Technology and characterization of GaN-HEMTs devices: high temperature and trapping effects

Los transistores de alta movilidad electrónica basados en GaN han sido objeto de una extensa investigación ya que tanto el GaN como sus aleaciones presentan unas excelentes propiedades eléctricas (alta movilidad, elevada concentración de portadores y campo eléctrico crítico alto). Aunque recientemente se han incluido en algunas aplicaciones comerciales, su expansión en el mercado está condicionada a la mejora de varios asuntos relacionados con su rendimiento y habilidad. Durante esta tesis se han abordado algunos de estos aspectos relevantes; por ejemplo, la fabricación de enhancement mode HEMTs, su funcionamiento a alta temperatura, el auto calentamiento y el atrapamiento de carga. Los HEMTs normalmente apagado o enhancement mode han atraído la atención de la comunidad científica dedicada al desarrollo de circuitos amplificadores y conmutadores de potencia, ya que su utilización disminuiría significativamente el consumo de potencia; además de requerir solamente una tensión de alimentación negativa, y reducir la complejidad del circuito y su coste. Durante esta tesis se han evaluado varias técnicas utilizadas para la fabricación de estos dispositivos: el ataque húmedo para conseguir el gate-recess en heterostructuras de InAl(Ga)N/GaN; y tratamientos basados en flúor (plasma CF4 e implantación de F) de la zona debajo de la puerta. Se han llevado a cabo ataques húmedos en heteroestructuras de InAl(Ga)N crecidas sobre sustratos de Si, SiC y zafiro. El ataque completo de la barrera se consiguió únicamente en las muestras con sustrato de Si. Por lo tanto, se puede deducir que la velocidad de ataque depende de la densidad de dislocaciones presentes en la estructura, ya que el Si presenta un peor ajuste del parámetro de red con el GaN. En relación a los tratamientos basados en flúor, se ha comprobado que es necesario realizar un recocido térmico después de la fabricación de la puerta para recuperar la heteroestructura de los daños causados durante dichos tratamientos. Además, el estudio de la evolución de la tensión umbral con el tiempo de recocido ha demostrado que en los HEMTs tratados con plasma ésta tiende a valores más negativos al aumentar el tiempo de recocido. Por el contrario, la tensión umbral de los HEMTs implantados se desplaza hacia valores más positivos, lo cual se atribuye a la introducción de iones de flúor a niveles más profundos de la heterostructura. Los transistores fabricados con plasma presentaron mejor funcionamiento en DC a temperatura ambiente que los implantados. Su estudio a alta temperatura ha revelado una reducción del funcionamiento de todos los dispositivos con la temperatura. Los valores iniciales de corriente de drenador y de transconductancia medidos a temperatura ambiente se recuperaron después del ciclo térmico, por lo que se deduce que dichos efectos térmicos son reversibles. Se han estudiado varios aspectos relacionados con el funcionamiento de los HEMTs a diferentes temperaturas. En primer lugar, se han evaluado las prestaciones de dispositivos de AlGaN/GaN sobre sustrato de Si con diferentes caps: GaN, in situ SiN e in situ SiN/GaN, desde 25 K hasta 550 K. Los transistores con in situ SiN presentaron los valores más altos de corriente drenador, transconductancia, y los valores más bajos de resistencia-ON, así como las mejores características en corte. Además, se ha confirmado que dichos dispositivos presentan gran robustez frente al estrés térmico. En segundo lugar, se ha estudiado el funcionamiento de transistores de InAlN/GaN con diferentes diseños y geometrías. Dichos dispositivos presentaron una reducción casi lineal de los parámetros en DC en el rango de temperaturas de 25°C hasta 225°C. Esto se debe principalmente a la dependencia térmica de la movilidad electrónica, y también a la reducción de la drift velocity con la temperatura. Además, los transistores con mayores longitudes de puerta mostraron una mayor reducción de su funcionamiento, lo cual se atribuye a que la drift velocity disminuye más considerablemente con la temperatura cuando el campo eléctrico es pequeño. De manera similar, al aumentar la distancia entre la puerta y el drenador, el funcionamiento del HEMT presentó una mayor reducción con la temperatura. Por lo tanto, se puede deducir que la degradación del funcionamiento de los HEMTs causada por el aumento de la temperatura depende tanto de la longitud de la puerta como de la distancia entre la puerta y el drenador. Por otra parte, la alta densidad de potencia generada en la región activa de estos transistores conlleva el auto calentamiento de los mismos por efecto Joule, lo cual puede degradar su funcionamiento y Habilidad. Durante esta tesis se ha desarrollado un simple método para la determinación de la temperatura del canal basado en medidas eléctricas. La aplicación de dicha técnica junto con la realización de simulaciones electrotérmicas han posibilitado el estudio de varios aspectos relacionados con el autocalentamiento. Por ejemplo, se han evaluado sus efectos en dispositivos sobre Si, SiC, y zafiro. Los transistores sobre SiC han mostrado menores efectos gracias a la mayor conductividad térmica del SiC, lo cual confirma el papel clave que desempeña el sustrato en el autocalentamiento. Se ha observado que la geometría del dispositivo tiene cierta influencia en dichos efectos, destacando que la distribución del calor generado en la zona del canal depende de la distancia entre la puerta y el drenador. Además, se ha demostrado que la temperatura ambiente tiene un considerable impacto en el autocalentamiento, lo que se atribuye principalmente a la dependencia térmica de la conductividad térmica de las capas y sustrato que forman la heterostructura. Por último, se han realizado numerosas medidas en pulsado para estudiar el atrapamiento de carga en HEMTs sobre sustratos de SiC con barreras de AlGaN y de InAlN. Los resultados obtenidos en los transistores con barrera de AlGaN han presentado una disminución de la corriente de drenador y de la transconductancia sin mostrar un cambio en la tensión umbral. Por lo tanto, se puede deducir que la posible localización de las trampas es la región de acceso entre la puerta y el drenador. Por el contrario, la reducción de la corriente de drenador observada en los dispositivos con barrera de InAlN llevaba asociado un cambio significativo en la tensión umbral, lo que implica la existencia de trampas situadas en la zona debajo de la puerta. Además, el significativo aumento del valor de la resistencia-ON y la degradación de la transconductancia revelan la presencia de trampas en la zona de acceso entre la puerta y el drenador. La evaluación de los efectos del atrapamiento de carga en dispositivos con diferentes geometrías ha demostrado que dichos efectos son menos notables en aquellos transistores con mayor longitud de puerta o mayor distancia entre puerta y drenador. Esta