S 2 DEL – Solid State and Diamond Electronics Lab. ROMA TRE Università degli Studi Attività sul...
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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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S2DEL – Solid State and Diamond Electronics Lab. ROMATRE
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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 X
Imaging di sorgenti UV e X
Dosimetri per radioterapia e riferimenti secondari
Caratterizzazione comparata CCD substrati epitassiali (Diapix)
Matrici con I stadio pre-amplificazione on-chip (Diapix)
RAS SC-DG
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10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
1 2 3 4 5 6 7
NU_Type IIa
RAS Poly-R10 0.5 mm
E6_SC-DG 0.5 mm
DDL_SC-DG 0.5 mm
RAS_SC-A010
Res
pon
sivi
ty (
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.
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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
ivit
y (
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
78
1
4
71
10
100
1000
10000
100000
4-5
3-4
2-3
1-2
0-1Imaging of a discharge UV source.
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0 500 1000 1500
#RA270d=270 mCool-X
Time=90''
Cou
nts
x 1
000
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 1
000
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 1
04
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 -XDEC
EV
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-20 dB/dec.-20 dB/dec.
Gain =16 dB @ 1 GHz
Gain =16 dB @ 1 GHz
fMAX = 35 GHzfMAX = 35 GHz
fT = 10 GHzfT = 10 GHz
Polycrystalline Diamond (RAS)Polycrystalline
Diamond (RAS)-20 dB/dec. Gain =20 dB @ 1 GHz
Gain =20 dB @ 1 GHz
fMAX = 26.3 GHzfMAX = 26.3 GHz
fT = 13.2 GHzfT = 13.2 GHz
Single CrystalDiamond
Single CrystalDiamond
MEDFETs (2009)
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-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Pea
k A
mp
litu
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
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0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Sig
nal
(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
Sig
nal
(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
+-
electronsholes
Guard
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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