Silicon Carbide sensors for the detection of Charged Particles and X-Rays [Sensori in Carburo di Silicio per la Rilevazione di Particelle Cariche e Raggi X]

The detection of ionizing radiation is of fundamental importance in many scientific and technological fields, including nuclear physics and medicine. Recent advances in solid-state physics have laid the groundwork for the development of solid-state ionizing radiation detectors featuring higher resolution and detection efficiency than traditional detectors, such as gas-filled tubes. Additionally, the smaller size of these devices and the nature of their output signal enable miniaturization and integration into a wide range of systems, including large laboratories such as synchrotron and particle accelerators, where precision and reliability are essential, and portable devices such as electronic personal dosimeters (EPDs), used to continuously monitor radiation levels, and portable radiation detectors preferred to conventional Geiger-Müller counters for their higher energy resolution and ability to discriminate different types of radiations. Conventional solid-state radiation detectors have typically relied on silicon semiconductors due to their well-established electrical properties and mature fabrication processes. However, silicon-based detectors exhibit performance limitations when subjected to high radiation levels, elevated temperatures, or corrosive environments. Under such harsh conditions, silicon detectors suffer from increased leakage currents and radiation damage, leading to a decline in reliability over time. The introduction of silicon carbide (SiC) as a sensitive material in solid-state detectors has emerged as a promising solution for ionizing radiation detection in extreme environments. The exceptional radiation hardness, high-temperature resistance, and chemical inertness of silicon carbide make it particularly suited for applications in high-radiation environments, such as nuclear reactors, space missions, and high-energy physics experiments, as well as in chemically reactive settings like nuclear waste management and planetary exploration. Moreover, recent advances in selectively removing the SiC substrate beneath the device have led to the development of ultra-thin, free-standing SiC membrane detectors, designed to absorb only a portion of the incident radiation energy. Their high transparency makes them ideal for applications where characterization of radiation beam is required before it interacts with a sample, such as in synchrotron experiments and deterministic single ion implantation. This thesis focuses on the development and characterization of innovative SiC-based detectors, assessing their performance and effectiveness in detecting protons, ions, electrons, and X-rays. The devices were fabricated from homoepitaxial 4H-SiC substrates, with several lithographic steps employed for defining the various deposited layers, such as metal contacts and isolation layers, followed by an electrochemical etching step for membrane devices. The 4H-SiC membrane detectors have been tested for deterministic single ion implantation applications, demonstrating high single-ion detection efficiency with minimal variation in ion energy and direction, yielding promising results for in-beam single ion detection. Additionally, 4H-SiC bulk devices were investigated for electron-beam FLASH radiotherapy, showing perfect linearity of the detector's output signal with increasing dose-per-pulse up to 2 Gy/pulse, underscoring their potential as dosimeters in ultra-high dose-rate electron beam applications. Furthermore, the response of a four-pad 4H-SiC detector with a central opening was evaluated for X-ray detection in synchrotron applications, demonstrating high sensitivity and the potential for continuous monitoring of beam intensity and position. Finally, a comprehensive study of the radiation tolerance of SiC devices at both high and room temperatures is presented, along with a comparison to the radiation hardness of silicon detectors, highlighting the ability of SiC devices to withstand high radiation damage with minimal performance degradation.

