Test des effets singuliers des radiations par faisceau laser: développement méthodologique, correlation d'injection de charge et cas d'étude dans un environnement d'accélérateur de haute énergie

Laser testing for radiation-induced Single-Event Effects: Methodology development, charge injection correlation and use cases in the context of High Energy Accelerator environments

• Auteur / Autrice : Mario Sacristan barbero
• Direction : Frédéric Saigne
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : RADIAtions et Composants (RADIAC)

Mots clés

Mots clés libres

Fiabilité électronique

Effets des radiations

Test par faisceau laser

Electronics reliability

Radiation effects

Laser testing

Résumé

Les composants électroniques exposés aux radiations peuvent rencontrer différents types de défaillances transitoires, durables ou permanentes induites par l'interaction de particules ionisantes primaires ou secondaires avec les matériaux semiconducteurs. Parmi les différents effets des radiations, les effets singuliers (SEE) résultent de l'interaction d'une seule particule et incluent la corruption d'états ou de sgnaux analogiques et numériques (single-event transient, single-event upset), ainsi que le déclenchement de conditions de fort courant potentiellement destructives (single-event latchup, single-event burnout). La méthode classique dans un processus d'assurance radiation (RHA) pour évaluer la sensibilité d'un composant ou d'un système aux SEE consiste à l'exposer à un faisceau large de particules représentatives de l'environnement radiatif ciblé. Dans le cas des ions lourds, un résultat typique de ce type de test est la mesure de la section efficace du composant, représentatn sa surface sensible, en fonction du transfert d'énergie linéique (LET) des ions. Dans le cas des hadrons, (neutrons, protons, pions) qui dominent dans un environnement d'accélérateur de haute énergie, la caractérisation des SEEs est réalisées en fonction du type de particule et de son énergie, ou directement dans un environnement mixte représentatif de l'application finale en termes de spectre en énergie des particules présentes. Le test par faisceau laser est une technique de test complémentaire qui repose sur l'utilisation d'impulsions laser courte focalisées pour générer des paires électron-trou dans le semiconducteur par effet photoélectrique linéaire ou non-linéaire dans le but de reproduire la colonne de charge générée par une particule ionisante. Le test laser possède la praticité d'un test de laboratoire lors d'évaluation préliminaire de la sensibilité au SEE dans les phases amont d'un projet, et fournit une résolution spatiale et temporelle de l'injection de charge qui permet d'identifier les zones sensibles d'un composant qui doivent être corrigées pour atteindre un certain niveau de tolérance ou de durcissement aux radiations. Au sein du CERN, le groupe R2E est responsable de la fiabilité opérationnelle du complexe d'accélérateurs du CERN vis-à-vis des effets des radiations sur les équipements d'accélérateur intégrant des composants électroniques actifs exposés aux radiations. Les activités du groupe R2E couvrent tout le processus d'assurance radiations, depuis la définition des environnements radiatifs basée sur la mesure et la modélisation, jusqu'aux activités de tests aux niveaux composants et systèmes. Dans le contexte de ces missions, le groupe R2E souhaite évaluer les possibilités de la technique de test laser pour l'évaluation de la sensibilité aux effets singuliers des radiations, pour la présélection de composants avant des tests en accélérateur de particules, ainsi que pour la validation de bancs de test et de composants durcis. La technique de test par faisceau laser a d'ores et déjà démontré de très bonnes capacités dans le domaine de la conception durcie aux radiations, mais son intégration dans un processus d'assurance radiation classique pose encore des questions. En effet, le profil et l'amplitude de la distribution de charge induite par laser peuvent être estimés précisément par des modèles appropriés de l'interaction laser/semiconducteur, mais la relation entre l'énergie d'une impulsion laser et le LET d'une particule équivalente qui produirait les mêmes effets est loin d'être triviale car elle dépend de la manière dont chaque composant réagit au dépôt de charge. Les modèles actuels pour calculer le LET équivalent d'une impulsion laser sont communément basés sur un modèle simpliste, voire obsolète, de la relation entre dépôt de charge et effet sur le composant : le modèle RPP (rectangular parallelepiped). Pour les composants de technologie récente, il est connu que ce modèle fournit une description imprécise des mécanismes de collection de charge qui sont en jeu dans la génération des effets singuliers. Cette thèse étudiera tout d'abord la possibilité d'améliorer la précision de l'équivalence laser/ion et laser/hadron sur des composants commerciaux de technologie nanoélectronique récente. Différentes améliorations seront explorées pour intégrer une description plus réaliste de la relation charge/effet. Les prédictions issues de ces améliorations seront confrontées à des corrélations expérimentales de résultats issus de campagnes de test laser et de test sous particules. Un modèle opérationnel sera alors proposé pour les technologies évaluées et ses limitations seront définies. Des simulation Monte Carlo seront utilisées pour établir le lien entre une fluence de hadrons et les distributions de LET des particules secondaires produites, afin d'établir pour la première fois une corrélation entre laser et hadron en termes d'effets induits.