dependencia con la geometría se puede explicar considerando que la longitud y densidad de trampas de la puerta virtual son independientes de las dimensiones del dispositivo. Finalmente se puede deducir que para conseguir el diseño óptimo durante la fase de diseño no sólo hay que tener en cuenta la aplicación final sino también la influencia que tiene la geometría en los diferentes aspectos estudiados (funcionamiento a alta temperatura, autocalentamiento, y atrapamiento de carga). ABSTRACT GaN-based high electron mobility transistors have been under extensive research due to the excellent electrical properties of GaN and its related alloys (high carrier concentration, high mobility, and high critical electric field). Although these devices have been recently included in commercial applications, some performance and reliability issues need to be addressed for their expansion in the market. Some of these relevant aspects have been studied during this thesis; for instance, the fabrication of enhancement mode HEMTs, the device performance at high temperature, the self-heating and the charge trapping. Enhancement mode HEMTs have become more attractive mainly because their use leads to a significant reduction of the power consumption during the stand-by state. Moreover, they enable the fabrication of simpler power amplifier circuits and high-power switches because they allow the elimination of negativepolarity voltage supply, reducing significantly the circuit complexity and system cost. In this thesis, different techniques for the fabrication of these devices have been assessed: wet-etching for achieving the gate-recess in InAl(Ga)N/GaN devices and two different fluorine-based treatments (CF4 plasma and F implantation). Regarding the wet-etching, experiments have been carried out in InAl(Ga)N/GaN grown on different substrates: Si, sapphire, and SiC. The total recess of the barrier was achieved after 3 min of etching in devices grown on Si substrate. This suggests that the etch rate can critically depend on the dislocations present in the structure, since the Si exhibits the highest mismatch to GaN. Concerning the fluorine-based treatments, a post-gate thermal annealing was required to recover the damages caused to the structure during the fluorine-treatments. The study of the threshold voltage as a function of this annealing time has revealed that in the case of the plasma-treated devices it become more negative with the time increase. On the contrary, the threshold voltage of implanted HEMTs showed a positive shift when the annealing time was increased, which is attributed to the deep F implantation profile. Plasma-treated HEMTs have exhibited better DC performance at room temperature than the implanted devices. Their study at high temperature has revealed that their performance decreases with temperature. The initial performance measured at room temperature was recovered after the thermal cycle regardless of the fluorine treatment; therefore, the thermal effects were reversible. Thermal issues related to the device performance at different temperature have been addressed. Firstly, AlGaN/GaN HEMTs grown on Si substrate with different cap layers: GaN, in situ SiN, or in situ SiN/GaN, have been assessed from 25 K to 550 K. In situ SiN cap layer has been demonstrated to improve the device performance since HEMTs with this cap layer have exhibited the highest drain current and transconductance values, the lowest on-resistance, as well as the best off-state characteristics. Moreover, the evaluation of thermal stress impact on the device performance has confirmed the robustness of devices with in situ cap. Secondly, the high temperature performance of InAlN/GaN HEMTs with different layouts and geometries have been assessed. The devices under study have exhibited an almost linear reduction of the main DC parameters operating in a temperature range from room temperature to 225°C. This was mainly due to the thermal dependence of the electron mobility, and secondly to the drift velocity decrease with temperature. Moreover, HEMTs with large gate length values have exhibited a great reduction of the device performance. This was attributed to the greater decrease of the drift velocity for low electric fields. Similarly, the increase of the gate-to-drain distance led to a greater reduction of drain current and transconductance values. Therefore, this thermal performance degradation has been found to be dependent on both the gate length and the gate-to-drain distance. It was observed that the very high power density in the active region of these transistors leads to Joule self-heating, resulting in an increase of the device temperature, which can degrade the device performance and reliability. A simple electrical method have been developed during this work to determine the channel temperature. Furthermore, the application of this technique together with the performance of electro-thermal simulations have enabled the evaluation of different aspects related to the self-heating. For instance, the influence of the substrate have been confirmed by the study of devices grown on Si, SiC, and Sapphire. HEMTs grown on SiC substrate have been confirmed to exhibit the lowest self-heating effects thanks to its highest thermal conductivity. In addition to this, the distribution of the generated heat in the channel has been demonstrated to be dependent on the gate-to-drain distance. Besides the substrate and the geometry of the device, the ambient temperature has also been found to be relevant for the self-heating effects, mainly due to the temperature-dependent thermal conductivity of the layers and the substrate. Trapping effects have been evaluated by means of pulsed measurements in AlGaN and InAIN barrier devices. AlGaN barrier HEMTs have exhibited a de crease in drain current and transconductance without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-to-drain access region. On the contrary, InAIN barrier devices have showed a drain current associated with a positive shift of threshold voltage, which indicated that the traps were possibly located under the gate region. Moreover, a significant increase of the ON-resistance as well as a transconductance reduction were observed, revealing the presence of traps on the gate-drain access region. On the other hand, the assessment of devices with different geometries have demonstrated that the trapping effects are more noticeable in devices with either short gate length or the gate-to-drain distance. This can be attributed to the fact that the length and the trap density of the virtual gate are independent on the device geometry. Finally, it can be deduced that besides the final application requirements, the influence of the device geometry on the performance at high temperature, on the self-heating, as well as on the trapping effects need to be taken into account during the device design stage to achieve the optimal layout.

