Componenti optoelettronici per applicazioni di ricerca aerospaziale e nucleare

The activity is part of ongoing projects for ESA, CERN and other entities operating in the space, nuclear and material sciences. One of the fundamental aspects that semiconductor devices have to cope with in relevant applications is radiation induced degradations. Therefore, radiation hardness and performance studies of the components are crucial for the space missions and HEP experiments and a comprehensive on-ground testing of the components needs to be performed aiming at identifying the most radiation tolerant technologies. There outcomes of these activities are discussed in the thesis sections which are here outlined: A kind of justification for the thesis and a brief discussion of optoelectronics applications, their role, main radiation environments and the related radiation-induced damages are addressed in chapter.1. Information is also given about the technical presentation of the analyzed devices and a brief review of the studies on the device degradation and radiation hardness. Within this context, selection of the best LED technologies for space application is a challenging issue, requiring a trade-off of several aspects starting from the intrinsic properties of the die. Starting from a previous evaluation of the LEDs for optocouplers by the team, the effects of proton-induced radiation damage on several types of more modern LEDs fabricated by different manufacturers and technologies are discussed in the chapter.2 of the thesis. In fact, a complete radiation analysis is reported based on proton-induced degradation, as it was conducted on bare LEDs and in the framework of the IGSC initiative. The campaign took place in September 2020, as a part of the team’s radiation plan. This work reports the first phase of a sustained effort in the direction of LED technologies’ assessment for space and the test results have been validated by the supervising entities, according to their needs. The adopted methodology contemplated more than 150 devices, belonging to several technological options under comparison, irradiated unbiased. Electrical and electro-optical parameters were measured and analyzed by using dedicated advanced facilities and finally, the differences in output optical power emission and spectral emission and the degradation rate of the device families under comparison have been studied. Statistical analysis was performed, using a one-sided tolerance method for hardness assurance, on the LEDs’ optical power emission and spectral emission data in which the effects of different bias currents and particle fluences were investigated. Non-Ionizing Energy Loss model of the light sources was also applied in order to qualify the results. Finally, the comparative analysis clearly showed that one specific device family, i.e. R type, was the most efficient even after proton damage, with an outstanding performance if compared to all the others, and second best in relative terms, with N type was the one with the most reduced degradation dynamics. The comparative analysis allowed the device selection for the subsequent project phase on the LEDs with lens, taking the obtained results into account. Chapter.3 of the thesis is devoted to the test results on newly designed and fabricated 8-channel silicon phototransistors arrays, their performance against various layouts designs and process implementations and discusses the achieved reliability after exposure to gamma rays, protons radiations and High Temperature Storage at wafer level and in the framework of Optoi’s aerospace activities. This work was funded by the ESA. The novelty here lies in the decision taken to perform all the testing on wafers rather than on the packaged devices and the goal is to get a better estimation of the degradations by measuring numerous devices, something that cannot be easily realized with packaged phototransistors arrays. Wafer probe testing is considered mature and repeatable enough to provide useful information in order to select the best manufactured technology for the next project step. The results also represent a complementary analysis aimed at better understanding and interpreting the outcomes of the non-packaged devices. In conclusion, the best combination of design parameters proving the most robust with respect to the others has been selected, being considered satisfactory and acceptable for the next phase of component assessment. Finally, chapter.4 represents the main features of the LGAD sensors under test as well as the obtained results from laboratory studies in the framework of the recent R&D activities for developing the new LGAD technologies being designed by HPK and BNL, focusing on their radiation hardness, static and dynamic performances and based on established and reliable methods. The following results are discussed in the different sections: current-voltage (I-V) and capacitance-voltage (C-V) characterization using dedicated probe stations, timing resolution measurements with a β-source, radiation hardness of carbonated LGADs with their SRP measurement procedure and gain suppression mechanism study with a pulsed infrared laser source based on Transient Current Technique (TCT) technique. TCAD modelling results, used for verifying the dependency of the detector gain to the applied bias voltage and input laser intensity, are also reported. A time resolution better than 35 ps was extracted under high operational bias voltages before irradiation. This value is within the nominal requirements of un-irradiated sensors for the ATLAS project. Gain suppression analysis also demonstrated decreasing gain at increasing laser intensities due to space charge effects. In addition, a gain value between 60-70 was calculated for a group of BNL detectors, at the high range voltages close to the device breakdown voltage (380V). A good agreement between experimental observations and TCAD simulations was found at the end. An improved radiation hardness was also observed in the intermediate carbon dose rates of the BNL carbonated LGADs. At the end of each chapter, a general conclusion is presented and then, complementary information will appear as independent appendixes.

