Comprehensive Analysis of Proton Irradiation Effects on 4H-SiC Power Devices: Characterization, Simulation, and Optimization for Enhanced Performance [Analisi completa degli effetti dell'irradiazione protonica sui dispositivi di potenza in 4H-SiC: caratterizzazione, simulazione e ottimizzazione per migliorarne le prestazioni]

The development of semiconductor materials and devices has driven significant technological advancements over the past century. Recently, the demand for new functionalities in electronic devices, such as flexibility and high-temperature operation, alongside reduced power consumption and dissipation, has become of primary importance due to miniaturization and increased use in power electronics. Silicon technologies have dominated power electronics for decades, but their inherent limitations have necessitated the exploration of wide band-gap semiconductors like Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN). Among these, 4H-SiC has emerged as a material of significant interest due to its superior performance in high-temperature, high-power, and high-frequency applications. This thesis presents a comprehensive study of the effects of proton irradiation on 4H-SiC power devices. The research aims to elucidate the types of defects introduced by proton irradiation, their electrical response, and their evolution with annealing temperature. Detailed compositional, optical, and electrical characterizations were conducted, including Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectroscopy (TOF-SIMS), Scanning Capacitance Microscopy (SCM), photoluminescence (PL), current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V), and Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) measurements. The experimental work utilized 4H-SiC samples with an n-type epitaxial layer grown at STMicroelectronics, subjected to ion implantation at varying doses and energies at the University of Catania. Simulations using SRIM and Synopsys software guided the experimental work, revealing differences in projected range values and the effects of crystallographic orientation and channeling. The comprehensive characterization provided insights into optimizing the proton implantation process. By determining the precise implantation depth and optimal annealing temperature, the implantation step can be strategically integrated into the production process of power devices such as diodes and MOSFETs. This integration is crucial for enhancing the performance and reliability of SiC-based power devices, which are essential for high-efficiency and robust applications in various industries. In conclusion, this study offers a robust foundation for optimizing proton implantation, leading to significant advancements in the performance and reliability of SiC power devices in demanding applications.

Lo sviluppo dei materiali e dei dispositivi basati sui semiconduttori ha determinato significativi progressi tecnologici nel corso dell'ultimo secolo. Recentemente, la richiesta di nuove capacità di funzionamento nei dispositivi elettronici, come la flessibilità e il lavoro ad alte temperature, oltre alla riduzione del consumo e della dissipazione di energia, è diventata di primaria importanza a causa della miniaturizzazione e dell'aumento dell'uso nell'elettronica di potenza. Le tecnologie al silicio hanno dominato l'elettronica di potenza per decenni, ma i loro limiti intrinseci hanno reso necessaria l'esplorazione di semiconduttori ad ampio band-gap come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). Tra questi, il 4H-SiC è emerso come un materiale di notevole interesse per le sue prestazioni superiori in applicazioni ad alta temperatura, alta potenza e alta frequenza. Questa tesi presenta uno studio completo degli effetti dell'irradiazione protonica sui dispositivi di potenza in 4H-SiC. La ricerca mira a chiarire i tipi di difetti introdotti dall'irradiazione protonica, la loro risposta elettrica e la loro evoluzione con la temperatura di annealing. Sono state condotte caratterizzazioni composizionali, ottiche ed elettriche dettagliate, tra cui la spettroscopia di massa ionica a tempo di volo (TOF-SIMS), la microscopia a scansione di capacità (SCM), la fotoluminescenza (PL), le misure di corrente-tensione (I-V), di capacità-tensione (C-V) e la spettroscopia transiente a livello profondo (DLTS). Il lavoro sperimentale ha utilizzato campioni di 4H-SiC con uno strato epitassiale di tipo n cresciuto presso STMicroelectronics che sono stati sottoposti a impiantazione ionica a dosi ed energie diverse presso l'Università di Catania. Le simulazioni effettuate con i software SRIM e Synopsys hanno guidato il lavoro sperimentale, rivelando le differenze nei valori di range proiettato e gli effetti dell'orientamento cristallografico rispetto all'angolo di impianto. La caratterizzazione completa ha fornito spunti per ottimizzare il processo di impiantazione dei protoni. Determinando l'esatta profondità di impianto e la temperatura di annealing ottimale, la fase di impiantazione può essere integrata strategicamente nel processo di produzione di dispositivi di potenza come diodi e MOSFET. Questa integrazione è fondamentale per migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei dispositivi di potenza basati su SiC, che sono essenziali per applicazioni robuste e ad alta efficienza in vari settori industriali. In conclusione, questo studio offre una solida base per l' utilizzo ottimale dell'impianto di protoni, che porterà a significativi progressi nelle prestazioni e nell'affidabilità dei dispositivi di potenza in SiC nelle applicazioni più complesse.