Report conclusivo Esperimento SinPhoNIA
27 maggio 2013
INFN
&
University of
L’Aquila
Bari
Napoli
Perugia
Roma2
Responsabile Nazionale: Michelangelo Ambrosio - INFN Sezione
di Napoli
Inizio anno 2009 - Termine anno 2012
Area di ricerca: rivelatori (elettronica)
Referee: Nunzio Randazzo - Paolo
Sartori - Renzo Vaccarone
Numero di partecipanti:
Aquila:
Bari:
Napoli:
Perugia:
Roma2:
Fisici 4 – 2.1 fe
Fisici 3 – 1.6 fe
Fisici 9 – 2.6 fe
Fisici 4 – 2.2 fe
Fisici 5 – 1.8 fe
Totale: Fisici 25 - 10.3 f.e.
Collaborazione con FBK per studio e realizzazione substrati.
Finanziamenti ricevuti (esclusivamente da INFN)
Anno
Totale (K€) Missioni Interno
Missioni Estero
Inventario
Consumi
2009
2010
84
95
9
11
8.5
13
15
7
51.5
64
2011
49
1
-
7
41
2012
23
2
-
-
21
Gran totale
251
23
21.5
29
177.5
Obiettivi e milestones
Scadenza
1 luglio 2009
31 dicembre 2009
31 ottobre 2010
31 dicembre 2010
1 luglio 2011
Obiettivo
Generazione e trasporto del
segnale nei nanotubi di
carbonio
Accoppiamento nanotubisilicio
Crescita su substrati di silicio
strutturati
Elettronica di lettura e
amplificazione del segnale
Produzione di substrati
strutturati per amplificazione
del segnale
1 dicembre 2011
Produzione e caratterizzazione
rivelatore a singolo fotone
30 giugno 2012
Produzione substrati
strutturati per l'amplificazione
del segnale
31 dicembre 2012
Ingegnerizzazione del
rivelatore
Risultati
Comprensione delle caratteristiche
fotoelettriche di dispositivi ibridi Silicio-CNT
Studio e caratterizzazione della giunzione SiCNT
Produzione di substrati da parte di FBK-IRST
per ottimizzare i substrati di silicio
Studio delle proprietà elettroniche dei segnali e
loro amplificazione esterna.
Seconda produzione FBK. La produzione
risulta inutilizzabile a causa del processo errato.
Questo causa un rallentamento significativo del
programma per cui si chiede e si ottiene il
prolungamento delle attività nel 2012. La FBK
comunque effettua una produzione gratuita di
prova per capire le caratteristiche del nitruro.
Una terza produzione di substrati mette la
collaborazione in grado di continuare le attività.
I risultati di questi nuovi substrati mostrano
chiaramente le proprietà della giunzione Silicionanotubi e la possibilità di amplificare il
segnale.
Silicon-CNT radiation detector
0,18
Diode
laser
Sample C2 - Linearity plot at =785 nm
0,16
Current at 20 V (mA)
0,14
n
-
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0,0
Sample C2 - IV plot for various light intensities at =785 nm
0,18
0.1 mW
0.2 mW
0.3 mW
0.4 mW
0.5 mW
0.6 mW
0.7 mW
0.8 mW
0.9 mW
1.0 mW
0,14
0,4
0,6
0,8
1,0
0,12
0,10
0,08
0,20
Averaged Responsivity (A/W)
0,16
Current (mA)
0,2
Laser light@
intensity
(mW)
Sample C2 - Averaged Responsivity
=785 nm
0,06
0,04
0,02
0,00
-10
0
10
20
Drain Voltage (V)
30
40
50
0,15
Linear fit: y=a+bx
a = -0.08437
b = 0.02487
0,10
0,05
Linear fit: y=a+bx
a = 0.1656
b = 5.6355E-5
0,00
-10
0
10
20
Voltage (V)
30
40
50
E’ stato realizzato e studiato un dispositivo costituito da silicio n-type ricoperto da entrambi i lati di
uno strato di nitruro di silicio (Si3N4). Sul fronte sono presenti due elettrodi di oro-platino di 1 mmq
ciascuno e sul back un unico elettrodo su tutta la superficie. Sul front vengono fatti crescere per
CVD (Chemical Vapor Deposition) nanotubi di carbonio multiwall (CNT), intrinsecamente
