Development of LGAD Sensor Technology on 12 inch Wafers for 3D Integration with advanced CMOS processes

कण भौतिकी (particle physics) की दुनिया में, देखना केवल एक छवि को कैद करने के बारे में नहीं है; यह असंभव सटीकता के साथ एक क्षण को कैद करने के बारे में है। जब उप-परमाणु कण डिटेक्टर के माध्यम से तेजी से गुजरते हैं, तो वे क्षणभंगुर निशान छोड़ जाते हैं जो एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में गायब हो जाते हैं। ब्रह्मांड को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसे सेंसरों की आवश्यकता होती है जो न केवल यह रिकॉर्ड कर सकें कि एक कण कहाँ से गुजरा, बल्कि यह भी कि वह ठीक कब पहुँचा, एक ट्रिलियनवें हिस्से के स्तर तक। दशकों से, ये सेंसर और उन्हें पढ़ने वाले इलेक्ट्रॉनिक मस्तिष्क अलग-अलग टुकड़ों के रूप में बनाए गए हैं, और फिर उन्हें आपस में जोड़ा जाता है। यह अलगाव एक बाधा (bottleneck) पैदा करता है, जिससे भारीपन बढ़ता है और सिग्नल धीमा हो जाता है। नया मोर्चा इन दोनों घटकों को एक एकल, त्रि-आयामी (three-dimensional) स्टैक में मिलाने का है, जिससे सेंसर बिना किसी देरी के सीधे प्रोसेसर से बात कर सके। इसके लिए दो बहुत ही अलग तकनीकों के मिलन की आवश्यकता है: कणों को पकड़ने के लिए आवश्यक नाजुक, उच्च-गति वाले सेंसर, और डेटा को प्रोसेस करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उन्नत कंप्यूटर चिप्स, दोनों का निर्माण विशाल बारह-इंच सिलिकॉन वेफर्स पर किया जाना चाहिए।

फर्मीलैब (Fermilab), स्लैक नेशनल एक्सेलेरेटर लेबोरेटरी (SLAC) और लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने सफलतापूर्वक एक नए प्रकार के अल्ट्रा-फास्ट सेंसर, जिसे लो गेन एवलांच डायोड (Low Gain Avalanche Diode - LGAD) कहा जाता है, को एक मानक कंप्यूटर चिप निर्माण प्रक्रिया का उपयोग करके डिजाइन, निर्मित और परीक्षण करना शुरू किया। इन सेंसरों को बारह-इंच वेफर्स पर साठ-पाँच नैनोमीटर तकनीक का उपयोग करके बनाया गया था, जो एक पैमाना है जो आमतौर पर कण डिटेक्टरों के बजाय उच्च-प्रदर्शन इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आरक्षित होता है। टीम का कार्य यह सिद्ध करता है कि इन विशिष्ट सेंसरों को उन्हें पढ़ने के लिए आवश्यक जटिल सर्किटों के साथ बनाना संभव है, जो एक ऐसे भविष्य का मार्ग प्रशस्त करता है जहाँ सेंसर और प्रोसेसर की पूरी परतें कांच की शीटों की तरह एक साथ जुड़ी होंगी। यह एकीकरण ऐसे डिटेक्टर बनाने का वादा करता है जो पतले, तेज़ और अभूतपूर्व सटीकता के साथ कणों को ट्रैक करने में सक्षम होंगे।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग द्वारा वित्त पोषित इस परियोजना का उद्देश्य यह प्रदर्शित करना था कि इन उन्नत सेंसरों को 'हाइब्रिड बॉन्डिंग' नामक अंतिम असेंबली चरण के लिए तैयार किया जा सकता है। इस प्रक्रिया में, सेंसर का एक पूर्ण वेफर को रीडआउट चिप्स के पूर्ण वेफर पर सीधे चिपकाया जाएगा, जिससे एक निर्बाध त्रि-आयामी संरचना बन जाएगी। इसकी तैयारी के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ही सिलिकॉन वेफर पर तीन अलग-अलग संस्करणों के LGAD सेंसर तैयार किए। पहला एक मानक डिज़ाइन था जो कणों का पता लगाने के लिए उच्च ऊर्जा का क्षेत्र बनाने हेतु विद्युत आवेशों (electrical charges) की एक विशिष्ट व्यवस्था का उपयोग करता है। दूसरा संस्करण, जिसे AC-कपल्ड सेंसर कहा जाता है, इलेक्ट्रोड से सिग्नल को एक पतली इन्सुलेशन परत का उपयोग करके अलग करता है, जो पड़ोसी पिक्सल के बीच सूचना के बेहतर साझाकरण की अनुमति देता है। तीसरा और सबसे नवीन संस्करण 'डीप जंक्शन' (Deep Junction) सेंसर है, जो संवेदनशील पहचान परत को सतह के पास रखने के बजाय सिलिकॉन के भीतर गहराई में रखता है। यह गहरा स्थान पिक्सल के किनारों पर होने वाली विद्युत समस्याओं से बचाता है, जिससे प्रदर्शन खोए बिना सेंसरों को बहुत करीब से पैक किया जा सकता है।

