Speakers
Description
Синтетический алмаз выделяется на фоне других широкозонных полупроводников комплексом уникальных материальных свойств, в числе которых высочайшая радиационная, химическая и физическая стойкость [1]. Это делает его перспективным материалом для экстремальной и силовой электроники, в том числе детекторов элементарных частиц [2]. При этом спектр различных применений алмазных детекторов очень широк: от медицинской адронной терапии [3] до физики высоких энергий [4].
Ионизационные алмазные детекторы успешно применяются для регистрации упруго рассеянных протонов больших энергий на детекторе TOTEM в составе Большого Адронного Коллайдера [5]. Назначением детекторов в эксперименте TOTEM является определение координаты и времени пролета минимально ионизирующей частицы (протона с энергией 13 ТэВ) через алмазную пластину с высокой точностью. Такое применение алмазных детекторов является одним из наиболее требовательных к чистоте и качеству объемной алмазной пластины (толщина от 500 мкм).
Сегодня для получения наиболее чистого монокристаллического алмаза используется метод синтеза из газовой фазы – CVD. Один из крупнейших мировых поставщиков сверхчистых алмазов – компания Element Six. В их материале гарантируется концентрация бора не выше 1 ppb, а концентрация азота не выше 5 ppb [6]. Данный уровень определяется в первую очередь пределом чувствительности оптических методов, а именно спектроскопии поглощения [7]. В данной работе нам удалось измерить концентрации бора и азота ниже 0,1 ppb при помощи электрофизических измерений.
Мы исследовали монокристаллы алмаза, выращенные методом CVD в ТИСНУМ. Процесс синтеза предполагал минимальное содержание каких-либо примесей в растущем кристалле, т.е. не производилось намеренного легирования. Для синтеза использовался метан марки 6.0, а в линии подачи водорода установлен очиститель водорода до чистоты 10-9. Исследование полученного материала оптическими методами (спектроскопия КРС, люминесценции, поглощения в ИК, УФ и видимом диапазонах) показало отсутствие каких-либо примесей. Несмотря на это, материал обладал заметной проводимостью порядка нескольких кОм·см.
С помощью эффекта Холла были измерены концентрация бора – (1-2)·Е13 см-3 (~0,1 ppb) и концентрация азота – ≤ (3–7)·Е12 см-3 (~0,02–0,05 ppb). Мы предполагаем, что попадание бора в плазму могло произойти в результате травления металлических частей камеры. Металлы зачастую содержат достаточно большое количество бора в качестве примеси. Таким образом фоновая концентрация бора в алмазе может существенно зависеть от конкретной установки.
Такой материал был использован для изготовления образцов детекторных структур типа металл-полупроводник-металл (МПМ). Было показано, что использование Шоттки контакта (Pt) позволяет эффективно вытеснить свободные носители из всего объема детектора (расстояние между контактами ~500 мкм). В результате токи утечки таких структур не превышают 1 нА при 800 В. Независимость емкости детектора от при изменении приложенного напряжения говорит о полном обеднении материала. При изготовлении омического контакта, токи утечки определяются проводимостью материала и составляют ~1 мА при 100 В.
Было проведено облучение материала небольшими дозами 3 МэВ электронами. Облучение привело к существенному снижению проводимости материала и снизило токи утечки МПМ структур с омическим контактом до уровня < 1 нА при 600 В.
В результате данного исследования было показано, что, во-первых, эффект Холла является одним из наиболее чувствительных методов определения концентрации электрически активных центров при наличии объемной зонной проводимости материала. Во-вторых, показано, что стандартные технологии CVD синтеза алмаза позволяют добиваться чистоты по азоту лучше, чем 1Е13 см-3.
Текущий уровень чистоты алмаза требует рассматривать данный материал как компенсированный полупроводник, в котором отсутствие проводимости может достигаться путем компенсации мелких акцепторных центров глубокими донорными. Наличие измеряемой фоновой концентрации бора в алмазе необходимо учитывать при разработке детекторов ионизирующего излучения, как с точки зрения темнового тока, так и с точки зрения наличия заряженных центров в объеме материала.
Дополнительно в докладе будут приведены данные о технологических возможностях ТИСНУМ в области синтеза монокристаллического алмаза и изготовления из него детекторов широкого круга применения: детекторы УФ, детекторы положения синхротронных рентгеновских пучков, спектрометрические и потоковые детекторы альфа-частиц и нейтронов и др.
ЛИТЕРАТУРА
1. Donato N. et al. Diamond power devices: state of the art, modelling, figures of merit and future perspective // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. Vol. 53, № 9. P. 093001.
2. Ahmad U.F. et al. Applications of carbon-based diamond detectors: A critical review // Materials Today Communications. 2023. P. 106409.
3. Talamonti C. et al. Diamond Detectors for Radiotherapy X-Ray Small Beam Dosimetry // Front. Phys. 2021. Vol. 9. P. 632299.
4. Bossini E., Minafra N. Diamond Detectors for Timing Measurements in High Energy Physics // Front. Phys. 2020. Vol. 8. P. 248.
5. Antchev G. et al. Diamond detectors for the TOTEM timing upgrade // J. Inst. 2017. Vol. 12, № 03. P. P03007–P03007.
6. Element Six, “CVD diamond handbook”, (2021). https://e6cvd.com/us/diamond-book-download.
7. T. Luo, L. Lindner, R. Blinder, M. Capelli, J. Langer, V. Cimalla, F.A. Hahl, X. Vidal, and J. Jeske, “Rapid determination of single substitutional nitrogen Ns0 concentration in diamond from UV-Vis spectroscopy,” Appl. Phys. Lett. 121(6), 064002 (2022).
| Тематическая секция | Детекторы, методика эксперимента и ядерно-физические методы |
|---|
