Development of Hydrogenated Amorphous Silicon (a-Si: H) Charge-Selective Contact Devices on a Polyimide Flexible Substrate for Dosimetry and Beam Flux Measurements

Authors

  • Mauro Menichelli INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Saba Aziz INFN Sezione di Lecce, Dipartimento di Fisica e Matematica, dell’Università del Salento, Via per Arnesano, 73100 Lecce, Italy.
  • Aishah Bashiri Centre for Medical Radiation Physics, University of Wollongong, Northfields Ave., Wollongong, NSW 2522, Australia and Physics Department, Faculty of Science and Art, Najran University, King Abdulaziz Rd,1988 Najran, Saudi Arabia.
  • Marco Bizzarri INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and Dipipartimento di Fisica e Geologia, dell’Università degli Studi di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Clarissa Buti INFN Sezione di Firenze, Via Sansone 1, 50019 Sesto Fiorentino, Italy and Department of Experimental and Clinical Biomedical Sciences “Mario Serio”, University of Florence, Viale Morgagni 50, 50135 Firenze, Italy.
  • Lucio Calcagnile INFN Sezione di Lecce, Dipartimento di Fisica e Matematica, dell’Università del Salento, Via per Arnesano, 73100 Lecce, Italy.
  • Daniela Calvo INFN Sezione di Torino Via Pietro Giuria, 110125 Torino, Italy.
  • Mirco Caprai INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Domenico Caputo INFN Sezione di Roma 1, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy and Dipartimento Ingegneria dell’Informazione, Elettronica e Telecomunicazioni, dell’Università degli studi di Roma, Via Eudossiana, 18, 00184 Roma, Italy.
  • Anna Paola Caricato INFN Sezione di Lecce, Dipartimento di Fisica e Matematica, dell’Università del Salento, Via per Arnesano, 73100 Lecce, Italy.
  • Roberto Catalano INFN Laboratori Nazionali del Sud, Via S.Sofia62, 95123 Catania, Italy.
  • Massimo Cazzanelli Dipatimento di Ingegneria, TIFPA and Trento University, Via Sommarive 14, 38123 Povo, Italy.
  • Roberto Cirio INFN Sezione di Torino Via Pietro Giuria, 110125 Torino, Italy.
  • Giuseppe Antonio Pablo Cirrone INFN Laboratori Nazionali del Sud, Via S.Sofia62, 95123 Catania, Italy.
  • Federico Cittadini INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and Dipatimento Di Fisica e Astronomia, dell’Università di Padova, Via Marzolo 8, 35131 Padova, Italy.
  • Tommaso Croci INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and Dipatimento di Ingegneria, dell’Università degli studi di Perugia, Via G.Duranti, 06125 Perugia, Italy.
  • Giacomo Cuttone INFN Laboratori Nazionali del Sud, Via S.Sofia62, 95123 Catania, Italy.
  • Giampiero de Cesare INFN Sezione di Roma 1, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy and Dipartimento Ingegneria dell’Informazione, Elettronica e Telecomunicazioni, dell’Università degli studi di Roma, Via Eudossiana, 18, 00184 Roma, Italy.
  • Paolo De Remigis INFN Sezione di Torino Via Pietro Giuria, 110125 Torino, Italy.
  • Sylvain Dunand Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Institute of Electrical and Microengineering (IME), Rue de la Maladière 71b, 2000 Neuchâtel, Switzerland.
  • Michele Fabi INFN Sezione di Firenze, Via Sansone 1, 50019 Sesto Fiorentino, Italy and DiSPeA, Università di Urbino Carlo Bo, 61029 Urbino, Italy.
  • Luca Frontini INFN Sezione di Milano Via Celoria 16, 20133 Milano, Italy and Dipartimento di Fisica, dell’Università degli Studi di Milano, Via Celoria 16, 20133 Milano, Italy.
  • Catia Grimani INFN Sezione di Firenze, Via Sansone 1, 50019 Sesto Fiorentino, Italy and DiSPeA, Università di Urbino Carlo Bo, 61029 Urbino, Italy.
  • Mariacristina Guarrera INFN Laboratori Nazionali del Sud, Via S.Sofia62, 95123 Catania, Italy.
  • Hamza Hasnaoui Dipatimento di Ingegneria, TIFPA and Trento University, Via Sommarive 14, 38123 Povo, Italy.
  • Maria Ionica INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Keida Kanxheri INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and Dipipartimento di Fisica e Geologia, dell’Università degli Studi di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Matthew Large Centre for Medical Radiation Physics, University of Wollongong, Northfields Ave., Wollongong, NSW 2522, Australia.
  • Francesca Lenta INFN Sezione di Torino Via Pietro Giuria, 110125 Torino, Italy and Politecnico di Torino Facoltà di Ingegneria, Corso Duca degli Abruzzi 24, 10129 Torino, Italy.
