1 INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05 Università Università degli Studi degli Studi di Perugia di Perugia First characterizations of a minimum ionizing particle detector based on p + n junction SiC diode Francesco Moscatelli, Andrea Scorzoni DIEI and INFN, University of Perugia, via G. Duranti 93, 06125 Perugia, Italy in collaborazione con CNR- 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
First characterizations of a minimum ionizing particle detector based on p + n junction SiC diode. Francesco Moscatelli, Andrea Scorzoni DIEI and INFN, University of Perugia, via G. Duranti 93, 06125 Perugia, Italy in collaborazione con - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
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
2
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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
3
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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.
4
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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)
5
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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
6
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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
7
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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
8
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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
9
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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
10
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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]
11
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
CC measurements and irradiation
• Reference with CC measurements without irradiation
• 7 dies for irradiation with neutrons
12
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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
13
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
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
14
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
CC vs V
• Around 200-250 V the signal saturates, in good agreement with CV results.
15
INFN - Consiglio di Sezione 12/7/05
Università degli StudiUniversità degli Studi di Perugiadi Perugia
Irradiation with neutrons
• Irradiation with 7 different fluences in the range 1014-1016 1 MeV neutrons/cm2 carried out May 8 in Ljubiana