TCAD approaches to multidimensional simulation of advanced semiconductor devices

Technology scaling increasingly emphasizes complexity and non-ideality of the electrical behavior of semiconductor devices and boosts interest on alternatives to the conventional planar MOSFET architecture. TCAD simulation tools are fundamental to the analysis and development of new technology generations. However, the increasing device complexity is reflected in an augmented dimensionality of the problems to be solved. The trade-off between accuracy and computational cost of the simulation is especially influenced by domain discretization: mesh generation is therefore one of the most critical steps and automatic approaches are sought. Moreover, the problem size is further increased by process variations, calling for a statistical representation of the single device through an ensemble of microscopically different instances. The aim of this thesis is to present multi-disciplinary approaches to handle this increasing problem dimensionality in a numerical simulation perspective. The topic of mesh generation is tackled by presenting a new Wavelet-based Adaptive Method (WAM) for the automatic refinement of 2D and 3D domain discretizations. Multiresolution techniques and efficient signal processing algorithms are exploited to increase grid resolution in the domain regions where relevant physical phenomena take place. Moreover, the grid is dynamically adapted to follow solution changes produced by bias variations and quality criteria are imposed on the produced meshes. The further dimensionality increase due to variability in extremely scaled devices is considered with reference to two increasingly critical phenomena, namely line-edge roughness (LER) and random dopant fluctuations (RD). The impact of such phenomena on FinFET devices, which represent a promising alternative to planar CMOS technology, is estimated through 2D and 3D TCAD simulations and statistical tools, taking into account matching performance of single devices as well as basic circuit blocks such as SRAMs. Several process options are compared, including resist- and spacer-defined fin patterning as well as different doping profile definitions. Combining statistical simulations with experimental data, potentialities and shortcomings of the FinFET architecture are analyzed and useful design guidelines are provided, which boost feasibility of this technology for mainstream applications in sub-45 nm generation integrated circuits.

Tecnologie appropriate per la gestione delle georisorse nei paesi in via di sviluppo e nei paesi dell'America Latina. Creazione di una metodologia multi criteria per la valutazione dei progetti di sviluppo umano

