiek is er een behoefte aan begrip van hoe hoge hadronenfluences en extreme neutronenbestraling de effectieve ruimtelading, compensatiemechanismen en de evolutie van de depletiezone in 4H-SiC-componenten beïnvloeden.

Methodologie
De studie onderzocht 4H-SiC P+-in-N (PN) diodes en LGAD-sensoren (LGAD1 en LGAD2) die zijn gefabriceerd door onsemi op 6-inch wafers. De componenten beschikten over een sterk gedoteerd N-type substraat, een hoog-resistieve N-type epitaxiale laag (30–100 µm dik) en specifieke ion-geïmplanteerde lagen voor multiplicatie en junctieterminatiering.

Monsters werden onderworpen aan drie verschillende typen bestraling:

Protonenbestraling: Uitgevoerd bij CERN IRRAD met 24 GeV/c protonen, gericht op fluences tot $1 \times 10^{16}$ protonen/cm².
Neutronenbestraling: Uitgevoerd in de TRIGA Mark II reactor (Jožef Stefan Instituut) met reactornewtronen, gericht op fluences tot $1,0 \times 10^{18}$ 1 MeV neq/cm².
Gamma-bestraling: Uitgevoerd met een $^{60}$ Co-bron bij UJP PRAHA a.s., waarbij totale ioniserende doses (TID) tot 300 kGy werden afgeleverd.

Na bestraling werd elektrische karakterisering uitgevoerd bij kamertemperatuur ( $+20^\circ$ C) met behulp van stroom-spanning (IV) en capaciteit-spanning (CV) metingen. Bulkcapaciteit werd gemeten met een serieconfiguratie (CSRS) met een 20 kHz, 1,0 V AC-signaal. Monsters werden bewaard bij temperaturen onder de $-20^\circ$ C (of de tijd gelaten om te vervallen voor neutronen) om onbedoelde annealing vóór het testen te minimaliseren.

Belangrijkste Resultaten

Protonenbestraling:
- Lekstroom: Bij lage fluences was het gedrag van de lekstroom vergelijkbaar met dat van onbestraalde componenten. Echter, voor fluences boven de $1 \times 10^{14}$ protonen/cm², nam de reverse lekstroom aanzienlijk af. De IV-karakteristieken werden bijna symmetrisch ten opzichte van de spanningspolariteit.
- Capaciteit: De bulkcapaciteit werd bijna onafhankelijk van de biasspanning bij hoge fluences, waarbij deze stabiliseerde nabij de geometrische capaciteit van de volledig gedepleteerde epitaxiale laag (~15,4 pF).
- Interpretatie: Deze veranderingen wijzen op sterke stralingsgeïnduceerde compensatie van het oorspronkelijk N-type materiaal door diepe acceptor-achtige defecten (bijv. Z1/2 en EH6/7 centra), wat leidt tot een reductie in de effectieve vrije ladingsdragerconcentratie en een uniforme elektrische veldverdeling over de epitaxiale laag.
Neutronenbestraling:
- Lekstroom: De lekstroom nam systematisch toe met de fluence, bereikend tot ~10 nA bij $1,0 \times 10^{18}$ neq/cm².
- Capaciteit: Terwijl lagere fluences ( $2,3 \times 10^{17}$ neq/cm²) gedrag vertoonden dat vergelijkbaar was met protonenbestraling, veroorzaakden extreme fluences ( $5,2 \times 10^{17}$ en $1,0 \times 10^{18}$ neq/cm²) een dramatische daling van de bulkcapaciteit naar ~2,2 pF.
- Interpretatie: Deze capaciteitsreductie komt overeen met een effectieve depletiediepte van ongeveer 350 µm, wat de nominale 50 µm epitaxiale dikte ver overstijgt. Dit impliceert dat de depletiezone diep doordringt in het sterk gedoteerde substraat ( $10^{19}$ cm $^{-3}$ ), wat duidt op een substantiële stralingsgeïnduceerde modificatie van de ruimteladingdichtheid in het substraat naar een effectief niveau van $10^{12}$ – $10^{13}$ cm $^{-3}$ . De geobserveerde lekstroom wordt toegeschreven aan het vergrote depletievolume gecombineerd met veldversterkte en oppervlak-gerelateerde generatiemechanismen, in plaats van eenvoudige bulkthermische generatie.
Gamma-bestraling:
- Lekstroom: De reverse lekstroom bleef statistisch vergelijkbaar met onbestraalde componenten, zelfs bij 300 kGy.
- Capaciteit: Significante modificaties werden alleen waargenomen bij de hoogste dosis (300 kGy). Voor PN-diodes werd de afname van de capaciteit met de bias steiler. Voor LGADs werd de capaciteit bijna constant over het volledige reverse bias-bereik (~17 pF).
- Interpretatie: Gamma-bestraling beïnvloedt voornamelijk de effectieve dopingconcentratie in de epitaxiale en multiplicatielagen via ionisatie-gerelateerde mechanismen (bijv. ladingsvallen in oxiden/interfaces) zonder de depletiediepte of de lekstroom significant te veranderen.

Significantie en Conclusies
Het artikel toont aan dat 4H-SiC-componenten een uitzonderlijke stralingshardheid vertonen, maar dat de aard van de schade sterk afhankelijk is van het type straling.

Protonen induceren primair compensatie binnen de epitaxiale laag, waardoor de effectieve ruimtelading wordt gewijzigd en de lekstroom bij hoge fluences afneemt.
Neutronen veroorzaken een kwalitatieve verandering door de depletiezone drastisch uit te breiden in het substraat als gevolg van sterke modificatie van de ruimtelading, wat het actieve volume dat bijdraagt aan de lekstroom aanzienlijk vergroot.
Gamma-stralen beïnvloeden voornamelijk de effectieve dopingconcentratie en de elektrische veldverdeling via ionisatieschade, met minimale impact op de lekstroom.

De auteurs concluderen dat hoewel stralingsgeïnduceerde compensatie de effectieve ruimtelading bij hoge hadronenfluences sterk modificeert, de lekstroom wordt bepaand door een combinatie van een vergroot depletievolume en veldversterkte generatiemechanismen. Deze bevindingen bevestigen het potentieel van 4H-SiC PN- en LGAD-sensoren voor gebruik in extreme stralingsomgevingen, mits de specifieke effecten van neutronen-geïnduceerde depletie-expansie en ionisatie-geïnduceerde dopingreductie worden meegewogen.

De Protonenbestorming: De Grote Balansact

De Neutronenstorm: De Diepe Duik

De Gamma-straalshower: De Oppervlakteschade

Het Eindoordeel

Meer zoals dit