Чувствительные элементы на основе синтетического алмаза

БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ
СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА ДЛЯ КОНТРОЛЬНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ АЭС
Казючиц Н.М., Макаренко Л.Ф.,
Русецкий М.С., *Шуленков А.С.
Белорусский государственный университет, г. Минск, Беларусь
*УП «Минский НИИ радиоматериалов», г. Минск, Беларусь
Содержание:
- характеристика СТМ Алмазот
- характеристика детекторных структур
- характеристика терморезисторов
Сравнительные характеристики некоторых
полупроводниковых материалов
Property
Si
GaAs
4H SiC
GaN
Diamond
Eg [eV]
1.12
1.43
3.26
3.39
5.5
Ebreakdown [V/cm]
3∙105
4∙105
2.2∙106
4∙106
107
µe [cm2/Vs]
1450
8500
800
1000
1800
µh [cm2/Vs]
450
400
115
30
1200
0.82∙107
0.8∙107
2∙107
-
2.2∙107
Z
14
31/33
14/6
31/7
6
εr
11.9
13.1
9.7
9.6
5.7
e-h energy [eV]
3.6
4.2
7.6-8.4
8.9
13
Density [g/cm3]
2.33
5.23
3.22
6.15
3.515
Displacem [eV]
13-20
-
25
≥15
43
89
130
51
-
36
Vsaturation [cm/s]
Signal [e/µm]
малые токи утечки
высокое
быстродействие
тканеэквивалентный
малая емкость
высокая радиационная
стойкость
2
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Доступное алмазное сырье
тип Ia – N ~ 1018-1020 cm-3
(А-форма, В1-, В2-формы)
Природные
алмазы
тип IIa – N < 5·1017 cm-3 (А-форма)
Синтетические алмазы
тип Ib – N ~ 1018-1019 cm-3 (C-форма)
НРНТ
(high pressure
high temperature)
CVD
СТМ Алмазот - ?
Поликристаллический
(chemical
vapor deposition)
Монокристаллический
3
Многопуансонный аппарат высокого давления
типа «разрезная сфера» (БАРС)
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
(«Адамас» , пос. Атолино, Минский р-н.)
Условия синтеза: T=1350-1450С,
P=4,5-5,0 ГПа,
длительность ~70-80 часов,
расплав Fe:Ni=70:30%
4
http://www.adamas.by/
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Схема выращивания алмазов методом HPHT
http://www.newagediamonds.com/
5
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Фотографии кристаллов и пластин СТМ Алмазот
1
2
3
4
5
Содержание азот а:
в жёлт ой области ~ 2Е19 см-3,
в бесцвет ной обл. ≤ 5Е17 см-3
Содержание никеля:
на белом фоне при освещении белым светом,
около зат равки ~ 1Е19 см-3,
около вершин ~ 1Е18 см-3
Казючиц Н.М. и др.
Неорг. материалы 50 (2014) 144-149
на черном фоне при освещении лазерным излучение  = 337 нм
6
-7
10
1
+20 V
Photocurrent, A
2
-8
10
Фототок, А
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Зависимость величины фототока
от концентрации азота
4
-9
10
3
-10
10
-11
10
1
2
3
Номер контакта
4
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
-12
FeNi
FeCo
10
18
10
19
Nitrogen concentration, cm
-3
Новак Д. и др. МССЭ-2008, с. 88
7
60000
Intensity, a.u.
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Комбинационное рассеяние света в СТМ Алмазот
5338-4
40000
-1
FWHM 1,67-1,87 cm
20000
1328
0
1200
1400
1330
1332
1600
Wavenumber, cm
1334
1800
1336
2000
-1
FWHM = 1,67÷1,87 cm-1
Казючиц Н.М.. и др. МССЭ-2012, с. 44
8
тип Ib
тип IIa
2,5
1,5
T=80 K
T=80 K
3325-9
484,4
CL intensity, arb.units
1,5
A
1,0
0,5
3325-1
1,0
0,5
234,5
883,1
884,8
0,0
0,0
200
A
575
2,0
CL intensity, arb.units
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Спектры катодолюминесценции и КЛ топограммы
различных областей кристалла СТМ Алмазот
300
400
500
600
Wavelength, nm
700
800
900
200
220
240
400
500
600
700
800
Wavelength, nm
9
900
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Топограммы времени жизни неравновесных
носителей заряда в пластинах СТМ Алмазот
7293
9
4
E. Gaubas …Diamond & Related Materials 47 (2014) 15–26
10
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Цель работы
оценить пригодность синтетических алмазов СТМ Алмазот
для изготовления:
• терморезисторов,
• детекторов УФ и ионизирующих излучений
11
Методика отбора алмазов для детекторов
(ИФТП г. Дубна, Московская обл.)
137Cs
137Cs
12
Методика отбора алмазов для детекторов
(БГУ, Минск)
+003.16
-018.28 nA
-018.35
pA
ДДС - 30
Л НС Образец
Дозиметр
ПК
3
Photocurrent (gamma), nA
10
2
y=1,27x
10
1
10
0
10
-1
Явление фотопроводимости наиболее близко
моделирует условия работы детекторов
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
Photocurrent (UV), nA
3
10
Характеристики экспериментальных образцов
фотоприемников на основе СТМ Алмазот
3701-9
5
10
U=100V
4
1
2
3
6
8
10
Sensitivity, a.u.
