Monocristaux de diamants CVD de grande surface pour les trajectographes diu LHC à haute luminosité – MONODIAM-HE

En vue de l'augmentation de luminosité sur le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN, il est proposé de réaliser des prototypes de détecteurs de particules sur substrat de diamant monocristallin de grandes dimensions. Ce programme de recherche générique a pour objectif d'évaluer les potentialités de tels détecteurs dans les futurs programmes de physique.

Ce projet concerne l'ensemble des thématiques liées à la réalisation de détecteurs de traces faits sur substrats de diamant monocristallin : croissance de films de diamant à densité d'impuretés contrôlée, préparation des surfaces, métallisation avec divers matériaux, assemblage et connexions à l'électronique de lecture, ainsi que la caractérisation par tests à chaque étape de la réalisation.

Un des objectifs majeur de ce projet concerne le développement d'un nouveau procédé de "lift-off" par le biais d'implantation d'ions afin de préparer des germes de cristal à partir d'un substrat unique (clonage de diamants). En utilisant comme substrat primaire des mosaïques constituées de tels clones, il est possible de faire croître des films monocristallins de grandes dimensions. Il est ainsi prévu de réaliser pour la première fois des détecteurs à pixels sur diamant monocristallin de manière parfaitement reproductible. La validation de tels détecteurs sera faite en utilisant les procédures de physique des particules (tests en laboratoire et en faisceaux, irradiations jusqu'à 1016 neq/cm-2). Ces développements pourraient mener à la seule solution viable pour la reconstruction de traces de particules au voisinage immédiat du point de collision dans les futures expériences.

L'aspect pluridisciplinaire du projet MONODIAM-HE doit être souligné. Les participants à ce projet sont issus de deux instituts nationaux (IN2P3 et INSIS). Le projet concerne des laboratoires ayant chacun une expérience reconnue: l'Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien et le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie ont été impliqués dans nombre de collaborations de physique des hautes énergies et sont membres des collaborations CMS et ATLAS. Le Centre de Recherche Plasmas-Matériaux-Nanostructures (CRPMN) du LPSC est à la pointe de la science et technologie des plasmas. Le Laboratoire de Science des Procédés et des Matériaux s'est investi depuis près de 20 ans dans l'étude des procédés plasmas et la synthèse de diamant par dépôt de carbone assisté par plasma. L'Institut d'Electronique du Solide et des Systèmes (InESS) dispose d'une expertise reconnue dans les domaines de la physique et la technologie des semi-conducteurs.

Les résultats du projet MONODIAM-HE auront un impact majeur pour l'ensemble des développements concernant l'utilisation de détecteurs diamant pour des applications variées, allant de la détection en physique nucléaire ou des particules, le contrôle des accélérateurs, l'imagerie médicale ou l'électronique à haute puissance. Il est certain que ce projet permettra des progrès significatif dans le développement du diamant synthétique et sera du plus grand intérêt tant pour le monde académique qu'industriel. La démonstration de la faisabilité et la mise à disposition des technologies développées pour ce projet donneront une impulsion nouvelle à l'ensemble de la communauté des semi-conducteurs à large bande, et permettra aux entreprises françaises d'acquérir une position dominante au niveau mondial.

Durant l'année écoulée, d'importants progrès ont été réalisés par les partenaires de MONODIAM-HE : croissance de diamants par le LSPM et tests par l'InESS, l'IPHC et le LPSC. Ces tests on montré que nos détecteurs avaient une qualité comparable aux meilleures réalisations industrielles. Certains de ces diamants, après connexion à une électronique de lecture, ont été testés en faisceau avec succès. Enfin, les premiers essais de réalisation de mosaique (7 germes) ont été réalisés par le LSPM, mettant en évidence les possibilités de cette technique.