Laboratorio di Strumentazione Elettronica

1. Laboratorio di Strumentazione Elettronica Proposte di attività per il Progetto Elettronico per gli studenti del Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

2. Gruppo di ricerca Lodovico Ratti, responsabile del Laboratorio di Strumentazione Elettronica Stretta collaborazione con gruppo del prof. Valerio Re dell’Università di Bergamo (Massimo Manghisoni, Gianluca Traversi) Tre dottorandi attualmente impegnati in attività di ricerca presso il nostro gruppo: Alessia Manazza, Emanuele Quartieri e Stefano Zucca

3. Linee di ricerca Progetto e caratterizzazione di elettronica di lettura in tecnologia CMOS per rivelatori di radiazione ad elevata risoluzione spaziale (pixel) Sensori monolitici in tecnologia CMOS da 130 nm ad integrazione verticale (3D) Sensori monolitici in tecnologia CMOS INMAPS da 180 nm Caratterizzazione di dispositivi realizzati con tecnologie innovative Caratterizzazione di tecnologie CMOS submicrometriche planari (Lmin=40 nm) Caratterizzazione di tecnologie CMOS submicrometriche ad integrazione verticale (Lmin=130 nm) Studio degli effetti delle radiazioni su dispositivi e circuiti Sensori monolitici e dispositivi singoli realizzati in tecnologia CMOS 3D Sensori monolitici e dispositivi singoli (diodi) realizzati in tecnologia CMOS INMAPS

4. Rivelatori di radiazione: come funzionano Un rivelatore di radiazione ha la stessa struttura di un diodo polarizzato in regione inversa La carica rilasciata in seguito al passaggio di una particella viene raccolta ad un elettrodo (moto per deriva o per diffusione) In un sensore monolitico il rivelatore ed i circuiti di lettura sono realizzati sul medesimo substrato

5. A cosa servono Un rivelatore di radiazione può servire a misurare la quantità di energia rilasciata da una particella l’intensità o dose della radiazione (ovvero il numero di particelle incidenti) il tempo di arrivo di una particella la posizione in cui una particella attraversa una certa superficie (o la direzione lungo la quale la particella si muove, in questo caso sono richiesti almeno due strati di rivelatori) tracce superficie esterna rivelatore a pixel superficie interna y x vertice (origine)

6. Dove si usano Diagnostica medica Riconoscimento e datazione di opere d’arte Astronomia spaziale Fisica delle particelle

7. Pixel monolitici in tecnologia CMOS 2D e 3D Sensori di radiazione monolitici realizzati con una tecnologia CMOS da 130 nm in tecnologia planare e ad integrazione verticale WB/BB pad TSV Applicazioni nella fisica delle alte energie ed in campo biomedico (esame radiografico di tessuti biologici) 2nd wafer Inter-tier bond pads I strato (circuiti analogici e sensore) II strato (circuiti digitali) 1st wafer

8. Progettazione di circuiti 3D

9. Schema del canale di lettura discriminatore preamplificatore AVDD AVDD DVDD Inter-tier bond pads Vfbk ai blocchi digitali Vt DGND CF AGND strato 1 (BOTTOM) strato 2 (TOP)

10. Prototipi di sensori in tecnologia 3D Diverse strutture di test: matrici di sensori di piccole, medie e grandi dimensioni (3x3, 8x8, 16x16, 249x256), singoli canali di lettura con e senza sensore Caratterizzazione dei dispositivi con strumentazione da banco (oscilloscopi, generatori di forme d’onda) e con laser infrarosso (studio della raccolta di carica)

11. Tecnologia CMOS INMAPS Consente di ottimizzare il funzionamento di un sensore monolitico (ovvero massimizzare l’efficienza di raccolta della carica) schermando le N-well dal substrato mediante uno strato p+ sepolto e consentendo di utilizzare transistori PMOS nel progetto dei circuiti di lettura (analogici e digitali) Tecnologia CMOS con quadrupla well Tecnologia CMOS standard

12. Prototipi di sensori in tecnologia CMOS INMAPS Matrice 32x32 matrix (4-diode pixels) con architettura di lettura digitale selettiva Matrici 3x3 per caratterizzazione del sensore e dell’elettronica di lettura analogica Diodi Nwell/strato epitassiale p, singoli pixel (sensore+circuito di lettura)

