ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ГОМОЭПИТАКСИАЛЬНОГО ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ АЛМАЗНЫХ СЛОЕВ НА МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ АЛМАЗНУЮ ПОДЛОЖКУ, ЛЕГИРОВАННУЮ АЗОТОМ
Аннотация
В данной работе исследованы особенности формирования и свойств алмазных структур, предназначенных для преобразования энергии бета-распада радиоактивного изотопа 63Ni в электрическую энергию. Были выращены алмазные подложки с различной концентрацией азота (300 ppm и 60 ppm) методом температурного градиента при высоких давлениях (TG-HPHT). Анализ показал, что высокое содержание азота приводит к значительному увеличению количества структурных дефектов в подложках. На подготовленных алмазных подложках методом химического осаждения из газовой фазы синтезированы гомоэпитаксиальные слои с низким содержанием примесных центров и изготовлены диоды Шоттки n-типа. Подробно исследованы электрические свойства диодов при воздействии бета-излучения при температурах выше комнатной. Показано, что гомоэпитаксиальные слои на подложках с высокой концентрацией азота наследуют структурные дефекты, которые приводят к высоким токам утечки в диодах и делают такие диоды непригодными для создания эффективных преобразователей энергии. В то же время диоды, изготовленные на подложках с концентрацией азота 60 ppm, обеспечивают низкий ток утечки и эффективное преобразование энергии при температурах до 500 °C. Максимальная электрическая мощность составила 170 пВт при КПД около 1%. Результаты демонстрируют важность оптимизации уровня легирования азотом и кристаллического качества подложек для создания эффективных и долговечных радиоизотопных преобразователей энергии с использованием алмазных PiN структур.
Для цитирования:
Тарелкин С.А., Корнилов Н.В., Кузнецов М.С., Лупарев Н.В., Мартюшов С.Ю., Тимошенко В.О. Особенности технологии гомоэпитаксиального химического осаждения тонких алмазных слоев на монокристаллическую алмазную подложку, легированную азотом. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 9. С. 60-65. DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.11y.
Литература
Ayodele O.L., Sanusi K.O., Kahn M.T. Nuclear battery – a source of environmentally friendly energy. JEDT. 2018. DOI: 10.1108/JEDT-02-2017-0011.
Prelas M., Boraas M. Nuclear batteries and radioisotopes. NY: Springer Berlin Heidelberg. 2016. DOI: 10.1007/978-3-319-41724-0.
Spencer M.G., Alam T. High power direct energy conversion by nuclear batteries. Appl. Phys. Rev. 2019. V. 6. N 3. P. 031305. DOI: 10.1063/1.5123163.
Zhou C., Zhang J., Wang X., Yang Y., Xu P., Li P., Zhang L., Chen Z., Feng H., Wu W. Review—Betavoltaic Cell: The Past, Present, and Future. ECS J. Solid State Sci. Technol. 2021. V. 10. N 2. P. 027005. DOI: 10.1149/2162-8777/abe423.
Naseem M.B., Kim H.S., Lee J., Kim C.H., In S.-I. Betavoltaic Nuclear Battery: A Review of Recent Progress and Challenges as an Alternative Energy Source. J. Phys. Chem. C. 2023. DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c00684.
Xi S., Zhou C., Zhang Y., Li H., Wang L., Wang Z., Liu Z., Yi X., Li J. The design of diamond metal/intrinsic/p-type Schottky-barrier-based cells for different radioactive β sources. Appl. Phys. A. 2024. V. 130. N 10. P. 753. DOI: 10.1007/s00339-024-07912-x.
Polyakov A., Smirnov N., Tarelkin S., Govorkov A., Bormashov V., Kuznetsov M., Teteruk D., Buga S., Kornilov N., Lee I.-H. Electrical Properties of Diamond Platinum Vertical Schottky Barrier Diodes. Mater. Today: Proc. 2016. V. 3. P. S159–S164. DOI: 10.1016/j.matpr.2016.02.027.
Bormashov V.S., Tarelkin S.A., Buga S.G., Volkov A.P., Golovanov A.V., Kuznetsov M.S., Kornilov N.V., Teteruk D.V., Luparev N.V., Terent’ev S.A., Blank V.D. Electrical properties of high-quality synthetic boron-doped diamond single crystals and Schottky barrier diodes on their basis. Inorg. Mater. 2018. V. 54. N 15. P. 1469–1476. DOI: 10.1134/S0020168518150037.
