Diamonds : synthesis and contacting for detector applications

par Mary De feudis

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Le président du jury était Denis Dauvergne.

Le jury était composé de Samuel Saada, Anna Paola CARICATO, Vianney Mille, Khaled Hassouni.

Les rapporteurs étaient Julien Pernot, Samuel Saada.

  • Titre traduit

    Diamants : synthèse et fabrication de contacts électriques pour des applications de détection


  • Résumé

    Ce travail de doctorat a été réalisé dans le cadre d'un accord de cotutelle international entre l'Université de Salento (L3, Italie) et l'Université de Paris 13 (LSPM, France). L'objectif principal était la fabrication de contacts ohmiques sur des surfaces de diamant pour des applications telles que les détecteurs et les dispositifs de l’électronique. Les travaux au L3 ont été consacrés à l'étude du processus de graphitisation du diamant induit par laser afin de produire des électrodes de graphite sur des diamants intrinsèques. L'étude se concentre en particulier sur le développement d’un appareil expérimental pour l’écriture laser sur diamant tant sur les aspects matériel que logiciel, et un protocole a ainsi été développé pour la fabrication de contacts graphitiques segmentés sur de larges surfaces de diamant (cm²). Des travaux approfondis de caractérisation ont démontré la transition de phase diamant-graphite et le comportement ohmique pour les contacts électriques avec une résistivité de l'ordre de 10⁻⁵ Ω.m. Des détecteurs tout-carbone ont ainsi été développés et testés avec des faisceaux électroniques et positroniques de 450 MeV. Ils permettent d’ouvrir des perspectives en tant que cible active pour de nouvelles expériences de physique des hautes énergies (PADME) dans le cadre de l’étude de la matière noire. Le travail au LSPM a été consacré au développement d'un protocole permettant d'obtenir des contacts ohmiques sur des films diamant faiblement dopé au bore et terminé oxygène, élaborés par MPACVD. Les procédés de fabrication de contacts métalliques Ti/Au sur une structure mesa ainsi que l’implantation par des ions He, ont été développés afin d'induire une couche de graphite juste en dessous de la surface de diamant. Les mesures électriques sur des diamants légèrement dopés ([B] = 4 × 10¹⁷ cm⁻³) avec seulement des contacts métalliques ou graphitiques / métalliques ont montré que la présence de la couche graphitique rend les contacts ohmiques et conduisent à une résistance spécifique de contact égale à 3.3 × 10⁻⁴ Ω.cm².


  • Résumé

    This PhD work has been carried out in international cotutelle agreement between the University of Salento (L3, Italy) and the University of Paris 13 (LSPM, France). The main aim was the manufacturing of ohmic contacts on diamond surface for detector and electronic device applications. The work at L3 was dedicated to the laser-induced diamond graphitization process in order to produce graphitic electrodes on intrinsic diamonds. An experimental set-up dedicated to the laser writing technique on diamond has been developed in both hardware and software aspects and a protocol for the manufacturing of segmented graphitic contacts on diamond surface of large scale (cm²) has been implemented. An extensive characterization work has demonstrated the diamond-graphite phase transition and an ohmic electrical behaviour for the contacts with a resistivity of the order of ≈ 10⁻⁵ Ω.m. Eventually, an all-carbon detector has been developed and tested with 450 MeV electron and positron beams proving to be a good candidate in the role of active target for a new high-energy experiment (PADME) in the framework of the dark matter. The work at LSPM has been dedicated to the development of a protocol allowing reaching ohmic contacts on lightly boron doped diamond with oxygenated surface grown by MPACVD. The fabrication of Ti/Au metallic contact above a mesa structure has relied on a He ion implantation treatment to induce a graphitic layer underneath the diamond surface. The electrical measurements on lightly doped diamonds ([B] = 4 × 10¹⁷ cm⁻³) with metal or graphite / metal contacts have shown that the graphitic layer makes ohmic the contacts leading to a specific contact resistance as low as 3.3 × 10⁻⁴ Ω.cm².

  • Titre traduit

    Diamanti : sintesi e fabbricazione di contatti per applicazioni di rivelazione


  • Résumé

    Questo dottorato di ricerca è stato svolto in convenzione di cotutela internazionale tra l’Università del Salento (L3, Italia) e l’Università di Parigi 13 (LSPM, Francia). Il principale obiettivo è stato la fabbricazione di contatti ohmici su superficie di diamante per applicazioni come rivelatori e dispositivi elettronici. Il lavoro a L3 è stato dedicato allo studio del processo di grafitizzazione del diamante indotto da laser al fine di produrre elettrodi grafitici su diamanti intrinseci. In particolare, è stato sviluppato un apparato sperimentale dedicato alla tecnica di scrittura laser su diamante sia nelle componenti hardware che software, ed è stato realizzato un protocollo per la fabbricazione di contatti grafitici segmentati su superfici di diamante di grande scala (cm²). Un ampio lavoro di caratterizzazione ha dimostrato la transizione di fase diamante-grafite e il comportamento ohmico per i contatti elettrici con una resistività dell’ordine di 10⁻⁵ Ω.m. Pertanto, un rivelatore costituito solo di carbonio è stato sviluppato e testato con fasci elettronici e positronici di 450 MeV risultando essere un buon candidato nel ruolo di bersaglio attivo per un nuovo esperimento di fisica delle alte energie (PADME) nel contesto della materia oscura. Il lavoro a LSPM è stato dedicato allo sviluppo di un protocollo che ha consentito di ottenere contatti ohmici su diamanti leggermente drogati con boro e con superficie terminata con ossigeno, cresciuti mediante MPACVD. I processi di fabbricazione di contatti metallici Ti/Au sopra una struttura mesa sono stati sviluppato così come un trattamento di impiantazione a base di ioni di He al fine di indurre uno strato grafitico appena sotto la superficie del diamante. Le misure elettriche su diamanti leggermente drogati ([B] = 4 × 10¹⁷ cm⁻³) con contatti o solo metallici o grafitici / metallici hanno dimostrato che la presenza dello strato grafitico rende i contatti ohmici e comporta una resistenza specifica di contatto pari a 3.3 × 10⁻⁴ Ω.cm².


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