On-Chip Thermal Monitoring: Design, Placement and Interconnection of Temperature Sensors

La temperatura es una preocupación que juega un papel protagonista en el diseño de circuitos integrados modernos. El importante aumento de las densidades de potencia que conllevan las últimas generaciones tecnológicas ha producido la aparición de gradientes térmicos y puntos calientes durante el funcionamiento normal de los chips. La temperatura tiene un impacto negativo en varios parámetros del circuito integrado como el retardo de las puertas, los gastos de disipación de calor, la fiabilidad, el consumo de energía, etc. Con el fin de luchar contra estos efectos nocivos, la técnicas de gestión dinámica de la temperatura (DTM) adaptan el comportamiento del chip en función en la información que proporciona un sistema de monitorización que mide en tiempo de ejecución la información térmica de la superficie del dado. El campo de la monitorización de la temperatura en el chip ha llamado la atención de la comunidad científica en los últimos años y es el objeto de estudio de esta tesis. Esta tesis aborda la temática de control de la temperatura en el chip desde diferentes perspectivas y niveles, ofreciendo soluciones a algunos de los temas más importantes. Los niveles físico y circuital se cubren con el diseño y la caracterización de dos nuevos sensores de temperatura especialmente diseñados para los propósitos de las técnicas DTM. El primer sensor está basado en un mecanismo que obtiene un pulso de anchura variable dependiente de la relación de las corrientes de fuga con la temperatura. De manera resumida, se carga un nodo del circuito y posteriormente se deja flotando de tal manera que se descarga a través de las corrientes de fugas de un transistor; el tiempo de descarga del nodo es la anchura del pulso. Dado que la anchura del pulso muestra una dependencia exponencial con la temperatura, la conversión a una palabra digital se realiza por medio de un contador logarítmico que realiza tanto la conversión tiempo a digital como la linealización de la salida. La estructura resultante de esta combinación de elementos se implementa en una tecnología de 0,35 _m. El sensor ocupa un área muy reducida, 10.250 nm2, y consume muy poca energía, 1.05-65.5nW a 5 muestras/s, estas cifras superaron todos los trabajos previos en el momento en que se publicó por primera vez y en el momento de la publicación de esta tesis, superan a todas las implementaciones anteriores fabricadas en el mismo nodo tecnológico. En cuanto a la precisión, el sensor ofrece una buena linealidad, incluso sin calibrar; se obtiene un error 3_ de 1,97oC, adecuado para tratar con las aplicaciones de DTM. Como se ha explicado, el sensor es completamente compatible con los procesos de fabricación CMOS, este hecho, junto con sus valores reducidos de área y consumo, lo hacen especialmente adecuado para la integración en un sistema de monitorización de DTM con un conjunto de monitores empotrados distribuidos a través del chip. Las crecientes incertidumbres de proceso asociadas a los últimos nodos tecnológicos comprometen las características de linealidad de nuestra primera propuesta de sensor. Con el objetivo de superar estos problemas, proponemos una nueva técnica para obtener la temperatura. La nueva técnica también está basada en las dependencias térmicas de las corrientes de fuga que se utilizan para descargar un nodo flotante. La novedad es que ahora la medida viene dada por el cociente de dos medidas diferentes, en una de las cuales se altera una característica del transistor de descarga |la tensión de puerta. Este cociente resulta ser muy robusto frente a variaciones de proceso y, además, la linealidad obtenida cumple ampliamente los requisitos impuestos por las políticas DTM |error 3_ de 1,17oC considerando variaciones del proceso y calibrando en dos puntos. La implementación de la parte sensora de esta nueva técnica implica varias consideraciones de diseño, tales como la generación de una referencia de tensión independiente de variaciones de proceso, que se analizan en profundidad en la tesis. Para la conversión tiempo-a-digital, se emplea la misma estructura de digitalización que en el primer sensor. Para la implementación física de la parte de digitalización, se ha construido una biblioteca de células estándar completamente nueva orientada a la reducción de área y consumo. El sensor resultante de la unión de todos los bloques se caracteriza por una energía por muestra ultra baja (48-640 pJ) y un área diminuta de 0,0016 mm2, esta cifra mejora todos los trabajos previos. Para probar esta afirmación, se realiza una comparación exhaustiva con más de 40 propuestas de sensores en la literatura científica. Subiendo el nivel de abstracción al sistema, la tercera contribución se centra en el modelado de un sistema de monitorización que consiste de un conjunto de sensores distribuidos por la superficie del chip. Todos los trabajos anteriores de la literatura tienen como objetivo maximizar la precisión del sistema con el mínimo número de monitores. Como novedad, en nuestra propuesta se introducen nuevos parámetros de calidad aparte del número de sensores, también se considera el consumo de energía, la frecuencia de muestreo, los costes de interconexión y la posibilidad de elegir diferentes tipos de monitores. El modelo se introduce en un algoritmo de recocido simulado que recibe la información térmica de un sistema, sus propiedades físicas, limitaciones de área, potencia e interconexión y una colección de tipos de monitor; el algoritmo proporciona el tipo seleccionado de monitor, el número de monitores, su posición y la velocidad de muestreo _optima. Para probar la validez del algoritmo, se presentan varios casos de estudio para el procesador Alpha 21364 considerando distintas restricciones. En comparación con otros trabajos previos en la literatura, el modelo que aquí se presenta es el más completo. Finalmente, la última contribución se dirige al nivel de red, partiendo de un conjunto de monitores de temperatura de posiciones conocidas, nos concentramos en resolver el problema de la conexión de los sensores de una forma eficiente en área y consumo. Nuestra primera propuesta en este campo es la