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

摘要

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. udLo 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.udIl 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.udNella 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.udIn 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.udInfine, 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.