diamond materials for detection
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Diamond materials for detection Jean-Charles ARNAULT - PowerPoint PPT Presentation

09 juin 2015 Diamond materials for detection Jean-Charles ARNAULT jean-charles.arnault@cea.fr Workshop Diamant et dtecteurs, LPSC, June 9, 2015 Diamond Sensors Laboratory from Chemical Vapour Deposition of diamond to sensors MEMS


  1. 09 juin 2015 Diamond materials for detection Jean-Charles ARNAULT jean-charles.arnault@cea.fr Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  2. Diamond Sensors Laboratory from Chemical Vapour Deposition of diamond… … to sensors MEMS Electrodes Implants Photonic crystals Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  3. Diamond structure Fd3m structure 1.8 10 23 atoms /cm 3 density C-C distance 0.154 nm Bond energy 360 kJ / mol a 0 = 0.357 nm Properties Si Young modulus (GPa) 1050 150 Sound velocity (km.s -1 ) 18 8 Thermal conductivity 20 2 (W.cm -1 .K -1 ) Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  4. Fonctionnal coatings Mechanical coating (resistance & tribology) Thermal spreading Surfaces et specific properties First submicronic device on SOD High speed AFM Large surfaces & low temperature Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  5. Health applications Materials process & MEA Porous 3D Diamond Proof of concept Cochlear Cortical implants Implant Retinal Implants Partners Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  6. Sensors applications Diamond micro-cantilevers Mechanical performances sensitivity Biomimetic approach – electronic noise Surface acoustic waves sensors (SAW) covered with a layer of Functionalized diamond nanoparticles

  7. Diamond electronic properties Applications in power electronics GREENDIAMOND (2015-2019) 7.3 eV 5.45 eV Si Breakdown voltage (V.cm -1 ) 10 7 3. 10 6 Indirect bandgap Ω .cm) 10 13 – 10 16 Resistivity ( Ω Ω Ω 3. 10 5 semiconductor Electron mobility (cm 2 .V -1 .s -1 ) 4000 1450 Hole mobility (cm 2 .V -1 .s -1 ) 3500 500 Temperature ( ° ° C) ° ° 700 120 Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  8. Detectors applications Smart windows for X-ray tubes Positionning of micro/nano beams Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  9. Diamond synthesis Carbon thermodynamics Chemical Vapour Deposition High Pressure High Temperature Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  10. HPHT synthesis huge hydraulic press T > 1700 K P = 5-7 GPa Burns et al. J. Crystal Growth 104 (1990) Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  11. HPHT synthesis (113) (100) (111) (110) (111) (111) (110) (113) (100) X-ray topography Substrates for homoepitaxy J. Härtwig, J. Morse (ESRF) Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  12. HPHT synthesis I b II a different grades Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  13. CVD synthesis Hot Filament Micro-waves 2400 K 500-1000W H 2 + CH 4 (0.5-10 %) Plasma: Molecules, Ions, Radicals H • H 2 2 H Exothermic - 104 kcal/mole 1 • • • • CH 3 CH 4 + H T plasma ~ 3000-3500 K CH 3 + H 2 CH 3 + H CH 4 1 W. A. Yarbrough et al, Appl. Phys. Lett. 60, 2068 1992. Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  14. CVD synthesis Activation of methyl radicals CH 4 + H CH 3 + H 2 Recombination of atomic hydrogen 2 H H 2 H • During diamond growth Surface passivation creation of free sites sp 2 carbon etching • CH 3 Diamond growth www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/growthmodel.htm Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  15. Microwave Plasma CVD Micro-waves H 2 /CH 4 Plasma Substrate Substrate holder Pumping T surface ~ 770-1200 K Pressure 20 – 300 mBar Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  16. MPCVD facilities at CEA 8 MPCVD reactors 1 for intrinsic single crystals (SC) 2 for boron doping (p- / p+) SC 1 connected to UHV set-up for fundamental studies 2 for prospective studies 2 semi-industrial reactors (intrinsic or B-doped) Substrate area: 2 à 4 inches Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  17. MPCVD reactor - UHV set-up Sequential investigations by surface analysis Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  18. Diamond homoepitaxy H 2 + CH 4 (<10%) Micro-waves 5-100 W/cm 3 e-, D H 2 2 H 3x3mm 2 (300€) CH 4 + H CH 3 + H 2 Plasma T~ 3000 - 3500 K Epitaxial film T~1100 K Ib HPHT substrate holder substrate Growth parameters • High pressure (240 - 340 mBar) • Low power (500 – 700 W) • Surface temperature (880 - 940 ° C) •Growth rate 1.5 µ m / h Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  19. SC diamond for detection Radiation X-ray, γ γ , … γ γ Energy range keV-15 MeV electrode diamond + - + - + - Radiation detector - + - + - + Electric field + - + - + - electrode -1 ) electron mobility 3000 hole mobility -1 ,s 2800 2 ,V 2600 2400 Mobility (cm N. Tranchant et al., MRS Symp. Proc. 2200 1039, Warrendale, PA, 2008. 2000 1800 Applications 1600 Beam monitoring, 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Methane concentration (%) dosimeter for radiotherapy Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  20. SC diamond: recent advances High power density and pressure 1000 W / cm 3 300-400 Torr IIa CVD diamond grown on a 7 x7 mm 2 HPHT Muehle et al. Reuse of seeds and cloning DRM 42 (2014) 8 Yamada et al. DRM 24 (2012) 29 M. Schreck, J. Asmussen, S. Shikata, J. C. Arnault, N. Fujimori, MRS Bulletin 39 (2014) 504 Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  21. Diamond on heterosubstrates Growth Nucleation Coalescence Columnar growth Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  22. Nucleation vs Seeding Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  23. Diamond nanoparticles Surface modifications Colloidal properties Surface analysis FTIR, XPS, AES Biofunctionalisation and Nanotechnologies Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  24. Nucleation and seeding