Benessere delle popolazioni, gestione sostenibile delle risorse, povertà e degrado ambientale sono dei concetti fortemente connessi in un mondo in cui il 20% della popolazione mondiale consuma più del 75% delle risorse naturali. Sin dal 1992 al Summit della Terra a Rio de Janeiro si è affermato il forte legame tra tutela dell’ambiente e riduzione della povertà, ed è anche stata riconosciuta l’importanza di un ecosistema sano per condurre una vita dignitosa, specialmente nelle zone rurali povere dell’Africa, dell’Asia e dell’America Latina. La natura infatti, soprattutto per le popolazioni rurali, rappresenta un bene quotidiano e prezioso, una forma essenziale per la sussistenza ed una fonte primaria di reddito. Accanto a questa constatazione vi è anche la consapevolezza che negli ultimi decenni gli ecosistemi naturali si stanno degradando ad un ritmo impressionate, senza precedenti nella storia della specie umana: consumiamo le risorse più velocemente di quanto la Terra sia capace di rigenerarle e di “metabolizzare” i nostri scarti. Allo stesso modo aumenta la povertà: attualmente ci sono 1,2 miliardi di persone che vivono con meno di un dollaro al giorno, mentre circa metà della popolazione mondiale sopravvive con meno di due dollari al giorno (UN). La connessione tra povertà ed ambiente non dipende solamente dalla scarsità di risorse che rende più difficili le condizioni di vita, ma anche dalla gestione delle stesse risorse naturali. Infatti in molti paesi o luoghi dove le risorse non sono carenti la popolazione più povera non vi ha accesso per motivi politici, economici e sociali. Inoltre se si paragona l’impronta ecologica con una misura riconosciuta dello “sviluppo umano”, l’Indice dello Sviluppo Umano (HDI) delle Nazioni Unite (Cfr. Cap 2), il rapporto dimostra chiaramente che ciò che noi accettiamo generalmente come “alto sviluppo” è molto lontano dal concetto di sviluppo sostenibile accettato universalmente, in quanto i paesi cosiddetti “sviluppati” sono quelli con una maggior impronta ecologica. Se allora lo “sviluppo” mette sotto pressione gli ecosistemi, dal cui benessere dipende direttamente il benessere dell’uomo, allora vuol dire che il concetto di “sviluppo” deve essere rivisitato, perché ha come conseguenza non il benessere del pianeta e delle popolazioni, ma il degrado ambientale e l’accrescimento delle disuguaglianze sociali. Quindi da una parte vi è la “società occidentale”, che promuove l’avanzamento della tecnologia e dell’industrializzazione per la crescita economica, spremendo un ecosistema sempre più stanco ed esausto al fine di ottenere dei benefici solo per una ristretta fetta della popolazione mondiale che segue un modello di vita consumistico degradando l’ambiente e sommergendolo di rifiuti; dall’altra parte ci sono le famiglie di contadini rurali, i “moradores” delle favelas o delle periferie delle grandi metropoli del Sud del Mondo, i senza terra, gli immigrati delle baraccopoli, i “waste pickers” delle periferie di Bombay che sopravvivono raccattando rifiuti, i profughi di guerre fatte per il controllo delle risorse, gli sfollati ambientali, gli eco-rifugiati, che vivono sotto la soglia di povertà, senza accesso alle risorse primarie per la sopravvivenza. La gestione sostenibile dell’ambiente, il produrre reddito dalla valorizzazione diretta dell’ecosistema e l’accesso alle risorse naturali sono tra gli strumenti più efficaci per migliorare le condizioni di vita degli individui, strumenti che possono anche garantire la distribuzione della ricchezza costruendo una società più equa, in quanto le merci ed i servizi dell’ecosistema fungono da beni per le comunità. La corretta gestione dell’ambiente e delle risorse quindi è di estrema importanza per la lotta alla povertà ed in questo caso il ruolo e la responsabilità dei tecnici ambientali è cruciale. Il lavoro di ricerca qui presentato, partendo dall’analisi del problema della gestione delle risorse naturali e dal suo stretto legame con la povertà, rivisitando il concetto tradizionale di “sviluppo” secondo i nuovi filoni di pensiero, vuole suggerire soluzioni e tecnologie per la gestione sostenibile delle risorse naturali che abbiano come obiettivo il benessere delle popolazioni più povere e degli ecosistemi, proponendo inoltre un metodo valutativo per la scelta delle alternative, soluzioni o tecnologie più adeguate al contesto di intervento. Dopo l’analisi dello “stato del Pianeta” (Capitolo 1) e delle risorse, sia a livello globale che a livello regionale, il secondo Capitolo prende in esame il concetto di povertà, di Paese in Via di Sviluppo (PVS), il concetto di “sviluppo sostenibile” e i nuovi filoni di pensiero: dalla teoria della Decrescita, al concetto di Sviluppo Umano. Dalla presa di coscienza dei reali fabbisogni umani, dall’analisi dello stato dell’ambiente, della povertà e delle sue diverse facce nei vari paesi, e dalla presa di coscienza del fallimento