Electrical investigation of p-type 4H-SiC heavily doped by ion implantation

In the last decades, an increasing interest in the research field of wide bandgap semiconductors was observed, mostly due to the progressive approaching of silicon-based devices to their theoretical limits. 4H-SiC is an example among these, and is a mature compound for applications. The main advantages offered 4H-SiC in comparison with silicon are an higher breakdown field, an higher thermal conductivity, a higher operating temperature, very high hardness and melting point, biocompatibility, but also low switching losses in high frequencies applications and lower on-resistances in unipolar devices. Then, 4H-SiC power devices offer great performance improvement; moreover, they can work in hostile environments where silicon power devices cannot function. Ion implantation technology is a key process in the fabrication of almost all kinds of SiC devices, owing to the advantage of a spatially selective doping. This work is dedicated to the electrical investigation of several differently-processed 4H-SiC ion- implanted samples, mainly through Hall effect and space charge spectroscopy experiments. It was also developed the automatic control (Labview) of several experiments. In the work, the effectiveness of high temperature post-implant thermal treatments (up to 2000°C) were studied and compared considering: (i) different methods, (ii) different temperatures and (iii) different duration of the annealing process. Preliminary p + /n and Schottky junctions were also investigated as simple test devices. 1) Heavy doping by ion implantation of single off-axis 4H-SiC layers The electrical investigation is one of the most important characterization of ion-implanted samples, which must be submitted to mandatory post-implant thermal treatment in order to both (i) recover the lattice after ion bombardment, and (ii) address the implanted impurities into lattice sites so that they can effectively act as dopants. Electrical investigation can give fundamental information on the efficiency of the electrical impurity activation. To understand the results of the research it should be noted that: (a) To realize good ohmic contacts it is necessary to obtain spatially defined highly doped regions, which must have conductivity as low as possible. (b) It has been shown that the electrical activation efficiency and the electrical conductivity increase with the annealing temperature increasing. (c) To maximize the layer conductivity, temperatures around 1700°C are generally used and implantation density high till to 10 21 cm -3 . In this work, an original approach, different from (c), is explored by the using very high annealing temperature, around 2000°C, on samples of Al + -implant concentration of the order of 10 20 cm -3 . Several Al + -implanted 4H-SiC samples, resulting of p-type conductivity, were investigated, with a nominal density varying in the range of about 1-5∙10 20 cm -3 and subjected to two different high temperature thermal treatments. One annealing method uses a radiofrequency heated furnace till to 1950°C (Conventional Annealing, CA), the other exploits a microwave field, providing a fast heating rate up to 2000°C (Micro-Wave Annealing, MWA). In this contest, mainly ion implanted p-type samples were investigated, both off-axis and on-axis <0001> semi-insulating 4H-SiC. Concerning p-type off-axis samples, a high electrical activation of implanted Al (50-70%) and a compensation ratio below 10% were estimated. In the work, the main sample processing parameters have been varied, as the implant temperature, CA annealing duration, and heating/cooling rates, and the best values assessed. MWA method leads to higher hole density and lower mobility than CA in equivalent ion implanted layers, resulting in lower resistivity, probably related to the 50°C higher annealing temperature. An optimal duration of the CA treatment was estimated in about 12-13 minutes. A RT resistivity on the lowest reported in literature for this kind of samples, has been obtained. 2) Low resistivity data: variable range hopping Notwithstanding the heavy p-type doping levels, the carrier density remained less than the critical one required for a semiconductor to metal transition. However, the high carrier densities obtained was enough to trigger a low temperature impurity band (IB) conduction. In the heaviest doped samples, such a conduction mechanism persists till to RT, without significantly prejudice the mobility values. This feature can have an interesting technological fall, because it guarantee a nearly temperature- independent carrier density, it being not affected by freeze-out effects. The usual transport mechanism occurring in the IB conduction is the nearest neighbor hopping: such a regime is effectively consistent with the resistivity temperature behavior of the lowest doped samples. In the heavier doped samples, however, a trend of the resistivity data compatible with a variable range hopping (VRH) conduction has been pointed out, here highlighted for the first time in p-type 4H-SiC. Even more: in the heaviest doped samples, and in particular, in those annealed by MWA, the temperature dependence of the resistivity data is consistent with a reduced dimensionality (2D) of the VRH conduction. In these samples, TEM investigation pointed out faulted dislocation loops in the basal plane, whose average spacing along the c-axis is comparable with the optimal length of the hops in the VRH transport. This result suggested the assignment of such a peculiar behavior to a kind of spatial confinement into a plane of the carrier hops. 3) Test device the p + -n junction In the last part of the work, the electrical properties of 4H-SiC diodes were also studied. In this case, a heavy Al + ion implantation was realized on n-type epilayers, according to the technological process applied for final devices. Good rectification properties was shown from these preliminary devices in their current-voltage characteristics. Admittance spectroscopy and deep level transient spectroscopy measurements showed the presence of electrically active defects other than the dopants ones, induced in the active region of the diodes by ion implantation. A critical comparison with the literature of these defects was performed. Preliminary to such an investigation, it was assessed the experimental set up for the admittance spectroscopy and current-voltage investigation and the automatic control of these measurements.

