Ultrafast Laser Direct Writing as a key enabling technology for silicon processing: a new target for positronium Bose-Einstein condensation and performance improvements of the MALTA2 tracking sensor

Abstract

I det nåværende arbeidet viser vi to anvendelser av en laserbearbeidingsteknikk kalt Ultrafast Laser Direct Writing (ULDW). Endringer i bulk kan induseres i en krystallinsk halvleder for å kontrollere dens faste tilstand og optiske egenskaper. De laserinduserte endringene har blitt karakterisert i silisium med Positron Annihilation Spectroscopy (PAS), som viste en høy tetthet av gitterdefekter og vakuum. I tillegg viste det modifiserte volumet en høy etse-selektivitet sammenlignet med det ubehandlede silisiumet ved bruk av HF-baserte etsere. De rapporterte egenskapene har vært grunnleggende for den vellykkede produksjonen av et mål designet for syntetisering av et Bose-Einstein-kondensat av positronium (den bundne tilstanden mellom et elektron og et positron), hvor innebygde hule hulrom koblet til overflaten av en kam av nanokanaler ble produsert i en silisiumskive. Den andre anvendelsen involverte ULDW for å forbedre følsomheten til den silisiumbaserte Depleted Monolithic Active Pixel Sensor MALTA2. Ideen var å introdusere kontrollerte lasermodifikasjoner i depleteringslaget på brikken for å forme det elektriske feltgradienten og fremskynde signalinnsamlingen. Imidlertid tillot den metalliserte overflaten av MALTA2 ikke full kontroll over laserbearbeidingen ved å reflektere strålen, og ingen vellykket implantasjon ble oppnådd. Til slutt ble Two Photon Absorption-Transient Current Technique (TPA-TCT) brukt for å karakterisere ladningsinnsamlingskapasiteten til enkeltpiksler på MALTA2. TPA-TCT kan brukes til å direkte studere elektroniske og faste tilstandsegenskaper av laserinduserte defekter, samt mulighetene og begrensningene i å forme depleteringslaget i silisiumbaserte brikker.

In the present work we show two applications of a laser processing technique called Ultrafast Laser Direct Writing (ULDW). In-bulk modifications can be induced in a crystalline semiconductor to control its solid state and optical properties. The laser induced modifications have been characterized in silicon with Positron Annihilation Spectroscopy (PAS), that showed a high density of lattice defects and vacancies. In addition, the modified volume showed a high etching selectivity compared to the unprocessed silicon, upon use of HF-based etchants. The reported qualities have been fundamental for the successful production of a target designed for the synthetization of a Bose-Einstein condensate of positronium (the bound state between an electron and a positron), where embedded hollow cavities connected to the surface by a comb of nanochannels were produced in a silicon wafer. The second application involved ULDW to improve the sensitivity of the silicon-based Depleted Monolithic Active Pixel Sensor MALTA2. The idea was to introduce controlled laser modifications in the depletion layer of the chip to shape the electric field gradient, and fasten the signal collection. However, the metallized surface of MALTA2 did not allow full control of the laser processing by reflecting the beam, and no successful implantation was obtained. Lastly, Two Photon Absorption-Transient Current Technique (TPA-TCT) was used to characterize the charge collection capabilities of single pixels of MALTA2. TPA-TCT can be used to directly study electronic and solid state properties of the laser-induced defects, and the possibilities and limitations in shaping the depletion layer in silicon based chip.