JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 MONODIAM-HE Le Programme - Croissance - Clonage - Le point Monocristaux pour le programme - Paramètres vitaux - Quelques.

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1 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 MONODIAM-HE Le Programme - Croissance - Clonage - Le point Monocristaux pour le programme - Paramètres vitaux - Quelques résultats - Des questions …

2 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 In the framework of the High-Luminosity LHC (HL-LHC), it is proposed to build prototypes of particle detectors based on Chemical Vapour Deposition (CVD) monocrystalline diamond of larger dimensions (~1 x 1cm 2 ) and with a controlled purity. One of the main goals of the project is to develop a procedure allowing the fabrication of an assembly of single crystal diamond seeds, the so-called mosaic, which can be used to produce a large area detector grade diamond layer. The seeds may stem from a unique crystal using a lift-off process ("cloning") or from different selected single crystals. It is expected that at the end of this project, pixel detectors made on diamond single crystal of bigger dimensions can be built in a reproducible way for the first time. This development may provide the only viable solution for a tracking detector near the collision point for future experiments at very high luminosity (5.10 34 cm -2.s -1 and higher). Contexte 2012-2013 : - Diamants polycristallins (pCVD) (grande dimension, mauvaise reproducibilité) - Diamants monocristallins (sCVD) ( Bonne qualité, petites dimensions) - Développement purement industriel (Elément 6) - Utilisation : faisceaulogie / optique / puits de chaleur - Collaboration RD42 (CVD Diamond Radiation Detector Development) Contexte projet ANR : - IPHC – LPSC : groupes LHC (ATLAS – CMS) - LSPM : groupe PEMA (Procédés d’élaboration de Matériaux Avancés) - ICUBE : Département Électronique du Solide, Systèmes & Photonique

3 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 Collaboration RD42 : Progamme : Travail avec industrie (sCVD / pCVD) - mesure CCD - irradiations - faisceaux tests 2 meetings / an 46 publication trouvées : conférences… - Aucune transmission de l’information / résultats - Présentations tronquées - Pas de réelle compréhension - Projets avortés : - IBL (ATLAS) - PLT (CMS)

4 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 1.Réalisation et tests de structures (LSPM, industrie) - Paramètres de réalisation - croissance - finitions de surface - métallisations - Paramètres de mesures Distance de collection de charge (> 250 µm) Tenue en tension (1V/µm) Stabilité (heures) 1. Réalisation de structures monocristallines de grandes dimensions (1x1 cm 2 ) a.Réalisation de clones par implantation et exfoliation

5 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 a.Réalisation de mosaiques de clones par implantation et exfoliation Note : Coté Substrat / Seed haut : Coté Croissance / Seed bas : HT

6 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 Etude de plusieurs monocristaux. Provenance : E6 (industriel) IIa (industriel) LSPM (Recherche) 1. Etudes qualités E6 IIa LSPM Aucun diamant n’est exempt de défauts structurels

7 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 LSPM Dopé 1ppm N2 LSPM Dopé 0.5 ppm N2 Cathodo luminesence Coté Croissance Coté Substrat Coté Croissance Assymétrie entre les 2 faces

8 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 IIa 200300400500600700800 Wavelength (nm) LSPM Absence de Bore Défauts étendus

9 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 2. CCD : distance de collection de charge / tension limite HTLSPM 0.5 Substrat LSPM 0.5 Croissance LSPM 1 Substrat LSPM 1 Croissance IIa Substrat IIa Croissance 50V309296186313504430 100V360317207390518509 200V389407399518517481 300V397429445545509463 400VN.M429475565519453 500VN.M. 507592520N.M. CCD Correct pour utilisation en détecteur -Assymétrie 2 faces -Limites en tension CCD(Industrie) > CCD(Recherche)

10 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 3. Stabilité :

11 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 Exfoliation 1.Implantation C+ 3 MeV Dose 2.10 16 / cm 2 2. Recuit sous vide 900°C 3.Décollement par recuit 550°C sous O2 2h 9h

12 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 Décollement final par arrachement Inhomogénéité de l’implantation ? Nouveaux essais sur substrats avec sCVD

13 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 Metallisation (LPSC) Metallisation Cr-Au (Pulvé) W (Cath) Cu In Mesures CCD Pas encore concluant… Dégradation possible du diamant

14 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 Isolé noir Pas isolé noir Pas isolé Noir Petite source Pas isolé jour Petite source Pas isolé jour Sans source Pas isolé lampe sans source Pas isolé Noir Sans source Isolé Noir Pas isolé noir Pas isolé Noir Petite source Pas isolé jour Petite source Pas isolé jour Sans source Pas isolé lampe Sans source Pas isolé lampe Petite source Isolé noir

15 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 Observations et questions… (La plupart, sinon toutes les publications à propos de diamants électroniques se réfèrent à UN échantillon) Chaque diamant (industrie ou recherche) est différent Les diamants peuvent évoluer (temps long) L’influence de l’état de surface semble prépondérant

16 JM Brom LPSC-Grenoble 9 juin 2015 Spares

17 AT-1355M dopé 0.5 ppm N2 FACE CROISSANCE Pic excitonique Réplique 2 du Pic excitonique Réplique 3 du Pic excitonique SiV ? Défauts étendus?

18 AT-1355M dopé 0.5 ppm N2 FACE COTE SUBSTRAT Pic excitonique Beaucoup de défauts étendus de ce côté!

19 AT-1355M dopé 0.5 ppm N2 Région excitonique, bleu: côté croissance, vert: côté substrat FE(T A) FE(TO ) FE(TO+ O) Très bonne qualité cristalline générale car les pics sont intenses. Pas de bore détecté mais sensibilité un peu faible à 110K seulement.

20 AT-1355M dopé 1 ppm N2 FACE CROISSANCE Pic excitonique Réplique 2 du Pic excitonique Réplique 3 du Pic excitonique SiV 389nm radiation damage center! Possibly nitrogen related center (533nm) – low doping – should appear together with 575nm, not visible here Possibly radiation damage

21 AT-1355M dopé 1 ppm N2 FACE COTE SUBSTRAT Même chose qu’avant mais avec des bandes de défauts plus prononcées

22 AT-1319M dopé 1 ppm N2 Région excitonique, bleu: côté croissance, vert: côté substrat FE(T A) FE(TO ) FE(TO+ O) Même résultat que précédent et pas de bore dans la limite de détection

23 CONCLUSION On constate une réelle asymétrie face avant/arrière. Le côté substrat présente généralement des luminescences liées au défaut plus fortes. Solution possible: essayer de faire couper la plaque auto-supportée le plus loin possible du substrat? On ne voit pas de contamination au bore par contre alors que dans la manip précédente au GEMAC, une faible contamination était visible. Ceci dit cette manip était faite à 4K, donc plus sensible… Difficile de mettre en évidence des défauts particuliers qui pourraient expliquer la différence de comportement entre les 2 échantillons. Au contraire celui qui semblait fonctionner le moins bien a un spectre plus propre… L’irradiation à long terme semble générer des défauts visibles sur le spectre de AT1319M NEXT: Enlever la couche superficielle endommagée par polissage par une gravure ICP.