  • Valentino Liberali INFN Sezione di Milano Via Celoria 16, 20133 Milano, Italy and Dipartimento di Fisica, dell’Università degli Studi di Milano, Via Celoria 16, 20133 Milano, Italy.
  • Nicola Lovecchio INFN Sezione di Roma 1, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy and Dipartimento Ingegneria dell’Informazione, Elettronica e Telecomunicazioni, dell’Università degli studi di Roma, Via Eudossiana, 18, 00184 Roma, Italy.
  • Maurizio Martino INFN Sezione di Lecce, Dipartimento di Fisica e Matematica, dell’Università del Salento, Via per Arnesano, 73100 Lecce, Italy.
  • Giuseppe Maruccio INFN Sezione di Lecce, Dipartimento di Fisica e Matematica, dell’Università del Salento, Via per Arnesano, 73100 Lecce, Italy.
  • Giovanni Mazza INFN Sezione di Torino Via Pietro Giuria, 110125 Torino, Italy.
  • Anna Grazia Monteduro INFN Sezione di Lecce, Dipartimento di Fisica e Matematica, dell’Università del Salento, Via per Arnesano, 73100 Lecce, Italy.
  • Arianna Morozzi INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Augusto Nascetti INFN Sezione di Roma 1, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy and Scuola di Ingegneria Aerospaziale, Università degli studi di Roma, Via Salaria 851/881, 00138 Roma, Italy.
  • Stefania Pallotta INFN Sezione di Firenze, Via Sansone 1, 50019 Sesto Fiorentino, Italy and Department of Experimental and Clinical Biomedical Sciences “Mario Serio”, University of Florence, Viale Morgagni 50, 50135 Firenze, Italy.
  • Andrea Papi INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Daniele Passeri INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and Dipatimento di Ingegneria, dell’Università degli studi di Perugia, Via G.Duranti, 06125 Perugia, Italy.
  • Maddalena Pedio INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and CNR-IOM, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Marco Petasecca Centre for Medical Radiation Physics, University of Wollongong, Northfields Ave., Wollongong, NSW 2522, Australia.
  • Giada Petringa INFN Laboratori Nazionali del Sud, Via S.Sofia62, 95123 Catania, Italy.
  • Francesca Peverini INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and Dipipartimento di Fisica e Geologia, dell’Università degli Studi di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Pisana Placidi INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and Dipatimento di Ingegneria, dell’Università degli studi di Perugia, Via G.Duranti, 06125 Perugia, Italy.
  • Matteo Polo Dipatimento di Ingegneria, TIFPA and Trento University, Via Sommarive 14, 38123 Povo, Italy.
  • Alberto Quaranta Dipatimento di Ingegneria, TIFPA and Trento University, Via Sommarive 14, 38123 Povo, Italy.
  • Gianluca Quarta INFN Sezione di Lecce, Dipartimento di Fisica e Matematica, dell’Università del Salento, Via per Arnesano, 73100 Lecce, Italy.
  • Silvia Rizzato INFN Sezione di Lecce, Dipartimento di Fisica e Matematica, dell’Università del Salento, Via per Arnesano, 73100 Lecce, Italy.
  • Federico Sabbatini INFN Sezione di Firenze, Via Sansone 1, 50019 Sesto Fiorentino, Italy.
  • Leonello Servoli INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Alberto Stabile INFN Sezione di Milano Via Celoria 16, 20133 Milano, Italy and Dipartimento di Fisica, dell’Università degli Studi di Milano, Via Celoria 16, 20133 Milano, Italy.
  • Cinzia Talamonti INFN Sezione di Firenze, Via Sansone 1, 50019 Sesto Fiorentino, Italy and Department of Experimental and Clinical Biomedical Sciences “Mario Serio”, University of Florence, Viale Morgagni 50, 50135 Firenze, Italy.
  • Jonathan Emanuel Thomet Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Institute of Electrical and Microengineering (IME), Rue de la Maladière 71b, 2000 Neuchâtel, Switzerland.
  • Luca Tosti INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy.
  • Monica Setia Vasquez Mora INFN Sezione di Milano Via Celoria 16, 20133 Milano, Italy.
  • Mattia Villani INFN Sezione di Firenze, Via Sansone 1, 50019 Sesto Fiorentino, Italy and DiSPeA, Università di Urbino Carlo Bo, 61029 Urbino, Italy.
  • Richard James Wheadon INFN Sezione di Torino Via Pietro Giuria, 110125 Torino, Italy.
  • Nicolas Wyrsch Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Institute of Electrical and Microengineering (IME), Rue de la Maladière 71b, 2000 Neuchâtel, Switzerland.
  • Nicola Zema INFN, Sezione di Perugia, Via Pascoli s.n.c., 06123 Perugia, Italy and CNR Istituto Struttura Della Materia, Via Fosso del Cavaliere 100, 00133 Roma, Italy.