semiconduttori di tipo p con una forte componente conduttiva, che generano una giunzione con il
substrato di silicio. Il meccanismo di creazione della giunzione avviene sotto l’effetto
dell’applicazione di un campo elettrico tra le due facce del dispositivo. I CNT, essendo in pratica
elementi unidimensionali, sotto l’effetto del campo elettrico applicato creano dei canali di
conduzione nello strato di nitruro sul quale sono stati cresciuti. In assenza di nanotubi il dispositivo
si presenta come un oggetto sulle cui facce esterne sono presenti due giunzioni MIS (MetalloIsolante-Semiconduttore) contrapposte per cui applicando il campo elettrico non si osserva nessuna
conduzione. La crescita dei nanotubi provoca la creazione di una giunzione CNT-Si sul fronte, che
sbilancia l’equilibrio del sistema. In pratica sul fronte si ottiene un diodo p-n (CNT-Si). Questo
diodo risulta fotosensibile alla radiazione elettromagnetica in un largo intervallo di lunghezze
d’onda. La fotocorrente generata utilizzando dei diodi laser a varie lunghezze d’onda e varie
intensità di illuminazione presenta un andamento caratteristico di un rivelatore: una soglia di
conduzione di pochi Volt seguita da una crescita della corrente linearmente proporzionale
all’intensità di illuminazione seguita da un plateau che indica la saturazione. La tensione di soglia è
la tensione necessaria a superare la barriera Si-nitruro-CNT. La zona lineare corrisponde all’energia
spesa dal campo elettrico per estrarre la carica foto-generata e raccoglierla agli elettrodi. Il plateau
indica la corrente totale generata dalla conversione dei fotoni nei CNT o nel silicio. Il dispositivo
presenta una spiccata linearità di corrente fotogenerata in funzione dell'intensità di illuminazione e
una photoresponsivity ben definita nelle tre zone di risposta del rivelatore.
La risposta alla radiazione appare uniforme su tutta la superficie coperta dai nanotubi. Alla
fotoconversione contribuiscono sia il silicio sia i nanotubi, come si deduce dalla curva di assorbanza
ottenuta depositando nanotubi su quarzo. Il contributo dei nanotubi alla fotoconversione appare
tanto piu' forte quanto minore è la lunghezza d'onda. Il crollo dell'assorbanza visibile ai 200 nm di
lunghezza d'onda è dovuto all'opacità del quarzo a tale lunghezza d'onda.
L’efficienza del rivelatore si può definire come il rapporto tra il il numero di elettroni raccolti e il
numero di fotoni incidenti: =Isathc/ePdove Isat è la corrente di saturazione, h la costante di
Planck, c la velocità della luce, e la carica dell’elettrone, P la potenza dell’illuminazione incidente e
la lunghezza d’onda del fascio laser. Dai plot di efficienza si vede come il contributo alla
fotorisposta dipende fortemente dalla temperatura alla quale sono cresciti i nanotubi. Infatti foto
SEM mostrano la differenza strutturale tra i nanotubi cresciuti a diversa temperatura. A 500°C essi
appaiono come fibre di carbonio senza una struttura interna, mentre a 700°C appaiono come veri e
propri elementi unidimensionali strutturati in tubi multiparete. Dal plot dell'efficienza si vede anche
come la fotorisposta nell'UV non decresce rapidamente come nei silici, ma tende ad appiattirsi,
segno evidente dell'aumentato contributo dei CNT.
