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

Resumo Técnico: Efeitos da Irradiação por Prótons, Nêutrons e Partículas Gama nas Propriedades Elétricas de Diodos 4H-SiC e Sensores LGAD

Definição do Problema
O carbeto de silício (4H-SiC) é um semicondutor de banda larga com propriedades intrínsecas — como alta energia de limiar de deslocamento, um grande campo elétrico crítico e baixa concentração intrínseca de portadores — que o tornam atraente para aplicações de detectores resistentes à radiação. Embora os detectores de ganho de avalanche de baixa intensidade (LGADs) de 4H-SiC tenham demonstrado ganho interno e desempenho promissor, estudos sistemáticos sobre seu comportamento sob ambientes de radiação extrema permanecem limitados. Especificamente, há uma necessidade de compreender como altas fluências de hádrons e a irradiação extrema por nêutrons afetam a carga espacial efetiva, os mecanismos de compensação e a evolução da região de depleção em dispositivos 4H-SiC.

Metodologia
O estudo investigou diodos 4H-SiC P+-em-N (PN) e sensores LGAD (LGAD1 e LGAD2) fabricados pela onsemi em wafers de 6 polegadas. Os dispositivos apresentavam um substrato do tipo N altamente dopado, uma camada epitaxial do tipo N de alta resistividade (30–100 µm de espessura) e camadas específicas implantadas por íons para multiplicação e terminação de junção.

As amostras foram submetidas a três tipos distintos de irradiação:

1. Irradiação por Prótons: Realizada no CERN IRRAD utilizando prótons de 24 GeV/c, visando fluências de até $1 \times 10^{16}$ prótons/cm².
2. Irradiação por Nêutrons: Conduzida no reator TRIGA Mark II (Instituto Jožef Stefan) utilizando nêutrons de reator, visando fluências de até $1,0 \times 10^{18}$ 1 MeV neq/cm².
3. Irradiação por Gama: Realizada utilizando uma fonte de $^{60}$Co na UJP PRAHA a.s., entregando doses ionizantes totais (TID) de até 300 kGy.

Pós-irradiação, a caracterização elétrica foi realizada à temperatura ambiente ($+20^\circ$C) através de medições de Corrente–Tensão (IV) e Capacitância–Tensão (CV). A capacitância de volume foi medida usando uma configuração em série (CSRS) com um sinal AC de 20 kHz e 1,0 V. As amostras foram armazenadas em temperaturas abaixo de $-20^\circ$C (ou deixadas para decair para nêutrons) para minimizar o recozimento indesejado antes dos testes.

Principais Resultados

• Irradiação por Prótons:

  • Corrente de Fuga: Em baixas fluências, o comportamento da corrente de fuga foi semelhante ao dos dispositivos não irradiados. No entanto, para fluências superiores a $1 \times 10^{14}$ prótons/cm², a corrente de fuga reversa diminuiu significamente. As características IV tornaram-se quase simétricas em relação à polaridade da tensão.
  • Capacitância: A capacitância de volume tornou-se quase independente da tensão de polarização em altas fluências, estabilizando-se próxima à capacitância geométrica da camada epitaxial totalmente depletada (~15,4 pF).
  • Interpretação: Estas mudanças indicam uma forte compensação induzida pela radiação do material originalmente do tipo N por defeitos do tipo aceitador profundos (ex: centros Z1/2 e EH6/7), levando a uma redução na concentração efetiva de portadores livres e uma distribuição uniforme do campo elétrico através da camada epitaxial.

• Irradiação por Nêutrons:

  • Corrente de Fuga: A corrente de fuga aumentou sistematicamente com a fluência, atingindo ~10 nA em $1,0 \times 10^{18}$ neq/cm².
  • Capacitância: Enquanto fluências mais baixas ($2,3 \times 10^{17}$ neq/cm²) mostraram comportamento semelhante à irradiação por prótons, fluências extremas ($5,2 \times 10^{17}$ e $1,0 \times 10^{18}$ neq/cm²) causaram uma queda drástica na capacitância de volume para ~2,2 pF.
  • Interpretação: Esta redução de capacitância corresponde a uma profundidade de depleção efetiva de aproximadamente 350 µm, excedendo em muito a espessura nominal da camada epitaxial de 50 µm. Isso implica que a região de depleção penetra profundamente no substrato altamente dopado ($10^{19}$ cm$^{-3}$), sugerindo uma modificação substancial da densidade de carga espacial induzida pela radiação no substrato para um nível efetivo de $10^{12}$–$10^{13}$ cm$^{-3}$. A corrente de fuga observada é atribuída ao volume de depleção ampliado combinado com mecanismos de geração relacionados à superfície e intensificados pelo campo, em vez de simples geração térmica de volume.

• Irradiação por Gama:

  • Corrente de Fuga: A corrente de fuga reversa permaneceu estatisticamente comparável aos dispositivos não irradiados mesmo a 300 kGy.
  • Capacitância: Modificações significativas foram observadas apenas na dose mais alta (300 kGy). Para diodos PN, a diminuição da capacitância com a polarização tornou-se mais íngreme. Para LGADs, a capacitância tornou-se quase constante em toda a faixa de polarização reversa (~17 pF).
  • Interpretação: A irradiação gama afeta predominantemente a concentração de dopagem efetiva nas camadas epitaxial e de multiplicação através de mecanismos relacionados à ionização (ex: armadilhas de carga em óxidos/interfaces) sem alterar significativamente a profundidade de depleção ou a corrente de fuga.

Significância e Conclusões
O artigo demonstra que os dispositivos 4H-SiC exibem uma excepcional dureza à radiação, mas a natureza do dano é altamente dependente do tipo de radiação.

• Prótons induzem principalmente a compensação dentro da camada epitaxial, modificando a carga espacial efetiva e reduzindo a corrente de fuga em altas fluências.
• Nêutrons causam uma mudança qualitativa ao expandir drasticamente a região de depleção para o substrato devido à forte modificação da carga espacial, aumentando significativamente o volume ativo que contribui para a fuga.
• Raios gama influenciam predominantemente a dopagem efetiva e a distribuição do campo elétrico via danos por ionização, com impacto mínimo na corrente de fuga.

Os autores concluem que, embora a compensação induzida pela radiação modifique fortemente a carga espacial efetiva no 4H-SiC em altas fluências de hádrons, a corrente de fuga é governada por uma combinação de volume de depleção ampliado e mecanismos de geração intensificados pelo campo. Estas descobertas confirmam o potencial dos sensores PN e LGAD de 4H-SiC para operação em ambientes de radiação extrema, desde que os efeitos específicos da expansão de depleção induzida por nêutrons e da redução de dopagem induzida por ionização sejam considerados.