Progetto e realizzazione di un dispositivo multistrato a film di diamante CVD

The main purpose of this thesys is to introduce a new multi-layer single crystal CVD Diamond Planar Device developed at the Microsystems lab of University of Rome Tor Vergata. This job follows the studies about Microsystems and diamond applications as a semi-conductor material, already deeply investigated by this Group. The basic caratheristic of Microsystems is the integration among different components of transducing supply chain: within the same components sensors, transducers and controlled elements are realized through Integrated Circuit Technology, where sensors apply chemical and physical measurements and their resulting signal is translating into an intelligible electric signal. More over most profitable caratheristics of microsystems technology are functionality and reliability and low power. The most important material in this field is silica that is the main semi-conductor material in electronics having also good mechanical properties. For a long time research have been moving to advanced materials substitute silica in those application which it can' t be used in: infacts Si is not usable in hostile environments within this view the study as a semiconductor occurs with the goal to realize a diamond-base electronics. This would imply putting together semi-conductor qualities and the possibility to work in hostile environments. Among advanced materials there are synthetic polycrystalline diamonds and most recently single crystal diamonds, both made by CVD Technique (chemical vapour deposition): due to some electronic and physical properties, like high fusion low chemical reactivity, high break down field, high carrier mobility implying fast operations. Currently new electronics develop single crystal diamonds studies because polycrystalline CVD diamonds have many structural defects that limited their performances and applications. To properly use diamond features it' s necessary to have good diamonds and to understand how good is a diamond it' s fundamental to study and characterize CVD diamond properties in order to optimized growth parameters finalizing them for each application. Particularly activities done for this thesys concern synthesis characterization and proget of a multi-layer (p-doped/intrinsic/metal) single crystal diamond device as a detector of alpha particles. Growth conditions will be shown, characterization methods used are electronic microscopy, cathodoluminescence, X-ray.

L'obiettivo principale di questa trattazione è l' introduzione di un dispositivo planare multistrato costituito di diamante monocristallino CVD, sviluppato presso il Laboratorio di Microsistemi di Tor Vergata. Questo si inserisce all'interno dello studio dei microsistemi e del diamante come semiconduttore effettuato lungamente dal Gruppo di Ricerca. Il punto di forza dei microsistemi è costituito dalla loro caratteristica principale, l'integrazione fra i diversi componenti della catena di trasduzione: nello stesso componente vengono realizzati con tecnologia IC (Integrated Circuit) sia i sensori che rivelano e misurano grandezze chimiche e fisiche, che gli elementi che permettono di trasformarle in segnale elettrico, che dove possibile, l'elettronica necessaria a processarlo. Oltre a ciò, le caratteristiche più rilevanti e vantaggiose della tecnologia dei microsistemi sono la funzionalità ed affidabilità, e il basso consumo energetico. Il materiale prevalentemente utilizzato nella realizzazione dei microsistemi è il silicio che è il principale semiconduttore in elettronica ed ha anche buone proprietà meccaniche. Da tempo ormai la ricerca si muove verso materiali avanzati in grado di sostituire il silicio nelle applicazioni per cui non è adatto: il silicio infatti presenta dei problemi nelle applicazioni in ambienti ostili, che ne limitano l' uso e quindi impediscono in alcuni campi l'introduzione di microsistemi. In quest'ambito si inserisce lo studio del diamante come semiconduttore, con il fine di realizzare in ultimo un'elettronica del diamante. Si vorrebbe in pratica abbinare ai pregi del silicio come semiconduttore, la possibilità di operare in ambienti ostili. Tra i vari materiali avanzati da considerare c'è appunto il diamante artificiale policristallino e, di recente anche monocristallino prodotti con tecnica CVD (Chemical Vapour Deposition) grazie ad alcune notevoli proprietà elettroniche e fisiche, come l'alto punto di fusione, la bassa reattività chimica, la robustezza, un alto campo di breakdown e l' alta mobilità dei portatori, che implica anche la possibilità di operazioni estremamente veloci, in questo senso il diamante sarebbe adatto a fare da switch. monocristallino, per il fatto che la natura policristallina dei diamanti CVD e la relativa alta concentrazione di difetti strutturali (in grano e di bordo) rappresenta un limite alle possibili applicazioni, ad esempio nei rivelatori di radiazione. Per poter sfruttare a pieno tutte le possibilità di applicazione del diamante è necessario avere diamanti di buona qualità, per cui è fondamentale lo studio delle proprietà fisiche dei diamanti CVD, con lo scopo di comprenderne le caratteristiche ed ottimizzarne i parametri di crescita. Si cerca inoltre di applicare i modelli circuitali e dispositivistici già noti dalla tecnologia del silicio, a quella diamond-based, si inserisce quindi in quest'ottica la progettazione e lo sviluppo di dispositivi al diamante che sono oggetto di questa tesi. Le attività relative alla presente trattazione sono state svolte presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell' Università di Roma Tor Vergata e consistono in esperienze di crescita di diamante policristallino e monocristallino, intrinseco e drogato al Boro; caratterizzazione del materiale, produzione di un dispositivo multistrato (diamante CVD tipo-p, intrinseco, metallo) e relative misure come rilevatore di particelle radioattive alfa.