Разработка детекторов ионизирующего излучения на низко-дислокационных монокристаллах алмаза, выращиваемых из газовой фазы, с высокой эффективностью сбора зарядов

Проект нацелен на исследование и разработку детекторов ионизирующего излучения на алмазных пленках и кристаллах с пониженной плотностью дислокаций и дефектов, выращиваемых методом осаждения из газовой фазы в СВЧ-плазмохимических реакторах (CVD алмазах). В силу высокой радиационной стойкости алмаза, детекторы на его основе востребованы в качестве альтернативы традиционным полупроводниковым детекторов, например, кремниевых, так как первые могут обеспечить большее время жизни прибора в условиях сильных радиационных полей. Ключевым требованием к алмазным кристаллам детекторного качества, является получение материала с низкой плотностью дислокаций, низким уровнем вызванных дефектами напряжений, и низким содержанием примесей, однако задача снижения плотности дислокаций остается все еще серьезной проблемой. В проекте будут решены две важные основные задачи: (1) разработка новых подходов к выращиванию монокристаллов CVD-алмазов для подавления возникновения дислокаций, и (2) созданию образцов алмазных радиационных детекторов с высокими характеристиками. Оба партнера, Российская и Китайская группа, проведут исследования в обоих указанных направления, используя четыре типа передовых СВЧ-реакторов (ARDIS-100, ARDIS-300, Plassys SSDR-150, и оригинальный самодельный реактор у Китайского партнера), все работающие на частоте 2,45 ГГц. Особенностью подхода Российского участника является приготовление для гомоэпитаксии специальных подложек, в которых дислокации, направлены преимущественно вдоль грани (100), на которой проводится эпитаксия. Китайский участник развивает другой подход - метод бокового роста пленки (epitaxial lateral overgrowth - ELO), при котором частично блокируется прорастание дислокаций из подложки в пленку. Кроме того, будет реализовано получение тонких гетероэпитаксиальных алмазных пленок на подложках с монокристальным слоем иридия. Будут проведены систематические и исследования структуры синтезируемых образцов арсеналом современных аналитических методов - Рамановской спектроскопии, фотолюминесцентной спектроскопии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, интерферометрии белого света, спектроскопии оптического поглощения, и других. Особенно детально будут изучены локальные распределения дислокаций и напряжений по кристаллу, и их корреляции с режимами роста кристаллов. Будет спроектировано и изготовлено несколько вариантов детекторных структур на толстых (толщина 0,3 – 0,7 мм) и тонких (<50 мкм) пленках. Характеристики детекторов: эффективность сбора зарядов, энергетическое разрешение, временная стабильность, подвижность и времена жизни носителей заряда, будут измерены при облучении альфа-частицами с энергией 5,5 МэВ. С идеей увеличения рабочей площади детекторов, будут выращены мозаичные алмазные кристаллы путем создания монолитного алмазного слоя на тесно размещенных нескольких идентичных алмазных подложках, и исследованы свойства детекторов, изготовленных на мозаиках. Также будут спроектированы, изготовлены и испытаны несколько других дизайнов детекторов: (i) на тонких пленках с заглубленными планарными электродами для работы при низковольтных смещениях; (ii) на диоде Шоттки, (iii) на алмазных гетероструктурах, (iv) детектор ультрафиолетового излучения типа метал-алмаз-металл. Будут продемонстрированы детекторы с эффективностью сбора заряда выше 95%.