introducción de un nuevo nivel en la jerarquía de interconexión, el nivel de trillado (o threshing en inglés), entre los monitores y los buses tradicionales de periféricos. En este nuevo nivel se aplica selectividad de datos para reducir la cantidad de información que se envía al controlador central. La idea detrás de este nuevo nivel es que en este tipo de redes la mayoría de los datos es inútil, porque desde el punto de vista del controlador sólo una pequeña cantidad de datos |normalmente sólo los valores extremos| es de interés. Para cubrir el nuevo nivel, proponemos una red de monitorización mono-conexión que se basa en un esquema de señalización en el dominio de tiempo. Este esquema reduce significativamente tanto la actividad de conmutación sobre la conexión como el consumo de energía de la red. Otra ventaja de este esquema es que los datos de los monitores llegan directamente ordenados al controlador. Si este tipo de señalización se aplica a sensores que realizan conversión tiempo-a-digital, se puede obtener compartición de recursos de digitalización tanto en tiempo como en espacio, lo que supone un importante ahorro de área y consumo. Finalmente, se presentan dos prototipos de sistemas de monitorización completos que de manera significativa superan la características de trabajos anteriores en términos de área y, especialmente, consumo de energía. Abstract Temperature is a first class design concern in modern integrated circuits. The important increase in power densities associated to recent technology evolutions has lead to the apparition of thermal gradients and hot spots during run time operation. Temperature impacts several circuit parameters such as speed, cooling budgets, reliability, power consumption, etc. In order to fight against these negative effects, dynamic thermal management (DTM) techniques adapt the behavior of the chip relying on the information of a monitoring system that provides run-time thermal information of the die surface. The field of on-chip temperature monitoring has drawn the attention of the scientific community in the recent years and is the object of study of this thesis. This thesis approaches the matter of on-chip temperature monitoring from different perspectives and levels, providing solutions to some of the most important issues. The physical and circuital levels are covered with the design and characterization of two novel temperature sensors specially tailored for DTM purposes. The first sensor is based upon a mechanism that obtains a pulse with a varying width based on the variations of the leakage currents on the temperature. In a nutshell, a circuit node is charged and subsequently left floating so that it discharges away through the subthreshold currents of a transistor; the time the node takes to discharge is the width of the pulse. Since the width of the pulse displays an exponential dependence on the temperature, the conversion into a digital word is realized by means of a logarithmic counter that performs both the timeto- digital conversion and the linearization of the output. The structure resulting from this combination of elements is implemented in a 0.35_m technology and is characterized by very reduced area, 10250 nm2, and power consumption, 1.05-65.5 nW at 5 samples/s, these figures outperformed all previous works by the time it was first published and still, by the time of the publication of this thesis, they outnumber all previous implementations in the same technology node. Concerning the accuracy, the sensor exhibits good linearity, even without calibration it displays a 3_ error of 1.97oC, appropriate to deal with DTM applications. As explained, the sensor is completely compatible with standard CMOS processes, this fact, along with its tiny area and power overhead, makes it specially suitable for the integration in a DTM monitoring system with a collection of on-chip monitors distributed across the chip. The exacerbated process fluctuations carried along with recent technology nodes jeop-ardize the linearity characteristics of the first sensor. In order to overcome these problems, a new temperature inferring technique is proposed. In this case, we also rely on the thermal dependencies of leakage currents that are used to discharge a floating node, but now, the result comes from the ratio of two different measures, in one of which we alter a characteristic of the discharging transistor |the gate voltage. This ratio proves to be very robust against process variations and displays a more than suficient linearity on the temperature |1.17oC 3_ error considering process variations and performing two-point calibration. The implementation of the sensing part based on this new technique implies several issues, such as the generation of process variations independent voltage reference, that are analyzed in depth in the thesis. In order to perform the time-to-digital conversion, we employ the same digitization structure the former sensor used. A completely new standard cell library targeting low area and power overhead is built from scratch to implement the digitization part. Putting all the pieces together, we achieve a complete sensor system that is characterized by ultra low energy per conversion of 48-640pJ and area of 0.0016mm2, this figure outperforms all previous works. To prove this statement, we perform a thorough comparison with over 40 works from the scientific literature. Moving up to the system level, the third contribution is centered on the modeling of a monitoring system consisting of set of thermal sensors distributed across the chip. All previous works from the literature target maximizing the accuracy of the system with the minimum number of monitors. In contrast, we introduce new metrics of quality apart form just the number of sensors; we consider the power consumption, the sampling frequency, the possibility to consider different types of monitors and the interconnection costs. The model is introduced in a simulated annealing algorithm that receives the thermal information of a system, its physical properties, area, power and interconnection constraints and a collection of monitor types; the algorithm yields the selected type of monitor, the number of