CVD Diamond based Active Devices Viareggio CAEN

CVD Diamond based Active Devices Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Paolo Calvani S 2 DEL Dia. C 2 Lab S 2 DEL (Diamond & Carbon Compounds Lab) Solid State and Diamond Electronics Lab IMIP - CNR - Montelibretti (RM) Università degli Studi “Roma Tre” Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Daniele M. Trucchi Paolo Calvani Alessandro Bellucci Emilia Cappelli Stefano Orlando Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

CNR-IMIP: Know-How & Projects 1989 -1995 Study of Nucleation and Growth Mechanisms of CVD Diamond Mechanical Applications 1995 -1999 CVD Diamond protective coatings of cutting tools Coordination of MURST-CNR 5% Project 2003 -2006 Development of high-tech materials and ceramic coatings ENEA-MIUR “PROMOMAT” Strategic Project Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Electronic Applications 1999 -2001 Secondary electron emission amplifiers for scanning electron microscopy MADESS II Applied Research Project 2000 -2002 VUV & DUV Radiation Detectors in collaboration with S 2 DEL – Univ. Roma Tre ASI ARS 1/R 07/01 Aerospace Project 2001 -2005 Poly-Diamond Radiation Dosimeters for Radiation Therapy Coordination of European Project “DIAMOND” G 5 RD-CT 01 -00603 2003 -2007 Nanostructured Carbon and graphene Structures for Opto-Electronic applications FIRB Project “Micro & Nanocarbon” & FISR Project “High Density Memories” 2008 -2010 Systems for direct nuclear-to-electric energy conversion Coordination of CNR-RSTL “ECO-Diamond” Project 2008 -today Development of Single-Crystal Diamond dosimeters in collaboration with S 2 DEL - Univ. Roma Tre 2010 -2013 Thermionic-thermoelectric conversion module for solar concentrated systems E 2 PHEST 2 US Project Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

CNR-IMIP: Facilities Material Production Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 ~ Hot Filament CVD for diamond film deposition Characterization of Chemical-Physical Properties Technological Processes for Device Fabrication Spectroscopy Raman & IR MW-CVD for surface hydrogen termination Microwave CVD for diamond (doped) film deposition Characterization of Device Performance Vacuum & Temperature Electronic Characterization (VTEC) (10 -9 Torr, T=771200 K) for Thermionic Emission Secondary Electron Emission Characterization Setup X-Ray Photoconductivity Setup Spectral (UV-Vis. NIR) Photoconductivity Setup Spectral Photometry Microscopy RF Sputtering for deposition of metals Ti, Al, Cr, … SEM & EDS Pulsed laser (Excimer & Nd: YAG) ablation for (nanostructured) thin-film deposition of carbon, carbides, refractory metals Four-Point Probe under vacuum, T=25 -400 °C AFM Seebeck Effect Measurement System for Thermoelectric Characterization Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

Diamond Electronic Properties Band gap Thermal conductivity Breakdown electric field Eb Mobility Carriers sat. velocity vsat Dielectric constant εr e. V W/cm. K 106 V/cm cm 2/Vs 107 cm/s - Diamond 5. 5 20 10 2000 - h 1. 0 5. 7 Gallium nitride 3. 4 1. 5 2000 2. 5 8. 9 Silicon carbide 3. 27 4. 9 3. 0 1000 2. 0 9. 7 Gallium Arsenide 1. 42 0. 55 0. 4 8500 1. 29 12. 9 Silicon 1. 12 1. 5 0. 3 1400 1. 0 11. 8 Germanium 0. 67 0. 58 0. 1 3900 1. 0 16. 2 Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Material ü High Frequency – High Power Field Effect Transistors ü UV Power Switches ü Renewable Energies Conversion Stages 5 Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

High Frequency – High Power Field Effect Transistors S 2 DEL Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Plasma assisted Hydrogen termination of CVD Diamond induces p-type conductive channel Evolution of the band bending, activated by air exposure, during the electron transfer process at the interface between diamond and water layer[b]: density-of-states (DOS) is changing from 3 D to 2 D: 2 DHG Fabricated by S 2 DEL and IFN-CNR 6 Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

RF Power Characterization by Politecnico di Torino CLASS A @ 2 GHz Pout=0. 2 W/mm Gain=8 d. B PAE=21. 3% S 2 DEL Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Pout @ 1 GHz ~ 0. 8 W/mm[a] Best result for Polycrystalline Diamond LG=200 nm, WG=50 um VDS=-14 V, VGS=-0. 3 V f. MAX = 15. 2 GHz ft = 6. 2 GHz Maximum VDS applied=80 V Eapplied= 2 MV/cm Channel conductance is always positive. No self heating effects! Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

