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.

Assembly processes of invertebrate communities in springs across different spatial scales

Il presente lavoro ha lo scopo di comprendere i processi sottesi ai pattern di coesistenza tra le specie di invertebrati sorgentizi, distinguendo tra dinamiche stocastiche e deterministiche. Le sorgenti sono ecosistemi complessi e alcune loro caratteristiche (ad esempio l’insularità, la stabilità termica, la struttura ecotonale “a mosaico”, la frequente presenza di specie rare ed endemiche, o l’elevata diversità in taxa) le rendono laboratori naturali utili allo studio dei processi ecologici, tra cui i processi di assembly. Al fine di studiare queste dinamiche è necessario un approccio multi-scala, per questo motivi sono state prese in considerazione tre scale spaziali. A scala locale è stato compiuto un campionamento stagionale su sette sorgenti (quattro temporanee e tre permanenti) del Monte Prinzera, un affioramento ofiolitico vicino alla città di Parma. In questa area sono stati valutati l’efficacia e l’impatto ambientale di diversi metodi di campionamento e sono stati analizzati i drivers ecologici che influenzano le comunità. A scala più ampia sono state campionate per due volte 15 sorgenti della regione Emilia Romagna, al fine di identificare il ruolo della dispersione e la possibile presenza di un effetto di niche-filtering. A scala continentale sono state raccolte informazioni di letteratura riguardanti sorgenti dell’area Paleartica occidentale, e sono stati studiati i pattern biogeografici e l’influenza dei fattori climatici sulle comunità. Sono stati presi in considerazione differenti taxa di invertebrati (macroinvertebrati, ostracodi, acari acquatici e copepodi), scegliendo tra quelli che si prestavano meglio allo studio dei diversi processi in base alle loro caratteristiche biologiche e all’approfondimento tassonomico raggiungibile. I campionamenti biologici in sorgente sono caratterizzati da diversi problemi metodologici e possono causare impatti sugli ambienti. In questo lavoro sono stati paragonati due diversi metodi: l’utilizzo del retino con un approccio multi-habitat proporzionale e l’uso combinato di trappole e lavaggio di campioni di vegetazione. Il retino fornisce dati più accurati e completi, ma anche significativi disturbi sulle componenti biotiche e abiotiche delle sorgenti. Questo metodo è quindi raccomandato solo se il campionamento ha come scopo un’approfondita analisi della biodiversità. D’altra parte l’uso delle trappole e il lavaggio della vegetazione sono metodi affidabili che presentano minori impatti sull’ecosistema, quindi sono adatti a studi ecologici finalizzati all’analisi della struttura delle comunità. Questo lavoro ha confermato che i processi niche-based sono determinanti nello strutturare le comunità di ambienti sorgentizi, e che i driver ambientali spiegano una rilevante percentuale della variabilità delle comunità. Infatti le comunità di invertebrati del Monte Prinzera sono influenzate da fattori legati al chimismo delle acque, alla composizione e all’eterogeneità dell’habitat, all’idroperiodo e alle fluttuazioni della portata. Le sorgenti permanenti mostrano variazioni stagionali per quanto riguarda le concentrazioni dei principali ioni, mentre la conduttività, il pH e la temperatura dell’acqua sono più stabili. È probabile che sia la stabilità termica di questi ambienti a spiegare l’assenza di variazioni stagionali nella struttura delle comunità di macroinvertebrati. L’azione di niche-filtering delle sorgenti è stata analizzata tramite lo studio della diversità funzionale delle comunità di ostracodi dell’Emilia-Romagna. Le sorgenti ospitano più del 50% del pool di specie regionale, e numerose specie sono state rinvenute esclusivamente in questi habitat. Questo è il primo studio che analizza la diversità funzionale degli ostracodi, è stato quindi necessario stilare una lista di tratti funzionali. Analizzando il pool di specie regionale, la diversità funzionale nelle sorgenti non è significativamente diversa da quella misurata in comunità assemblate in maniera casuale. Le sorgenti non limitano quindi la diversità funzionale tra specie coesistenti, ma si può concludere che, data la soddisfazione delle esigenze ecologiche delle diverse specie, i processi di assembly in sorgente potrebbero essere influenzati da fattori stocastici come la dispersione, la speciazione e le estinzioni locali. In aggiunta, tutte le comunità studiate presentano pattern spaziali riconoscibili, rivelando una limitazione della dispersione tra le sorgenti, almeno per alcuni taxa. Il caratteristico isolamento delle sorgenti potrebbe essere la causa di questa limitazione, influenzando maggiormente i taxa a dispersione passiva rispetto a quelli a dispersione attiva. In ogni caso nelle comunità emiliano-romagnole i fattori spaziali spiegano solo una ridotta percentuale della variabilità biologica totale, mentre tutte le comunità risultano influenzate maggiormente dalle variabili ambientali. Il controllo ambientale è quindi prevalente rispetto a quello attuato dai fattori spaziali. Questo risultato dimostra che, nonostante le dinamiche stocastiche siano importanti in tutte le comunità studiate, a questa scala spaziale i fattori deterministici ricoprono un ruolo prevalente. I processi stocastici diventano più influenti invece nei climi aridi, dove il disturbo collegato ai frequenti eventi di disseccamento delle sorgenti provoca una dinamica source-sink tra le diverse comunità. Si è infatti notato che la variabilità spiegata dai fattori ambientali diminuisce all’aumentare dell’aridità del clima. Disturbi frequenti potrebbero provocare estinzioni locali seguite da ricolonizzazioni di specie provenienti dai siti vicini, riducendo la corrispondenza tra gli organismi e le loro richieste ambientali e quindi diminuendo la quantità di variabilità spiegata dai fattori ambientali. Si può quindi concludere che processi deterministici e stocastici non si escludono mutualmente, ma contribuiscono contemporaneamente a strutturare le comunità di invertebrati sorgentizi. Infine, a scala continentale, le comunità di ostracodi sorgentizi mostrano chiari pattern biogeografici e sono organizzate lungo gradienti ambientali principalmente collegati altitudine, latitudine, temperatura dell’acqua e conducibilità. Anche la tipologia di sorgente (elocrena, reocrena o limnocrena) è influente sulla composizione delle comunità. La presenza di specie rare ed endemiche inoltre caratterizza specifiche regioni geografiche.