Donato N., Rouger N., Pernot J., Longobardi G., Udrea F. Diamond power devices: state of the art, modelling, figures of merit and future perspective. J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. V. 53. N 9. P. 093001. DOI: 10.1088/1361-6463/ab4eab.
Bormashov V.S., Troschiev S.Yu., Tarelkin S.A., Volkov A.P., Teteruk D.V., Golovanov A.V., Kuznetsov M.S., Kornilov N.V., Terentiev S.A., Blank V.D. High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes. Diam. Relat. Mater. 2018. V. 84. P. 41–47. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.03.006.
Bormashov V., Troschiev S., Volkov A., Tarelkin S., Korostylev E., Golovanov A., Kuznetsov M., Teteruk D., Kornilov N., Terentiev S., Buga S., Blank V. Development of nuclear microbattery prototype based on Schottky barrier diamond diodes. Phys. Status Solidi A. 2015. V. 212. N 11. P. 2539. DOI: 10.1002/pssa.201532214.
Xi S., Zhou C., Zhang Y., Li H., Wang L., Wang Z., Yi X., Li J. Efficiency limit for diamond metal/intrinsic/ p -type Schottky barrier-based betavoltaic cells. Appl. Phys. Lett. 2024. V. 125. N 17. P. 173502. DOI: 10.1063/5.0211678.
Liu Y., Tang X., Xu Z., Hong L., Wang H., Liu M., Chen D. Influences of planar source thickness on betavoltaics with different semiconductors. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2015. V. 304. N 2. P. 517–525. DOI: 10.1007/s10967-014-3879-2.
Suzuki M., Sakai T., Makino T., Kato H., Takeuchi D., Ogura M., Okushi H., Yamasaki S. Electrical characteri-zation of diamond PiN diodes for high voltage applications: Electrical characterization of diamond PiN diodes. Physica Status Solidi (a). 2013. V. 210. N 10. P. 2035–2039. DOI: 10.1002/pssa.201300051.
Pinault-Thaury M.-A., Stenger I., Gillet R., Temgoua S., Chikoidze E., Dumont Y., Jomard F., Kociniewski T., Barjon J. Attractive electron mobility in (113) n-type phosphorus-doped homoepitaxial diamond. Carbon. 2021. V. 175. P. 254–258. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.01.011.
Buga S.G., Kvashnin G.M., Luparev N.V., Kuznetsov M.S., Trofimov S.D., Galkin A.S. Spectra of electrical impedance of nitrogen-heavily doped synthetic diamond monocrystals in the temperature range of 10–400 K. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 28–36. DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.1y.
Buga S.G., Kvashnin G.M., Kuznetsov M.S., Kornilov N.V., Luparev N.V., Prikhodko D.D., Terentiev S.A., Blank V.D. Hall measurements on nitrogen-doped Ib-type synthetic single crystal diamonds at temperatures 550–1143 K. Appl. Phys. Lett. 2024. V. 124. N 10. P. 102107. DOI: 10.1063/5.0180183.
Buga S.G., Galkin A.S., Kuznetsov M.S., Kornilov N.V., Luparev N.V., Prikhodko D.D., Tarelkin S.A., Blank V.D. Duallayer wafers of synthetic nitrogen-doped diamond single crystals for high-temperature n-type Schottky diodes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 11. P. 27–33. DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.7y.
Novel Aspects of Diamond: From Growth to Applications. Ed. by N. Yang. Springer International Publishing Cham. 2019. V. 121. DOI: 10.1007/978-3-030-12469-4.
Davies G. Current problems in diamond: towards a quantitative understanding. Phys. B: Condensed Matter. 1999. V. 273–274. P. 15–23. DOI: 10.1016/S0921-4526(99)00398-1.
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. Proceedings of the Universities. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2024. V. 67. N 10. P. 73–79. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.11y.
Tsubouchi N., Mokuno Y., Shikata S. Characterizations of etch pits formed on single crystal diamond surface us-ing oxygen/hydrogen plasma surface treatment. Diam. Relat. Mater. 2016. V. 63. P. 43–46. DOI: 10.1016/j.diamond.2015.08.012.
