БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by («Адамас» , пос. Атолино, Минский р-н.) Условия синтеза: T=1350-1450С, 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, kazuchits@bsu.by Схема выращивания алмазов методом HPHT http://www.newagediamonds.com/ 5 БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by (ФГУП “ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова”, г. Москва, Россия) БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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, kazuchits@bsu.by 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