dell’economia della crescita (oggi visibile più che mai) si può comprendere che la soluzione per sconfiggere la povertà, il degrado dell’ambiente, e raggiungere lo sviluppo umano, non è il consumismo, la produzione, e nemmeno il trasferimento della tecnologia e l’industrializzazione; ma il “piccolo e bello” (F. Schumacher, 1982), ovvero gli stili di vita semplici, la tutela degli ecosistemi, e a livello tecnologico le “tecnologie appropriate”. Ed è proprio alle Tecnologie Appropriate a cui sono dedicati i Capitoli successivi (Capitolo 4 e Capitolo 5). Queste sono tecnologie semplici, a basso impatto ambientale, a basso costo, facilmente gestibili dalle comunità, tecnologie che permettono alle popolazioni più povere di avere accesso alle risorse naturali. Sono le tecnologie che meglio permettono, grazie alle loro caratteristiche, la tutela dei beni comuni naturali, quindi delle risorse e dell’ambiente, favorendo ed incentivando la partecipazione delle comunità locali e valorizzando i saperi tradizionali, grazie al coinvolgimento di tutti gli attori, al basso costo, alla sostenibilità ambientale, contribuendo all’affermazione dei diritti umani e alla salvaguardia dell’ambiente. Le Tecnologie Appropriate prese in esame sono quelle relative all’approvvigionamento idrico e alla depurazione dell’acqua tra cui: - la raccolta della nebbia, - metodi semplici per la perforazione di pozzi, - pompe a pedali e pompe manuali per l’approvvigionamento idrico, - la raccolta dell’acqua piovana, - il recupero delle sorgenti, - semplici metodi per la depurazione dell’acqua al punto d’uso (filtro in ceramica, filtro a sabbia, filtro in tessuto, disinfezione e distillazione solare). Il quinto Capitolo espone invece le Tecnolocie Appropriate per la gestione dei rifiuti nei PVS, in cui sono descritte: - soluzioni per la raccolta dei rifiuti nei PVS, - soluzioni per lo smaltimento dei rifiuti nei PVS, - semplici tecnologie per il riciclaggio dei rifiuti solidi. Il sesto Capitolo tratta tematiche riguardanti la Cooperazione Internazionale, la Cooperazione Decentrata e i progetti di Sviluppo Umano. Per progetti di sviluppo si intende, nell’ambito della Cooperazione, quei progetti che hanno come obiettivi la lotta alla povertà e il miglioramento delle condizioni di vita delle comunità beneficiarie dei PVS coinvolte nel progetto. All’interno dei progetti di cooperazione e di sviluppo umano gli interventi di tipo ambientale giocano un ruolo importante, visto che, come già detto, la povertà e il benessere delle popolazioni dipende dal benessere degli ecosistemi in cui vivono: favorire la tutela dell’ambiente, garantire l’accesso all’acqua potabile, la corretta gestione dei rifiuti e dei reflui nonché l’approvvigionamento energetico pulito sono aspetti necessari per permettere ad ogni individuo, soprattutto se vive in condizioni di “sviluppo”, di condurre una vita sana e produttiva. È importante quindi, negli interventi di sviluppo umano di carattere tecnico ed ambientale, scegliere soluzioni decentrate che prevedano l’adozione di Tecnologie Appropriate per contribuire a valorizzare l’ambiente e a tutelare la salute della comunità. I Capitoli 7 ed 8 prendono in esame i metodi per la valutazione degli interventi di sviluppo umano. Un altro aspetto fondamentale che rientra nel ruolo dei tecnici infatti è l’utilizzo di un corretto metodo valutativo per la scelta dei progetti possibili che tenga presente tutti gli aspetti, ovvero gli impatti sociali, ambientali, economici e che si cali bene alle realtà svantaggiate come quelle prese in considerazione in questo lavoro; un metodo cioè che consenta una valutazione specifica per i progetti di sviluppo umano e che possa permettere l’individuazione del progetto/intervento tecnologico e ambientale più appropriato ad ogni contesto specifico. Dall’analisi dei vari strumenti valutativi si è scelto di sviluppare un modello per la valutazione degli interventi di carattere ambientale nei progetti di Cooperazione Decentrata basato sull’Analisi Multi Criteria e sulla Analisi Gerarchica. L’oggetto di questa ricerca è stato quindi lo sviluppo di una metodologia, che tramite il supporto matematico e metodologico dell’Analisi Multi Criteria, permetta di valutare l’appropriatezza, la sostenibilità degli interventi di Sviluppo Umano di carattere ambientale, sviluppati all’interno di progetti di Cooperazione Internazionale e di Cooperazione Decentrata attraverso l’utilizzo di Tecnologie Appropriate. Nel Capitolo 9 viene proposta la metodologia, il modello di calcolo e i criteri su cui si basa la valutazione. I successivi capitoli (Capitolo 10 e Capitolo 11) sono invece dedicati alla sperimentazione della metodologia ai diversi casi studio: - “Progetto ambientale sulla gestione dei rifiuti presso i campi Profughi Saharawi”, Algeria, - “Programa 1 milhão de Cisternas, P1MC” e - “Programa Uma Terra e Duas Águas, P1+2”, Semi Arido brasiliano.

