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Random telegraph signal in CMOS single photon avalanche diodes
(2019-05-21) Fiore, Daniela; Critelli, Salvatore; Pace, Calogero; Crupi, Felice; Di Capua, Francesco; Tomarchio, Elio Angelo
This dissertation is focused on single photon devices that have triggered a real revolution in the world of imaging, the Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). These devices acquired immediately a great interest in the field of single photon imaging, since they showed great performances in several fields, such as quantum mechanics, optical fibres, fluorescent decays and luminescence in physics, chemistry, biology, medical imaging, etc. These applications require single photon detectors able to assure high performances in photon counting, such as high photon detection efficiency, high speed and extremely low noise detection. The interest on SPAD became wider as they have been implemented in Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technology, reaching the integration of quenching and post-processing circuits on the pixel itself. The high timing and spatial resolution, the low power performance, the easy integration of circuits made CMOS SPADs the best choice in the field of single photon detectors. The ability to detect individual photons with very high timing resolution, at the order of few tens of picoseconds, and with an internal gain of 106 allowed to reduce the complexity in amplification circuit. However, SPAD performance is also influenced by Dark Count Rate (DCR), i.e. no-photon induced count rate, and by Random Telegraph Signal (RTS) occurrence, i.e. DCR discrete fluctuations. DCRs are mainly due to defects introduced in the semiconductor lattice and in the oxide during the fabrication process. In addition, radiation environment can induce new defects in the silicon structure, knows as radiation-induced defects. These defects or cluster of defects create new energy levels in the bandgap and cause the generation of carriers in depletion regions through thermal processes (Shockley Read-Hall, SRH, processes) and tunneling processes. This results in the increase of the mean dark current and in RTS. An increased occurrence of RTS effects degrades the performances of the devices, since the randomisation of this signal makes impossible to calibrate correctly the device. Therefore, it is important to investigate RTS behaviour and recognize the defects involved in this mechanism. The identification of defects responsible for RTS and the understanding of its evolution could be very useful to limit the effects on the devices operating in radiation environment. The thesis is structured in four chapters. The first chapter introduces the semiconductor-based photodetectors, the evolution of these devices until to CMOS Single-Photon Counting Detectors (SPADs). SPADs are described in detail, by explaining the working principle and the associated electronic circuits. SPAD performances are also discussed, taking into consideration the crosstalk and afterpulse. The second chapter explains the mechanisms responsible for DCR increase and RTS occurrence, focusing on generated electron-hole pairs due to thermal trap-assisted transition or to trap-assisted tunnelling (TAT) and band-to-band tunnelling (BTBT) at high electric field. RTS phenomenon is described and several theoretical models to explain its origin are presented in this chapter. The third chapter describes SPADs device investigated in the experimental analysis, focusing on two different layouts implemented in the test-chip: P+/Nwell and Pwell/Niso layout. The experimental setup and SPAD characterization before irradiation is reported. The fourth chapter describes the proton irradiation test and presents the experimental RTS data and the evolution in frequency and time domain. The chapter reports also the experimental results obtained by RTS investigation on two different SPAD layouts. The results allowed to hypothesize an explanation involved in RTS phenomenon.
Techniques and facilities for neutron irradiation testing of power electronics devices
(2018-05-21) Marchese, Nicolò; Critelli, Salvatore; Crupi, Felice; Tomarchio, Elio Angelo
Il percorso dottorale ha avuto fin dal suo inizio il chiaro obbiettivo di formare una figura altamente specializzata nell’ambito della ricerca industriale. Tema centrale del percorso di dottorato è stato quello del test con neutroni di dispositivi elettronici di potenza. Tali dispositivi, oggi largamente impiegati nei sistemi per la generazione, trasporto e trasformazione dell’energia (PV Plants, Wind Farms, Power Systems), rappresentano il fulcro dei moderni sistemi di elettronica di potenza e ne caratterizzano drasticamente l’affidabilità. I dispositivi elettronici di potenza, oltre ad essere soggetti alle normali sollecitazioni operative, sono sottoposti agli stress derivanti dall’ambiente in cui operano. Negli ultimi decenni è divenuto sempre più rilevante l’effetto che i neutroni atmosferici hanno su tali dispositivi (Single Event Effects, SEEs) e quanto tale effetto possa compromettere irrimediabilmente il funzionamento dei dispositivi stessi e l’affidabilità dei sistemi in cui vengono impiegati. Nell’ottica più ampia dettata dalla stipula del Protocollo di Kyoto (1997), che pone in primo piano la tematica dell’efficienza energetica nei settori più rilevanti nelle economie nazionali, il tema dell’affidabilità dei sistemi di generazione, trasformazione e trasporto dell’energia ricopre un ruolo fondamentale, e ha sostenuto e motivato il lavoro di studio e ricerca portato avanti nel percorso dottorale. Il triennio ha dunque visto l’avvicendarsi di periodi di studio e approfondimento personale riguardo le tematiche trattate, la partecipazione a corsi, seminari e convegni inerenti il tema dell’attività di ricerca, periodi di attività di progettazione e di sperimentazione, nonché l’attività di promozione dei risultati ottenuti. Il percorso dottorale può essere sostanzialmente suddiviso in due rami: 􀁸 Tecniche di test con neutroni di dispositivi elettronici di potenza, 􀁸 Progettazione e caratterizzazione di facility di test con neutroni. Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più idonea è risultata essere la facility di irraggiamento con neutroni ChipIr, situata presso il Rutherford Appleton Laboratory (UK). L’attività sperimentale è stata dunque proposta ai responsabili della facility, Dr Christopher Frost e Dr. Carlo Cazzaniga, che hanno dimostrato il loro interesse proponendo un periodo di attività di studio e ricerca di cinque mesi. Acquisite dunque le informazioni relative alla facility è stato possibile predisporre e adeguare la strumentazione al fine di ottimizzare le procedure di test e di ottenere i risultati auspicati. Le attività presso la facility ChipIr sono state svolte nel periodo da inizio febbraio a fine giugno 2017. Nella prima fase della sperimentazione è stata predisposta la strumentazione di test e adeguata alle condizioni operative della facility. Si è proceduto alla caratterizzazione preliminare dei dispositivi e alla prima sperimentazione con neutroni. Nella prima sperimentazione tre tipologie di dispositivi Power MOSFET sono stati sottoposti ad irraggiamento neutronico per lo studio dell’andamento delle soglie di SEEs. L’elaborazione dei dati ottenuti ha evidenziato quanto ipotizzato in precedenza mostrando l’esistenza di una correlazione diretta tra le caratteristiche del dispositivo e le soglie per l’insorgenza dei SEEs. È stata dunque predisposta una seconda campagna sperimentale su nuovi dispositivi, al fine di consolidare i dati dell’indagine riguardo la natura a soglia del fenomeno. Parallelamente sono stati programmati i test di valutazione dei tassi di guasto dei dispostivi, che hanno permesso di studiare il comportamento sotto irraggiamento dei dispositivi in diverse condizioni operative. L’attività di progettazione e caratterizzazione di facility di test con neutroni è stata portata avanti parallelamente a quella di test. Relativamente a tale attività, è stato portato avanti uno studio preliminare sulle caratteristiche richieste dagli standard internazionali per le facility destinate al test con neutroni di dispositivi elettronici. Le competenze acquisite attraverso lo studio degli standard sono state affiancate a quelle maturate sui codici di simulazione basati su metodo Monte Carlo (MCNP). Nel corso del primo anno di dottorato è stata intrapresa una collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Messina. Il tema della collaborazione ha riguardato la progettazione di una schermatura per l’impiego indoor di una sorgente di neutroni compatta. La sorgente neutronica, basata sulla reazione deuteriodeuterio, è stata acquisita per essere impiegata nell’ambito degli studi sulla biofisica e sulle interazioni dei neutroni con i dispositivi elettronici. La progettazione della schermatura ha avuto come obbiettivi principali la possibilità di impiego della sorgente in laboratorio, e quindi un obbiettivo primario di tipo radioprotezionistico, e la progettazione di una facility idonea allo svolgimento di attività di test sui dispositivi elettronici. Per la progettazione preliminare sono stati individuati i materiali più idonei alla realizzazione della schermatura ed è stato realizzato un modello 3D della stessa. Valutazioni preliminari sulla capacità schermante sono state effettuate a partire dalla conoscenza delle caratteristiche schermanti dei materiali scelti (Cross Section di Rimozione). Il modello 3D è stato implementato in una simulazione MCNP al fine di verificare le valutazioni preliminari. Il progetto della schermatura è stato sottoposto alla valutazione dell’esperto qualificato dell’Università di Messina, che ne dovrà valutare l’idoneità ai requisiti radioprotezionistici, prima di procedere al commissioning. Nell’ambito della progettazione di facility per il test con neutroni è stato presentato una proposta per la realizzazione di una sorgente neutronica basata sull’interazione 7Li(p,n)7Be. Sorgenti di questo tipo, definite “quasi-monoenergetiche” possono essere impiegate per il test di dispositivi elettronici, come indicato dagli standard. La proposta è stata presentata nel contesto della Call for Experimental Proposals with the Tandem accelerator 2016, dei Laboratori Nazionali del Sud di Catania. L’esperimento, approvato dal comitato scientifico dei LNS, è stato svolto nel marzo 2017, in collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Napoli “Federico II”. L’esperimento, denominato NSPP, ha visto l’utilizzo di un fascio di protoni per l’irraggiamento di un target di Litio. La produzione di neutroni è stata verificata con misure di attenuazione effettuate tramite un neutron counter. È stato parallelamente sviluppato un modello MCNP necessario ad effettuare valutazioni preliminari per il prosieguo dell’esperimento. Lo scorso 31 ottobre è stata presentata la proposta di proseguimento dell’esperimento NSPP che ha come scopo quello di caratterizzare la sorgente neutronica ottenuta nella prima fase