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Technologische Justierung der spektralen Empfindlichkeit von 4H-SiC-UV-Sensoren

Technological Tuning of the SPectral Responsivity of 4H-SiC UV Sensors
 
: Matthus, Christian David
: Lerch, Reinhard; Erlbacher, Tobias; Schmauß, Bernhard

:
Fulltext (PDF; )

Erlangen-Nürnberg, 2019, VIII, 212 pp.
Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2019
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-103751
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IISB ()

Abstract
In dieser Arbeit wurden die grundlegenden Eigenschaften des Halbleitermaterials 4HSiC (niedrige intrinsische Ladungsträgerkonzentration, Bandlücke von über 3 eV) genutzt, um wellenlängenselektive UV-Sensoren und monolithisch integrierte UV-Sensor- Arrays auf Basis von 4H-SiC-pin-Dioden mit Hilfe der Ionenimplantation zu realisieren. Dafür wurde ein umfangreiches analytisches Bauelementmodell erstellt. Dieses beinhaltet den Einfluss der Antireflexschicht (ARC) und der internen Quanteneffizienz auf die spektrale Empfindlichkeit. Es wurden die beiden Emittertechnologien, Epitaxie und Ionenimplantation, sowie die daraus resultierenden Bauelement-Architekturen experimentell verglichen. Die geringere spektrale Empfindlichkeit von UV-Sensoren mit implantiertem p-Emitter wurde auf die geringere Diffusionslänge der Elektronen als Minoritätsladungsträger zurückgeführt und die Ladungsträgerlebensdauer als Schlüsselparameter für das Design und die Optimierung von 4H-SiC-UV-Sensoren herausgestellt. Über Dotierung und Dicke der n-Basis und der darüber liegenden p-Emitterschicht wurden wellenlängenselektive UV-Sensoren realisiert, deren Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich von 260nm bis 300nm optimiert wurde. Die maximale spektrale Empfindlichkeit lag zwischen 66mA/W (bei einer Wellenlänge von 260nm) und 162mA/W (bei einer Wellenlänge von 300nm), was einer externen Quanteneffizienz (EQE) von 31% bis zu 69% entspricht. Für die Untersuchung der ARC wurden die Materialien SiO2, Si3N4 und Al2O3 evaluiert. Die Optimierung erfolgte anhand der in dieser Arbeit weiterentwickelten, verallgemeinerten Transfermatrix-Methode. Als optimale ARCs wurden 45nm SiO2 bzw. 40nm Al2O3 herausgestellt. Bei diesen liegen für eine Wellenlänge von 260nm die Reflexions- bzw. Absorptionsverluste jeweils unter 5%. Experimentell wurde durch die 40nm dicke Al2O3-Schicht eine Steigerung der spektralen Empfindlichkeit von 107mA=W auf 147mA=W bei einer Wellenlänge von 280nm nachgewiesen (Steigerung der EQE um 17%). Zusätzlich wurden Untersuchungen zum Temperaturverhalten durchgeführt, wobei Dunkel- und Photostrom separat analysiert wurden. Bei Einprägen eines konstanten Stroms in Vorwärtsrichtung wurde eine starke, lineare Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms festgestellt. Dieser Effekt kann für 4H-SiC-Temperatursensoren genutzt werden, die im Temperaturbereich von 30K bis zu 800K einsetzbar sind. Die Sensitivität von bis zu 4;5mV=K übersteigt den aktuellen Stand der Technik. Abschließend wurde ein Funktionsdemonstrator zur Messung von Temperatur und solarer UV-Strahlung vorgestellt.

 

In this thesis, the basic properties of the semiconductor material 4H-SiC (low intrinsic carrier concentration, bandgap of more than 3 eV) were utilized for the realization of wavelength sensitive UV sensors and monolithically integrated UV sensor arrays based on 4H-SiC pin-diodes using ion implantation. For this purpose, an extensive analytical device model, which considers the influence antireflective coating (ARC) and the internal quantnum efficiency (IQE) on the spectral responsivity, was established. The two emitter technologies, epitaxy and ion implantation, and the resulting device architectures were compared to each other experimentally. The lower spectral responsivity of UV sensors with implanted p-emitter was ascribed to the lower diffusion length of electrons being minority carriers and the carrier lifetime was identified as the key parameter for design and optimization of 4H-SiC UV sensors. By varying the doping and thickness of the n-base and the overlaying p-emitter, wavelength sensitive UV sensors with optimized responsivity in the range of 260 nm up to 300 nm were realized. The maximal spectral responsivity values were 66 mA/W (for a wavelength of 300 nm) and 162 mA/W (for a wavelength of 260 nm). The corresponding external quantum efficiency (EQE) values are 31% and 69%, respectively. The investigation of the ARC included an evaluation of the materials SiO2, Si3N4 and Al2O3. The transfer matrix method was generalized and extended in this work in order to realize the optimization. The ARCs with 45 nm SiO2 and 40 nm Al2O3, respectively, were found to be optimal. For these, the reflection and absorption losses fall below 5% for a wavelength of 260 nm. An increase in the spectral responsivity from 107 mA/W to 147 mA/W for a wavelength of 280 nm was experimentally proven using a 40 nm Al2O3 layer (increase of 17% in the EQE). Additionally, the temperature behavior was investigated for dark current and photo current, separately. A strong linear temperature dependence of the dark current was observed by applying a constant forward current. This effect can be exploited for 4H-SiC temperature sensors, with temperatures ranging from 30 K up to 800 K. The sensitivity of up to 4.5 mV/K exceeds the current state of the art. Finally, a functional demonstrator for the measurement of the solar UV radiation and temperature was presented.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-559298.html