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
6
10
3
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
200
250
300
350
400
450
Wavelength, nm
Спектральный диапазон, нм
Максимум чувствительности, нм
200 - 280
225
Чувствительность в максимуме, А/Вт
0,1 - 1
Диапазон напряжения смещения, В
0 - 100
Темновой ток при напряжении 100 В, пА
<1
Быстродействие, нс
< 10
Отношение сигнала в УФ / видимой области
105 - 106
14
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Регистрация импульсного лазерного излучения
3298-5
15
Регистрация последовательности импульсов
тормозного излучения установки «Аргумент-1000»
С3
10 ns
С2
Амплитуда импульса, В
С1
2,4
12
2,0
10
1,6
8
1,2
6
0,8
4
0,4
2
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0
18
Номер импульса
С1 - кремниевый детектор,
С2 - детектором из природного алмаза,
С3 - детектором из СТМ Алмазот
Длительность импульса - 3,5 нс,
Мощность Р = 10 11 Р/с
16
Длительность импульса, нс
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
(ФГУП “ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова”, г. Москва, Россия)
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Экспериментальный образец дозиметрического
детектора в герметичном корпусе
Ti+Au
контакты
ОАО “Институт физико-технических проблем”
г. Дубна Московской обл.
17
природный
6
3
а)
Ток, нА
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Изменение сигнала во времени при вариации
мощности дозы -квантов 137Cs для детекторов из
природного и синтетического алмазов
0
0
1200
2400
3600
4800
6000
синтетический
100
50
б)
0
0
600
1200
1800
2400
3000
3600
Время, с
18
2
10

i = i0 + RD
 = 0,993
Synthetic
1
10
Current, nA
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Характеристики дозиметрических детекторов
на основе СТМ Алмазот
Natural
0
10
60
Co
Cs
137
Cs
-1
10
137
-2
10
Диапазон энергий фотонов, МэВ
Чувствительность, мкКл/Гр
Диапазон мощностей доз, сГр/с
Линейность в номинальном
диапазоне мощностей доз
Стабильность сигнала
Напряжение смещения, В
Темновой ток при U = 100 В, пА
0,08 - 20
до 1,8
-1
10
0
1
10
10
Dose rate, cGy/s
0,05 - 10
0.993-0,978
3%
до 100
<1
19
Radiation field distribution of «Varian»
linear accelerator
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
N.N. Alexandrov National Cancer Centre of Belarus, Borovliany
Depth 150.0 mm
Energy 6.0 MeV
100 %
PTW
BSU
80
60
40
20
-80
-60
-40
-20
0
0
20
40
60
80
Y [mm]
6 MeV photon beam profile measured PTW natural diamond and synthetic
diamond detector. Field size is 10 cm ×10 cm. Depth in water is 150 mm
20
Технология формирования терморезисторов с
использованием имплантации ионов
Typical crystal and plate
of HPHT diamond (Almazot)
Материал
Алмаз
Formation of
temperature-sensitive
conductive sites
Теплопроводность, Вт/м∙К
2000
BeO-керамика
215
AlN-керамика
200
Медь
400
Сапфир
Formation
of contact
sites
40
Rusetsky M.S. / Radiation interaction with material and its use in technologies,
May 14 – 17, 2012, Kaunas, p. 320–323.
21
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-11
10
-12
-2
10
-4
10
-6
10
-8
0,3
0,2
-10
10
10
0,1
0,0
10
14
10
15
-2
Dose, cm
Conductivity at room temperature and activation
energy versus implantation dose of 180 keV
phosphorus ions
0,3
0,2
0,1
10
-10
10
-12
0
200
400
600
800 1000 1200 1400
0,0
o
Temperature, C
Conductivity at room temperature and activation
energy versus annealing temperature:
implantation dose of 1015 cm-2
22
Activation energy, eV
-5
Conductivity, S
10
Activation energy, eV
Conductivity, S
Проводимость и энергия активации проводимости
имплантированного ионами фосфора слоя
Характеристики датчиков температуры
на основе СТМ Алмазот
Нагреватель
P=0.7 Вт
1,6
1,2
1,4
L=0.72 mm
L=1.00 mm
L=1.34 mm
L=1.71 mm
L=2.09 mm
L=2.47 mm
L=2.86 mm
0,9
 C
o
o
T, C
1,2
1,0
0,3
0,8
0,6
0,0
0,6
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Перегрев алмазного т еплоот вода на различных
расст ояниях от нагреват еля. На вст авке - пласт ина
СТМ Алмазот с мат рицей т ерморезист оров
Энергия активации проводимости, эВ
Постоянная времени, мс
0,00
0,03
0,06
0,09
0,12
0,15
Время, с
Distance, mm
Сопротивление при 20 ºС, МОм
0,0
Кинет ики нагревания т ерморезист оров,
расположенных на разных расст ояниях
от нагреват еля
τ1 = 10 мс, τ2 = 450 мс
0,1 – 4
0,10 – 0,15
4 – 10
23
БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и
наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, [email protected]
Выводы
С
использованием
предварительного
отбора
на
основе
синтетических кристаллов алмаза СТМ Алмазот можно изготовить:
• детекторы УФ и ионизирующих излучений,
• быстродействующие датчики температуры.
24
Спасибо за внимание!
25