Pleasant sweeping grooming touch in rhesus monkey: effects on autonomic nervous system and its codification in posterior insular and secondary somatosensory cortex

Il tatto assume un'importanza fondamentale nella vita quotidiana, in quanto ci permette di discriminare le caratteristiche fisiche di un oggetto specifico, di identificarlo e di eventualmente integrare le suddette informazioni tattili con informazioni provenienti da altri canali sensoriali. Questa è la componente sensoriale-discriminativa del tatto. Tuttavia quotidianamente il tatto assume un ruolo fondamentale durante le diverse interazioni sociali, positive, come quando abbracciamo o accarezziamo una persona con cui abbiamo un rapporto affettivo e negative, per esempio quando allontaniamo una persona estranea dal nostro spazio peri-personale. Questa componente è la cosiddetta dimensione affettiva-motivazionale, la quale determina la codifica della valenza emotiva che l'interazione assume. Questa componente ci permette di creare, mantenere o distruggere i legami sociali in relazione al significato che il tocco assume durante l'interazione. Se per esempio riceviamo una carezza da un familiare, questa verrà percepita come piacevole e assumerà un significato affiliativo. Questo tipo di tocco è comunente definito come Tocco Sociale (Social Touch). Gli aspetti discriminativi del tatto sono stati ben caratterizzati, in quanto storicamente, il ruolo del tatto è stato considerato quello di discriminare le caratteristiche di ciò che viene toccato, mentre gli aspetti affettivi sono stati solo recentemente indagati considerando la loro importanza nelle interazioni sociali. Il tocco statico responsabile dell'aspetto discriminante attiva a livello della pelle le grandi fibre mieliniche (Aβ), modulando a livello del sistema nervoso centrale le cortecce sensoriali, sia primarie che secondarie. Questo permette la codifica a livello del sistema nervoso centrale delle caratteristiche fisiche oggettive degli oggetti toccati. Studi riguardanti le caratteristiche del tocco affiliativo sociale hanno messo in evidenza che suddetta stimolazione tattile 1) è un particolare tocco dinamico che avviene sul lato peloso delle pelle con una velocità di 1-10 cm/sec; 2) attiva le fibre amieliniche (fibre CT o C-LTMRs); 3) induce positivi effetti autonomici, ad esempio la diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca; e 4) determina la modulazione di regioni cerebrali coinvolte nella codifica del significato affiliativo dello stimolo sensoriale periferico, in particolare la corteccia insulare. Il senso del tatto, con le sue due dimensioni discriminativa e affiliativa, è quotidianamente usato non solo negli esseri umani, ma anche tra i primati non umani. Infatti, tutti i primati non umani utilizzano la componente discriminativa del tatto per identificare gli oggetti e il cibo e l'aspetto emotivo durante le interazioni sociali, sia negative come durante un combattimento, che positive, come durante i comportamenti affiliativi tra cui il grooming. I meccanismi di codifica della componente discriminativa dei primati non umani sono simili a quelli umani. Tuttavia, si conosce ben poco dei meccanismi alla base della codifica del tocco piacevole affiliativo. Pur essendo ben noto che i meccanorecettori amilienici C-LTMRs sono presenti anche sul lato peloso della pelle dei primati non umani, attualmente non ci sono studi riguardanti la correlazione tra il tocco piacevole e la loro modulazione, come invece è stato ampiamente dimostrato nell'uomo. Recentemente è stato ipotizzato (Dunbar, 2010) il ruolo delle fibre C-LTMRs durante il grooming, in particolare durante il cosiddetto swepping. Il grooming è costituito da due azioni motorie, lo sweeping e il picking che vengono eseguite in modo ritmico. Durante lo sweeping la scimmia