Effetti di danneggiamento da radiazione su dispositivi al silicio per l'esperimento PANDA

PANDA è un esperimento di fisica sub-nucleare a bersaglio fisso, il cui funzionamento è previsto per il 2017. Si svolgerà presso il laboratorio GSI di Darmstadt, in Germania, come parte del programma di ricerca della struttura FAIR (Facility per la ricerca di antiprotoni e ioni). In questo lavoro, sono stati effettuati studi circa gli effetti causati da danni da radiazioni su materiali di silicio epitassiale, su cui saranno basati i rivelatori a pixel ibridi per il Micro Vertex Detector (MVD). Sono state eseguite prove di danni di spostamento con neutroni da reattore nucleare su alcune strutture di test, fatte di silicio epitassiale, caratterizzate da differenti valori di resistività e con diversi spessori. In particolare, in questo lavoro, il danno da radiazioni è stato studiato su diodi di spessore epitassiale, pari a 50, 75 e 100 micro, studiando le variazioni dei più importanti parametri elettrici, come tensione di svuotamento totale del diodo e densità volumica di corrente, utilizzando misurazioni di capacità-tensione (CV) e corrente-tensione (IV). In tutti i dispositivi studiati, si è verificato il fenomeno dell'inversione di tipo. Questa tesi è stata sviluppata presso l'INFN, sezione di Torino. La caratterizzazione dei wafers epitassiali, dopo la produzione dei pixel, è stato fatta presso la FBK IRST di Trento. L'irraggiamento neutronico è stato eseguito presso il laboratorio LENA di Pavia.

PANDA is a fixed target sub-nuclear experiment, scheduled for operation in 2017. It will take place at the GSI laboratory in Darmstadt, Germany, as a part of the research program of the FAIR facility. In this work, a study of the radiation damage effects on epitaxial materials, on which the hybrid pixel detectors for the Micro Vertex Detector (MVD) will be based, have been performed. Displacement damage tests with neutrons from nuclear reactor have been performed on some test structures, made of epitaxial silicon, characterized by different resistivity values and by different thicknesses, showing the annealing effects. In particular, in this work, radiation hardness of 50 mm, 75 mm and 100 mm thicknesses epitaxial silicon diodes was investigated, studying electrical parameters variations trends, as full depletion voltage and diode volume current, using capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) measurements. In all the devices under study, the type inversion phenomenon was observed.This thesis has been developed at the INFN, section of Turin. Epitaxial wafers characterization, after the pixel manufacturing, has been done at the FBK-IRST in Trento. Neutron irradiation was performed at the LENA laboratory, in Pavia.