Diodos schottky de SiC para uso como detectores de energia de partículas carregadas

Abstract

Neste trabalho foram investigadas estruturas de diodos Schottky de carbeto de silício (SiC) com potencial uso em detectores de energia de partículas carregadas. Para tanto, foram fabricados diodos Schottky de SiC do tipo Metal-Isolador-Semicondutor (MIS). Uma estrutura MIS é considerada uma vez que o SiC sempre forma em sua superfície uma fina camada de oxicarbeto de silício (SiCxOy) nativo, de difícil remoção por ataques químicos. Foi desenvolvido um modelo modificado da teoria de Emissão Termiônica (TE), de modo a levar em conta o óxido nativo e/ou finas camadas dielétricas inseridas entre metal e semicondutor nas estruturas de diodos Schottky. Foram fabricadas estruturas alumínio/dielétrico/silício para caracterização dos dielétricos utilizados. Foram depositados os dielétricos de SiO2, TiO2, HfO2 e Al2O3 entre o metal Ni e o semicondutor de SiC, variando as espessuras de 1 a 8 nm. As espessuras depositadas foram confirmadas por Elipsometria espectral e Reflectometria de raio X, anteriormente à deposição por sputtering do contato Schottky de Ni. Após a deposição e o tratamento térmico do Ni, as estruturas de diodos Schottky foram caracterizadas eletricamente por meio de medidas de Corrente-Tensão (I-V) e Capacitância-Tensão (C-V), variando a temperatura de medida. Foi observado que a presença de uma fina camada dielétrica entre metal e semicondutor aumenta artificialmente a Altura da Barreira Schottky (SBH), diminuindo a corrente reversa quando o diodo é polarizado reversamente. Por meio do modelo modificado da TE, foi calculada uma espessura variando de 0.18 – 0.20 nm para o oxicarbeto de silício presente nos diodos estudados. As SBH reais foram extraídas por meio das medidas de I-V, variando-se a temperatura. Foram obtidos os valores da SBH de 1.39, 1.32 e 1.26 V, para os dielétricos TiO2, Al2O3, HfO2 e com 1 nm de espessura nominal cada, respectivamente. Para esses, o fator de idealidade calculado ficou próximo de 1. Espessuras de dielétricos acima de 4 nm começam a apresentar características de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor e não de diodos Schottky. Por fim, reportamos as estruturas de Ni/Al2O3/4H-SiC/Ni e Ni/HfO2/4H-SiC/Ni, com 1 nm de dielétrico depositado, para uso como detector de partículas alfa no experimento de Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford (RBS). Ambos os detectores apresentaram corrente reversa menor que 70 nA.cm-2 e resolução em energia de 76 keV, para polarização reversa de 40 V.

In the present work, silicon carbide (SiC) Schottky diodes with potential use in energy particle detectors were investigated. Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) SiC Schottky diodes were fabricated. The MIS structures are considered because SiC always forms a thin native silicon oxycarbide (SiCxOy) layer in its surface that is difficult to remove by chemical means. A modified Thermionic Emission theory (TE) was developed to take into account the native oxide and/or thin dielectric layers present between metal and semiconductor in Schottky diodes. Aluminum/dielectric/silicon structures were fabricated for the dielectric characterization. SiO2, TiO2, HfO2 and Al2O3 dielectrics were deposited between Ni and SiC, with thicknesses varying from 1 to 8 nm. The deposited dielectrics layers thicknesses were confirmed by Ellipsometry spectra and X ray reflectometry before deposition of Ni Schottky contacts by sputtering. After Ni deposition and annealing, the Schottky diodes were electrically characterized by Current-Voltage (I-V) and Capacitance-Voltage measurements, varying the temperature. A thin dielectric layer present between metal and semiconductor artificially augments the Schottky Barrier Height (SBH) and lowers the reverse current when the diodes are reverse biased. A 0.18 – 0.20 nm of SiCxOy layer was inferred for the diodes using the modified TE. The real SBH was extracted from the I-V measurements and presented values of 1.39, 1.32 and 1.26 V for the diodes with 1 nm of TiO2, Al2O3 and HfO2, respectively. For these, an ideality factor close to 1 was calculated. Diodes with thicker (>4 nm) dielectrics layers shows Metal-Oxide-Semiconductor capacitors behavior. Ni/Al2O3/4H-SiC/Ni and Ni/HfO2/4H-SiC/Ni structures with 1 nm of dielectric layer thickness were used in Rutherford Backscattering Spectrometry experiments. Both detectors presented reverse current lower than 70 nA.cm-2 and energy resolution of 76 keV, when applied 40 V reverse bias.