agente muove il pelo della scimmia ricevente con un movimento a mano aperta, per poter vedere il preciso punto della pelle dove eseguire il picking, ovvero dove prendere la pelle a livello della radice del pelo con le unghie dell'indice e del pollice e tirare per rimuovere parassiti o uova di parassiti e ciò che è rimasto incastrato nel pelo. Oltre il noto ruolo igenico, il grooming sembra avere anche una importante funzione sociale affiliativa. Come la carezza nella società umana, cosi il grooming tra i primati non umani è considerato un comportamento. Secondo l'ipotesi di Dunbar l'attivazione delle C-LTMRs avverrebbe durante lo sweeping e questo porta a supporre che lo sweeping, come la carezza umana, costituisca una componente affiliativa del grooming, determinando quindi a contribuire alla sua codifica come comportamento sociale. Fino ad ora non vi è però alcuna prova diretta a sostegno di questa ipotesi. In particolare, 1) la velocità cui viene eseguito lo sweeping è compatibile con la velocità di attivazione delle fibre CT nell'uomo e quindi con la velocità tipica della carezza piacevole di carattere sociale affiliativo (1-10 cm/sec)?; 2) lo sweeping induce la stessa modulazione del sistema nervoso autonomo in direzione della modulazione del sistema vagale, come il tocco piacevole nell'uomo, attraverso l'attivazione delle fibre CT?; 3) lo sweeping modula la corteccia insulare, cosi come il tocco piacevole viene codificato come affiliativo nell'uomo mediante le proiezioni delle fibre CT a livello dell'insula posteriore? Lo scopo del presente lavoro è quella di testare l'ipotesi di Dunbar sopra citata, cercando quindi di rispondere alle suddette domande. Le risposte potrebbero consentire di ipotizzare la somiglianza tra lo sweeping, caratteristico del comportamento affiliativo di grooming tra i primati non umani e la carezza. In particolare, abbiamo eseguito 4 studi pilota. Nello Studio 1 abbiamo valutato la velocità con cui viene eseguito lo sweeping tra scimmie Rhesus, mediante una analisi cinematica di video registrati tra un gruppo di scimmie Rhesus. Negli Studi 2 e 3 abbiamo valutato gli effetti sul sistema nervoso autonomo dello sweeping eseguito dallo sperimentatore su una scimmia Rhesus di sesso maschile in una tipica situazione sperimentale. La stimolazione tattile è stata eseguita a diverse velocità, in accordo con i risultati dello Studio 1 e degli studi umani che hanno dimostrato la velocità ottimale e non ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs. In particolare, nello Studio 2 abbiamo misurato la frequenza cardiaca e la variabilità di questa, come indice della modulatione vagale, mentre nello Studio 3 abbiamo valutato gli effetti dello sweeping sul sistema nervoso autonomo in termini di variazioni di temperatura del corpo, nello specifico a livello del muso della scimmia. Infine, nello Studio 4 abbiamo studiato il ruolo della corteccia somatosensoriale secondaria e insulare nella codifica dello sweeping. A questo scopo abbiamo eseguito registrazioni di singoli neuroni mentre la medesima scimmia soggetto sperimentale dello Studio 2 e 3, riceveva lo sweeping a due velocità, una ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs secondo gli studi umani e i risultati dei tre studi sopra citati, ed una non ottimale. I dati preliminari ottenuti, dimostrano che 1) (Studio 1) lo sweeping tra scimmie Rhesus viene eseguito con una velocità media di 9.31 cm/sec, all'interno dell'intervallo di attivazione delle fibre CT nell'uomo; 2) (Studio 2) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina una diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca se eseguito alla velocità di 5 e 10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 1 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina l'aumento della frequenza cardiaca