Caratterizzazione elettrica

STUDIO DELLA CONDUZIONE
ELETTRICA IN DIAMANTE DIFETTIVO
Laurea Triennale in Fisica
Alberto Scazzola
Relatore: Dott. Paolo Olivero
Co-relatore: Dott. Sviatoslav Ditalia Tchernij
A.A. 2015-2016
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SOMMARIO
Introduzione
•
•
•
•
Motivazioni
Diamante
Centri di colore
Meccanismi di conduzione
Attività sperimentali
•
•
•
•
•
•
Laser di potenza
Evaporatore termico
Camera per la caratterizzazione IVT
Microscopio confocale
Campioni utilizzati
Caratterizzazione elettrica
Conclusioni
• Risultati ottenuti
2
Singoli difetti in diamante
➢ Computazione quantistica
➢Crittografia quantistica
Realizzazione di
sistemi quantistici a
due stati (Qubits)
Protocolli di crittografia per la
sicurezza nella trasmissione di dati
➢Metrologia
- Nano-magnetometria
- Quantum candela
Esperimento DiESiS
finanziato da INFN
Progetto FIRB “Futuro in Ricerca 2010” finanziato da
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Diamante
• Reticolo cristallino:
-
•
carbonio ibridato sp3
legame covalente
struttura tetraedrica
cella elementare FCC
densità atomica: 1,77×1023 atomi cm-3
Proprietà:
- ampia band gap [5,5 eV]
- alta resistività [≃1015 Ω cm]
- elevato campo di breakdown [107 V cm-1]
- trasparente dal vicino IR al vicino UV
- elevata durezza meccanica
- inerzia chimica
- biocompatibilità
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Centri di colore
• Difetti nel reticolo:
- vacanze
- difetti sostituzionali
- difetti interstiziali
Ref. Aharonvich et al
(2011)
Luminescienza:
1. Fotoluminescenza
2. Elettroluminescenz
a
3. Ionoluminescenza
4. Termoluminescenza
5. …
Livelli energetici
nella gap
Transizioni
radiative con
emissione nel
visibile
Emissione di
singolo fotone da
singolo centro
5
Controllo elettrico
• Controllo stato di carica:
- Intrappolamento / detrappolamento di portatori di carica nei
difetti
- Variazione locale della densità di difetti con un determinato
stato di
carica
• Elettroluminescenza:
- Iniezione di una corrente di eccitazione
- Emissione di fotoni elettro-stimolata
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Conduzione in diamante
Modelli per la conduzione in materiali dielettrici difettivi
• Conduzione ohmica:
- basse tensioni
Regime lineare J ~
- influenzata da concentrazione di difettiV
• Emissione Poole-Frenkel (PF):
Livelli energetici di
- difetti
Promozione di
- agitazione termica trappola
- campo elettrico
elettroni in banda di
Facilita detrappolamento di
conduzione
elettroni
Aumenta la probabilità di
emissione
• Space Charge Limited Conduction
(SCLC):
tensione cresce
oltre tensione
soglia
Ref. Fu-Chien Chiu, AMSE (2014)
Occupazione
trappole
Livelli di trappola
occupati
Incremento di corrente
Child’s law J ~
V2 di
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SOMMARIO
Introduzione
•
•
•
•
Motivazioni
Diamante
Centri di colore
Meccanismi di conduzione
Attività sperimentali
•
•
•
•
•
•
Laser di potenza
Evaporatore termico
Camera per la caratterizzazione IVT
Microscopio confocale
Campioni utilizzati
Caratterizzazione elettrica
Conclusioni
• Risultati ottenuti
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Attività
sperimentali
➢ Micro-fabbricazione di canali grafitici
➢ Annealing
Fascio ionico
(acceleratori lineari LNL
e RBI)
Trattamento
termico in
➢ Microincisioni per far emergere i canali
vuoto
Fascio ionico focalizzato
➢ Realizzazione maschere con film metallico
Laser di potenza
➢ Deposizione elettrodi
Evaporatore termico
➢ Caratterizzazione elettrica
Camera per la
caratterizzazione IVT
➢ Mappe di elettroluminescenza e
fotoluminescenza
Microscopio confocale
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Laser di potenza
Laser
Microscopio
ottico
Sistema di
illuminazion
e
Stage
Movimentatore
micro-metrico
EzLaze 3 - Nd:YAG Laser
Pannello di
controllo
remoto
Caratteristiche:
•
•
•
•
Lunghezze d’onda: 1064 nm(IR) , 532 nm (verde)
