High-resolution radiation detection using Ni/SiO2/n-4H-SiC vertical metal-oxide-semiconductor capacitor

深能级瞬态光谱 材料科学 光电子学 分析化学(期刊) 肖特基势垒 电容器 肖特基二极管 化学 电压 二极管 物理 色谱法 量子力学
作者
Sandeep K. Chaudhuri,OmerFaruk Karadavut,Joshua W. Kleppinger,Krishna C. Mandal
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:130 (7) 被引量:23
标识
DOI:10.1063/5.0059151
摘要

In this article, we demonstrate the radiation detection performance of vertical metal-oxide-semiconductor (MOS) capacitors fabricated on 20 μm thick n-4H-SiC epitaxial layers with the highest energy resolution ever reported. The 100 nm SiO2 layer was achieved on the Si face of n-4H-SiC epilayers using dry oxidation in air. The Ni/SiO2/n-4H-SiC MOS detectors not only demonstrated an excellent energy resolution of 0.42% (ΔE/E×100) for 5.48 MeV alpha particles but also caused a lower enhancement in the electronic noise components of the spectrometer compared with that observed for the best high-resolution Schottky barrier detectors. The MOS detectors also exhibited a high charge collection efficiency (CCE) of 96% at the optimized operating bias despite the presence of the oxide layer. A drift-diffusion model applied to the CCE vs gate bias voltage data revealed a minority (hole) carrier diffusion length of 24 μm. Capacitance mode deep level transient spectroscopy (C-DLTS) scans in the temperature range 84–800 K were carried out to identify the resolution limiting electrically active defects. Interestingly, the C-DLTS spectra revealed both positive and negative peaks, indicating the simultaneous presence of electron (majority) and hole (minority) trap centers. It has been inferred that at the steady-state bias for the C-DLTS measurement, the MOS detector operates in the inversion mode at certain device temperatures, causing holes to populate the minority trap centers and, hence, manifests minority carrier peaks as well.
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