Per rendere il dispositivo utilizzabile proteggendo il layer di CNT e al contempo applicare un
campo elettrico uniforme su tutta la superficie in modo da ottenere un condensatore, è stata messa a
punto la tecnica di sputtering di film conduttivi e sono stati realizzati dispositivi in cui i CNT sono
coperti e protetti da un coating conduttivo trasparente nel range 300 - 1000 nm. Sono stati
sperimentati vari materiali e vari spessori, fino a ottenere un dispositivo in cui i nanotubi non sono a
contatto diretto con gli elettrodi, ma immersi in un campo elettrico assicurato dal film conduttivo
depositato sulla superficie del rivelatore comprendente sia gli elettrodi sia i CNT. I risultati migliori
sono stati ottenuti con ITO (Indium Tin Oxide). La presenza del coating migliora sensibilmente
l'efficienza grazie alla uniforme applicazione del campo elettrico e alla cresciuta efficienza nella
raccolta della fotocorrente.
Il dispositivo ottenuto in questa configurazione risulta equivalente a un "transistor ottico" in cui la
giunzione CNT-Silicio funziona da base fotosensibile, mentre la giunzione MIS sul back
corrisponde all'emettitore e l'elettrodo sul fronte funziona da collettore, o viceversa secondo la
polarità del campo elettrico applicato. Il modello di un simile dispositivo è stato sviluppato
utilizzando il PSpice Model Editor ottenendo curve di simulazione perfettamente corrispondenti alle
curve sperimentali sia per nanotubi cresciuti a 500°C sia per quelli a 700°C. In realtà il termine
"fototransistor" è improprio in quanto generalmente esso presenta un guadagno () superiore a 1 e
una base molto sottile. Infatti nei modelli bisogna tenere conto della resistività del bulk di silicio
interposto tra le due giunzioni.
L'indagine per individuare un nuovo substrato in grado di accoppiarsi bene con i CNT e consentire
una amplificazione del segnale indotto dalla radiazione incidente è iniziata immediatamente, nel
2009, ed è stata condotta in stretta sinergia e grande collaborazione con la FBK (Fondazione Bruno
Kessler) di Trento che ha provveduto anche alla realizzazione dei substrati. Già nel 2009 sono stati
prodotti campioni di substrati con cinque diverse strutture. Lo scopo era principalmente quello di
individuare il miglior layout per la crescita dei CNT e per la risposta del dispositivo. Tra i cinque
tipi di wafer, si è visto che gli unici tipi utilizzabili erano quelli contrassegnati W2 e W3, cioè quelli
nei quali non è presente l'ossido, ma solo in nitruro di silicio. Si è visto anche che, mentre
l'applicazione del campo elettrico agli elementi unidimensionali del layer di nanotubi provoca la
creazione di canali di conduzione attraverso il nitruro, e quindi la realizzazione della giunzione, lo
stesso non avviene nell'ossido di silicio, che infatti viene usualmente utilizzato nei circuiti come
isolante elettrico sotto gli elettrodi.
Successivamente sono stati realizzati altri batch di substrati da FBK con l'intento di studiare gli
elettrodi di raccolta della carica e il contatto elettrodi-CNT-Silico. Purtroppo tutti i substrati
realizzati presentavano problemi nella possibilità di impianto dei CNT, che non attecchivano nello
strato di nitruro. Dopo vari tentativi e lunghe indagini si è capito che il problema era nel tipo di
processo di deposizione del nitruro. FBK ha allora provveduto a varie produzioni di prova e a una
nuova produzione con il materiale appropriato. Purtroppo i substrati erano di tipo p e presentavano
una giunzione indesiderata p-n+. La somma di tutti questi inconvenienti di fatto ha impedito ogni
produzione di dispositivi utilizzabili per le misure sperimentali, ma non ha interrotto il lavoro di
simulazione e comprensione del fenomeno. Tuttavia, in mancanza dei substrati giusti, è stato
richiesto alla CSN5 il prolungamento di un anno delle attività sperimentali.
L'anno di prolungamento ha consentito la non interruzione del lavoro e la realizzazione nel luglio
2012 di una nuova produzione FBK in cui finalmente il nitruro era ottimizzato per la crescita e il
substrato era strutturato in varie configurazioni (otto + otto tipi di substrati con tre diversi
isolamenti degli elettrodi per un totale di quaranta fette di silicio). La consegna è stata effettuata a
settembre 2012 e il lavoro di crescita dei nanotubi ha praticamente occupato il resto dell'anno.
