ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЛУЧЕНИЕ НЕЛЕГИРОВАННОГО ГОМОЭПИТАКСИАЛЬНОГО АЛМАЗА ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ДЫРОЧНОЙ ПРОВОДИМОСТИ
Аннотация
Использование нелегированного монокристаллического алмаза в качестве материла для изготовления детекторов высокоэнергетических частиц и различных типов ионизирующего излучения ограничивается наличием фоновой проводимости, вызванной примесью бора, что приводит к высокому темновому току в структурах типа металл-полупроводник-металл или металл-диэлектрик-металл. В данной работе исследуется возможность подавления фоновой проводимости в нелегированном гомоэпитаксиальном алмазе с помощью облучения алмаза небольшими дозами электронов высокой энергии (3,5 МэВ). Объектом исследования стали монокристаллы алмаза с концентрацией примесей менее 1014 см-3, но обладающие удельным сопротивлением при комнатной температуре ~5 кОм∙см. Образцы были подвергнуты электронному облучению с дозами 2∙1015 см-2 и 1016 см-2. Контроль результатов осуществлялся с помощью анализа температурной зависимости электрофизических свойств материала и вольт-амперных характеристик образцов детекторов из него. Полученные в работе результаты показывают, что облучение эффективно снижает проводимость алмаза на несколько порядков. Исследования температурных зависимостей электрофизических параметров подтверждают стабильность материала после облучения в диапазоне температур до 1000 К, что делает возможным создание омических контактов в детекторных структурах без ухудшения характеристик. Измерения вольт-амперных характеристик демонстрируют существенное уменьшение темнового тока детекторов после облучения. Кроме того, величина темнового тока облученных образцов с омическими контактами, обладающими повышенной механической и температурной стабильностью, сопоставима с результатами для необлученных образцов с контактами Шоттки. Полученные данные открывают перспективы разработки детекторов на основе гомоэпитаксиального алмаза, устойчивых к экстремальным условиям эксплуатации.
Для цитирования:
Тимошенко В.О., Приходько Д.Д., Тарелкин С.А., Жолудев С.И., Лупарев Н.В., Корнилов Н.В. Электронное облучение нелегированного гомоэпитаксиального алмаза для подавления дырочной проводимости. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 9. С. 53-59. DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.12y.
Литература
Prawer S., Aharonovich I. Quantum information processing with diamond: principles and applications. Wood-head Publishing series in electronic and optical materials. Amsterdam: Elsevier/WP, Woodhead Publ. 2014. 330 p.
Bormashov V.S., Tarelkin S.A., Buga S.G., Volkov A.P., Golovanov A.V., Kuznetsov M.S., Kornilov N.V., Teteruk D.V., Terentiev S.A., Blank V.D. Electrical properties of high quality synthetic single crystal diamond, boron doped diamond and Schottky diodes on their bases. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostica Materialov. 2017. V. 83. N. 1. P. 36–42 (in Russian).
Zamboni I., Pastuović Ž., Jakšić M. Radiation hardness of single crystal CVD diamond detector tested with MeV energy ions. Diam. Relat. Mater. 2013. V. 31. P. 65–71. DOI: 10.1016/j.diamond.2012.11.002.
Krasilnikov A.V., Rodionov N.B., Bolshakov A.P., Ralchenko V.G., Vartapetov S.K., Sizov Y.E., Meschaninov S.A., Trapeznikov A.G., Rodionova V.P., Amosov V.N., Khmelnitsky R.A., Kirichenko A.N. CVD-synthesis of detector quality diamond for radiation hardness detectors of ionizing radiation. Tech. Phys. 2022. V. 92. N 4. P. 503. DOI: 10.21883/TP.2022.04.53607.226-21.
Liao M., Sang L., Teraji T., Imura M., Alvarez J., Koide Y. Comprehensive Investigation of Single Crystal Diamond Deep-Ultraviolet Detectors. Jpn. J. Appl. Phys. 2012. V. 51. N 9R. 090115. DOI: 10.1143/JJAP.51.090115.
Talamonti C., Kanxheri K., Pallotta S., Servoli L. Diamond Detectors for Radiotherapy X-Ray Small Beam Do-simetry. Front. Phys. 2021. V. 9. 632299. DOI: 10.3389/ fphy.2021.632299.
Angelone M., Verona C. Properties of Diamond-Based Neutron Detectors Operated in Harsh Environments. JNE. 2021. V. 2. N 4. P. 422–470. DOI: 10.3390/jne2040032.
Venturi N., Alexopoulos A., Artuso M., Bachmair F., Bäni L., Bartosik M., Beacham J., Beck H., Bellini V., Belyaev V., Bentele B., Bergonzo P., Bes A., Brom J.-M., Bruzzi M., Chiodini G., Chren D., Cindro V., Claus G., Collot J., Cumalat J., Dabrowski A., D’Alessandro R., Dauvergne D., de Boer W., Dorfer C., Dunser M., Eremin V., Forcolin G., Forneris J., Gallin-Martel L., Gallin-Martel M.-L., Gan K.K., Gastal M., Giroletti C., Goffe M., Goldstein J., Golubev A., Gorišek A., Grigoriev E., Grosse-Knetter J., Grummer A., Gui B., Guthoff M., Haughton I., Hiti B., Hits D., Hoeferkamp M., Hofmann T., Hosslet J., Hostachy J.-Y., Hügging F., Hutton C., Janssen J., Kagan H., Kanxheri K., Kasieczka G., Kass R., Kassel F., Kis M., Kramberger G., Kuleshov S., Lacoste A., Lagomarsino S., Lo Giudice A., Lukosi E., Maazouzi C., Mandic I., Mathieu C., Menichelli M., Mikuž M., Morozzi A., Moss J., Mountain R., Murphy S., Muškinja M., Oh A., Olivero P., Passeri D., Pernegger H., Perrino R., Picollo F., Pomorski M., Potenza R., Quadt A., Re A., Reichmann M., Ri-ley G., Roe S., Sanz D., Scaringella M., Schaefer D., Schmidt C.J., Smith D.S., Schnetzer S., Sciortino S., Scorzoni A., Seidel S., Servoli L., Sopko B., Sopko V., Spagnolo S., Spanier S., Stenson K., Stone R., Sutera C., Taylor A., Tannenwald B., Traeger M., Tromson D., Trischuk W., Tuve C., Velthuis J., Vittone E., Wagner S., Wallny R., Wang J.C., Weingarten J., Weiss C., Wengler T., Wermes N., Yamouni M., Zavrtanik M. Results on radiation tolerance of diamond detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2018. DOI: 10.1016/j.nima.2018.08.038.