monitors, their position and the optimum sampling rate. We test the algorithm with the Alpha 21364 processor under several constraint configurations to prove its validity. When compared to other previous works in the literature, the modeling presented here is the most complete. Finally, the last contribution targets the networking level, given an allocated set of temperature monitors, we focused on solving the problem of connecting them in an efficient way from the area and power perspectives. Our first proposal in this area is the introduction of a new interconnection hierarchy level, the threshing level, in between the monitors and the traditional peripheral buses that applies data selectivity to reduce the amount of information that is sent to the central controller. The idea behind this new level is that in this kind of networks most data are useless because from the controller viewpoint just a small amount of data |normally extreme values| is of interest. To cover the new interconnection level, we propose a single-wire monitoring network based on a time-domain signaling scheme that significantly reduces both the switching activity over the wire and the power consumption of the network. This scheme codes the information in the time domain and allows a straightforward obtention of an ordered list of values from the maximum to the minimum. If the scheme is applied to monitors that employ TDC, digitization resource sharing is achieved, producing an important saving in area and power consumption. Two prototypes of complete monitoring systems are presented, they significantly overcome previous works in terms of area and, specially, power consumption.

Swift heavy ion damage to sodium chloride: synergy between excitation and thermal spikes

Systematic data on the effect of irradiation with swift ions (Zn at 735 MeV and Xe at 929 MeV) on NaCl single crystals have been analysed in terms of a synergetic two-spike approach (thermal and excitation spikes). The coupling of the two spikes, simultaneously generated by the irradiation, contributes to the operation of a non-radiative exciton decay model as proposed for purely ionization damage. Using this scheme, we have accounted for the π-emission yield of self-trapped excitons and its temperature dependence under ion-beam irradiation. Moreover, the initial production rates of F-centre growth have also been reasonably simulated for irradiation at low temperatures ( < 100 K), where colour centre annealing and aggregation can be neglected.

Monte Carlo Neutronics and Thermal-hydraulics coupling applied to Fast Reactors

Un escenario habitualmente considerado para el uso sostenible y prolongado de la energía nuclear contempla un parque de reactores rápidos refrigerados por metales líquidos (LMFR) dedicados al reciclado de Pu y la transmutación de actínidos minoritarios (MA). Otra opción es combinar dichos reactores con algunos sistemas subcríticos asistidos por acelerador (ADS), exclusivamente destinados a la eliminación de MA. El diseño y licenciamiento de estos reactores innovadores requiere herramientas computacionales prácticas y precisas, que incorporen el conocimiento obtenido en la investigación experimental de nuevas configuraciones de reactores, materiales y sistemas. A pesar de que se han construido y operado un cierto número de reactores rápidos a nivel mundial, la experiencia operacional es todavía reducida y no todos los transitorios se han podido entender completamente. Por tanto, los análisis de seguridad de nuevos LMFR están basados fundamentalmente en métodos deterministas, al contrario que las aproximaciones modernas para reactores de agua ligera (LWR), que se benefician también de los métodos probabilistas. La aproximación más usada en los estudios de seguridad de LMFR es utilizar una variedad de códigos, desarrollados a base de distintas teorías, en busca de soluciones integrales para los transitorios e incluyendo incertidumbres. En este marco, los nuevos códigos para cálculos de mejor estimación ("best estimate") que no incluyen aproximaciones conservadoras, son de una importancia primordial para analizar estacionarios y transitorios en reactores rápidos. Esta tesis se centra en el desarrollo de un código acoplado para realizar análisis realistas en reactores rápidos críticos aplicando el método de Monte Carlo. Hoy en día, dado el mayor potencial de recursos computacionales, los códigos de transporte neutrónico por Monte Carlo se pueden usar de manera práctica para realizar cálculos detallados de núcleos completos, incluso de elevada heterogeneidad material. Además, los códigos de Monte Carlo se toman normalmente como referencia para los códigos deterministas de difusión en multigrupos en aplicaciones con reactores rápidos, porque usan secciones eficaces punto a punto, un modelo geométrico exacto y tienen en cuenta intrínsecamente la dependencia angular de flujo. En esta tesis se presenta una metodología de acoplamiento entre el conocido código MCNP, que calcula la generación de potencia en el reactor, y el código de termohidráulica de subcanal COBRA-IV, que obtiene las distribuciones de temperatura y densidad en el sistema. COBRA-IV es un código apropiado para aplicaciones en reactores rápidos ya que ha sido validado con resultados experimentales en haces de barras con sodio, incluyendo las correlaciones más apropiadas para metales líquidos. En una primera fase de la tesis, ambos códigos se han acoplado en estado estacionario utilizando un método iterativo con intercambio de archivos externos. El principal problema en el acoplamiento neutrónico y termohidráulico en estacionario con códigos de Monte Carlo es la manipulación de las secciones eficaces para tener en cuenta el ensanchamiento Doppler cuando la temperatura del combustible aumenta. Entre todas las opciones disponibles, en esta tesis se ha escogido la aproximación de pseudo materiales, y se ha comprobado que proporciona resultados aceptables en su aplicación con reactores rápidos. Por otro lado, los cambios geométricos originados por grandes gradientes de temperatura en el núcleo de reactores rápidos resultan importantes para la neutrónica como consecuencia del elevado recorrido libre medio del neutrón en estos