Electronic devices exposed to radiation can face different kinds of transient, remanent, or permanent failure induced by the interaction of primary or secondary ionizing particles with the semiconductor materials of a device. Among the effects of radiation, the single-event effects (SEEs) are induced by a single particle and include the corruption of analog and digital states or signals (single-event transient, single-event upset) as well as the triggering of potentially destructive high current conditions (single-event latchup, single-event burn-out). The standard radiation hardness assurance (RHA) method for evaluating the sensibility of a component or a system to SEEs consist in exposing it to a broad beam of particles that are representative of the target environment. For heavy ions, a typical outcome of such test is a measurement of the cross-section of the device, representing its sensitive area, as a function of the linear energy transfer (LET) of the ions. For hadrons (neutrons, protons and pions) predominantly present in the high-energy accelerator environment, the SEE characterization is done as a function of the particle and energy, or directly in mixed-field environments representative of the particle energy spectra present in the final application. Laser testing is a complementary testing technique that relies on the use of short and focused laser pulses to generate electron-hole pairs in the semiconductor by linear or non-linear photoelectric effect in order to mimic the charge track generated by an ionizing particle. Laser testing has the convenience of a laboratory tool for preliminary SEE evaluation in the early phase of a project and provides spatial and temporal resolution of the charge injection, which allows to identifying the sensitive nodes of a device that should be redesigned to achieve a certain level of radiation tolerance or hardness. Within the CERN, the R2E group is responsible for the reliable operation of the CERN accelerator complex in view of radiation effects on the accelerator equipment with active electronics exposed to radiation. Hence, the R2E activity covers the full RHA workflow, from the definition of the radiation environments based on measurements and calculations, through the radiation effects testing activities, at component and system level In the context of those missions, the R2E group wants to evaluate the capabilities of the laser testing technique for SEE sensitivity estimation, for screening candidate parts prior to accelerator testing campaigns as well as for debugging and validating test setups and rad-hard designs. The laser testing technique has already demonstrated many successes in the context of designs hardening, but its integration in standard RHA process still raises questions. Indeed, although the profile and the amplitude of a laser-induced charge distribution can be accurately estimated using appropriate models of the laser/semiconductor interaction, the relationship between the energy of a laser pulse and the LET of an equivalent ion that would produce the same effect is not trivial because it depends on the way each device reacts to the charge deposition profile. Available models for calculating the equivalent LET of a laser pulse are commonly based on a simple, if not obsolete, model of the charge-to-effect relationship, the so-called rectangular parallelepiped (RPP) model. On modern technologies, this model is known to provide an inaccurate description of the charge collection mechanisms at play in the occurrence of SEEs. This PhD thesis will first investigate the possibility to improve the accuracy of laser/ion and laser/hadron equivalence on currently available commercial nanoelectronics technologies. Difference model improvements will be explored to include a more realistic description of the charge-to-effect relationship. Their predictions in terms of laser/ion and laser/hadron equivalence will be confronted to the experimental correlation of results obtained from both laser and particle irradiation campaigns. An operational model will then be proposed for the tested technologies and its limitations will be defined. Monte Carlo simulations will be employed to establish the link between hadron fluence and the secondary LET distributions they produce, in tern enabling the correlation between laser and hadron induced effects. This PhD will then evaluate the capabilities of the laser testing technique in the context of the CERN R2E testing needs and will contribute to define a laser testing methodology that could be integrated in the different phases of CERN's RHA process. This methodology will be illustrated by representative case studies, some of which already have a rich set of particle SEE data available.