Fortunatamente la Commissione ha approvato l'esperimento PARIDE, nel quale sono coinvolte le
stesse Istituzioni, che ha così ereditato il know-how e il materiale prodotto, consentendo la
continuazione dell'indagine con l'obiettivo di individuare il tipo di substrato che offre il miglior
accoppiamento CNT-Silicio e permette l'amplificazione del segnale. L'obiettivo finale è la
rivelazione del singolo fotone con un rivelatore ibrido di grande area. Intanto la FBK ha sospeso la
produzione per l'ammodernamento delle macchine e non sarà possibile avere nuove produzioni
prima di luglio-settembre.
Tra i vari substrati analizzati l'attenzione si è focalizzata su due di essi che sembrano
particolarmente promettenti. La loro caratteristica è una assoluta mancanza di sensibilità alla luce in
assenza di CNT. La deposizione dei nanotubi crea una giunzione ben visibile, con una corrente di
buio estremamente bassa di pochi nanoampere, e una fotorisposta elevata sia per luse concentrata
come quella dei fasci laser sia per luce diffusa prodotta da lampade allo Xenon. Questo dispositivo
consente di capire a fondo le caratteristiche della giunzione e fornisce un sensore semplice di
immediato utilizzo prodotto direttamente dall'unica industria italiana del settore, partner dell'INFN.
Il secondo dei due substrati presenta anche un effetto di moltiplicazione della carica fotogenerata,
attribuibile al cosiddetto "Effetto Auger" già osservato e riportato in letteratura. Esso avviene
quando un fotone interagisce con i CNT creando una coppia di eccitoni. Sotto l'effetto del campo
elettrico il fotoelettrone può a sua volta generare un secondo o un terzo elettrone iniziando un
processo di cascata limitato.
In conclusione l’attività della collaborazione SinPhoNIA ha permesso lo sviluppo e la realizzazione
di un fotocatodo di grande area realizzato depositando su un substrato di silicio dei nanotubi di
carbonio cresciuti tramite CVD. Il processo è standardizzato grazie anche alla collaborazione della
FBK e alla messa a punto di un procedimento per la copertura del layer di nanotubi con un film
trasparente di ITO che funge allo stesso tempo da elettrodo e da coating trasparente alla radiazione
nel range di sensibilità del fotorivelatore. Il dispositivo realizzato può funzionare come fototransitor
o come fotodiodo a secondo del tipo di substrato utilizzato. La giunzione nanotubi-silicio è stata
pienamente caratterizzata e probabilmente sarà oggetto di deposito di un brevetto. Altre possibili
ricadute tecnologiche riguardano la realizzazione di un switch ottico e di circuiti di nano-microoptoelettronica possibili da realizzare tramite opportuna pixellizzazione del layer di nanotubi
tramite nano litografia. Infine va considerata la possibilità di realizzazione di dispositivi per
imaging medico e di rivelatori per esperimenti di fisica di alta energia. In particolare per la
rivelazione di luce Cerenkov e di radiazione di fluorescenza.
Commenti finali
•
•
•
Collaborazione interdisciplinare (=> Paride)
Stretta interazione con industria italiana (FBK)
Realizzazione di un nuovo sensore di radiazione:
Grande fotocatodo (fino a intere fette di silicio);
Economicità (la crescita dei nanotubi ha un costo
irrisorio);
Coating attivo (la copertura con ITO assicura la
trasmissione del campo elettrico a tutta la superficie e
garantisce l’uniformità della risposta su tutto il
fotocatodo);
Ottima sensibilità dall’UV all’IR;
…
Prospettive:
Switch ottico (nano-micro-optoelettronica)
Ricaduta tecnologica (possibilità di brevettazione)
Applicazione in imaging medico e in esperimenti per rivelazione radiazione
Cerenkov (RICH, CTA, …) e luce di fluorescenza (Auger, Jem-Euso, …)
Non va trascurato il fatto che la collaborazione creata è interdisciplinare e vede coinvolti fisici
nucleari, subnucleari e strutturisti che hanno contribuito ognuno per il suo settore di attività alla
realizzazione dei substrati e del fotorivelatore, alla deposizione dei nanotubi, alla loro
caratterizzazione, all’ottimizzazione del dispositivo e allo studio della giunzione fotosensibile. Il
tutto con la indispensabile e cortese assistenza della Fondazione Bruno Kessler.