Refined Estimation of Earthquake Source Parameters: Methods, Applications and Scaling Relationships

The objective of this work of thesis is the refined estimations of source parameters. To such a purpose we used two different approaches, one in the frequency domain and the other in the time domain. In frequency domain, we analyzed the P- and S-wave displacement spectra to estimate spectral parameters, that is corner frequencies and low frequency spectral amplitudes. We used a parametric modeling approach which is combined with a multi-step, non-linear inversion strategy and includes the correction for attenuation and site effects. The iterative multi-step procedure was applied to about 700 microearthquakes in the moment range 1011-1014 N•m and recorded at the dense, wide-dynamic range, seismic networks operating in Southern Apennines (Italy). The analysis of the source parameters is often complicated when we are not able to model the propagation accurately. In this case the empirical Green function approach is a very useful tool to study the seismic source properties. In fact the Empirical Green Functions (EGFs) consent to represent the contribution of propagation and site effects to signal without using approximate velocity models. An EGF is a recorded three-component set of time-histories of a small earthquake whose source mechanism and propagation path are similar to those of the master event. Thus, in time domain, the deconvolution method of Vallée (2004) was applied to calculate the source time functions (RSTFs) and to accurately estimate source size and rupture velocity. This technique was applied to 1) large event, that is Mw=6.3 2009 L’Aquila mainshock (Central Italy), 2) moderate events, that is cluster of earthquakes of 2009 L’Aquila sequence with moment magnitude ranging between 3 and 5.6, 3) small event, i.e. Mw=2.9 Laviano mainshock (Southern Italy).

An architecture for scaling ontology networks

Constructing ontology networks typically occurs at design time at the hands of knowledge engineers who assemble their components statically. There are, however, use cases where ontology networks need to be assembled upon request and processed at runtime, without altering the stored ontologies and without tampering with one another. These are what we call "virtual [ontology] networks", and keeping track of how an ontology changes in each virtual network is called "multiplexing". Issues may arise from the connectivity of ontology networks. In many cases, simple flat import schemes will not work, because many ontology managers can cause property assertions to be erroneously interpreted as annotations and ignored by reasoners. Also, multiple virtual networks should optimize their cumulative memory footprint, and where they cannot, this should occur for very limited periods of time. We claim that these problems should be handled by the software that serves these ontology networks, rather than by ontology engineering methodologies. We propose a method that spreads multiple virtual networks across a 3-tier structure, and can reduce the amount of erroneously interpreted axioms, under certain raw statement distributions across the ontologies. We assumed OWL as the core language handled by semantic applications in the framework at hand, due to the greater availability of reasoners and rule engines. We also verified that, in common OWL ontology management software, OWL axiom interpretation occurs in the worst case scenario of pre-order visit. To measure the effectiveness and space-efficiency of our solution, a Java and RESTful implementation was produced within an Apache project. We verified that a 3-tier structure can accommodate reasonably complex ontology networks better, in terms of the expressivity OWL axiom interpretation, than flat-tree import schemes can. We measured both the memory overhead of the additional components we put on top of traditional ontology networks, and the framework's caching capabilities.

Integrated analysis and design of optimization and up-scaling of inductively coupled plasma synthesis of nanoparticles

This study is focused on radio-frequency inductively coupled thermal plasma (ICP) synthesis of nanoparticles, combining experimental and modelling approaches towards process optimization and industrial scale-up, in the framework of the FP7-NMP SIMBA European project (Scaling-up of ICP technology for continuous production of Metallic nanopowders for Battery Applications). First the state of the art of nanoparticle production through conventional and plasma routes is summarized, then results for the characterization of the plasma source and on the investigation of the nanoparticle synthesis phenomenon, aiming at highlighting fundamental process parameters while adopting a design oriented modelling approach, are presented. In particular, an energy balance of the torch and of the reaction chamber, employing a calorimetric method, is presented, while results for three- and two-dimensional modelling of an ICP system are compared with calorimetric and enthalpy probe measurements to validate the temperature field predicted by the model and used to characterize the ICP system under powder-free conditions. Moreover, results from the modeling of critical phases of ICP synthesis process, such as precursor evaporation, vapour conversion in nanoparticles and nanoparticle growth, are presented, with the aim of providing useful insights both for the design and optimization of the process and on the underlying physical phenomena. Indeed, precursor evaporation, one of the phases holding the highest impact on industrial feasibility of the process, is discussed; by employing models to describe particle trajectories and thermal histories, adapted from the ones originally developed for other plasma technologies or applications, such as DC non-transferred arc torches and powder spherodization, the evaporation of micro-sized Si solid precursor in a laboratory scale ICP system is investigated. Finally, a discussion on the role of thermo-fluid dynamic fields on nano-particle formation is presented, as well as a study on the effect of the reaction chamber geometry on produced nanoparticle characteristics and process yield.