  25. Bias Enhanced Nucleation (BEN) + CH x H + + CH x C C C Substrate Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  26. Bias Enhanced Nucleation (BEN) Diamond / Si S. Saada et al. , pss(a) 205 (2008) 2121 . 129 nm 139 nm Diamond / Ir A. Chavanne et al, DRM 22 (2012) 52. XRD Heteroepitaxial 0.69 ° ° ° ° diamond 0.27 ° ° ° ° 100 nm Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  27. Polycrystalline diamond films Microcrystalline Textured (100) Textured (111) Grain size Nanocrystalline | PAGE 27 Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  28. Diamond films From few mm 2 to 4 inches… 10 cm Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  29. Heteroepitaxial diamond Up-scale substrate / Reproductibility HIRIS Heteroepitaxy Mono Poly potential Crystalline quality Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  30. The best substrate: iridium BEN Silicon 1 11 (values from {111} Pole figures) 3C-SiC 2 10 ∆χ 111 ∆ϕ 111 9 ∆ϕ rot FWHM ( ° ) 8 Iridium 1, 3 7 1.2 6 ∆ω ∆ϕ 311 1.0 5 ∆ϕ rot 4 0.8 3 0.6 0 10 20 30 40 THICKNESS (µm) 0.4 1 M. Schreck et al., New Diam. Front. XRD diamond (111) 0.2 Carbon Technol. 11 (2001) 189 . FWHM 1.5 ° ° ° ° 0.0 2 H. Kawarada et al., thickness 20 µ µ µ m µ 0 10 20 30 40 J. Appl. Phys. 81 (1997) 3490. SCHICHTDICKE ( µ µ m) µ µ THICKNESS (µm) 3 A. Sawabe et al., New Diam. Front. Carbon Technol. 12 (2002) 343. . Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  31. Diamond heteroepitaxy on the same nanometric area 100nm 100nm After BEN After growth N. Vaissière et al, DRM 36 (2013) 16. Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  32. Growth of heteroepitaxial films C. Wild et al., DRM 1993 N. Vaissière, PhD 2014 Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  33. Heteroepitaxial area 2013 2015 Thicknesses (ellipsometry) 1 131nm 1 2 128nm 2 3 130nm 3 4 127nm 4 4 x 4 mm 2 7 x 7 mm 2 K. H. Lee, PhD N. Vaissière, PhD Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  34. Heteroepitaxial diamond HRTEM Diamond film grown on Ir / SrTiO3 / Si (001) Presented at Spring MRS 2015 Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  35. Cross-section studied by Raman and CL H. Bensalah et al., ICDCM conference 2014 Material quality comparable to the state of art Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  36. Charge Collection properties Heteroepitaxial diamond (M. Shreck et al.) E. Berdermann, ADAMAS collaboration, Dec 2013 Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  37. Conclusions and perspectives CVD Diamond Single Crystal: excellent performances for detection limited size (< 7 x7 mm 2 ), substrate dependent Polycrystalline: size up to 4 inches deteriorated performances vs single crystal Heteroepitaxial: not commercially available size 7 x 7 mm 2 (towards 10 x10 mm 2 ) performances for detection under testing HIRIS 2013-2015 Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  38. Acknowledgements K. H. Lee, N. Vaissière, A. Chavanne, F. Marsolat N. Tranchant, D. Tromson, H. A. Girard, M. Pomorski, P. Bergonzo, S. Saada R. Bachelet, B. Vilquin A. Tallaire, O. Brinza, J. Achard H. Bensala, I.Stenger, J. Barjon Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

  39. Diamond Sensors Laboratory Thank you for your attention! Workshop Diamant et détecteurs, LPSC, June 9, 2015

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