3 modalità di utilizzo: single-shot, continuous (1 Hz ),
burst (5 Hz)
Durata dell’impulso: 6 ns
Densità di potenza massima (obiettivo 100X): 13.2 GW cm-2
10
Evaporatore termico
Camera a vuoto
contenente crogiolo
e porta-campione
Caratteristiche:
•
•
•
Finestra di
controllo
•
Valvola a spillo
Medio-alto vuoto: 10-6 mbar
T ≈ (300-400) °C
Effetto Joule: �� = ��
= ��2·��·��
Flusso ϕ di atomi evaporati
(atomi cm-2 s-1):
Vacuometro
Impianto di raffreddamento
ad acqua
Pompa meccanica
Scroll
Valvola tra pompa
scroll e pompa
turbomolecolare
Pinza
amperometrica
Pompa
turbomolecolare
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Camera per la caratterizzazione IVT
Microscopio
Caratteristiche:
•
•
•
•
•
Tensioni da 0 a 500 V
Risoluzione nominale massima: 10 fA
Tmax = 800 °C
Medio-alto vuoto (10-5 mbar)
Pompa meccanica per vuoto primario
Camera da vuoto contenente
porta-campioni termostato
Pompa
turbomolecolare
asse z
asse x
sistema per le misure elettriche
costituito da aghi in tungsteno
posizionati con micro-manipolatori
z
y
asse y
x
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Microscopio confocale
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Campioni utilizzati
[N] < 10 ppm
Diamanti CVD ElementSix di tipo
IIa Campione optical grade ▪ Campione detector
▪
20 µm
grade
20 µm
Canali grafitici
Canali grafitici
Microincisione
FIB
Microincisione
FIB
Elettrodi
- Distanza tra canali (10,3 ± 0,2)
µm
- Larghezza canali (16,3 ± 0,2)
µm
- Distanza tra canali (10,3 ± 0,2)
µm
- Larghezza canali (7,6 ± 0,2) µm
14
Caratterizzazione elettrica
Campione optical grade
Campione detector grade
Regime lineare
Regime PF
Regime SCLC+PF ed
elettroluminescenza
15
Regime lineare
Campione optical grade
Range fit: [ 0 V , 35 V ]
Resistenza: (0,754 ± 0,007 ) GΩ
Stima resistività: (0,72 ± 0,12) 105 Ω
cm
Campione detector grade
Range fit: [ 0 V , 30 V ]
Resistenza: (42,4± 0,5 ) GΩ
Stima resistività: (6,3 ± 0,7) 105 Ω cm
16
Regime Poole-Frenkel
Campione optical grade
Range: [ 313 V , 331 V ]
χ2 = 21,9
Campione detector grade
Range: [ 150,5 V , 158 V ]
χ2 = 21
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Regime SCLC + PF
Campione optical grade
Range: [ 337 V , 400 V ]
χ2 = 19
Densità di stati in banda conduzione
Campione detector grade
Range: [ 164 V , 171.5 V ]
χ2 = 3,7
Optical grade
(1,3 ± 0,4) 1013
cm-3
Detector grade (4,7 ± 2,2) 1013
cm-3
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Fotoluminescenza ed Elettroluminescenza
Fotoluminescenza campione optical
grade
- Laser verde 532nm a 1mW
- Lunghezze d’onda rivelate: [645 nm , 700 nm]
- Zona analisi: 50 µm x 50 µm
Elettroluminescenza campione optical
grade
- Lunghezze d’onda rivelate: [650 nm , 750 nm]
- Zona analisi: 50 µm x 50 µm
- Tensione applicata: 400 V
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SOMMARIO
Introduzione
•
•
•
•
Motivazioni
Diamante
Centri di colore
Meccanismi di conduzione
Attività sperimentali
•
•
•
•
•
•
Laser di potenza
Evaporatore termico
Camera per la caratterizzazione IVT
Microscopio confocale
Campioni utilizzati
Caratterizzazione elettrica
Conclusioni
• Risultati ottenuti
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Risultati ottenuti
• Preparazione dei dispositivi alla misura
• Caratterizzazione elettrica di campioni dotati di diversa
concentrazione di difetti
• Confronto con modelli teorici di conduzione
• Stima e confronto delle resistività dei due campioni
• Mappe di fotoluminescenza ed elettroluminescenza
Prospettive future
• Studiare la relazione tra i meccanismi di conduzione e
il fenomeno dell’elettroluminescenza
• Approfondire lo studio e l’analisi sui meccanismi di
conduzione in diamante difettivo
21
Grazie per l’attenzione
Ringrazio Jacopo Forneris, Federico Picollo e Alfio
Battiato per la disponibilità con cui mi hanno
aiutato e per la pazienza con cui hanno chiarito i
miei dubbi e soddisfatto le mie curiosità
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