Estudio del efecto de la radiación por partículas cargadas en dispositivos semiconductores para aplicaciones espaciales
2023
| Tesista | María Luján IBARRA Licenciada en Química, Universidad Nacional de Mar del Plata - Argentina |
| Director | Dr. Martín A. Alurralde. CNEA - Argentina |
| Lugar de realización | Departamento de Energía Solar - CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 21/11/2023 |
| Jurado | Dr. Enrique Miranda. U.A.B - España Dr. Pablo Levy. CNEA, CONICET - Argentina Dr. Jose Lipovetzky. CNEA, CONICET - Argentina - Argentina |
| Código | ITS/TD-172/23 |
Título completo
“Estudio del efecto de la radiación por partículas cargadas en dispositivos semiconductores para aplicaciones espaciales”.
Resumen
El espacio es un ambiente extremadamente hostil para los satélites. Sus componentes electrónicos están sometidos al bombardeo de las partículas cargadas, que degradan su funcionamiento. Por esta razón es necesario que estos componentes estén calificados para uso espacial de manera de asegurar su correcto desempeño durante toda la misión satelital.
Esta Tesis se desarrolló en el Departamento Energía Solar (DES) de la Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina (CNEA) que cuenta con un Grupo de Daño por Radiación, dedicado al estudio del comportamiento de materiales y dispositivos electrónicos en el ambiente espacial. Este Grupo desarrolló una facilidad experimental EDRA (Ensayos de Daño por Radiación y Ambiente) en el acelerador TANDAR, que permite simular el entorno espacial.
El daño por radiación que experimentan los dispositivos se clasifica de acuerdo a la partícula, su energía, la interacción con el material y mecanismo de dispersión, en dos grupos: daño acumulado o producido por un único evento. La línea EDRA contaba con la posibilidad de realizar experimentos de daño acumulado, que permiten estudiar la degradación de los dispositivos a largo plazo, pero no contaba con la posibilidad de realizar experimentos para el estudio del daño por evento único ya que se requería una modificación de la línea de irradiación, así como del sistema de adquisición. Una parte de esta Tesis consiste en el desarrollo de las modificaciones para medir efectos de evento único.
Para comprender el daño por radiación en ambiente espacial se realizó una descripción de las partículas presentes, su energía y su interacción con la materia. Luego se introdujo en la Física del Estado Sólido de un capacitor MOS ideal, y se simulan las curvas de Capacidad- Tensión (C-V), con el objetivo de optimizar el espesor del óxido de silicio (SiOx) y el diseño del dispositivo a fabricar.
Una vez elaborados los dispositivos, se realizó la caracterización eléctrica mediante la obtención y análisis de las curvas de Capacidad-Tensión, y su caracterización estructural mediante la medición de la reflectividad espectral en el intervalo UV-visible y el uso de técnicas de rayos X.
Con los dispositivos elaborados ad hoc se realizaron experimentos de daño acumulado con protones de 10 MeV, e iones oxígeno de 25 MeV en el acelerador de iones pesados TANDAR de la CNEA. Los dispositivos fueron caracterizados eléctricamente antes y durante las irradiaciones, y se obtuvieron sus parámetros característicos.
Por otra parte, se estudiaron las condiciones necesarias para la realización de experimentos de evento único en un acelerador de partículas. Con este objetivo se diseñó un prototipo de atenuador de tantalio (Ta) que, colocado en la línea de irradiación, permitiera reducir la intensidad del haz para obtener valores de fluencia del orden de miles de partículas/cm2.s. Se realizaron una serie de simulaciones Montecarlo para determinar el espesor del atenuador, así como la distribución espacial de las perforaciones y sus diámetros. Una vez fabricado el prototipo, se caracterizó estructuralmente utilizando perfilometría óptica, microscopia óptica y electrónica de barrido. Con los resultados se optimizó el proceso de fabricación, y se elaboraron tres atenuadores de Ta con diferentes factores de atenuación.