sistemas. Por tanto, se ha desarrollado un módulo adicional que simula la geometría del reactor en caliente y permite estimar la reactividad debido a la expansión del núcleo en un transitorio. éste módulo calcula automáticamente la longitud del combustible, el radio de la vaina, la separación de los elementos de combustible y el radio de la placa soporte en función de la temperatura. éste efecto es muy relevante en transitorios sin inserción de bancos de parada. También relacionado con los cambios geométricos, se ha implementado una herramienta que, automatiza el movimiento de las barras de control en busca d la criticidad del reactor, o bien calcula el valor de inserción axial las barras de control. Una segunda fase en la plataforma de cálculo que se ha desarrollado es la simulació dinámica. Puesto que MCNP sólo realiza cálculos estacionarios para sistemas críticos o supercríticos, la solución más directa que se propone sin modificar el código fuente de MCNP es usar la aproximación de factorización de flujo, que resuelve por separado la forma del flujo y la amplitud. En este caso se han estudiado en profundidad dos aproximaciones: adiabática y quasiestática. El método adiabático usa un esquema de acoplamiento que alterna en el tiempo los cálculos neutrónicos y termohidráulicos. MCNP calcula el modo fundamental de la distribución de neutrones y la reactividad al final de cada paso de tiempo, y COBRA-IV calcula las propiedades térmicas en el punto intermedio de los pasos de tiempo. La evolución de la amplitud de flujo se calcula resolviendo las ecuaciones de cinética puntual. Este método calcula la reactividad estática en cada paso de tiempo que, en general, difiere de la reactividad dinámica que se obtendría con la distribución de flujo exacta y dependiente de tiempo. No obstante, para entornos no excesivamente alejados de la criticidad ambas reactividades son similares y el método conduce a resultados prácticos aceptables. Siguiendo esta línea, se ha desarrollado después un método mejorado para intentar tener en cuenta el efecto de la fuente de neutrones retardados en la evolución de la forma del flujo durante el transitorio. El esquema consiste en realizar un cálculo cuasiestacionario por cada paso de tiempo con MCNP. La simulación cuasiestacionaria se basa EN la aproximación de fuente constante de neutrones retardados, y consiste en dar un determinado peso o importancia a cada ciclo computacial del cálculo de criticidad con MCNP para la estimación del flujo final. Ambos métodos se han verificado tomando como referencia los resultados del código de difusión COBAYA3 frente a un ejercicio común y suficientemente significativo. Finalmente, con objeto de demostrar la posibilidad de uso práctico del código, se ha simulado un transitorio en el concepto de reactor crítico en fase de diseño MYRRHA/FASTEF, de 100 MW de potencia térmica y refrigerado por plomo-bismuto. ABSTRACT Long term sustainable nuclear energy scenarios envisage a fleet of Liquid Metal Fast Reactors (LMFR) for the Pu recycling and minor actinides (MAs) transmutation or combined with some accelerator driven systems (ADS) just for MAs elimination. Design and licensing of these innovative reactor concepts require accurate computational tools, implementing the knowledge obtained in experimental research for new reactor configurations, materials and associated systems. Although a number of fast reactor systems have already been built, the operational experience is still reduced, especially for lead reactors, and not all the transients are fully understood. The safety analysis approach for LMFR is therefore based only on deterministic methods, different from modern approach for Light Water Reactors (LWR) which also benefit from probabilistic methods. Usually, the approach adopted in LMFR safety assessments is to employ a variety of codes, somewhat different for the each other, to analyze transients looking for a comprehensive solution and including uncertainties. In this frame, new best estimate simulation codes are of prime importance in order to analyze fast reactors steady state and transients. This thesis is focused on the development of a coupled code system for best estimate analysis in fast critical reactor. Currently due to the increase in the computational resources, Monte Carlo methods for neutrons transport can be used for detailed full core calculations. Furthermore, Monte Carlo codes are usually taken as reference for deterministic diffusion multigroups codes in fast reactors applications because they employ point-wise cross sections in an exact geometry model and intrinsically account for directional dependence of the ux. The coupling methodology presented here uses MCNP to calculate the power deposition within the reactor. The subchannel code COBRA-IV calculates the temperature and density distribution within the reactor. COBRA-IV is suitable for fast reactors applications because it has been validated against experimental results in sodium rod bundles. The proper correlations for liquid metal applications have been added to the thermal-hydraulics program. Both codes are coupled at steady state using an iterative method and external files exchange. The main issue in the Monte Carlo/thermal-hydraulics steady state coupling is the cross section handling to take into account Doppler broadening when temperature rises. Among every available options, the pseudo materials approach has been chosen in this thesis. This approach obtains reasonable results in fast reactor applications. Furthermore, geometrical changes caused by large temperature gradients in the core, are of major importance in fast reactor due to the large neutron mean free path. An additional module has therefore been included in order to simulate the reactor geometry in hot state or to estimate the reactivity due to core expansion in a transient. The module automatically calculates the fuel length, cladding radius, fuel assembly pitch and diagrid radius with the temperature. This effect will be crucial in some unprotected transients. Also related to geometrical changes, an automatic control rod movement feature has been implemented in order to achieve a just critical reactor or to calculate control rod