Berretti M. The diamond time of flight detector of the TOTEM experiment. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A: Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. 2017. V. 845. P. 29–32. DOI: 10.1016/j.nima.2016.04.068.
Crnjac A., Skukan N., Provatas G., Rodriguez-Ramos M., Pomorski M., Jakšić M. Electronic Properties of a Synthetic Single-Crystal Diamond Exposed to High Temperature and High Radiation. Materials. 2020. V. 13. N 11. P. 2473. DOI: 10.3390/ma13112473.
Dueñas J.A., de la Torre Pérez J., Martín Sánchez A., Martel I. Diamond detector for alpha-particle spectrome-try. Appl. Radiat. Isot. 2014. V. 90. P. 177–180. DOI: 10.1016/j.apradiso.2014.03.032.
Berdermann E., Pomorski M., de Boer W., Ciobanu M., Dunst S., Grah C., Kiš M., Koenig W., Lange W., Lohmann W., Lovrinčić R., Moritz P., Morse J., Mueller S., Pucci A., Schreck M., Rahman S., Träger M. Diamond detectors for hadron physics research. Diam. Relat. Mater. 2010. V. 19. N 5–6. P. 358–367. DOI: 10.1016/j.diamond.2009.11.019.
Bennett P., Cirignano L.J., Kargar A., Kim H., Shah K.S. CVD diamond for beta particle detection in a gamma-ray background. In: Hard X-Ray, Gamma-Ray, and Neutron Detector Physics XX. Ed. by M. Fiederle, A. Burger, R.B. James, S. A. Payne. San Diego, United States: SPIE. 2018. 39 p. DOI: 10.1117/12.2323695.
Prikhodko D.D., Timoshenko V.O., Tarelkin S.A., Kornilov N.V., Luparev N.V., Golovanov A.V., Drozdova T.E., Blank V.D. Hall effect analysis of boron and nitrogen background concentration in undoped CVD diamond. Appl. Phys. Lett. 2024. V. 125. N 4. P. 042109. DOI: 10.1063/5.0197107.
Faggio G., Messina G., Santangelo S., Prestopino G., Ciancaglioni I., Marinelli M. Raman scattering in boron-doped single-crystal diamond used to fabricate Schottky diode detectors. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2012. V. 113. N 18. P. 2476–2481. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2012.06.012.
Bossini E., Minafra N. Diamond Detectors for Timing Measurements in High Energy Physics. Front. Phys. 2020. V. 8. P. 248. DOI: 10.3389/fphy.2020.00248.
Card H.C., Rhoderick E.H. The effect of an interfacial layer on minority carrier injection in forward-biased sili-con Schottky diodes. Solid-State Electron. 1973. V. 16. N 3. P. 365–374. DOI: 10.1016/0038-1101(73)90011-7.
Matsumoto T., Kato H., Tokuda N., Makino T., Ogura M., Takeuchi D., Okushi H., Yamasaki S. Reduction of n‐type diamond contact resistance by graphite electrode. Phys. Rapid Res. Ltrs. 2014. V. 8. N 2. P. 137–140. DOI: 10.1002/pssr.201308252.
Salvatori S., Jaksic M., Rossi M.C., Conte G., Kononen-ko T., Komlenok M., Khomich A., Ralchenko V., Konov V., Provatas G. Diamond Detector With Laser-Formed Buried Graphitic Electrodes: Micron-Scale Mapping of Stress and Charge Collection Efficiency. IEEE Sensors J. 2019. V. 19. N 24. P. 11908–11917. DOI: 10.1109/JSEN.2019.2939618.
Saha B., Garbrecht M., Perez-Taborda J.A., Fawey M.H., Koh Y.R., Shakouri A., Martin-Gonzalez M., Hultman L., Sands T.D. Compensation of native donor doping in ScN: Carrier concentration control and p -type ScN. Appl. Phys. Lett. 2017. V. 110. N 25. P. 252104. DOI: 10.1063/1.4989530.
Timoshenko V.O., Prikhodko D.D., Tarelkin S.A., Kornilov N.V., Luparev N.V., Golovanov A.V. Diamond vertical pn Schottky diodes with precision nitrogen-doped n- layer. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 10. P. 73–79 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.11y.
Zaitsev A.M. Optical properties of diamond: a data hand-book. Berlin, New York: Springer. 2001. 502 p.
Prikhodko D.D., Timoshenko V.O., Tarelkin S.A., Kuznetsov M.S., Luparev N.V., Blank V.D. Compensation ratio of acceptor centers in different growth sectors of boron-doped HPHT diamond. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 38–43 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.7y.