DOI:

https://doi.org/10.9734/bpi/nhstc/v2/5651

Keywords:

Dosimeters, radiation detectors, charge-selective, contact devices, flexible sensors

Abstract

Hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H) devices on flexible substrates are currently being studied for application in dosimetry and beam flux measurements. The low deposition temperature of a-Si: H allows its layering on flexible materials like polyimide (PI). The necessity of in vivo dosimetry requires thin devices with maximal transparency and flexibility. For this reason, a thin (<10 µm) a-Si: H device deposited on a thin polyimide sheet is a very valid option for this application. Furthermore, a-Si: H is a material that has an intrinsically high radiation hardness. In order to develop these devices, the HASPIDE (Hydrogenated Amorphous Silicon Pixel Detectors) collaboration has implemented two different device configurations: n-i-p type diodes and charge-selective contact devices. Charge-selective contact devices are based on a three-layer structure featuring a thin layer of metal-oxides with a small activation energy (like TiO2), a thick layer of intrinsic a-Si: H, and a thin layer of metal-oxides with a large activation energy (like MoOx or WOx). Charge-selective contact-based devices have been studied for solar cell applications, and recently, the above-mentioned collaboration has tested these devices for X-ray dose measurements. In this paper, the HASPIDE collaboration has studied the X-ray and proton response of charge-selective contact devices deposited on Polyimide.

The linearity of the photocurrent response to X-ray versus dose rate has been assessed at various bias voltages. The sensitivity to protons has also been studied at various bias voltages, and the wide range linearity has been tested for fluxes in the range from 8.3 × 107 to 2.49 × 1010 p/(cm2 s). The results show a very good linearity in the dose rate range tested, in addition to a good sensitivity and quite low leakage current below 4 V bias. Dosimetric sensitivity is related to bias voltage, in a very linear behaviour.

Downloads

Published

2025-06-21

How to Cite

Menichelli, M., Aziz, S., Bashiri, A., Bizzarri, M., Buti, C., Calcagnile, L., … Zema, N. (2025). Development of Hydrogenated Amorphous Silicon (a-Si: H) Charge-Selective Contact Devices on a Polyimide Flexible Substrate for Dosimetry and Beam Flux Measurements. New Horizons of Science, Technology and Culture Vol. 2, 50–65. https://doi.org/10.9734/bpi/nhstc/v2/5651

Issue

New Horizons of Science, Technology and Culture Vol. 2

Section

Chapters