L'attività fa parte di progetti in corso per ESA, CERN e altri enti operanti nelle scienze spaziali, nucleari e dei materiali. Uno degli aspetti fondamentali che i dispositivi a semiconduttore devono affrontare in applicazioni rilevanti è il degrado indotto dalle radiazioni. Pertanto, gli studi sulla durezza delle radiazioni e sulle prestazioni dei componenti sono cruciali per le missioni spaziali e gli esperimenti HEP ed è necessario eseguire un test completo a terra dei componenti al fine di identificare le tecnologie più tolleranti alle radiazioni. I risultati di queste attività sono discussi nelle sezioni di tesi che sono qui delineate: Una sorta di giustificazione della tesi e una breve discussione delle applicazioni dell'optoelettronica, del loro ruolo, dei principali ambienti di radiazione e dei relativi danni indotti dalle radiazioni sono affrontati nel capitolo.1. Vengono inoltre fornite informazioni sulla presentazione tecnica dei dispositivi analizzati e una breve rassegna degli studi sul degrado del dispositivo e sulla durezza delle radiazioni. In questo contesto, la selezione delle migliori tecnologie LED per applicazioni spaziali è un problema impegnativo, che richiede un compromesso tra diversi aspetti a partire dalle proprietà intrinseche del die. Partendo da una precedente valutazione dei LED per optoaccoppiatori da parte del team, nel capitolo 2 della tesi sono discussi gli effetti del danno da radiazioni indotte da protoni su diversi tipi di LED più moderni fabbricati da diversi produttori e tecnologie. Infatti, viene riportata un'analisi completa della radiazione basata sulla degradazione indotta da protoni, poiché è stata condotta su LED nudi e nell'ambito dell'iniziativa IGSC. La campagna si è svolta a settembre 2020, come parte del piano di radiazioni del team. Questo lavoro riporta la prima fase di uno sforzo sostenuto nella direzione della valutazione delle tecnologie LED per lo spazio e i risultati dei test sono stati convalidati dagli enti di supervisione, in base alle loro esigenze. La metodologia adottata prevedeva più di 150 dispositivi, appartenenti a diverse opzioni tecnologiche a confronto, irradiati imparziali. I parametri elettrici ed elettro-ottici sono stati misurati e analizzati utilizzando strutture avanzate dedicate e, infine, sono state studiate le differenze nell'emissione di potenza ottica in uscita e nell'emissione spettrale e il tasso di degradazione delle famiglie di dispositivi a confronto. L'analisi statistica è stata eseguita, utilizzando un metodo di tolleranza unilaterale per la garanzia della durezza, sui dati di emissione di potenza ottica e di emissione spettrale dei LED in cui sono stati studiati gli effetti di diverse correnti di polarizzazione e fluenze di particelle. Per qualificare i risultati è stato applicato anche il modello di perdita di energia non ionizzante delle sorgenti luminose. Infine, l'analisi comparativa ha mostrato chiaramente che una specifica famiglia di dispositivi, ovvero il tipo R, era la più efficiente anche dopo il danno protonico, con prestazioni eccezionali rispetto a tutte le altre, e la seconda migliore in termini relativi, con il tipo N era quella con le dinamiche di degrado più ridotte. L'analisi comparativa ha consentito la selezione del dispositivo per la successiva fase progettuale sui LED con lente, tenendo conto dei risultati ottenuti. Il capitolo 3 della tesi è dedicato ai risultati dei test su array di fototransistor al silicio a 8 canali di nuova concezione e fabbricati, alle loro prestazioni rispetto a vari progetti di layout e implementazioni di processo e discute l'affidabilità raggiunta dopo l'esposizione a raggi gamma, radiazioni di protoni e stoccaggio ad alta temperatura a livello di wafer e nel quadro delle attività aerospaziali di Optoi. Questo lavoro è stato finanziato dall'ESA. La novità qui sta nella decisione presa di eseguire tutti i test sui wafer piuttosto che sui dispositivi confezionati e l'obiettivo è ottenere una migliore stima dei degradi misurando numerosi dispositivi, cosa che non può essere facilmente realizzata con array di fototransistor confezionati. Il test della sonda wafer è considerato abbastanza maturo e ripetibile da fornire informazioni utili per selezionare la migliore tecnologia prodotta per la fase successiva del progetto. I risultati rappresentano anche un'analisi complementare volta a comprendere e interpretare meglio i risultati dei dispositivi non confezionati. In conclusione, è stata selezionata la migliore combinazione di parametri di progetto che si è rivelata la più robusta rispetto alle altre, ritenuta soddisfacente e accettabile per la successiva fase di valutazione dei componenti. Infine, il capitolo 4 rappresenta le caratteristiche principali dei sensori LGAD in prova, nonché i risultati ottenuti da studi di laboratorio nell'ambito delle recenti attività di ricerca e sviluppo per lo sviluppo delle nuove tecnologie LGAD progettate da HPK e BNL, incentrate sulla loro resistenza alla radiazione , prestazioni statiche e dinamiche e basate su metodi consolidati e affidabili. I seguenti risultati sono discussi nelle diverse sezioni: caratterizzazione di corrente-tensione (I-V) e capacità-tensione (C-V) utilizzando stazioni di sonda dedicate, misure di risoluzione temporale con una sorgente β, durezza di radiazione di LGAD carbonati con la loro procedura di misurazione SRP e guadagno studio del meccanismo di soppressione con una sorgente laser ad infrarossi pulsata basata sulla tecnica Transient Current Technique (TCT). Vengono inoltre riportati i risultati della modellazione TCAD, utilizzati per verificare la dipendenza del guadagno del rivelatore dalla tensione di polarizzazione applicata e dall'intensità del laser in ingresso. Una risoluzione temporale migliore di 35 ps è stata estratta sotto alte tensioni di polarizzazione operativa prima dell'irradiazione. Questo valore rientra nei requisiti nominali dei sensori non irradiati per il progetto ATLAS. L'analisi della soppressione del guadagno ha anche dimostrato la diminuzione del guadagno all'aumentare dell'intensità del laser a causa degli effetti della carica spaziale. Inoltre, è stato calcolato un valore di guadagno compreso tra 60 e 70 per un gruppo di rivelatori BNL, alle tensioni di gamma alta vicine alla tensione di rottura del dispositivo (380 V). Alla fine è stato trovato un buon accordo tra osservazioni sperimentali e simulazioni TCAD. È stata osservata anche una migliore durezza delle radiazioni nei tassi di dose di carbonio intermedi degli LGAD carbonati BNL. Alla fine di ogni capitolo, viene presentata una conclusione generale e poi, le informazioni complementari appariranno come appendici indipendenti.