निर्माण प्रक्रिया एक सूक्ष्म संतुलन (delicate balancing act) थी। टीम को एक मानक कंप्यूटर चिप फैक्ट्री फ्लो को अनुकूलित करना था, जो लॉजिक सर्किट के लिए डिज़ाइन किया गया है, ताकि कण पहचान के लिए आवश्यक विशिष्ट विद्युत स्थितियों को बनाया जा सके। उन्हें सेंसर को ट्यून करने के लिए सिलिकॉन में ऊर्जा की मात्रा और परमाणुओं की संख्या में बदलाव करने की अनुमति दी गई थी, लेकिन फैक्ट्री प्रक्रिया के बुनियादी चरण अपरिवर्तित रहे। एक चुनौती AC-कपल्ड सेंसरों के लिए विद्युत कनेक्शन बनाना था। चिप फैक्ट्री में मानक इन्सुलेशन परतें सामान्य विधि के लिए बहुत मोटी थीं, इसलिए टीम ने चिप डिज़ाइन के सख्त नियमों के भीतर सेंसरों को सही ढंग से कार्य करने में सक्षम बनाने के लिए चतुराई से चिप के भीतर दो अलग-अलग धातु परतों के बीच के स्थान का उपयोग करके आवश्यक विद्युत भंडारण बनाया। इसके लिए यह सुनिश्चित करने के लिए सावधानीपूर्वक समायोजन की आवश्यकता थी कि सेंसर चिप डिज़ाइन के नियमों के भीतर सही ढंग से कार्य कर सकें।

बनाने से पहले ही ये सेंसर कैसे व्यवहार करेंगे, इसका अनुमान लगाने के लिए टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए। इन वर्चुअल मॉडलों ने उन्हें यह समझने में मदद की कि विद्युत क्षेत्र सिलिकॉन के माध्यम से कैसे चलेंगे और सेंसर विभिन्न वोल्टेज के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करेंगे। सिमुलेशन ने दिखाया कि सेंसरों को सही ढंग से संचालित करने के लिए विशिष्ट वोल्टेज स्तरों की आवश्यकता होगी और इस प्रक्रिया में उपयोग किए गए सिलिकॉन की पतली परत ने सेंसरों को वोल्टेज परिवर्तन के प्रति काफी संवेदनशील बना दिया। कंप्यूटर मॉडल ने टीम को सेंसर के चारों ओर सुरक्षात्मक रिंग (protective rings) डिजाइन करने में भी मदद की, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि वे उच्च विद्युत तनाव के तहत विफल न हों। ये सिमुलेशन विभिन्न संस्करणों के सेंसरों की योजना बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण थे, जिससे शोधकर्ताओं को समय और सामग्री बर्बाद किए बिना विद्युत गुणों के विभिन्न संयोजनों का परीक्षण करने की अनुमति मिली।

