Электрические свойства сильно легированных азотом синтетических монокристаллов алмаза, выращенных при высоком давлении и температуре
Буга С.Г.
1,2, Куприянов И.Н.
3, Борздов Ю.М.
3, Кузнецов М.С.
1, Лупарев Н.В.
1, Носухин С.А.
1, Кульницкий Б.А.
1,2, Приходько Д.Д.
1,2, Пальянов Ю.Н.
31Технологическимй институт сверхтвердых и новых углеродных материалов НИЦ "Курчатовский институт", Троицк, Москва, Россия
2Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Московская обл., Россия
3Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, Новосибирск, Россия
Email: buga@tisnum.ru, spectra@igm.nsc.ru, borzdov60@mail.ru, mikuz@yandex.ru, dedsan@yandex.ru, boris@tisnum.ru, dmitrii.prikhodko@phystech.edu, palyanov@igm.nsc.ru
Поступила в редакцию: 8 сентября 2024 г.
В окончательной редакции: 6 октября 2024 г.
Принята к печати: 29 октября 2024 г.
Выставление онлайн: 28 ноября 2024 г.
Методом температурного градиента при высоком давлении и температуре (TG-HPHT) выращены три монокристалла алмаза из ростовых сред Co-Fe-C-N и Ni-Fe-C-N с концентрацией атомов замещения азота (C-центров) в диапазоне (0.7-1.35)· 1020 см-3. Из двух из них изготовлены образцы для исследования электрических свойств методом эффекта Холла в геометрии Ван дер Пау. Исследованы зависимости удельного сопротивления и коэффициента Холла от температуры, посредством чего рассчитаны температурные зависимости концентрации свободных электронов и их холловской подвижности. Для образца с концентрацией C-центров ~ 1020 см-3 исследована температурная зависимость электропроводимости. При T>650 K наблюдаются линейные участки зависимостей ln(σ) от обратной температуры 1/T, на основании которых определены энергии активации проводимости 1.5-1.64 эВ, более высокие, чем у исследованных ранее образцов с меньшей концентрацией азота, выращенных таким же методом. В образцах c концентрацией C-центров 0.7·1020 и 1.35· 1020 см-3 зависимости ln(n) от 1/T линейны во всем исследованном температурном диапазоне, на их основании рассчитаны значения энергии ионизации доноров 1.32, 1.53 эВ и коэффициенты компенсации, равные k=25 и 45%, что значительно превышает величины для алмазов с меньшей концентрацией азота, исследованных ранее. Сделано предположение, что акцепторами являются атомы железа, комплексы атомов железа и азота в позиции замещения, комплексы атомов железа с вакансиями, как предсказано теоретически, а также аналогичные примесные центры на основе атомов никеля и кобальта. Ключевые слова: полупроводниковый алмаз n-типа, легирование азотом, электрическое сопротивление, холловская подвижность свободных электронов, энергия ионизации доноров, энергия активации проводимости.
- R.G. Farrer. Solid State Commun., 7, 685 (1969)
- F.J. Heremans, G.D. Fuchs, C.F. Wang, R. Hanson, D.D. Awschalom. Appl. Phys. Lett., 94, 15 2102 (2009)
- S.G. Buga, G.M. Kvashnin, M.S. Kuznetsov, N.V. Kornilov, N.V. Luparev, D.D. Prikhodko, S.A. TerentiеВ, V.D. Blank. Appl. Phys. Lett., 124, 102107 (2024)
- H.B. Dyer, F.A. Raal, L. Du Preez, J.H.N. Loubser. Phil. Mag., 11, 763 (1965)
- M. Kubovic, H. El-Hajj, J.E. Butler, E. Kohn. Diamond. Relat. Mater., 16 1033 (2007)
- T. Matsumoto, T. Mukose, T. Makino. Diamond. Relat. Mater., 75, 152 (2017)
- T. Matsumoto, T. Yamakawa, H. Kato, T. Makino, M. Ogura, X. Zhang, T. Inokuma, S. Yamasaki, N. Tokuda. Appl. Phys. Lett., 119, 242105 (2021)
- M.A. Lobaev, D.B. Radishev, S.A. Bogdanov, A.L. Vikharev, A.M. Gorbachev, V.A. Isaev, S.A. Kraev, A.I. Okhapkin, E.A. Arhipova, M.N. Drozdov, V.I. Shashkin. Phys. Status Solidi RRL, 17, 2000347 (2020)
