Crescita epitassiale e caratterizzazione di un epi-layer spesso di 4H-SiC per la rivelazione di neutroni

The aim of this work was focused on the spectroscopic characterization of a thick 4H SiC epitaxial layer, previously grown, and a comparison of results between samples before and after a thermal oxidation process carried out at 1400 _C for 48 h. Through Raman and photoluminescence (PL) spectroscopies, the carrier lifetimes and the general status of the epilayer were evaluated. Time-resolved photoluminescence (TRPL) was used to estimate carrier lifetime over the entire 250 _m epilayer using different wavelengths to obtain information from different depths. Furthermore, an analysis of stacking fault defects was conducted through PL and Raman maps to evaluate how these defects could affect the carrier lifetime, in particular after the thermal oxidation process, in comparison with non-oxidated samples. This study shows that the oxidation process allows an improvement in the epitaxial layer performances in terms of carrier lifetime and diffusion length. These results were confirmed using deep level transient spectroscopy (DLTS) measurements evidencing a decrease in the Z1/2 centers, although the oxidation generated other types of defects, ON1 and ON2, which appeared to affect the carrier lifetime less than Z1/2 centers. Furthermore, the design and fabrication of the detectors was carried out, followed by the electrical characterization and the test under working conditions, with a neutron beam. The results obtained so far, and the possible future improvements deriving from further technological developments, make the use of SiC detectors an exciting topic that will probably reserve, in the future, many other exciting results not only for the detection of neutrons in thermonuclear fusion reactors but also in many fields of application.

Lo scopo di questo lavoro si è incentrato sulla caratterizzazione spettroscopica di uno spesso strato epitassiale di SiC 4H, precedentemente cresciuto, e un confronto dei risultati tra i campioni prima e dopo un processo di ossidazione termica effettuato a 1400 C per 48 ore. Attraverso spettroscopie Raman e fotoluminescenza (PL), sono stati valutati i tempi di vita dei portatori e lo stato generale dello strato epitassiale. La fotoluminescenza risolta nel tempo (TRPL) è stata utilizzata per stimare il tempo di vita dei portatori sull'intero strato epitassiale di 250 micron utilizzando diverse lunghezze d'onda per ottenere informazioni da diverse profondità. Inoltre, è stata condotta un'analisi dei difetti come stacking fault attraverso mappe PL e Raman per valutare come questi difetti potrebbero influenzare il tempo di vita medio dei portatori, in particolare dopo il processo di ossidazione termica, rispetto a campioni non ossidati. Questo studio dimostra che il processo di ossidazione consente un miglioramento delle prestazioni dello strato epitassiale in termini di tempo di vita e lunghezza di diffusione dei portatori di carica. Questi risultati sono stati confermati utilizzando misure di spettroscopia transiente di livello profondo (DLTS) che evidenziano una diminuzione dei centri Z1/2, sebbene l'ossidazione abbia generato altri tipi di difetti, ON1 e ON2, che sembravano influenzare meno il tempo di vita dei portatori rispetto ai centri Z1/2. Inoltre, è stata eseguita la progettazione e la fabbricazione dei rivelatori, quindi è stata eseguita la caratterizzazione elettrica e il test in condizioni di lavoro, con un fascio di neutroni. I risultati finora ottenuti, e i possibili futuri miglioramenti derivanti da ulteriori sviluppi tecnologici, rendono l'utilizzo dei rivelatori di SiC un argomento entusiasmante che probabilmente riserverà, in futuro, molti altri entusiasmanti esiti non solo per la rivelazione di neutroni nei reattori a fusione termonucleare ma anche in molti campi di applicazione.