जब वेफर्स प्रयोगशालाओं में पहुंचे, तो परीक्षण चरण शुरू हुआ। शोधकर्ताओं ने सबसे पहले अंधेरे में और लाल LED की रोशनी में सेंसरों के बुनियादी विद्युत स्वास्थ्य की जांच की। उन्होंने विशेष 'गेन लेयर' वाले सेंसरों की तुलना बिना गेन लेयर्स वाले सेंसरों से की ताकि यह मापा जा सके कि सिग्नल कितना प्रवर्धित (amplify) हुआ। परिणामों ने दिखाया कि सेंसर उम्मीद के मुताबिक काम कर रहे थे, जिसमें AC-कपल्ड संस्करणों ने 116 और 160 वोल्ट के बीच वोल्टेज पर प्रवर्धन की एक सीमा दिखाई। कंप्यूटर सिमुलेशन ने इन मानों की उल्लेखनीय सटीकता के साथ भविष्यवाणी की थी, जो वास्तविक माप से आमतौर पर दस वोल्ट के भीतर थे। टीम ने यह भी पाया कि मानक सेंसरों को AC-कपल्ड सेंसरों की तुलना में संचालित करने के लिए थोड़े उच्च वोल्टेज की आवश्यकता थी, जो AC डिज़ाइन की विशिष्ट विद्युत सेटअप के कारण हुआ।

यह परीक्षण करने के लिए कि सेंसर कितनी तेज़ी से प्रतिक्रिया कर सकते हैं, टीम ने उपकरणों पर एक लेज़र और रेडियोधर्मी कणों की एक बीम छोड़ी। लेज़र पल्स अत्यंत संक्षिप्त थे, जिससे टीम सटीक क्षण को माप सकी कि सेंसर ने कब प्रतिक्रिया दी। परिणाम प्रभावशाली थे। एक छोटे सेंसर के लिए, टाइम रेजोल्यूशन (time resolution) 40 पिकोसेकंड तक पहुँच गया, जो 40 ट्रिलियनवें सेकंड है। जब उन्होंने एक और भी छोटे सेंसर का परीक्षण किया, तो रेजोल्यूशन सुधरकर 23 पिकोसेकंड हो गया। ये संख्याएँ पुष्टि करती हैं कि सेंसर भविष्य के प्रयोगों के लिए आवश्यक अत्यधिक सटीकता के साथ कण घटनाओं के समय को कैप्चर कर सकते हैं। डीप जंक्शन सेंसर, हालांकि अच्छे समय और प्रवर्धन के साथ आशाजनक दिखे, लेकिन थोड़े अस्थिर (temperamental) साबित हुए। उनमें समय के साथ उनके विद्युत गुणों में धीमी गिरावट देखी गई, जिससे विस्तृत माप अधिक कठिन हो गया, लेकिन फिर भी उन्होंने प्रभावी ढंग से कणों का पता लगाने की क्षमता प्रदर्शित की।

यह कार्य इन प्रारंभिक परीक्षणों के साथ समाप्त नहीं होता है। शोधकर्ता वर्तमान में सेंसर वेफर्स को रीडआउट चिप्स के साथ जोड़ रहे हैं ताकि यह देखा जा सके कि वे पूरी तरह से एकीकृत पैकेज में एक साथ कैसे काम करते हैं। वे सेंसरों को तीव्र विकिरण (radiation) के तहत भी परीक्षण करने की योजना बना रहे हैं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वे भविष्य के कणों के कोलाइडर के कठोर वातावरण में जीवित रह सकें। थोड़े अलग विद्युत गुणों वाले वेफर्स का एक नया बैच डिज़ाइन को और अधिक परिष्कृत करने के लिए पहले से ही रास्ते में है। इस परियोजना की सफलता डिटेक्टर तकनीक में एक महत्वपूर्ण मोड़ है। यह सिद्ध करके कि इन उच्च-गति वाले सेंसरों को मानक कंप्यूटर चिप प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाया जा सकता है और त्रि-आयामी स्टैक में एकीकृत किया जा सकता है, टीम ने डिटेक्टरों की एक नई पीढ़ी के द्वार खोल दिए हैं। ये भविष्य के उपकरण पाँच आयामों—स्थिति, समय और कोण—में कणों को ट्रैक करने में सक्षम होंगे, जो विवरण का एक ऐसा स्तर प्रदान करेंगे जो हमारे ब्रह्मांड के मौलिक निर्माण खंडों के बारे में नए रहस्य प्रकट कर सकता है।