- С.Г. Буга, Н.В. Корнилов, М.С. Кузнецов, Н.В. Лупарев, Д.Д. Приходько, С.А. Тарелкин, Т.Е. Дроздова, В.Д. Бланк. Письма ЖТФ, 50 (5), 39 (2024)
- S. Salvatori, S. Pettinato, M. Girolami, D.M. Trucchi, M.C. Rossi. IEEE Trans. Electron Dev., 70 (5), 2330 (2023)
- I. Stenger, M.-A. Pinault-Thaury, T. Kociniewski, A. Lusson, E. Chikoidze, F. Jomard, Y. Dumont, J. Chevallier, J. Barjon. J. Appl. Phys., 114, 073711 (2013)
- E.A. Ekimov, V.A. Sidorov, E.D. Bauer, N.N. Mel'nik, N.J. Curro, J.D. Thompson, S.M. Stishov. Nature, 428, 542 (2004)
- Y. Takano. J. Phys.: Condens. Matter., 21, 253201 (2009)
- Y. Ma, J.S. Tse, T. Cui, D.D. Klug, L. Zhang, Y. Xie, Y. Niu, G. Zou. Phys. Rev. B, 72, 014306 (2005)
- E. Bustarret. Physica C: Superconductivity and its Applications (Elsevier, 2015) v. 514
- F.J.R. Costa, J.S. de Almeida. J. Appl. Phys., 129, 043903 (2021)
- J. Barzola-Quiquia, M. Stiller, P.D. Esquinazi, A. Molle, R. Wunderlich, S. Pezzagna, J. Meijer, W. Kossack, S. Buga. Sci. Rep., 9, 8743 (2019)
- A. Setzer, P.D. Esquinazi, O. Daikos, T. Scherzer, A. Poppl, R. Staacke, T. Luhmann, S. Pezzagna, W. Knolle, S. Buga, B. Abel, J. Meijer. Phys. Status Solidi B, 258, 2100395 (2021)
- S.G. Buga, V.A. Kulbachinskiy, G.M. Kvashnin, M.S. Kuznetsov, S.A. Nosukhin, E.A. Konstantinov, V.V. Belov, D.D. Prikhodko. Diamond. Relat. Mater., 142, 110759 (2024)
- Y.N. Palyanov, I.N. Kupriyanov, A. F. Khokhryakov, V.G. Ralchenko. Chap. 17, Crystal growth of diamond, in Handbook of Crystal Growth, ed. by P. Rudolph (Elsevier Science Ltd, 2015). ISBN 978-0-444-63303-3
- B. Gelmont, M.S. Shur. J. Appl. Phys., 78, 2846 (1995)
- Power Electronics Device Applications of Diamond Semiconductors. Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, ed. by S. Koizumi et al. (Woodhead Publishing, 2018) p. 178
- N. Donato, N. Rouger, J. Pernot, G. Long. J. Phys. D: Appl. Phys., 53, 093001 (2020)
- M.D. Alshahrani, J.P. Goss, P.R. Briddon, M.J. Rayson, C.V. Peaker. Diamond. Relat. Mater., 148, 111332 (2024)
- Y. Borzdov, Y. Pal'yanov, I. Kupriyanov, V. Gusev, A. Khokhryakov, A. Sokol, A. Efremov. Diamond. Relat. Mater., 11, 1863 (2002)
- Y.N. Palyanov, Y.M. Borzdov, A.F. Khokhryakov, I.N. Kupriyanov, A.G. Sokol. Cryst. Growth Des., 10, 3169 (2010)
- С.Г. Буга, Г.М. Квашнин, М.С. Кузнецов, Н.В. Корнилов, Н.В. Лупарев, М. Яо. ФТП, 57 (5), 370 (2023)
- M.N.R. Ashfold, J.P. Goss, B.L. Green, P.W. May, M.E. Newton, C.V. Peaker. Chem. Rev., 120, 5745 (2020)
- U.F.S. D'Haenens-Johansson. J.E. Butler, A.N. Katrusha. Rev. Mineral. Geochem., 88, 689 (2022)
- A.M. Zaitsev. Optical properties of diamond: a data handbook (Springer, Berlin-N. Y., 2001)
- M. Katagiri, J. Isoya, S. Koizumi, H. Kanda. Appl. Phys. Lett., 85, 6365 (2004).http://dx.doi.org/10.1063/1.1840119
- H. Kato, M. Ogura, T. Makino, D. Takeuchi, S. Yamasaki. Appl. Phys. Lett., 109, 2102 (2016)
- I. Stenger, M.-A. Pinault-Thaury, N. Temahuki, R. Gillet, S. Temgoua, H. Bensalah, E. Chikoidze, Y. Dumont, J. Barjon. J. Appl. Phys., 129, 105701 (2021)
- J.S. Blakemore, in Semiconductor Statistics, ed. by H.K. Henisch (Pergamon Press, 1962)
- N. Naka, K. Fukai, Y. Handa, I. Akimoto. Phys. Rev. B, 88, 035205 (2013)
- R. Jones, P. Goss, P. R. Briddon. Phys. Rev. B, 80, 033205 (2009)
- A. Platonenko, W.C. Mackrodt, R. Dovesi. Materials, 16, 1979 (2023)
- R. Ulbricht, S.T. van der Post, J.P. Goss, P.R. Briddon, R. Jones, R.U.A. Khan, M. Bonn. Phys. Rev. B, 84, 165202 (2011)
- A.T. Collins, Diamond. Relat. Mater., 9, 417 (2000)
- A. Elisseyev, H. Kanda. New Diamond. Front. Carbon Technol., 17 (3), 127 (2007).
Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.
Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.