Scaled down physical properties of semiconductor nanowires for nanoelectronics scaling up

Semiconductor nanowires (NWs) are one- or quasi one-dimensional systems whose physical properties are unique as compared to bulk materials because of their nanoscaled sizes. They bring together quantum world and semiconductor devices. NWs-based technologies may achieve an impact comparable to that of current microelectronic devices if new challenges will be faced. This thesis primarily focuses on two different, cutting-edge aspects of research over semiconductor NW arrays as pivotal components of NW-based devices. The first part deals with the characterization of electrically active defects in NWs. It has been elaborated the set-up of a general procedure which enables to employ Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) to probe NW arrays’ defects. This procedure has been applied to perform the characterization of a specific system, i.e. Reactive Ion Etched (RIE) silicon NW arrays-based Schottky barrier diodes. This study has allowed to shed light over how and if growth conditions introduce defects in RIE processed silicon NWs. The second part of this thesis concerns the bowing induced by electron beam and the subsequent clustering of gallium arsenide NWs. After a justified rejection of the mechanisms previously reported in literature, an original interpretation of the electron beam induced bending has been illustrated. Moreover, this thesis has successfully interpreted the formation of NW clusters in the framework of the lateral collapse of fibrillar structures. These latter are both idealized models and actual artificial structures used to study and to mimic the adhesion properties of natural surfaces in lizards and insects (Gecko effect). Our conclusion are that mechanical and surface properties of the NWs, together with the geometry of the NW arrays, play a key role in their post-growth alignment. The same parameters open, then, to the benign possibility of locally engineering NW arrays in micro- and macro-templates.

Oblique ionograms automatic scaling and eikonal based ray tracing

A method for automatic scaling of oblique ionograms has been introduced. This method also provides a rejection procedure for ionograms that are considered to lack sufficient information, depicting a very good success rate. Observing the Kp index of each autoscaled ionogram, can be noticed that the behavior of the autoscaling program does not depend on geomagnetic conditions. The comparison between the values of the MUF provided by the presented software and those obtained by an experienced operator indicate that the procedure developed for detecting the nose of oblique ionogram traces is sufficiently efficient and becomes much more efficient as the quality of the ionograms improves. These results demonstrate the program allows the real-time evaluation of MUF values associated with a particular radio link through an oblique radio sounding. The automatic recognition of a part of the trace allows determine for certain frequencies, the time taken by the radio wave to travel the path between the transmitter and receiver. The reconstruction of the ionogram traces, suggests the possibility of estimating the electron density between the transmitter and the receiver, from an oblique ionogram. The showed results have been obtained with a ray-tracing procedure based on the integration of the eikonal equation and using an analytical ionospheric model with free parameters. This indicates the possibility of applying an adaptive model and a ray-tracing algorithm to estimate the electron density in the ionosphere between the transmitter and the receiver An additional study has been conducted on a high quality ionospheric soundings data set and another algorithm has been designed for the conversion of an oblique ionogram into a vertical one, using Martyn's theorem. This allows a further analysis of oblique soundings, throw the use of the INGV Autoscala program for the automatic scaling of vertical ionograms.

Definition of Food Safety Criteria for Bacteria Food-Borne Pathogens in Ready to Eat products

The aims of this research study is to explore the opportunity to set up Performance Objectives (POs) parameters for specific risks in RTE products to propose for food industries and food authorities. In fact, even if microbiological criteria for Salmonella and Listeria monocytogenes Ready-to-Eat (RTE) products are included in the European Regulation, these parameters are not risk based and no microbiological criteria for Bacillus cereus in RTE products is present. For these reasons the behaviour of Salmonella enterica in RTE mixed salad, the microbiological characteristics in RTE spelt salad, and the definition of POs for Bacillus cereus and Listeria monocytogenes in RTE spelt salad has been assessed. Based on the data produced can be drawn the following conclusions: 1. A rapid growth of Salmonella enterica may occurr in mixed ingredient salads, and strict temperature control during the production chain of the product is critical. 2. Spelt salad is characterized by the presence of high number of Lactic Acid Bacteria. Listeria spp. and Enterobacteriaceae, on the contrary, did not grow during the shlef life, probably due to the relevant metabolic activity of LAB. 3. The use of spelt and cheese compliant with the suggested POs might significantly reduce the incidence of foodborne intoxications due to Bacillus cereus and Listeria monocytogenes and the proportions of recalls, causing huge economic losses for food companies commercializing RTE products. 4. The approach to calculate the POs values and reported in my work can be easily adapted to different food/risk combination as well as to any changes in the formulation of the same food products. 5. The optimized sampling plans in term of number of samples to collect can be derive in order to verify the compliance to POs values selected.