Rivista di informazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale
Università di Trento
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Il silicio, il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre dopo l’ossigeno, è uno dei materiali semiconduttori più importanti. Le ragioni di ciò risiedono nelle sue eccellenti caratteristiche elettriche e nella maturità dei suoi processi di fabbricazione industriale. Grazie a queste proprietà uniche, i dispositivi basati sul silicio dominano l’elettronica di consumo e sono diventati una componente indispensabile della vita moderna.
Oltre alle applicazioni quotidiane, il silicio svolge anche un ruolo cruciale in un’ampia gamma di ricerche scientifiche all’avanguardia, incluse le applicazioni spaziali e gli esperimenti di Fisica delle Alte Energie (High Energy Physics, HEP). In collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e la Fondazione Bruno Kessler (FBK), il gruppo di ricerca guidato dal Prof. GianFranco Dalla Betta ha sviluppato attivamente avanzati sensori al silicio 3D per il Large Hadron Collider (LHC) del CERN.
Il primo utilizzo di sensori al silicio negli esperimenti di HEP risale agli anni ’80. I primi prototipi impiegavano substrati di silicio di tipo n con elettrodi a microstrisce p+ sulla superficie frontale per la lettura del segnale, consentendo una ricostruzione molto più precisa delle traiettorie delle particelle rispetto ai tradizionali rivelatori gassosi. Attraverso un’ulteriore segmentazione delle microstrisce furono successivamente sviluppati i rivelatori a pixel, che vennero integrati nei principali esperimenti del CERN.
Tuttavia, le particelle altamente energetiche prodotte negli esperimenti, attraversando il materiale, possono danneggiare i sensori al silicio. Questi difetti indotti dalla radiazione si accumulano nel tempo, portando a un grave deterioramento delle prestazioni del sensore. Per affrontare questi problemi, negli anni sono stati proposti diversi concetti di sensore: tra questi, i sensori al silicio 3D si distinguono come la soluzione più resistente alle radiazioni sviluppata fino ad oggi.
A differenza dei sensori planari, nei quali gli elettrodi sono posizionati sulle superfici del wafer, i sensori 3D presentano elettrodi che penetrano in profondità nel substrato di silicio, come illustrato nella Figura 1. In questa configurazione, le cariche generate dal segnale all’interno del sensore percorrono distanze molto più brevi prima di essere raccolte, migliorando così significativamente la resistenza alle radiazioni del dispositivo.
Dopo anni di ricerca e sviluppo dedicati, i sensori al silicio 3D progettati dal gruppo di ricerca del Prof. Dalla Betta presso il DII e realizzati da FBK sono stati scelti per equipaggiare una parte dell’Insertable B-Layer (IBL) dell’esperimento ATLAS al CERN. Questo risultato ha rappresentato una tappa fondamentale nella storia dei sensori 3D, costituendo la loro prima applicazione in un esperimento di HEP.
Più di un decennio di operazioni di successo ha dimostrato l’eccezionale resistenza alle radiazioni e l’affidabilità a lungo termine dei suddetti sensori 3D, anche in condizioni sperimentali estreme. Per favorire nuove scoperte e studiare il Modello Standard con maggiore precisione, l’LHC subirà un importante aggiornamento a partire dal 2026, entrando nell’era dell’High-Luminosity LHC (HL-LHC).
Questo aggiornamento è progettato per fornire una luminosità senza precedenti e flussi istantanei di particelle estremamente elevati, imponendo requisiti stringenti ai sistemi di rivelazione. In particolare, i rivelatori degli strati più interni dovranno essere in grado di sopportare livelli molto più elevati di danno da radiazione, garantendo al contempo una risposta rapida per distinguere particelle provenienti da diversi eventi di collisione.
A questo scopo è stato sviluppato un nuovo tipo di sensori 3D, chiamati sensori a pixel 3D a piccolo passo (small-pitch 3D pixel sensors), basati su una tecnologia a singola faccia, che ha permesso di ridurre significativamente la dimensione dei pixel aumentando contemporaneamente la resistenza alle radiazioni.
La Figura 2 (sinistra) mostra lo schema del sensore, mentre la Figura 2 (destra) presenta un’immagine ottenuta tramite microscopia elettronica a scansione (SEM) del sensore fabbricato da FBK, dimostrando chiaramente l’elevata risoluzione ottenibile grazie al processo di fabbricazione.
Nel corso degli anni sono state condotte estese campagne di irraggiamento e test funzionali per valutare le prestazioni di questi sensori. I risultati dimostrano che essi possono funzionare efficacemente anche dopo l’esposizione ai più elevati livelli di radiazione previsti per gli strati più interni del sistema di tracciamento dell’HL-LHC.
Grazie alla loro eccezionale resistenza alle radiazioni, sia gli esperimenti ATLAS sia CMS hanno scelto sensori 3D progettati dal nostro gruppo per gli strati più interni dei loro rivelatori.
La Figura 3 mostra la mappa ricostruita del sensore accoppiato all’elettronica di lettura sotto illuminazione a raggi X, nella quale sono chiaramente visibili diversi componenti elettronici, come condensatori e resistori, oltre alle strutture di interconnessione.
L’aggiornamento HL-LHC solleva naturalmente la questione dell’era successiva, rappresentata dal proposto Future Circular Collider (FCC). La luminosità integrata prevista per tali esperimenti è almeno cinque volte superiore rispetto a quella dell’HL-LHC, con un numero di eventi sovrapposti (pile-up) che può raggiungere fino a 1000 collisioni per attraversamento del fascio.
Per ridurre la probabilità che più particelle colpiscano simultaneamente lo stesso pixel e per associare correttamente le particelle alle rispettive collisioni, è altamente desiderabile una risoluzione temporale dell’ordine dei 10 picosecondi. Allo stesso tempo, i sensori devono essere in grado di sopportare livelli di radiazione fino a dieci volte superiori rispetto a quelli previsti per l’HL-LHC.
Per affrontare questa sfida particolarmente complessa, il nostro gruppo ha sviluppato attivamente la prossima generazione di sensori 3D basati sulla tecnologia degli elettrodi a trincea (trench-electrode technology). La principale motivazione alla base di questo approccio è che la sostituzione degli elettrodi colonnari con elettrodi a trincea consente una distribuzione del campo elettrico molto più uniforme all’interno del sensore, migliorando così sia le prestazioni temporali sia la resistenza alle radiazioni.
La Figura 4 mostra immagini SEM di diverse varianti di sensori 3D con elettrodi a trincea progettati dal nostro gruppo. I risultati preliminari dei test indicano che i sensori possono raggiungere una risoluzione temporale di circa 10 picosecondi e che non è stato osservato alcun degrado delle prestazioni anche dopo l’esposizione ai livelli di radiazione previsti per l’FCC.
Questi risultati entusiasmanti aprono la strada allo sviluppo dei futuri sistemi di rivelazione per l’FCC. Attualmente stiamo lavorando per migliorare la resa produttiva dei sensori di grande area attraverso un’ulteriore ottimizzazione sia del progetto del sensore sia dei processi di fabbricazione, un obiettivo che siamo fiduciosi di poter raggiungere.
Figura 1. Schema degli elettrodi colonnari nei sensori 3D
Figura 2. Schema dei sensori a pixel 3D a piccolo passo (sinistra) e immagine SEM del sensore fabbricato (destra).
Figura 3. Immagine a raggi X ricostruita ottenuta utilizzando sensori a pixel 3D a piccolo passo.
Figura 4. Immagini SEM di design differenti di sensori 3D con elettrodi a trincea (trench-electrode).
