8 th rd50 workshop prague june 25-28 2006 università degli studi università degli studi di perugia...

21
1 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università Università degli Studi degli Studi di Perugia di Perugia Annealing effects on p + n junction 4H-SiC diodes after very high neutron irradiation Francesco Moscatelli 1,4* , Andrea Scorzoni 2,1,4 , Antonella Poggi 2 , Mara Bruzzi 3 , Silvio Sciortino 3 , Stefano Lagomarsino 3 , and Roberta Nipoti 2 1 CNR- IMM Sezione di Bologna, via Gobetti 101, 40129 Bologna, Italy 2 DIEI, University of Perugia, via G. Duranti 93, 06125 Perugia, Italy 3 Dipartimento di Fisica, Polo Scientifico di Sesto Fiorentino,Via Sansone 1 Firenze Italy 4 INFN Perugia, via pascoli 1 06123 Perugia, Italy This work was partially supported by the INFN SiCPOS project and by the CERN RD50 Collaboration

Upload: kelton-rounsaville

Post on 01-Apr-2015

213 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

1

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

Annealing effects on p+n junction 4H-SiC diodes after very high

neutron irradiation Francesco Moscatelli1,4*, Andrea Scorzoni2,1,4, Antonella Poggi2, Mara Bruzzi3, Silvio Sciortino3, Stefano Lagomarsino3, and Roberta Nipoti2

1CNR- IMM Sezione di Bologna, via Gobetti 101, 40129 Bologna, Italy 2 DIEI, University of Perugia, via G. Duranti 93, 06125 Perugia, Italy

3Dipartimento di Fisica, Polo Scientifico di Sesto Fiorentino,Via Sansone 1 Firenze Italy4INFN Perugia, via pascoli 1 06123 Perugia, Italy

This work was partially supported by the INFN SiCPOS project and by the CERN RD50 Collaboration

Page 2: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

2

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

Outline• Introduction• Samples: OPAL and SiCPOS• IV and CV measurements after annealing on devices

OPAL• Summary of measurements on irradiated SiCPOS

devices before annealing• CC and I-V measurements after annealing on SiCPOS

devices• Conclusions and future developments

Page 3: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

3

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

IntroductionConcentration of some defects produced by neutrons decreases as a function of the annealing temperature*. In particular defects:

-Ei at Ec-0.5 eV (decreases until 400°C than expires)

-Z1/Z2 at Ec-0.62 /0.68 eV (decrease until 900°C than expire)

-Effects on Ec-0.82, Ec-1.16 and Ec-1.5 eV?

We want to analyze annealing effects on current, capacitance and charge collection

* X. D. Chen et al. JAP 94 (5) pp. 3004-3010, Sep 2003.

Page 4: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

4

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

SiC p+/n samplesEpi CREE: 5 mepi doping = 31015 cm-3

p+ doping (0.2 m) = 61019 cm-3

No JTE

Called OPALTo analyze current and Vdep

Epi IKZ: 55 mepi doping = 1.61014 cm-3

p+ doping (0.4 m) = 41019 cm-3

Called SiCPOS

To analyze current and CC

Page 5: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

5

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

Irradiation with neutrons

OPAL 1×1014 1 MeV n/cm2

7×1014 1 MeV n/cm2

3×1015 1 MeV n/cm2

1×1016 1 MeV n/cm2

SiCPOS 1×1014 1 MeV n/cm2

3×1014 1 MeV n/cm2

7×1014 1 MeV n/cm2

1.5×1015

1 MeV n/cm2

3×1015 1 MeV n/cm2

1×1016 1 MeV n/cm2

Page 6: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

6

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

OPAL Diodes: IV measurements

Before annealing. The samples become intrinsic after a fluence of some 1014 n/cm2.

Reverse voltage: the current decreases as a function of the fluence

Page 7: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

7

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

OPAL:I-V after 80°C annealingCurrent density or decreases or is constant as a function of the annealing time even at 80°C.

