Francesco Moscatelli, Andrea Scorzoni
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INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
First characterizations of a minimum ionizing particle detector
based on p+n junction SiC diode
Francesco Moscatelli, Andrea ScorzoniDIEI and INFN, University of Perugia, via G. Duranti 93, 06125 Perugia, Italy
in collaborazione conCNR- IMM Sezione di Bologna, via Gobetti 101, 40129 Bologna, Italy
Dipartimento di Fisica, Polo Scientifico di Sesto Fiorentino,Via Sansone 1 Firenze Italy
Institut für Kristallzüchtung, D-12489 Berlin, Germany.
This work was supported by the INFN SiCPOS project
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Outline
• Introduction• Technological process and mask design• I/V - C/V measurements and annealing
effects• CC setup and measurements• Irradiation with 1 MeV neutrons• Conclusions and future developments
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A bit of history
• November 2003: first process. Breakdown of the wafer during the last annealing.
• June 2004: First process repeated. The process has been brought to completion. Unfortunately the surface of the wafer was everywhere p-type instead of n-type. Reason: low doping epi process at IKZ.
• Fine 2004: Second process (with new mask set).
• 2003: IV, CV, DLTS and CCE on IMM samples.
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Plan of activity - 2005
– Good quality of process verified with IV, CV and CC measurements on unirradiated devices in early 2005
– Irradiation with neutrons May 8 2005– Measurements on irradiated devices in June and July
(in progress)
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SiC Process: p+/n
Ion implantationAl+ @ 300°Cp+ doping (0.4 m) = 41019 cm-3
p- doping (0.6 m) = 51017 cm-3
Annealing 1600°C 30 min
Front:Al (350 nm) / Ti (80 nm) depositionBack: Ni
Epi (55 m) doping:
2 1014 cm-3
Annealing 1000°C in vacuum 2 min
n
n+
Annealing 430°C in nitrogen 30 min
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Mask designDiode
Diameter (m)
JTE (m)
D1 250 200
D2 400 200
D3 600 200
D4 800 200
D5 1000 200
D6 400 No
D7 150 No
S1 400 No
31 diodes in each die
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Wafer
• 4 quarters. Rows from E to N
• Columns from 4 to 9• Columns 4, 8 (no J8
and k8) and 9 show p-type layer under the Schottky contacts
4 5 6 7 8 9
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
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I-V measurements on p+/n diodes
• Before annealing at 430°C, 70 % of diodes have good I-V curves (considered colums 5, 6, 7 and dies J8 and K8)
• Theoretical limit for this device 6 kV
p+p-
Ti-Al
n+
n
Ni
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Reverse current: effect of annealing at room temperature
and at 430°C
0 20 40 60 80 100
1x10-12
1x10-11
1x10-10
D3C J8
Cu
rre
nt [
A]
reverse Voltage [V]
Giu29 Ann 450°C Giu21 May25 May11 Apr26 Apr13
Defects anihilate at room T. The process is accelerated at 430°C
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CV measurements
• The depletion voltage is near 220-250 V
• Epi doping not uniform (average value 21014 cm-3)
0 10 20 30 40 501E13
1E14
1E15
Do
pin
g C
on
cen
tra
tion
[cm
-3]
Depth [m]
0 200 400 600 800 1000
1x10-12
2x10-12
3x10-12
Cap
acit
ance
[V
]
Reverse bias [V]
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CC measurements and irradiation
• Reference with CC measurements without irradiation
• 7 dies for irradiation with neutrons
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CCE measurement setup
Amptek
S+PM trigger
Acquisition system
90Sr 0.1mCi
The noise of the charge collection setup is linearly proportional to the capacitance of the detector and is given by ENC=200e+4.6e/pF
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CC measurements
-3000 0 3000 6000 9000 12000
0
100
200
300
400
500
Co
unt
s
Channel (e)
measurements convolution
Landau and Gaussian
• Signal distribution (Landau) well separated from noise (Gaussian)
• At about 250 V the Landau distribution does not change full depletion
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CC vs V
• Around 200-250 V the signal saturates, in good agreement with CV results.
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Irradiation with neutrons
• Irradiation with 7 different fluences in the range 1014-1016 1 MeV neutrons/cm2 carried out May 8 in Ljubiana
• Fluences: 11014 n/cm2, 31014 n/cm2, 71014 n/cm2 , 1.51015 n/cm2, 31015 n/cm2, 71015 n/cm2, 11016 n/cm2
• We are keeping the diodes at –5°C in order to make possible the analysis of annealing effects at RT
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First IV results on irradiated devices
Before irradiation
After irradiation
• At a fluence of 31014 n/cm2 the junction disappeared. The n-type material becomes intrinsic
• The reverse and forward current are comparable
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Conclusions• p+/n junctions have been realized and electrically
characterized. Good forward and reverse characteristics have been obtained
• CC experimental results on unirradiated SiC pn junctions: 3000 e- at 200 V
• Irradiation with 7 different fluences in the range 1014-1016 1 MeV neutrons/cm2
• Preliminary results on irradiated samples
• Measurements on irradiated samples
Future developments