e la diminuzione della variabilità di questa, quindi il decremento dell'attivazione del sistema nervoso parasimpatico; 3) (Studio 3) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina l'aumento della temperatura corporea a livello del muso della scimmia se eseguito alla velocità di 5-10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 5 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina la diminuzione della temperatura del muso; 4) (Studio 4) la corteccia somatosensoriale secondaria e la corteccia insulare posteriore presentano neuroni selettivamente modulati durante lo sweeping eseguito ad una velocità di 5-13 cm/sec ma non neuroni selettivi per la codifica della velocità dello sweeping minore di 5 cm/sec. Questi risultati supportano l'ipotesi di Dunbar relativa al coinvolgimento delle fibre CT durante lo sweeping. Infatti i dati mettono in luce che lo sweeping viene eseguito con una velocità (9.31 cm/sec), simile a quella di attivazione delle fibre CT nell'uomo (1-10 cm/sec), determina gli stessi effetti fisiologici positivi in termini di frequenza cardiaca (diminuzione) e variabilità della frequenza cardiaca (incremento) e la modulazione delle medesime aree a livello del sistema nervoso centrale (in particolare la corteccia insulare). Inoltre, abbiamo dimostrato per la prima volta che suddetta stimolazione tattile determina l'aumento della temperatura del muso della scimmia. Il presente studio rappresenta la prima prova indiretta dell'ipotesi relativa alla modulazione del sistema delle fibre C-LTMRs durante lo sweeping e quindi della codifica della stimolazione tattile piacevole affiliativa a livello del sistema nervoso centrale ed autonomo, nei primati non umani. I dati preliminari qui presentati evidenziano la somiglianza tra il sistema delle fibre CT dell'uomo e del sistema C-LTMRs nei primati non umano, riguardanti il Social Touch. Nonostante ciò abbiamo riscontrato alcune discrepanze tra i risultati da noi ottenuti e quelli invece ottenuti dagli studi umani. La velocità media dello sweeping è di 9.31 cm / sec, rasente il limite superiore dell’intervallo di velocità che attiva le fibre CT nell'uomo. Inoltre, gli effetti autonomici positivi, in termini di battito cardiaco, variabilità della frequenza cardiaca e temperatura a livello del muso, sono stati evidenziati durante lo sweeping eseguito con una velocità di 5 e 10 cm/sec, quindi al limite superiore dell’intervallo ottimale che attiva le fibre CT nell’uomo. Al contrario, lo sweeping eseguito con una velocità inferiore a 5 cm/sec e superiore a 10 cm/sec determina effetti fisiologici negativo. Infine, la corteccia insula sembra essere selettivamente modulata dallo stimolazione eseguita alla velocità di 5-13 cm/sec, ma non 1-5 cm/sec. Quindi, gli studi sul sistema delle fibre CT nell’uomo hanno dimostrato che la velocità ottimale è 1-10 cm/sec, mentre dai nostri risultati la velocità ottimale sembra essere 5-13 cm / sec. Quindi, nonostante l'omologia tra il sistema delle fibre CT nell'umano deputato alla codifica del tocco piacevole affiliativo ed il sistema delle fibre C-LTMRs nei primati non umani, ulteriori studi saranno necessari per definire con maggiore precisione la velocità ottimale di attivazione delle fibre C-LTMR e per dimostrare direttamente la loro attivazione durante lo sweeping, mediante la misurazione diretta della loro modulazione. Studi in questa direzione potranno confermare l'omologia tra lo sweeping in qualità di tocco affiliativo piacevole tra i primati non umani e la carezza tra gli uomini. Infine, il presente studio potrebbe essere un importante punto di partenza per esplorare il meccanismo evolutivo dietro la trasformazione dello sweeping tra primati non umani, azione utilitaria eseguita durante il grooming, a carezza, gesto puramente affiliativo tra gli uomini.