Proposta di Esperimento di gruppo V INFN BUG-EYE Dott. Alessandro Gabrielli Dipartimento di Fisica - Bologna 1
BUG-EYE a Based on latchup ignition Experiment for the fabrication of a micro-eye pixel-like sensor) Proponenti Dott. A. Gabrielli 1 (60%), prof. F. Palmonari 1 (20%), prof. R. Campanini 1 (30%), Dott. F.Odorici 2 (20%), IRST 3 (1) Dipartimento di Fisica Università di Bologna, (2) INFN Sezione di Bologna, (3) ITC-IRST Trento Scopo dell esperimento L esperimento propone lo studio e la costruzione di un rivelatore a stato solido costituito da una matrice bidimensionale di microcelle sensibili a particelle che possano indurre, direttamente o indirettamente, una carica nel silicio. Diversamente dai rivelatori a stato solido attualmente applicati negli esperimenti di fisica, quello proposto sfrutta l effetto latchup che si presenta nei dispositivi CMOS di tipo standard. L esperimento proposto ha il fine di controllare l effetto latchup affinché non sia uno dei tanti fenomeni indesiderati nei dispositivi elettronici CMOS ma, al contrario, si dimostri un principio utile da sfruttare per la rivelazione di particelle. 2
Prototipo nel 2006 - dimensione laterale della singola cella del prototipo dell ordine di alcune decine di µm, - risoluzione spaziale dell ordine di 10 µm, Le caratteristiche sopra elencate sono compatibili con i processi tecnologici attualmente sviluppabili dall istituto ITC-IRST di Trento che è in grado di realizzare il prototipo. Vantaggi rispetto a un tradizionale detector a stato solido - operativo a temperatura ambiente (non richiede una temperatura controllata), - bassa tensione di polarizzazione (dell ordine del Volt) - segnale di uscita digitale non richiedente amplificazione e conversione A/D, - carica di soglia regolabile (pre-bias dei BJT parassiti), - intrinsecamente rad-hard. Possibili Applicazioni Rivelatore di particelle ionizzanti, Monitor di fascio 3
Potenzialità e sviluppi futuri Aumento della risoluzione spaziale Geometrie scalate per aumentare la risoluzione spaziale e di carica Se si realizzasse un secondo rivelatore a 0.18 µm ogni cella potrebbe essere contenuta in un area di pochi µm 2. La risoluzione spaziale risulterebbe dell ordine del µm. Eventualità alla luce dei risultati ottenuti con il prototipo dell IRST ed in base alla capacità di controllo della sensibilità attraverso i potenziali di bulk e di well 4
Tolleranza dell elettronica alle radiazioni Long Term Ionizing Radiation Effects (total dose:tid) In Si at the rate of 3.6 ev per hole-electron pairs, in SiO 2 at the rate of 18 ev per hole-electron pairs, - there is a net positive trapped charge density in the SiO 2, - interface traps can degrade the channel mobility and change the bulk resistivity, - leakage path creation, - deplete the p-type region under the oxide. Transient Ionizing Radiation Effects (dose rate) - Single Event Effects (SEE) - SEU, single event upset, - SET, single event transient, - SEL, single event latchup (il( fenomeno si presta come principio di rivelazione), - SEFI, single event functional interrupt, - SEGR, single event gate rupture, - SEB, single event burnout. 5
Single Event Effect (Ionizzazione Diretta) COMMUTAZIONE LOGICA EFFETTO DI SOLITO REVERSIBILE PERICOLOSO IN LOCIGA PROGRAMMABILE E RAM Inoltre possiamo avere interazioni nucleari con ionizzazioni secondarie (cattura di neutroni B) 6
Single Event Latchup CORTO-CIRCUITO EFFETTO ANCHE IRREVERSIBILE (power-mos)!! AVVIENE ANCHE SE NON LO VOGLIAMO.. FIGURIAMOCI SE LO CERCHIAMO!! 7
Cross-section of a p-substrate cell proposed for BUG-EYE 50 µm Senza controllo Well-Bulk 50 µm Con controllo Well-Bulk 8
Well-Bulk controlled cell Equivalent Circuit Look at!! 9
Spice simulation of the proposed cell for the latchup-based detector Con parametri commerciali di BC848 discreti abbiamo, ad esempio: 1.5 ma _ 3 ns = 4500 fc Scalando la tecnologia contiamo di ridurre notevolmente la soglia di innesco! RUN 10
M.I.P. energy = 2 MeVcm 2 /g, Case Study Si density = 2.33 g / cm 3, Si depth = 30 _m, Collected energy = 2 _ 10 6 _ 2.33 _ 30 _ 10-4 = 14 kev Injected charge 0.6 fc Assume a 1 MeV proton in silicon has a mean stopping length < 30 _m (cell depth) and 3.6 ev are required to generate an electron-hole couple. In the proposed latchup-based cell the proton stops and generates 2.8_10 5 pairs that correspond to a charge of 45 fc 1 MeV Ion (Z=10) Injected charge 4500 fc 11
30 micron 12
CONCLUSIONI L esperimento si prefigge di costruire, nell arco dei due anni solari 2005-2006, un prototipo di rivelatore tipo pixel a stato solido, basato sull effetto latchup, con le seguenti caratteristiche: - implementato in tecnologia ITC-IRST non deep sub-micron, - operativo anche a temperatura ambiente, - bassa tensione di polarizzazione (dell ordine del Volt), - segnale di uscita digitale non richiedente amplificazione e conversione A/D, - risoluzione spaziale dell ordine di 10 µm, - potenziali applicazioni: rivelatore di particelle ionizzanti, monitor di fascio, - intrinsecamente rad-hard. 13