ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА ДЛЯ КОНТРОЛЬНО- ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ 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 БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, Содержание: - характеристика СТМ Алмазот - характеристика детекторных структур - характеристика терморезисторов

Сравнительные характеристики некоторых полупроводниковых материалов малые токи утечки высокое быстродействие тканеэквивалентный малая емкость высокая радиационная стойкость Signal [e/µm] Displacem [eV] Density [g/cm3] e-h energy [eV] εrεr 631/714/631/3314Z V saturation [cm/s] µ h [cm 2 /Vs] µ e [cm 2 /Vs] E breakdown [V/cm] E g [eV] DiamondGaN4H SiCGaAsSiProperty 2

Доступное алмазное сырье Природные алмазы Синтетические алмазы НРНТ (high pressure high temperature) CVD (chemical vapor deposition) Поликристаллический Монокристаллический БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, тип Ia – N ~ cm -3 (А-форма, В1-, В2-формы) тип IIa – N < 5·10 17 cm -3 (А-форма) тип Ib – N ~ cm -3 (C-форма) СТМ Алмазот - ? 3

Многопуансонный аппарат высокого давления типа «разрезная сфера» (БАРС) («Адамас», пос. Атолино, Минский р-н.) БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, Условия синтеза: T= С, P=4,5-5,0 ГПа, длительность ~70-80 часов, расплав Fe:Ni=70:30% 4

Схема выращивания алмазов методом HPHT БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, 5

Фотографии кристаллов и пластин СТМ Алмазот БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, на черном фоне при освещении лазерным излучение = 337 нм на белом фоне при освещении белым светом, Содержание азота: в жёлтой области ~ 2Е19 см -3, в бесцветной обл. 5Е17 см -3 Содержание никеля: около затравки ~ 1Е19 см -3, около вершин ~ 1Е18 см -3 Казючиц Н.М. и др. Неорг. материалы 50 (2014)

Зависимость величины фототока от концентрации азота БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, Новак Д. и др. МССЭ-2008, с. 88 7

Комбинационное рассеяние света в СТМ Алмазот БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, FWHM = 1,67÷1,87 cm -1 8 Казючиц Н.М.. и др. МССЭ-2012, с. 44

Спектры катодолюминесценции и КЛ томограммы различных областей кристалла СТМ Алмазот тип IIaтип Ib БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, 9

Топограммы времени жизни неравновесных носителей заряда в пластинах СТМ Алмазот БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, E. Gaubas …Diamond & Related Materials 47 (2014) 15–26 10

Цель работы оценить пригодность синтетических алмазов СТМ Алмазот для изготовления: терморезисторов, детекторов УФ и ионизирующих излучений БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, 11

Методика отбора алмазов для детекторов (ИФТП г. Дубна, Московская обл.) 137 Cs 12

nA nA pA Явление фотопроводимости наиболее близко моделирует условия работы детекторов ПКНСДДС - 30 Л Образец Дозиметр Методика отбора алмазов для детекторов (БГУ, Минск)

Характеристики экспериментальных образцов фотоприемников на основе СТМ Алмазот БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, Спектральный диапазон, нм Максимум чувствительности, нм 225 Чувствительность в максимуме, А/Вт 0,1 - 1 Диапазон напряжения смещения, В Темновой ток при напряжении 100 В, пА < 1 Быстродействие, нс< 10 Отношение сигнала в УФ / видимой области

Регистрация импульсного лазерного излучения БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД,

Регистрация последовательности импульсов тормозного излучения установки «Аргумент-1000» (ФГУП ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова, г. Москва, Россия) БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, Длительность импульса - 3,5 нс, Мощность Р = Р/с С1 С3 С2 10 ns С1 - кремниевый детектор, С2 - детектором из природного алмаза, С3 - детектором из СТМ Алмазот 16

Экспериментальный образец дозиметрического детектора в герметичном корпусе БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, Ti+Au контакты 17 ОАО Институт физико-технических проблем г. Дубна Московской обл.

Изменение сигнала во времени при вариации мощности дозы -квантов 137 Cs для детекторов из природного и синтетического алмазов БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, 18

Характеристики дозиметрических детекторов на основе СТМ Алмазот БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, Диапазон энергий фотонов, МэВ0, Чувствительность, мк Кл/Грдо 1,8 Диапазон мощностей доз, с Гр/с 0, Линейность в номинальном диапазоне мощностей доз ,978 Стабильность сигнала 3% Напряжение смещения, Вдо 100 Темновой ток при U = 100 В, пА< 1 19

Radiation field distribution of «Varian» linear accelerator N.N. Alexandrov National Cancer Centre of Belarus, Borovliany 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 БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД,

21 Технология формирования терморезисторов с использованием имплантации ионов Typical crystal and plate of HPHT diamond (Almazot) Formation of temperature-sensitive conductive sites Formation of contact sites Rusetsky M.S. / Radiation interaction with material and its use in technologies, May 14 – 17, 2012, Kaunas, p. 320–323. Материал Теплопроводность, Вт/мК Алмаз 2000 BeO-керамика 215 AlN-керамика 200 Медь 400 Сапфир 40

22 Проводимость и энергия активации проводимости имплантированного ионами фосфора слоя Conductivity at room temperature and activation energy versus annealing temperature: implantation dose of cm -2 Conductivity at room temperature and activation energy versus implantation dose of 180 keV phosphorus ions

23 Характеристики датчиков температуры на основе СТМ Алмазот Сопротивление при 20 ºС, МОм 0,1 – 4 Энергия активации проводимости, эВ0,10 – 0,15 Постоянная времени, мс 4 – 10 Кинетики нагревания терморезисторов, расположенных на разных расстояниях от нагревателя τ 1 = 10 мс, τ 2 = 450 мс Нагреватель P=0.7 Вт Перегрев алмазного теплоотвода на различных расстояниях от нагревателя. На вставке - пластина СТМ Алмазот с матрицей терморезисторов

Выводы С использованием предварительного отбора на основе синтетических кристаллов алмаза СТМ Алмазот можно изготовить: детекторы УФ и ионизирующих излучений, быстродействующие датчики температуры. БГУ, физический факультет, кафедра физики полупроводников и наноэлектроники, НИЛ ВИИФД, 24

Спасибо за внимание! 25