Para caracterizar el haz de partículas luego de pasar por los atenuadores, se utilizaron folias de policarbonato como detectores sólidos de trazas nucleares. Se irradiaron con iones oxigeno de 50 MeV e iones yodo de 83 MeV. Luego de la irradiación se revelaron las trazas que dejaron los iones mediante un ataque químico y se observaron en un microscopio óptico, tomando micrografías de cada muestra. Se contaron las trazas en cada micrografía y se obtuvieron las posiciones x,y de cada traza. Su distribución se estudió aplicando estadística espacial en 2D, y se verifico la homogeneidad del haz en las folias luego de pasar por el filtro de Ta. Por último, se realizó el primer experimento de evento único en la facilidad EDRA, irradiando una cámara web con protones de 8 MeV.
Esta Tesis ha permitido desarrollar técnicas fabricación para elaborar dispositivos para la medición in situ durante los experimentos de radiación cuyos resultados pueden aplicarse al diseño y desarrollo de sistemas electrónicos más resistentes a ambientes hostiles. También se logró la modificación de la línea EDRA que permite realizar experimentos de evento único, lo que permitirá calificar dispositivos comerciales para el uso espacial, disminuyendo así el costo de las misiones satelitales.
Complete Title
Study of the radiation effect of charged particles on semiconductor devices for space applications
Abstract
Space is a hostile environment for satellite. Their electronic components are subject to energetically particles bombardment, which degraded of their performance. For this reason, all components must be qualified for space application to assurance their behavior during the space mission.
This thesis was developed at the DES (Departamento Energía Solar/ Solar Energy Departament) of the CNEA (Comisión Nacional de Energía Atómica/ Argentine National Atomic Energy Commission), which has a Radiation Damage Group dedicated to study the behavior of materials and electronic devices in space environment. This group has built an experimental facility at TANDAR accelerator that allows us to simulate the space environment.
The radiation damage experienced by devices is classified according to the particle, its energy, the interaction with the material and dispersion mechanism, into two groups: accumulated damage or damage produced by a single event. The EDRA line had the possibility of carrying out cumulative damage experiments, which allow studying the long-term degradation of devices, but it did not have the possibility of carrying out experiments to study damage per single event since a modification of the the irradiation line, as well as the acquisition system. A part of this Thesis consists of the development of modifications to measure single event effects.
To understand radiation damage on space environment a description of particles, energies and their interaction with matter was made. Then a review on Solid State Physics of ideal MOS capacitor was made, a Capacitance-Voltage (C-V) curve was obtained by theoretical simulation to optimize the thickness of the silicon oxide SiOx and the design of the device to elaborate.
After the samples were fabricated, the electrical characterization was carried out by obtaining and analyzing the Capacitance-Voltage curves, and their structural characterization by measuring the spectral reflectivity in the UV-visible range and the use of X-ray techniques.
Radiation damage experiments were performed on the ad hoc MOS capacitors with 25 MeV oxygen ions and 10 MeV protons in our beam line at the heavy ion accelerator TANDAR. C-V curves were obtained afterwards and during the irradiation experiment and from the curves obtained the characteristic parameters were estimated.
Moreover, the principal requirement for a single event experiment at a particle accelerator was review. Tantalum (Ta) filters prototypes were proposed to produce a strong reduction of the beam intensity to achieve a flux of thousands of particles/cm2. To design and optimize the Ta filter, a series of MonteCarlo simulation using TRIM code were done. This allows us to determine the filter thickness, and the number and the spatial distribution of the holes. After the prototypes were fabricated, optical perfilometer and optical microscope and scanning electronic microscope were used to characterized. With the optimized fabrication process, three filters were fabricated with different attenuation factors.
To characterize the particle beam after passing through the attenuators, polycarbonate sheets were used as solid nuclear trace detectors. They were irradiated with oxygen ions of 50 MeV and iodine ions of 83 MeV. After irradiation, the traces left by the ions were revealed through chemical attack and observed in an optical microscope, taking micrographs of each sample. The traces in each micrograph were counted and the x,y positions of each trace were obtained. Its distribution was studied by applying 2D spatial statistics, and the homogeneity of the beam in the leaves was verified after passing through the Ta filter. Finally, the first single-event experiment was performed at the EDRA facility, irradiating a webcam with 8 MeV protons.
This Thesis has allowed us to develop manufacturing techniques to develop devices for in situ measurement during radiation experiments that can be applied to the design and development of electronic systems that are more resistant to hostile environments. The modification of the EDRA line was also achieved, allowing for single-event experiments to be carried out, which will allow commercial devices to be qualified for space use, thus reducing the cost of satellite missions.
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