Attività sul Diamante a Roma Tre

S2DEL – Solid State and Diamond Electronics Lab. ROMATRE

Università degli Studi

Attività sul Diamante a Roma Tre

CAEN – Viareggio, 24 Giugno 2011

G. ConteDipartimento di Fisica

Via della Vasca Navale, 84 – 00148 Roma[CNR-IFN, INFN, CNISM]

V. G. Ralchenko, RAS (Mosca)E. Giovine, CNR-IFN (Roma)D.M. Trucchi, CNR-IMIP (Roma)

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http://www.cnr.it/ITA/testo.htm



Contenuto

Attività scientifiche in corso Dispositivi maturi per

sviluppo Rivelatori UV e PSD MEDFETs, OpFETs Dosimetri per IMRT

Facilities disponibili

MESFETsDosimetri

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Attività scientifiche in corso

Transistori per alta frequenza e alta potenza (MEDFET) Switch ottici di potenza (OpFET) Dispositivi per spettroscopia di raggi XImaging di sorgenti UV e XDosimetri per radioterapia e riferimenti secondariCaratterizzazione comparata CCD substrati epitassiali (Diapix)Matrici con I stadio pre-amplificazione on-chip (Diapix)

RAS SC-DG

3/15



10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

1 2 3 4 5 6 7

NU_Type IIaRAS Poly-R10 0.5 mmE6_SC-DG 0.5 mmDDL_SC-DG 0.5 mmRAS_SC-A010

Res

pons

ivity

(a.u

.)

Photon Energy (eV)

Eg

Urbach Tail

SurfaceRecombination

Qualità dei diamanti disponibili

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

1 10 100 1000

Element Six SC Diamond3x3x0.5 mm

Cur

rent

(A)

Voltage (V)

SCLC

TFL

Ohmic Schottky V1/2

V5

Traps Distribution

Dia3

Dia6

Meccanismi di trasporto della carica.Distribuzione difetti elettricamente attivi.

JDoS: Distribuzione in energia dei difetti; Posizione del livello di Fermi.

4/15



Vb

50ΩRo

+Vs 5V

R2=Rf

-Vs -5V

R1=Rp-

+

THS4271

3

26

7

450Ω

33kΩ

3.3V

Vout uV

Vout Z°=50Ω

1D UV PSD

pos (mm)

Vu (V)

0

0,5

1

0 1 2 3 4 5 6

100m

y = 0,16186 + 0,15868x R= 0,99934

Vu (V)

pos (mm)

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Rivelatori UV a larga banda

Ag/Au contacts

Metal grid

AA

0

50

100

150

200

190 200 210 220 230 240 250

Res

pons

ivity

(A

/W)

Wavelength (nm)

PC

PC + PE

PE

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Imaging di sorgenti UV.

CVD-Diamond

Vbias

-

+- electronsholes

Dataacquisition

-

-

- 1 2 3 4 5 6 7 81

4

71

10

100

1000

10000

100000

4-53-42-31-20-1

Imaging of a discharge UV source.

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0 500 1000 1500

#RA270d=270 mCool-X

Time=90''

Cou

nts x

100

0

Channel

5

4

3

2

1

8.14 keV(Ta-L)

8.05 keV (Cu-K)

Heating phase

Cooling phase

0 500 1000 1500

#RA270d=270 mCool-X

Time=90''

Cou

nts x

100

0

Channel

5

4

3

2

1

8.14 keV(Ta-L)

8.05 keV (Cu-K)

Heating phase

Cooling phase

0 200 400 600 800 1000 1200

Ra270Cool-X 30'

Cou

nts x

104

Channel

200V

500V

8

6

4

2

PedestalNoise

Spettroscopia di raggi X

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MEDFET T41-200x3.6 m (2005)

10-15

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Igs (

A)

Vgs (V)

n=2.6

T41 (4-200)SchottkyCr-Diamond

Poly-Diamond

Cr

Au

Hydrogenated Surface

3.6 µm

Holes 2DG

Diamond

Cr

V-

V+

Vacuum -XD EC

EV

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-20 dB/dec.

