Modelisation and conception for photo - detection pixeles bared or Pin diodes from amorplious ans polymorplious silicon obtained by their layers deposition through o plasma. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2008

Modelisation and conception for photo - detection pixeles bared or Pin diodes from amorplious ans polymorplious silicon obtained by their layers deposition through o plasma.

Conception et modélisation des pixels de photodétection. Photodiodes PIN en silicium amorphe et polymorphe en vue de leurs utilisations comme détecteurs de particules.

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Abstract

Since its creation the PICM laboratory has sought to develop new applications for hydrogenated amorphous silicon, a-Si: H. The research done has revealed that the a-Si:H is a material ideally suited for the detection of particles, while being resistant to radiation. It also has a low manufacturing cost, is compatible with existing technology and can be deposited over large areas. Thus, despite the low local mobility of charges (30 cm2 V-1 s -1 ), a-Si:H is a material of particular interest for manufacturing high-energy particle detection pixels. As a consequence of this, a collaboration with the LLR2 was formed during this PhD thesis in order to design and implement an experimental pixel stacked structure based on a- Si:H as a basic sensor element for an electromagnetic calorimeter. The structure of such a pixel consists of different components. First, a silicon PIN diode in a-Si:H is fabricated, followed by a bias resistor and a decoupling capacitor. Before such a structure is made and in order to optimize its design, it is essential to have an efficient behavioural model of the various components. Thus, our primary goal was to develop a two-dimensional physical model of the PIN diode using the SILVACO finite element calculation software. This a-Si:H PIN diode two-dimensional physical model allowed us to study the problem of crosstalk between pixels in a matrix structure of detectors. In particular, we concentrated on the leakage current and the current generated in the volume between neighbouring pixels. The successful implementation of this model in SPICE ensures its usefulness in other professional simulators and especially its integration into a complete electronic structure (PIN diode, bias resistor, decoupling capacity and low noise amplifier). Thanks to these modelling tools, we were able to simulate PIN diode structures in a- Si:H with different thicknesses and different dimensions. These simulations have allowed us to predict that the thicker structures are relevant to the design of the pixel detectors for high- energy physics. Applications in astronomy, medical imaging and the analysis of the failure of silicon integrated circuits, can also be envisioned. From a technological point of view, we focused on controlling the entire production chain (the choice of the electrode's material, the deposition sequence, the design of the masks and the clean room lithography). Thus, for example, we propose that the optimum material for the resistors and capacitors electrodes is Titanium, but due to its work function it is not recommended for manufacturing PIN diodes.
Depuis sa création le laboratoire PICM a toujours cherché à développer de nouvelles applications pour le silicium amorphe hydrogéné, a-Si:H. Les recherches effectuées ont mis en évidence que le a-Si:H est un matériau parfaitement adapté pour la détection des particules tout en étant résistant aux radiations. Il a en outre un faible coût de fabrication, il est compatible avec les technologies déjà existantes et il peut être déposé sur de grandes surfaces. Ainsi, malgré la faible mobilité locale des charges (30 cm2 V-1 s -1 ), le silicium a-Si:H est un matériau particulièrement intéressant pour la réalisation de pixels de détection de particules de haute énergie. Il nous a donc paru logique de nous intéresser, en collaboration avec le laboratoire LLR1 et dans le cadre de cette thèse, à la conception et à la réalisation expérimentale d'une structure empilée de pixels à base de silicium a-Si:H, comme élément de base d'un détecteur d'un calorimètre électromagnétique. Ainsi, les composants qui constituent la structure d'un tel pixel sont tout d'abord une diode PIN en silicium a-Si :H puis en superposition une résistance de polarisation et un condensateur de découplage. Avant de réaliser à proprement parler une telle structure et afin d'optimiser au mieux sa conception, il est indispensable de posséder des modèles comportementaux performants des différents composants. Ainsi, notre objectif primordial a été de concevoir un modèle physique bidimensionnel de la diode PIN à l'aide du progiciel SILVACO de calcul par éléments finis. Ce modèle physique bidimensionnel de la diode PIN en a-Si:H nous a permis d'étudier le problème de diaphonie entre pixels dans une structure matricielle de détecteurs. Nous avons ici plus particulièrement mis en évidence le courant de fuite ainsi que le courant généré dans le volume entre pixels voisins. La transposition de cette modélisation dans une approche comportementale de type SPICE, que nous avons réalisé ensuite, nous permet de garantir la portabilité du modèle vers d'autres simulateurs professionnels et surtout son intégration dans une structure électronique complète (diode PIN, résistance de polarisation, capacité de découplage et amplificateur bas bruit). Grâces à ces outils de modélisation, nous avons pu simuler des structures de diodes PIN en a-Si:H de différentes épaisseurs et de différentes dimensions. Ces simulations nous ont permis de prédire que les structures épaisses sont pertinentes pour la conception de détecteurs pixels pour la physique de haute énergie. Nous pouvons aussi envisagé des applications en astronomie, dans le domaine de l'imagerie médicale, dans l'analyse de la défaillance des circuits intégrés en silicium, etc. D'un point de vue technologique, nous nous sommes attachés à maîtriser l'ensemble de la chaîne de fabrication (tel que le bon choix des matériaux métalliques pour les électrodes, l'enchaînement des dépôts, la conception des masques et la lithographie en salle blanche). Ainsi, nous pouvons citer comme exemple, que le matériau optimal que nous proposons pour les électrodes des résistances et des capacités est le Titane, mais à cause de sa fonction de travail de sortie ce dernier est déconseillé pour la réalisation de diodes PIN.
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Dates and versions

pastel-00004376 , version 1 (21-07-2010)

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  • HAL Id : pastel-00004376 , version 1

Cite

Razvan Negru. Conception et modélisation des pixels de photodétection. Photodiodes PIN en silicium amorphe et polymorphe en vue de leurs utilisations comme détecteurs de particules.. Physique Numérique [physics.comp-ph]. Ecole Polytechnique X, 2008. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00004376⟩
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