Fluence 11014 n/cm2

@ 100 V

Epi: 5 mDiameter: 350 m

Page 8: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

8

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

I-V after annealing at 200°C

Average current decreases after an annealing at 200°C for 30 minutes and then remain almost constant.

Epi: 5 m

Page 9: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

9

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

OPAL: C-V measurements

• After a fluence of 1×1014 n/cm2 the doping decreases at 1.5 ×1015 cm-3.

• Capacitance is constant as a function of the frequency. Fluence = 1×1014 n/cm2 .

Page 10: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

10

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

OPAL: CV after annealing 80°C

• Depletion voltage is almost constant as a function of the annealing time at 80°C.

• Average value considering 6 diodes

Page 11: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

11

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

CV after annealing at 200°C

• After annealing at 200°C Vdep increases slightly.Epi: 5 m

Page 12: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

12

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

Measurements on SiCPOS samples

Epi: 55 mepi doping = 1.61014 cm-

3

Page 13: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

13

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

CC measurements on reference

3000 e- @ 200 V and 3100 e- @ 600 V for diode with D=1 mm

Page 14: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

14

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

I- V after irradiation

Reverse current density decreases after irradiation!

Diameter = 1 mm

Page 15: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

15

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

C-V after irradiation

Capacitance is constant. The material turns to intrinsic

Diameter = 0.4 mm

Page 16: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

16

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

CC vs fluence

Diameter = 1 mm

• CC is high until some 1014 n/cm2

• CC decreases sharply after 1015 n/cm2. Only 130 e- after 1016 n/cm2

• Presently SiC is not radiation hard as we thought of!

Page 17: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

17

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

I-V measurements after 80°C annealing

100 100010

15

20

25

30

35

40

0Cu

rre

nt

De

nsi

ty (

nA

/cm

2 )

Time at 80°C (minutes)

@ 900 V

100 10005

10

15

0Cu

rre

nt

De

nsi

ty (

nA

/cm

2 )

Time at 80°C (minutes)

@ 900 V

3×1014 n/cm2 7×1014 n/cm2

Average current decreases after an annealing at 80°C for 30 minutes and then remain almost constant.

Page 18: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

18

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

CC measurements after 80°C annealing

After annealing at 80°C we observe a slight increase of the collected charge, in the range of the experimental error.

100 1000 100001850

1900

1950

2000

2050

2100

2150

0

Co

llect

ed

Ch

arg

es

(e- )

Time at 80°C (minutes)

Fluence 3x1014 n/cm2

100 1000 100001250

1300

1350

1400

1450

0

Co

llect

ed

Ch

arg

es

(e- )

Time at 80°C (minutes)

Fluence 7x1014 n/cm2

No recovery of the damage at 80°C and then at RT!

Page 19: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

19

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

I-V and CC after annealing at 400°C

After 30 min at 400°C the current furtherly decreases and the CC increases of 500 e- (from 1400 e- to 1900 e-).

Page 20: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

20

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

Conclusions• Current

– Currents @ 500 V are very low even after fluences of the order of 1016 n/cm2.

– Currents decrease after annealing at 80°C, 200°C and 400°C.• Depletion voltage

– remain almost constant as a function of the annealing at 80°C. There is a slight increase after an annealing at 200°C

• CC – is good until fluences of the order of some 1014 n/cm2. Before

annealing , for fluences of the order of 1015-1016 n/cm2 the CC is very low.

– After annealing at 80°C we observe a slight increase of the collected charge, in the range of the experimental error. No recovery of the damage!

– After annealing at 400°C for 30 min we obtain an increase of the CC of the order of 500 e- for the sample irradiated with 71014 n/cm2.

Page 21: 8 th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006 Università degli Studi Università degli Studi di Perugia di Perugia 1 Annealing effects on p + n junction 4H-SiC

21

8th RD50 Workshop Prague June 25-28 2006

Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia

CC and I-V after annealing at 200°C