Pubblicazioni
Conferenza o rivista
Primo autore
2009 MRS meeting - Boston,
30 nov - 4 dic
A. Ambrosio
NIM A 617 (2010) 378-380
M. Ambrosio
3rd IEEE International
Workshop on Advances in
Sensors and Interface
MIDEM 2009 International Conference on
Titolo
Photoconductivity in a Multi Walled
Carbon Nano-Tubes prototype device under
ultraviolet-visible-near infrared radiation
A novel photon detector made of silicon
and carbon nanotubes
M. Ambrosio
Nano-materials and Nano-Technologies for
novel photon detection systems
G. Pignatel
A new photon detector made of Carbon
Nanotubes on Silicon
Microelectronics, Devices
and Materials
NIM A
10.1016/j.nima.2011.12.098
NIM A 629, 377 - 381 (2011)
JINST 7 P08013 2012
C. Aramo
A. Tinti
A. Ambrosio
Progress in the realization of a Silicon-CNT
photodetector
Electrical
analysis
of
carbon
nanostructures/silicon
heterojunctions
designed for radiation detection.
Innovative carbon nanotube – silicon large
area photodetector
Presentazioni su invito a Conferenze Internazionali: 5
Contributi orali a Conferenze Internazionali: 7
Poster presentati a Conferenze Internazionali: 4
Seminari su invito: 2
Monografie: Ambrosio A. and Aramo C. (2011), ISBN: 978-953-307-496-2 InTech,
http://www.intechopen.com/articles/show/title/carbon-nanotubesbasedradiation-detectors.
Tesi di laurea assegnate
Tesi di laurea triennale: 7
Tesi di laurea specialisticche 3
Tesi di dottorato: 2
Università degli Studi di Bari:
1. Deposizione di nanotubi di carbonio attraverso tecnica spray per la creazione di dispositivi
fotoconduttori - Laurea in Scienza dei Materiali
2. Crescita e caratterizzazione di ossidi metallici trasparenti e conduttivi ottenuti per Ion Beam
Sputtering - Laurea in Scienza dei Materiali
3. Analisi di dispositivi fotoconduttori basati su nanotubi di carbonio - Laurea in Scienza dei Materiali
4. Analisi delle proprietà foto emissive di nanotubi di carbonio - Laurea specialistica in Fisica della
Materia.
5. Caratteristiche corrente-tensione di dispositivi fotoconduttori basati su nanotubi di carbonio Laurea specialistica in tecnologie Fisiche Innovative
Università degli Studi “Federico II” di Napoli:
1. proprietà fotoelettroniche di prototipi di rivelatori a Nanotubi di Carbonio - Tesi di Laurea in Fisica
2. Fotosensibilità dei rivelatori a nanotubi di carbonio dall’UV all’IR - Tesi di Laurea in Fisica
3. Studio delle caratteristiche fotoelettroniche di rivelatori a nanotubi di carbonio - Tesi di Laurea in
Fisica
4. Dr. Marco Cilmo - Philosophiae Doctor in Physics: “Development of a carbon-nanotubes based
photodetector”
Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”:
1. Sintesi e caratterizzazione optoelettronica di dispositivi fotovoltaici basati su nanotubi di carbonio Tesi di Laurea Triennale in Scienza dei Materiali
2. Realizzazione e caratterizzazione di dispositivi fotovoltaici ibridi nanotubi di carbonio – silicio Tesi specialistica in Fisica
3. Dr.Luca Camilli - Philosophiae Doctor in Physics: "Analysis of carbon nanotube growth on
stainless steel"