La rilevazione della radiazione ionizzante è di fondamentale importanza in molti ambiti scientifici e tecnologici, tra cui la fisica nucleare e la medicina. I recenti progressi nella fisica dello stato solido hanno posto le basi per lo sviluppo di rivelatori a stato solido per radiazione ionizzante, caratterizzati da una risoluzione e un'efficienza di rilevazione superiori rispetto ai rivelatori tradizionali, come i tubi riempiti di gas. Inoltre, le dimensioni ridotte di questi dispositivi e la natura del loro segnale di uscita ne facilitano la miniaturizzazione e l'integrazione in una vasta gamma di sistemi, dai grandi laboratori come i sincrotroni e gli acceleratori di particelle, dove precisione e affidabilità sono essenziali, fino ai dispositivi portatili, come i dosimetri elettronici personali (EPD) utilizzati per il monitoraggio continuo dei livelli di radiazione, e i rivelatori portatili preferiti ai contatori Geiger-Müller convenzionali per la loro maggiore risoluzione energetica e la capacità di discriminare diversi tipi di radiazioni. I rivelatori di radiazione a stato solido tradizionali si sono generalmente basati su semiconduttori di silicio, grazie alle loro proprietà elettriche consolidate e ai processi di fabbricazione maturi. Tuttavia, i rivelatori a base di silicio mostrano limitazioni prestazionali quando sottoposti a livelli elevati di radiazione, alte temperature o ambienti corrosivi. In queste condizioni estreme, i rivelatori in silicio subiscono un aumento delle correnti di perdita e danni da radiazione, che portano a un calo di affidabilità nel tempo. L'introduzione del carburo di silicio (SiC) come materiale sensibile nei rivelatori a stato solido è emersa come una soluzione promettente per la rilevazione di radiazioni ionizzanti in ambienti estremi. L'eccezionale durezza alle radiazioni, la resistenza alle alte temperature e l'inattaccabilità chimica del carburo di silicio lo rendono particolarmente adatto per applicazioni in ambienti con alta radiazione, come reattori nucleari, missioni spaziali ed esperimenti di fisica delle alte energie, così come in contesti chimicamente reattivi, come la gestione dei rifiuti nucleari e l'esplorazione planetaria. Inoltre, recenti progressi nella rimozione selettiva del substrato di SiC al di sotto del dispositivo hanno portato allo sviluppo di rivelatori a membrana ultrasottili e autoportanti, progettati per assorbire solo una parte dell'energia della radiazione incidente. La loro elevata trasparenza li rende ideali per applicazioni in cui è necessario caratterizzare il fascio di radiazione prima che interagisca con un campione, come negli esperimenti di sincrotrone e nell'impiantazione deterministica di singoli ioni. Questa tesi si concentra sullo sviluppo e sulla caratterizzazione di innovativi rivelatori basati su SiC, valutandone le prestazioni e l'efficacia nella rilevazione di protoni, ioni, elettroni e raggi X. I dispositivi sono stati fabbricati a partire da substrati homoepitassiali di 4H-SiC, con diversi passaggi litografici per definire gli strati depositati, come contatti metallici e strati di isolamento, seguiti da un processo di incisione elettrochimica per i dispositivi a membrana. I rivelatori a membrana in 4H-SiC sono stati testati per applicazioni di impiantazione deterministica di singoli ioni, dimostrando un'elevata efficienza nella rilevazione di singoli ioni con una minima variazione dell'energia e della direzione degli ioni, ottenendo risultati promettenti per applicazioni di rilevazione in-beam di singoli ioni. Inoltre, i dispositivi bulk in 4H-SiC sono stati analizzati per la radioterapia FLASH con fascio di elettroni, mostrando una perfetta linearità del segnale di uscita del rivelatore con l'aumento della dose per impulso fino a 2 Gy/impulso, evidenziando il loro potenziale come dosimetri per applicazioni con fasci di elettroni a dose ultra-elevata. Inoltre, è stata valutata la risposta di un rivelatore a quattro pad in 4H-SiC con un'apertura centrale per la rilevazione di raggi X in applicazioni di sincrotrone, dimostrando un'elevata sensibilità e il potenziale per il monitoraggio continuo dell'intensità e della posizione del fascio. Infine, viene presentato uno studio completo sulla tolleranza alle radiazioni dei dispositivi SiC a temperature elevate e ambiente, insieme a un confronto con la durezza alle radiazioni dei rivelatori in silicio, evidenziando la capacità dei dispositivi SiC di resistere a danni da radiazioni elevati con una minima degradazione delle prestazioni.