13. Cella elementare Elettrodi di raccolta Capacità di ingresso del filtro Sezione analogica Filtro Preamplfiicatore di carica Discriminatore Sezione digitale

14. Test di pixel monolitici Strutture di test costituite da matrici di sensori con lettura digitale, piccole matrici con uscita analogica, singoli canali con e senza sensore connesso Test effettuati mediante schede stampate, che consentono di interfacciare il chip con strumentazione di misura

15. Possibili attività su pixel monolitici CMOS Caratterizzazione di sensori monolitici a pixel attivi in tecnologia CMOS da 130 nm Caratterizzazione di sensori monolitici a pixel attivi in tecnologia CMOS INMAPS da 180 nm Test su sensori monolitici CMOS stimolati con laser infrarosso Progetto, simulazione e layout di uno o più blocchi circuitali (preamplificatore di carica, filtro formatore, comparatore) per lettura di segnali da sensori di radiazione Simulazione a livello fisico di sensori monolitici con CAD tecnologico

16. Amplificatore a transimpedenza a basso rumore Circuito di polarizzazione di gate e drain RF Stadio di guadagno Analizzatore di spettro Circuito di polarizzazione del bulk/well S D.U.T. Caratterizzazione di dispositivi a semiconduttore Caratterizzazione statica, di segnale e di rumore di dispositivi singoli realizzati in tecnologie CMOS estremamente scalate (deep submicron)

17. + + D + + G + + + + S D STI STI G + + + + + + + + + + + + + + + S + + Resistenza alle radiazioni in dispositivi e circuiti Nei dispositivi CMOS l’effetto principale della radiazione ionizzante consiste nella generazione di carica all’interno dell’ossido di silicio (ossido di gate, ossido di campo, shallow trench isolation) e/o all’interfaccia Si/SiO2 L’esposizione a radiazione ionizzante può dunque comportare variazione della tensione di soglia, aumento delle correnti di leakage di drain ed aumento del rumore elettronico L’obiettivo dell’attività è stabilire come i mutamenti dei processi produttivi alterino le proprietà dei circuiti microelettronici dal punto di vista della resistenza alle radiazioni

18. + + + DRAIN DRAIN GATE SOURCE GATE SOURCE + + + Layout resistente alle radiazioni La resistenza alle radiazioni di un circuito può essere migliorata disegnando in maniera opportuna i dispositivi che lo compongono (in realtà solo quelli la cui degradazione può compromettere il funzionamento del circuito) E’ interessante verificare i vantaggi offerti dall’uso di un layout chiuso attraverso la caratterizzazione, in particolare sotto il profilo del rumore elettronico, di sensori monolitici esposti a radiazione ionizzante Layout standard Layout chiuso Leakage paths

19. Possibili attività relative a caratterizzazione di tecnologie CMOS Caratterizzazione di dispositivi CMOS da 130 nm realizzati in tecnologia ad integrazione verticale Studio della tolleranza alle radiazioni ionizzanti di dispositivi singoli e sensori monolitici CMOS da 130 nm realizzati in tecnologia ad integrazione verticale Studio sperimentale delle caratteristiche di rumore in dispositivi CMOS con lunghezza minima di canale pari a 40 nm Studio della resistenza alle radiazioni di dispositivi CMOS con lunghezza minima di canale pari a 40 nm Studio della resistenza alle radiazioni in sensori monolitici realizzati in tecnologia CMOS INMAPS da 180 nm e strato epitassiale ad alta resistività

20. Quali opportunità offre l’attività presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica L’attività presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica può coprire gli aspetti sperimentali e/o teorici degli argomenti proposti Offre allo studente, a seconda dell’argomento affrontato, la possibilità di acquisire competenze relativamente a progetto di circuiti analogici a basso rumore elettronico uso degli strumenti software più diffusi per la simulazione ed il progetto di circuiti elettronici caratteristiche delle tecnologie CMOS bulk di più recente introduzione e di altre tecnologie innovative comportamento dei dispositivi elettronici, anche a livello fisico, approfondito a livello sia teorico, sia sperimentale uso di strumentazione di laboratorio avanzata

21. Contatti Lodovico Ratti, Laboratorio di Strumentazione Elettronica email: lodovico.ratti@unipv.it