Silicon Carbide (SiC)

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La rivelazione della luce ultravioletta (UV) dal sole, da oggetti astronomici o da fonti artificiali ha ricevuto una grande attenzione negli ultimi anni. Un particolare interesse è focalizzato sulle numerose applicazioni che richiedono la reiezione alla luce visibile come in campo medico, militare, ambientale e campi astrofisici. Inoltre, la fabbricazione di array di diodi ad alta sensibilità è molto interessante per le applicazioni di “imaging spettroscopico” e UV. In questo contesto, i materiali wide gap sono candidati eccellenti per la rivelazione di radiazione UV “solar blind”, essendo il carburo di silicio (SiC) quello con il più alto grado di maturità in termini di qualità del materiale adatta alla fabbricazione di dispositivi elettronici. Tra i politipi di SiC, il 4H-SiC è preferibile per la rivelazione di radiazione UV “solar blind”, grazie al suo ampio gap di banda (~ 3,3 eV).

I fotodiodi Schottky sono fabbricati su uno strato epitassiale 4H-SiC di tipo n 5,8 µm di spessore, con una concentrazione di drogaggio di 2,7 × 10¹⁵ cm^-3, cresciuto da ETC S.r.l. su un reattore orizzontale a parete calda (ACiS M8 di LPE) su un substrato fortemente drogato. I contatti ohmici sul retro del campione sono formati dall'evaporazione e-gun di un film Ni da 200 nm, seguito da una rapida ricottura a 950 ° C. I contatti di Schottky sul lato frontale del campione sono stati ottenuti definendo strutture micrometriche interdigit di silice di nichel (Ni2Si) auto-allineate. Le strisce Ni2Si (3 - 6 µm di larghezza e spaziatura) sono state definite mediante processi litografici standard. La geometria dell'elettrodo frontale consente l'esposizione diretta alla radiazione dell'OAA e il funzionamento elettrico verticale del diodo Schottky. È stata utilizzata una rapida ricottura termica
per la formazione di Ni₂Si e per migliorare l'uniformità della barriera di Schottky rispetto a quella del Ni puro.

L'area del singolo diodo direttamente esposta alle radiazioni ed elettro-otticamente attiva è di circa il 48%, mentre la distanza tra i pixel contigui è di circa 25 µm. Nella figura seguente sono mostrati un diagramma non in scala della struttura Schottky verticale interdigit e un'immagine al microscopio vista dall'alto di una parte di un diodo interdigit (angolo inferiore sinistro della Figura 1).

Figura 1. Diagramma non in scala dei rivelatori UV Schottky verticali; nell'angolo in basso a sinistra, immagine del microscopio vista dall'alto di una parte dell'elettrodo anteriore, che mostra le strisce di metallo.

Una figura di merito di un fotodiodo è l'efficienza quantica (QE), che descrive la probabilità che un fotone incidente generi una coppia elettrone-buco. I valori del QE esterno sono stati ottenuti confrontando la foto-risposta del rivelatore testato con quello di riferimento usando il set-up di caratterizzazione. Per evitare una sottovalutazione del QE, durante la caratterizzazione elettro-ottica il fascio di irradiazione (di dimensioni circa 1 × 2 mm2) è stato focalizzato nella regione centrale dell'array, come verificato da misurazioni di fotocorrente eseguite attivando singoli pixel dell'array.

L’efficienza quantica QE esterna dell'array è stata misurato a 0 V (modalità di funzionamento fotovoltaico, linea retta in figura) e a -30 V (▲ in Figura 2) ed è riportata nella figura seguente.

 Figura 2. QE vs lunghezza d'onda dell'array proposto a 0 V e -30 V (▲).

Si osserva un rilevante aumento della QE in presenza di polarizzazione inversa rispetto alle condizioni fotovoltaiche chiaramente dovuta all'aumento dell'OAA. La sensibilità del rivelatore raggiunge il massimo, tra le lunghezze d'onda studiate, a 289 nm ed è di circa il 45%.
Il rapporto di reiezione ultravioletta-visibile, definito come il rapporto tra il picco di sensibilità e la sensibilità nel visibile (@ 405 nm), è > 4 × 10³ @ - 30 V.

Next Step: Silicon Carbide Photomultiplier (SicPM)