worth. A step forward in the coupling platform is the dynamic simulation. Since MCNP performs only steady state calculations for critical systems, the more straight forward option without modifying MCNP source code, is to use the flux factorization approach solving separately the flux shape and amplitude. In this thesis two options have been studied to tackle time dependent neutronic simulations using a Monte Carlo code: adiabatic and quasistatic methods. The adiabatic methods uses a staggered time coupling scheme for the time advance of neutronics and the thermal-hydraulics calculations. MCNP computes the fundamental mode of the neutron flux distribution and the reactivity at the end of each time step and COBRA-IV the thermal properties at half of the the time steps. To calculate the flux amplitude evolution a solver of the point kinetics equations is used. This method calculates the static reactivity in each time step that in general is different from the dynamic reactivity calculated with the exact flux distribution. Nevertheless, for close to critical situations, both reactivities are similar and the method leads to acceptable practical results. In this line, an improved method as an attempt to take into account the effect of delayed neutron source in the transient flux shape evolutions is developed. The scheme performs a quasistationary calculation per time step with MCNP. This quasistationary simulations is based con the constant delayed source approach, taking into account the importance of each criticality cycle in the final flux estimation. Both adiabatic and quasistatic methods have been verified against the diffusion code COBAYA3, using a theoretical kinetic exercise. Finally, a transient in a critical 100 MWth lead-bismuth-eutectic reactor concept is analyzed using the adiabatic method as an application example in a real system.

Study of a-Si crystallization dependence on power and irradiation time using a CW green laser

An advantage of laser crystallization over conventional heating methods is its ability to limit rapid heating and cooling to thin surface layers. Laser energy is used to heat the a-Si thin film to change the microstructure to poly-Si. Thin film samples of a-Si were irradiated with a CW-green laser source. Laser irradiated spots were produced by using different laser powers and irradiation times. These parameters are identified as key variables in the crystallization process. The power threshold for crystallization is reduced as the irradiation time is increased. When this threshold is reached the crystalline fraction increases lineally with power for each irradiation time. The experimental results are analysed with the aid of a numerical thermal model and the presence of two crystallization mechanisms are observed: one due to melting and the other due to solid phase transformation.

Proactive and reactive thermal aware optimization techniques to minimize the environmental impact of data centers

Los Centros de Datos se encuentran actualmente en cualquier sector de la economía mundial. Están compuestos por miles de servidores, dando servicio a los usuarios de forma global, las 24 horas del día y los 365 días del año. Durante los últimos años, las aplicaciones del ámbito de la e-Ciencia, como la e-Salud o las Ciudades Inteligentes han experimentado un desarrollo muy significativo. La necesidad de manejar de forma eficiente las necesidades de cómputo de aplicaciones de nueva generación, junto con la creciente demanda de recursos en aplicaciones tradicionales, han facilitado el rápido crecimiento y la proliferación de los Centros de Datos. El principal inconveniente de este aumento de capacidad ha sido el rápido y dramático incremento del consumo energético de estas infraestructuras. En 2010, la factura eléctrica de los Centros de Datos representaba el 1.3% del consumo eléctrico mundial. Sólo en el año 2012, el consumo de potencia de los Centros de Datos creció un 63%, alcanzando los 38GW. En 2013 se estimó un crecimiento de otro 17%, hasta llegar a los 43GW. Además, los Centros de Datos son responsables de más del 2% del total de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Esta tesis doctoral se enfrenta al problema energético proponiendo técnicas proactivas y reactivas conscientes de la temperatura y de la energía, que contribuyen a tener Centros de Datos más eficientes. Este trabajo desarrolla modelos de energía y utiliza el conocimiento sobre la demanda energética de la carga de trabajo a ejecutar y de los recursos de computación y refrigeración del Centro de Datos para optimizar el consumo. Además, los Centros de Datos son considerados como un elemento crucial dentro del marco de la aplicación ejecutada, optimizando no sólo el consumo del Centro de Datos sino el consumo energético global de la aplicación. Los principales componentes del consumo en los Centros de Datos son la potencia de computación utilizada por los equipos de IT, y la refrigeración necesaria para mantener los servidores dentro de un rango de temperatura de trabajo que asegure su correcto funcionamiento. Debido a la relación cúbica entre la velocidad de los ventiladores y el consumo de los mismos, las soluciones basadas en el sobre-aprovisionamiento de aire frío al servidor generalmente tienen como resultado ineficiencias energéticas. Por otro lado, temperaturas más elevadas en el procesador llevan a un consumo de fugas mayor, debido a la relación exponencial del consumo de fugas con la temperatura. Además, las características de la carga de trabajo y las políticas de asignación de recursos tienen un impacto importante en los balances entre corriente de fugas y consumo de refrigeración. La primera gran contribución de este trabajo es el desarrollo de modelos de potencia y temperatura que permiten describes estos balances entre corriente de fugas y refrigeración; así como la propuesta de estrategias para minimizar el consumo del servidor por medio de la asignación conjunta de refrigeración y carga desde una perspectiva multivariable. Cuando escalamos a nivel del Centro de Datos, observamos un comportamiento similar en términos del balance entre corrientes de fugas y refrigeración. Conforme aumenta la temperatura de la sala, mejora