Technological Tuning of the SPectral Responsivity of 4H-SiC UV Sensors

In dieser Arbeit wurden die grundlegenden Eigenschaften des Halbleitermaterials 4H-SiC (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 260 nm bis 300 nm optimiert wurde. Die maximale spektrale Empfindlichkeit lag zwischen 66 mA/W (bei einer Wellenlänge von 260 nm) und 162 mA/W (bei einer Wellenlänge von 300 nm), 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 45 nm SiO2 bzw. 40 nm Al2O3 herausgestellt. Bei diesen liegen für eine Wellenlänge von 260 nm die Reflexions- bzw. Absorptionsverluste jeweils unter 5%. Experimentell wurde durch die 40 nm dicke Al2O3-Schicht eine Steigerung der spektralen Empfindlichkeit von 107 mA/W auf 147 mA/W bei einer Wellenlänge von 280 nm 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 30 K bis zu 800 K einsetzbar sind. Die Sensitivität von bis zu 4,5 mV/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

Large-Area Layer Counting of Two-Dimensional Materials Evaluating the Wavelength Shift in Visible-Reflectance Spectroscopy

An advanced and highly scalable approach for determining the number of layers of two-dimensional (2D) materials via optical spectroscopy is introduced. Based on appropriate subjacent layer stacks, the reflectance spectra of the 2D material assemblies exhibit wavelength shifts in distinct minima, which are linearly related to the number of layers. A linear correlation enables straightforward data interpretation, which is essential for implementing simple and comparatively fast measurement routines for process control on wafer scale. The structure of the optical layer stacks as well as the complex refractive indices of 2D materials were found to strongly influence the spectral position of the reflectance minima as well as the magnitude and the linearity of the wavelength shifts. We experimentally prove this method to be applicable for large-area layer counting of subsequently stacked chemical vapor deposition graphene films on a layer stack consisting of silicon nitride and silicon oxide. The measurement results confirm the calculated wavelength shift of the reflection minimum around 540 nm equaling approx. 3 nm per layer. Numerical analysis shows that comparable behavior is also achievable by the tailored design of subjacent layer stacks for graphene oxide, hexagonal boron nitride, and more complex 2D materials like transition-metal dichalcogenides. For the achievement of linear relations between wavelength shifts of the respective minimum and the layer count of the 2D material, analytical design rules are derived considering the optical properties of the underlying layer stack as well as oscillator frequencies within the complex refractive index of the 2D material. The largest signal response of 12 nm per layer was calculated for MoSe2 on an optimized layer stack