Development and characterization of extreme UV and soft X-ray Schottky diodes based on synthetic single crystal diamond for plasma diagnostic at the Joint European Torus (JET) tokamak

The development of microelectronics technologies and their integration with mechanical, optical, chemical or biological systems have made grow, especially in the last decades, the interest in Microsystems. Research and development in new materials for the Microsystems elaboration result then an important part of the work in the Microsystems field, since, the traditional use of silicon as base material for the elaboration of Microsystems is not in degree to satisfy all possible applications of Microsystems, especially those that are in hostile environments of several types as diagnostic systems in fusion facilities. In particular, synthetic diamond is an important semiconducting material with rather extreme optical and electronic properties, capable to operate in harsh external conditions. Moreover, the wide bandgap of 5.5 eV, high thermal conductivity, high resistivity, high carrier mobility and radiation hardness suggest that diamond is an ideal material for electronic devices and, in particular, photodetectors, able to respond to the deep UV while being blind to visible radiation. The present PhD thesis is focused on growing, doping and characterization of high quality, single crystal chemical vapour deposition (CVD) diamond films, in order to realization and characterization of Schottky photodiodes based on metal/intrinsic/p-doped diamond configuration for extreme UV and soft X-rays detection. In the first part of the PhD Thesis, a detailed study of the physics underneath the working principles of proposed diamond based UVX detectors is reported. In this respect, it is report on the physical and electrical properties analysis of such devices by measuring the Schottky barrier parameters. At the second, the UV detector has been tested over a wide spectral range, extending from extreme UV to visible spectral range, while the soft-X detector has been characterized and calibrated at the Diamond Light Source synchrotron facility (UK). Tests have shown very promising performance, such as a fast response time, operation in unbiased mode, excellent stability and reproducibility of the device response and, very important, a highly reproducible fabrication process. Finally, two of those detectors, one optimized for extreme UV detection and the other for soft X-ray radiation detection, have been permanently installed at JET tokamak, inside the KS6 chamber with a direct horizontal view of the plasma. The detectors were connected to the JET’s on-line data acquisition system. The data acquired at JET have evidenced fast response time, good signal to noise ratio, insensitivity to the background radiation such as neutrons and gamma rays and a good reliability during long lasting operation. The results demonstrates that soft-X and EUV detectors are suitable for reliable operation in a large tokamak environment for a long time. In particular the soft-X diamond has shown promising features for plasma Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) studies, while the EUV diamond detector is used for measuring the Edge Localized Modes (ELMs) activity and the impurities influx during laser blow-off experiments.

Il continuo sviluppo nelle tecnologie microelettroniche e la loro integrazione con sistemi meccanici, ottici, chimici e biologici hanno fatto crescere, specialmente nell’ultimo ventennio, l’interesse nei Microsistemi. Lo sviluppo di nuovi materiali per la realizzazione di Microsistemi è una ricerca attuale ed importante in questo campo, poiché, l’utilizzo tradizionale del silicio come materiale base dei Microsistemi non è in grado di soddisfare tutte le loro possibili applicazioni, specialmente quelle in ambienti ostili come per esempio i sistemi di diagnostica nelle strutture a fusione. In particolare, il diamante sintetico è un importante materiale semiconduttore con rare ed estreme proprietà ottiche ed elettroniche, capace di operare in condizioni critiche. Inoltre, l’ampia gap da 5.5eV, l’alta conducibilità termica e resistività, l’elevata mobilità dei portatori di carica e la resistenza alle radiazioni dimostrano come il diamante sia un materiale ideale per la realizzazione di dispositivi elettronici ed, in particolare,di fotorivelatori, in grado di rispondere nel profondo ultravioletto (UV) e discriminare la radiazione visibile. Il presente lavoro di tesi è focalizzato sulla crescita, drogaggio e caratterizzazione di films di diamante monocristallino di alta qualità cresciuti per CVD al fine di realizzare e caratterizzare fotodiodi Schottky a diamante basati sulla configurazione metallo/strato intrinseco/strato drogato di diamante per la rivelazione nell’ intervallo spettrale dell’estremo UV e raggi X molli. Nella prima parte della tesi di dottorato è riportato lo studio del principio fisico che domina il funzionamento del rivelatore UVX sviluppato. A tal proposito, è stata effettuata una analisi dettagliata sulle proprietà fisiche ed elettroniche di tali dispositivi misurando i parametri fondamentali della barriera Schottky. In secondo luogo, il rivelatore UV è stato testato in una regione spettrale molto ampia: dall’estremo UV al visibile, mentre il rivelatore X è stato caratterizzato e calibrato al sincrotrone Diamond Light Source. I tests effettuati hanno mostrato delle performances molto promettenti, come la velocità dei tempi di risposta, il funzionamento a 0 Volt, l’eccellente stabilità e riproducibilità delle risposte temporali, l’elevata efficienza e ,molto importante, l’alta riproducibilità del processo di fabbricazione. Infine, due di questi rivelatori, uno ottimizzato per la rivelazione UV ed il secondo per quella X, sono stati permanentemente installati al JET dentro la camera KS6 con diretta visione orizzontale del plasma. I rivelatori sono stati connessi al sistema di acquisizione on-line del JET. I dati registrati hanno evidenziato la velocità delle risposte, buon rapporto segnale rumore, insensibilità alla radiazione di fondo come i neutroni e raggi gamma e una ottima affidabilità di operare in un ambiente ostile come il tokamak per un lungo periodo. In particolare, il rivelatore a diamante X ha mostrato caratteristiche promettenti per gli studi di instabilità Magneto-Hydro-Dinamica (MHD) del plasma, mentre il rivelatore UV è stato usato per le misure delle attività ELMS e delle impurezze durante gli esperimenti di laser blow-off.