la eficiencia de la refrigeración. Sin embargo, este incremente de la temperatura de sala provoca un aumento en la temperatura de la CPU y, por tanto, también del consumo de fugas. Además, la dinámica de la sala tiene un comportamiento muy desigual, no equilibrado, debido a la asignación de carga y a la heterogeneidad en el equipamiento de IT. La segunda contribución de esta tesis es la propuesta de técnicas de asigación conscientes de la temperatura y heterogeneidad que permiten optimizar conjuntamente la asignación de tareas y refrigeración a los servidores. Estas estrategias necesitan estar respaldadas por modelos flexibles, que puedan trabajar en tiempo real, para describir el sistema desde un nivel de abstracción alto. Dentro del ámbito de las aplicaciones de nueva generación, las decisiones tomadas en el nivel de aplicación pueden tener un impacto dramático en el consumo energético de niveles de abstracción menores, como por ejemplo, en el Centro de Datos. Es importante considerar las relaciones entre todos los agentes computacionales implicados en el problema, de forma que puedan cooperar para conseguir el objetivo común de reducir el coste energético global del sistema. La tercera contribución de esta tesis es el desarrollo de optimizaciones energéticas para la aplicación global por medio de la evaluación de los costes de ejecutar parte del procesado necesario en otros niveles de abstracción, que van desde los nodos hasta el Centro de Datos, por medio de técnicas de balanceo de carga. Como resumen, el trabajo presentado en esta tesis lleva a cabo contribuciones en el modelado y optimización consciente del consumo por fugas y la refrigeración de servidores; el modelado de los Centros de Datos y el desarrollo de políticas de asignación conscientes de la heterogeneidad; y desarrolla mecanismos para la optimización energética de aplicaciones de nueva generación desde varios niveles de abstracción. ABSTRACT Data centers are easily found in every sector of the worldwide economy. They consist of tens of thousands of servers, serving millions of users globally and 24-7. In the last years, e-Science applications such e-Health or Smart Cities have experienced a significant development. The need to deal efficiently with the computational needs of next-generation applications together with the increasing demand for higher resources in traditional applications has facilitated the rapid proliferation and growing of data centers. A drawback to this capacity growth has been the rapid increase of the energy consumption of these facilities. In 2010, data center electricity represented 1.3% of all the electricity use in the world. In year 2012 alone, global data center power demand grew 63% to 38GW. A further rise of 17% to 43GW was estimated in 2013. Moreover, data centers are responsible for more than 2% of total carbon dioxide emissions. This PhD Thesis addresses the energy challenge by proposing proactive and reactive thermal and energy-aware optimization techniques that contribute to place data centers on a more scalable curve. This work develops energy models and uses the knowledge about the energy demand of the workload to be executed and the computational and cooling resources available at data center to optimize energy consumption. Moreover, data centers are considered as a crucial element within their application framework, optimizing not only the energy consumption of the facility, but the global energy consumption of the application. The main contributors to the energy consumption in a data center are the computing power drawn by IT equipment and the cooling power needed to keep the servers within a certain temperature range that ensures safe operation. Because of the cubic relation of fan power with fan speed, solutions based on over-provisioning cold air into the server usually lead to inefficiencies. On the other hand, higher chip temperatures lead to higher leakage power because of the exponential dependence of leakage on temperature. Moreover, workload characteristics as well as allocation policies also have an important impact on the leakage-cooling tradeoffs. The first key contribution of this work is the development of power and temperature models that accurately describe the leakage-cooling tradeoffs at the server level, and the proposal of strategies to minimize server energy via joint cooling and workload management from a multivariate perspective. When scaling to the data center level, a similar behavior in terms of leakage-temperature tradeoffs can be observed. As room temperature raises, the efficiency of data room cooling units improves. However, as we increase room temperature, CPU temperature raises and so does leakage power. Moreover, the thermal dynamics of a data room exhibit unbalanced patterns due to both the workload allocation and the heterogeneity of computing equipment. The second main contribution is the proposal of thermal- and heterogeneity-aware workload management techniques that jointly optimize the allocation of computation and cooling to servers. These strategies need to be backed up by flexible room level models, able to work on runtime, that describe the system from a high level perspective. Within the framework of next-generation applications, decisions taken at this scope can have a dramatical impact on the energy consumption of lower abstraction levels, i.e. the data center facility. It is important to consider the relationships between all the computational agents involved in the problem, so that they can cooperate to achieve the common goal of reducing energy in the overall system. The third main contribution is the energy optimization of the overall application by evaluating the energy costs of performing part of the processing in any of the different abstraction layers, from the node to the data center, via workload management and off-loading techniques. In summary, the work presented in this PhD Thesis, makes contributions on leakage and cooling aware server modeling and optimization, data center thermal modeling and heterogeneityaware data center resource allocation, and develops mechanisms for the energy optimization for next-generation applications from a multi-layer perspective.