Gain =16 dB @ 1 GHz

fMAX = 35 GHz

fT = 10 GHz

Polycrystalline Diamond (RAS)-20 dB/dec. Gain =

20 dB @ 1 GHz

fMAX = 26.3 GHz

fT = 13.2 GHz

Single CrystalDiamond

MEDFETs (2009)

10/15



-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Peak

Am

plitu

de (V

)

Vdd

(V)0 -2 -4 -6 -8

Diamond UV-FETl = 20 umw = 200 umArF 193 nmFWHM = 3.5 ns

-1 -3 -5 -7

WG=200 µm LG=4 µm

Vgs=-0.9 VG-S distance 4 µm

G-D distance 12 µm

UV Power Switch

Vgs

- Vds

100 kLeCroy1M AC193 nm

UV-triggered Power SwitchEL_G. Conte, et al., 2010

11/15



0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Sign

al (a

.u.)

Time (s)

0,72

0,76

0,8

0,84

0,88

0,92

0,96

1

10 15 20 25 30 35 40 45 50

E6-DG TiAuE6-Std AgE6-Std DDL

E6-DG Ag

Sign

al (a

.u.)

Time (s)

10-14

10-13

10-12

10-11

10-10

10-9

10-8

10-7

0 200 400 600 800 1000 1200

Co 60Beam ON_OFFSDD 58 mm 5V

E6-DG TiAuE6-DG Ag

Cur

rent

(A)

Time (s)

3.5x104

2x105

Stability<0.2%

Dosimetri per IMRT

Prototypes of radiation detectors for clinical dosimetry were constructed by using commercially available synthetic diamonds of different quality.

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Progetto Diapix (WP3)

Realizzazione di rivelatori basati sul Diamante prodotto da V. Ralchenko (RAS, Mosca), come altro potenziale fornitore, almeno fino a dimensioni 1 cm2 (Poly-Diamond polished =2÷5 nm) e Mono da 36 mm2, il quale è disponibile a fornire materiale nell’ambito di una più ampia collaborazione ufficiale.

Diamond

Vbias

+-

electronsholesGuard

MESFETs

Si vuole poi valutare la possibilità di integrare il primo stadio di pre-amplificazione, con un MEDFET a canale superficiale direttamente On-Chip,

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Tecnologia (Clean Room Classe 10000)

Sputtering

•2.45 GHz Microwave deposition and treatment system ASTEX S1500•DC and RF sputtering system with two magnetron 2” head.•PVD evaporation apparatus with two independent ovens. •Quartz tubular heating furnace (1200 °C) with Argon flow. •Reactive Ion Etching (RIE) Plasmalab R80 for substrates up to 100 cm2. •UV Photolithography room (Class 1000/10000) equipped with:

•Karl Suss MA6 mask-aligner.•Direct writing system with HeCd laser (max resolution 2.5 m)•Spin coater for substrates up to 100 cm2.•Pre-baking and post backing ovens •Confocal Olimpus Microscopy.•Wet etching station.. RIE

Evaporatore

Astex S1500

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Tecniche di caratterizzazione

Electrical• Helium gas exchange Cryostat: I(V,T), C(V,,T)• Impedance Spectroscopy, 1 mHz-10 MHz, Solartron FRA 1250,

IS1260, HP4192A, .

• Karl-Suss Rp8, Rucker-Rull probers.

Optoelectronic• UV Transient photoconductivity (ArF laser 3ns., 2.5 mJ/pulse),

LeCroy Wavepro 960.• Spectrally resolved photoconductivity, Spex Tandem 1687b, 50

cm.• Spectral response UV-VIS-NIR (0.6-3.5 eV) Spex 1681, 25 cm.• X-ray modulated photoconductivity (f<1kHz, Cu 8.06 keV) • Time of Flight with 241Am alpha particles under vacuum.• 90Sr, 241Am, 55Fe PHD Diamond characterization (Ortec 142IH,

Amptek MCA PX4).

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