Texte Caractérisation des couches de diamant par mesure de temps de vol A. Valentin, A. Tardieu, V. Mille, A. Tallaire, J. Achard, A. Gicquel. LSPM, Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité, Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, CNRS (UPR 3407), F Villetaneuse, France Journée d’étude sur les détecteurs diamant – 09/06 / 2015

 Objectifs de l’étude Caractériser le matériau : les défauts dans le diamant affectent la mobilité Comprendre ce qui se passe dans un détecteur diamant !  Mesures de temps de vol : méthode reconnue pour la mesure de mobilité des électrons et des trous 2 Introduction  V bias Electrons Holes  V bias Electrons Holes

Introduction Pernegger et al., J.Appl.Phys Majdi et al., Appl.Phys. Lett Tranchant et al., P.S.S.A 2007 Pomorski et al., Diamond Relat. Mater electrons ○ holes 3

Sommaire 1.Principe des mesures de temps de vol 2.Mesures effectuées 3.Etude de la polarisation du détecteur 4.Conclusion 4

Sommaire 1.Principe des mesures de temps de vol 2.Mesures effectuées 3.Etude de la polarisation du détecteur 4.Conclusion 5

Mesures de temps de vol : courant  Simulation performed with COMSOL Multiphysics Applied bias voltage V bias = -200 V Low-field mobility µ 0 = 2500 cm²/Vs Saturation velocity v sat = cm/s Diamond layer thickness d = 450 µm  Assumptions: 1D model Constant electric field E = -V bias /d (low-injection regime) No recombination No space-charge No recombination x (µm) Nb of holes 6

ToF measurements: space-charge (SC)  An effective space-charge density N eff affects the hole/electron velocity  The total collected charge is not affected No space-charge No recombination SC density of cm -3 No recombination x (µm) Nb of holes 7

ToF measurements: charge trapping Recombination affects the hole/electron density The total collected charge is decreased No space-charge No recombination No space-charge Recombination rate 10 ns x (µm) Nb of holes 8

Sommaire 1.Principe des mesures de temps de vol 2.Mesures effectuées 3.Etude de la polarisation du détecteur 4.Conclusion 9

Packaging by CiViDec Ti ‑ Au (10 nm / 50 nm) contacts deposited by sputtering in a clean room Laser cut and polishing => self- standing plate High-purity single crystal diamond film grown by MPACVD on a (100) oriented HPHT substrate Sample preparation 10

Experimental setup  Use of a 241 Am source 194  /s in 2  sr 5.4 MeV  One V meas (t) curve is recorded for each V bias value V bias > 0 : electron signals V bias < 0 : hole signals  Each V meas (t) curve is an average of 10 events  Bias voltage is turned off every 10 minutes to avoid polarization of the sample 11

Mobility, electric field Determination of mobilities Time-of-Flight and mobility measurement Mobility fit Determination of lifetimes Calculation of Collected charge fit Electric field profiling Correction of the I(t) curves Electric field profiling Space-charge density fit t I tFtF t I Q col t I SC density N eff Mobility µ Trapping rate  p 12

Mobility, electric field Determination of mobilities Time-of-Flight and mobility measurement Mobility fit Determination of lifetimes Calculation of Collected charge fit Electric field profiling Correction of the I(t) curves Electric field profiling Space-charge density fit t I tFtF t I Q col t I SC density N eff Mobility µ Trapping rate  p 13

Mobility, electric field Determination of mobilities Time-of-Flight and mobility measurement Mobility fit Determination of lifetimes Calculation of Collected charge fit Electric field profiling Correction of the I(t) curves Electric field profiling Space-charge density fit t I tFtF t I Q col t I SC density N eff Mobility µ Trapping rate  p 14

Hole signals  Low-field mobility: µ 0p = 2524 cm²/Vs  Saturation velocity: v sat,p = cm/s Determination of mobilities Determination of lifetimes Electric field profiling 15

Hole signals Determination of mobilities Determination of lifetimes Electric field profiling  Low-field mobility: µ 0p = 2524 cm²/Vs  Saturation velocity: v sat,p = cm/s  Lifetime:  p = 26 ns 16

Hole signals Determination of mobilities Determination of lifetimes Electric field profiling 17

Determination of mobilities Determination of lifetimes Electric field profiling Electron signals Unusual shape!  Low-field mobility: µ 0e = 3361 cm²/Vs  Saturation velocity: v sat,e = cm/s 18

Electron signals Determination of mobilities Determination of lifetimes Electric field profiling  Low-field mobility: µ 0e = 3361 cm²/Vs  Saturation velocity: v sat,e = cm/s  Lifetime:  e = 7.6 ns 19

Electron signals Determination of mobilities Determination of lifetimes Electric field profiling 20

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Effect of a negative bias V bias = -200 V 22

Effect of a negative bias V bias = -200 VV bias = -300 V 23

Effect of a positive bias InitialAfter V Mobility (cm²/Vs) Collected charge (fC)7471 Effective space-charge (cm -3 ) V bias = -200 V 24

Effect of a positive bias InitialAfter V Mobility (cm²/Vs) Collected charge (fC)7470 Effective space-charge (cm -3 ) V bias = -200 V 25

Effect of a positive bias InitialAfter V Mobility (cm²/Vs) Collected charge (fC)7463 Effective space-charge (cm -3 ) V bias = -200 V 26

Modélisation et discussion  Modélisation effectuée sous COMSOL => reproduit bien la forme arrondie des signaux d’électrons  Origine de la ZCE ? Hypothèse en cours d’étude : imperfection des contacts Contact Schottky => les charges peuvent sortir mais pas rentrer Pièges à l’interface => accumulation d’électrons 27

Sommaire 1.Principe des mesures de temps de vol 2.Mesures effectuées 3.Etude de la polarisation du détecteur 4.Conclusion 28

Conclusion  Mobilité des trous plutôt bonne  La polarisation de l’échantillon peut être évitée dans les mesures de temps de vol de trous  Problèmes à l’interface diamant / métal => pas de mesure de temps de vol des électrons  Perspectives: Poursuivre les mesures I(V), I(t), lancer des mesures C(V) Comparer avec d’autres échantillons 29

Journée d’étude sur les détecteurs diamant – 09/06 / 2015 Merci pour votre attention LSPM-CNRS Université Paris Av J. B Clément Villetaneuse, France Fax:

ToF measurements: charge generation 5.4 MeV a particles in diamond 5.4 MeV a particles in diamond with a 200 nm Au layer TargetRange Air4 cm Diamond13.3 µm Diamond & 200 nm Au electrode 13.2 µm Simulations performed using SRIM 2013 (10,000 He 5.4 MeV) 31

Polarisation effect at -300 V 32

Effect of a negative bias V bias = -200 VV bias = -300 V 33

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