Componenti optoelettronici per applicazioni di ricerca aerospaziale e nucleare

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.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2023

Author dc:creator

• ESHKEVARVAKILI, AREF

Contributors dc:contributor

• ALBERGO, Sebastiano Francesco

• Optoelectronic components, Semiconductor devices, Silicon detectors, Radiation hardness, Aerospace applications, Nuclear research
• Componenti optoelettronici, Dispositivi a semiconduttore, Rivelatori di silicio, Durezza da radiazione, Applicazioni aerospaziali, Ricerca nucleare

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/582141

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/582141