Polycrystalline Diamond Poly. D 4 by Russian Academy of Sciences -20 d. B/dec. P 7 MS by Russian Academy of Sciences Wg=50 μm WG=25 μm Gain = 15 d. B@ 1 GHz Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Single Crystal Diamond Gain = 22 d. B @ 1 GHz f. MAX =26. 3 GHz f. MAX = 23. 7 GHz f. T = 6. 9 GHz LG=0. 2 μm f. T = 13. 2 GHz VGS=-0. 2 V, VDS=-10 V Eapplied= 0. 5 MV/cm S 2 DEL RF Small Signal Characterization in collaboration with by Tor Vergata University Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

Polycrystalline Diamond Poly. D 4 by Russian Academy of Sciences S 2 DEL Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 -20 d. B/dec. Gain = 16 d. B @1 GHz Lg=0. 2 μm, Wg=25 μm VGS=0. 0 V, VDS=-35 V f. MAX = 35 GHz f. T = 10 GHz Eapplied= 1. 75 MV/cm Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 S 2 DEL Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

UV POWER SWITCHES Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Neweks PSX 100 excimer laser Filled with Ar. F gas mixture VDS S 2 DEL Lecroy Wave. Pro 960 2 GHz 16 Gs/s digital oscilloscope Picosecond 5550 B 18 GHz Bias tee DUT Si diode (for trigger) =193 nm 50 Oscilloscope input resistance x Laser pulse shape recorded by vacuum phototube GPIB VGS (Keithley 617) Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

12/23 Source G Drain UV generated carriers diamond VGS=-3. 4 V Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 VDS=-9. 6 V Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

13/23 Source G Drain UV generated carriers Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 diamond Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

Renewable Energies Conversion Stage Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 EU Project E 2 PHEST 2 US’ Duration: 3 years (Jan 2010 - Jan 2013) • Total Project Cost: 2. 68 M€ • Total EU Funding: 1. 98 M€ Partners: • CNR (Italy, Scientific Coordination) • CRR (Italy, Management Coordination) • SHAP (Italy) • Tel Aviv University (Israel) • Tubitak (Turkey) • Prysmian (Multinational Industry) • Maya (San Marino) *For details, http: //www. ephestus. eu Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

EU Project E 2 PHEST 2 US’ Thermionic Stage Load Radiation Absorber Collector Rload Thermoelectric Stage Load p Under Vacuum Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 n Concentrated Solar Radiation (400 – 1000 suns) p n Thermionic Emitter Inter-electrode Space (<1 mm) Development of: T • A radiation absorber made of ceramic materials able to work stably at high temperature (700 1000 °C) TR (700 -1000 °C) TE Final Thermal Stage Thermoelectric Stage TC (250 -400 °C) • A thermionic conversion stage with CVD diamond as the active material TTE • A thermoelectric conversion stage constituted by high Seebeck coefficient materials TAmb • Maximum theoretical efficiency ≈ 30% z *For details, http: //www. ephestus. eu Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

CVD Diamond based Active Devices Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Thanks for the attention S 2 DEL Dia. C 2 Lab S 2 DEL (Diamond & Carbon Compounds Lab) Solid State and Diamond Electronics Lab IMIP - CNR - Montelibretti (RM) Università degli Studi “Roma Tre” Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza

Alternative Technology in Concentrating Systems • Multi-junction Photovoltaic Cells üNominal Conversion Efficiency of 30% üCompactness üNo mechanical parts in movement Viareggio – CAEN June 24 th, 2011 • Highly Expensive • Mandatory Need of Cooling (Conversion Efficiency Exponentially Decreases with Temperature) • Illumination Local Inhomogeneities Causes Output Bottlenecks • Production Dependent on Semiconductor Industry (Few Large-Scale World Suppliers) • Thermodynamic Conversion by Heat Engines (Stirling, Rankine) • Nominal Conversion Efficiency of 35% at High Temperatures (> 600 °C) • Not Compact System • Mechanical Parts in Movement (Degradation with Operative Time) • Economically Reasonable for Large Plants (> 10 k. We) Elettronica basata sul Diamante: Applicazioni nella Fisica delle Alte Energie, Fisica Nucleare, Astrofisica, Fisica Medica ed Elettronica di Potenza