Diseño, fabricación y optimización de detectores con multiplicación (LGAD) para experimentos de física de altas energías

Abstract

Cuando los dispositivos semiconductores, especialmente los basados en control por puerta MOS, se someten a una dosis elevada de radiación, sus características eléctricas se deterioran rápidamente. Además, la reducción de las dimensiones y del grosor de las capas utilizadas en su fabricación, los hace más sensibles frente a la radiación. Así, con objeto de poder diseñar nuevos componentes resistentes a la radiación, se ha desarrollado una metodología de simulación numérica que emula la generación de pares electrón-hueco en el volumen del semiconductor y su evolución temporal, dado que los resultados obtenidos mediante las herramientas disponibles en los simuladores comerciales no se ajustan a la realidad. El rigor del procedimiento de simulación se ha corroborado con medidas experimentales de transistores MOS de potencia para convertidores DC/DC de IHP Microelectronics (DE).

La investigación central de la Tesis tiene como finalidad el diseño y fabricación de detectores de radiación basados en diodos de potencia tipo PiN. Los experimentos modernos de Física de Altas Energías demandan un uso creciente de detectores de radiación de altas prestaciones en cuanto a compacidad, velocidad de respuesta y resistencia al daño por radiación. La tecnología de Silicio, de bajo coste y gran madurez, ha permitido el desarrollo de múltiples diseños capaces de ofrecer una resolución energética y espacial muy precisa, así como un tiempo de respuesta adecuado a la mayoría de aplicaciones. Sin embargo, el uso de estos detectores en entornos de muy alta radiación es uno de los aspectos más críticos, dado que el daño introducido por la radiación degrada la calidad de la señal y aumenta el ruido, con la consiguiente pérdida de resolución espacial, energética y temporal de las medidas.

Una solución que permite contrarrestar la degradación de los detectores es dotarlos de un mecanismo interno de multiplicación que amplifique la señal detectada sin modificar el nivel de ruido, compensando, parcialmente, la reducción de la amplitud de la señal medida alargando la vida útil del detector. Además, la mejora de la relación señal-ruido aumenta la sensibilidad de las medidas, permitiendo procesar señales más pequeñas y la reducción del espesor del detector.

Los Fotodetectores de Avalancha tradicionales (APD) incorporan un mecanismo de multiplicación de los pares electrón-hueco generados gracias a una región con campo eléctrico elevado derivado de una unión PN polarizada en inversa. No obstante, los valores elevados de ganancia habituales en los APDs clásicos hacen que estos dispositivos sean poco adecuados en la mayoría de los experimentos actuales de Física de Altas Energías, ya que saturan la electrónica y amplifican excesivamente el ruido.

Se han desarrollado detectores de avalancha con ganancia moderada (Low Gain Avalanche Detector, LGAD) basados en la estructura APD en la que se ha optimizado el perfil de impurezas de las difusiones para obtener valores de ganancia en el rango de 10-20. Para ello se han diseñado técnicas de terminación específicas para uniones poco profundas en substratos altamente resistivos (kΩ·cm) y concebido nuevas soluciones tecnológicas para minimizar la corriente de fugas superficial que distorsiona la señal. Además, se ha puesto a punto una nueva tecnología de fabricación en la Sala Blanca del IMB-CNM que permite la integración de detectores LGAD tipo diodo (1D), con configuración segmentada (2D) y celular (3D). Finalmente se ha realizado una exhaustiva caracterización tecnológica y eléctrica sobre oblea, así como una campaña de irradiación en prototipos encapsulados en formato adecuado a la electrónica de medida y a la fuente radiactiva utilizada.

Semiconductor devices, especially those based on MOS gate control, subjected to a high dose of radiation, suffer from a fast deterioration of their electrical characteristics. Furthermore, the miniaturization and the thinning of the different layers used in device fabrication, enhance the radiation sensitivity. Thus, in order to design new radiation hard devices, a new methodology for numerical simulation of irradiated material is developed since the results obtained using the available commercial tools do not match reality. The procedure emulates the generation of electron-hole pairs in the semiconductor volume and the subsequent transient evolution. The accuracy of the simulation process is corroborated with experimental measurements on power MOS transistors for DC / DC converters supplied by IHP Microelectronics (DE).

The main research effort is addressed to the design and manufacture of radiation detectors based on power PiN diodes. Modern experiments of High Energy Physics require the increasing use of high performance radiation detectors in terms of compactness, speed of response and radiation hardness. The low cost and high maturity of Silicon technology has favored the development of different designs with very accurate energy and spatial resolution as well as adequate timing properties for most of the applications. However, the use of these detectors in harsh environments is one of the most critical issues, since the damage introduced by the radiation degrades the signal quality and increases the noise, leading to a loss of spatial, energy and time resolution.

A solution to prevent the response degradation is the inclusion of an internal multiplication mechanism that amplifies the detected signal without changing the level of noise. Therefore, the signal amplitude reduction is partially compensated and the detector life time is increased. Besides, the better signal-to-noise ratio improves the sensitivity of the measurements, allowing the detection of smaller signal amplitudes and reducing the detector thickness.

The well-known Avalanche Photodetector (APD) concept incorporates a multiplication mechanism for the electron-hole pairs in the high electric filed region inherent to a reverse-biased PN junction. However, the high gain values obtained in most of the APDs prevents their use in many of the current High Energy Physics experiments, since the test setup becomes saturated and noise excessively amplified.

Avalanche detectors with moderate gain (Low Gain Avalanche Detector, LGAD) have been developed. These devices are based on the APD structure, where the impurity profiles are optimized to reach gain values in the range of 10-20. To this aim, specific termination techniques for shallow junctions in highly resistive substrates (kΩ·cm) are designed, as well as new technological solutions for the minimization of surface leakage current. In addition, a new versatile process technology has been setup in the IMB-CNM clean room for the fabrication of LGAD detectors (1D), segmented strip configuration (2D) and pixel configuration (3D). Finally, an extensive technological and electrical characterization on wafer is carried out, and some irradiation tests on fabricated prototypes are performed to corroborate the detector performance.