Monolithic silicon pixel detector in SOI technology design, realization and characterization

Abstract

Praca poświęcona została zagadnieniom związanym z wykonaniem w technologii SOI (z ang. „Silicon On Insulator") krzemowych monolitycznych detektorów mozaikowych z aktywnymi komórkami. W rozprawie przedstawiono koncepcję detektora promieniowania jonizującego, wykorzystującego specyficzną strukturę płytek podłożowych SOI - obecność cienkiej warstwy aktywnej krzemu odizolowanej warstwą dielektryka od warstwy krzemu stanowiącej wsparcie mechaniczne. Autorka przedstawiła sposób, w jaki wspomniana konfiguracja może być praktycznie wykorzystana do realizacji diod detektora krzemowego w dolnej warstwie półprzewodnika, zaś elektroniki odczytowej - w górnej. Omówiła technologię wytwarzania monolitycznych detektorów SOI oraz proces weryfikowania i charakteryzowania tej technologii (projekt oraz badania dedykowanych struktur testowych, umożliwiających pomiar charakterystyk elementów układów scalonych, ekstrakcję podstawowych parametrów tranzystorów, oszacowanie rozrzutów parametrów technologicznych elementów oraz ocenę jakości złącz czułych na promieniowanie nowego detektora). Następnie przedstawiła projekt i optymalizację szumową prototypowych detektorów SOI (niewielkich matryc 64 komórek sensora oraz bardziej rozbudowanych struktur, składające się z 2304 lub 16 383 komórek) oraz zaprezentowała i przeanalizowała wyniki pomiaru parametrów rozwijanych detektorów SOI. Wskazała również na dalsze perspektywy rozwoju projektu.

The dissertation shows that one of the possible ways of the realization of a monolithic active pixel detector is exploitation of the SOI (Silicon On Insulator) technology based on the wafer-bonding process. Since a common SOI wafer consists of a thin layer of single-crystal silicon (device layer), separated from a bulk silicon substrate (support) by an electrically insulating layer, it is proposed to utilize the silicon support layer as the radiation sensitive substrate of the monolithic detector and to fabricate the readout electronics in a conventional way in the device layer. The major difficulty in the realization of the monolithic sensors in the SOI technology is necessity of the development of dedicated, non-standard technology. For that reason, the author proposed and characterized a number of test structures, which allowed validation and parameters extraction of basic elements of the active sensors: transistors, detector junctions and modules of readout electronics. The developed technology allowed the author to design and characterize first prototypes of the new SOI detectors. Performed tests showed sensitivity of the manufactured sensors to minimum ionizing particles and low energy gamma radiation. Last chapter of the dissertation describes perspectives of further developments in the field of the SOI detectors.