作者：
       N. B. Rodionov, V. N. Amosov, S. A. Meshchaninov, and A. F. Pal
摘要：
       利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)人造金剛石制備光電池，鍍硼P型金剛石為襯底，50mkm厚的CVD IIa型金剛石薄膜沉積在襯底上。
       實(shí)驗(yàn)采用半透明入口接觸件技術(shù)；測量寬帶隙金剛石光電池的I-V特性。針對紫外光照射，普通接觸件和半透明接觸件的I-V進(jìn)行對比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示alpha、X光和紫外光照射的轉(zhuǎn)換效率在5÷7%范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：
       鍍硼金剛石,CVD金剛石,金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu),光電池,半透明接觸件
1、引言
       目前，長時間運(yùn)轉(zhuǎn)的緊湊型自主式發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域仍為空缺。與光電池轉(zhuǎn)換光子能為電流技術(shù)相關(guān)的紫外光源和放射性同位素則是比較有前景的電力來源。
       研究者已經(jīng)試驗(yàn)了一系列紫外光和放射性衰變能量轉(zhuǎn)換的方法。在自動氣象站、衛(wèi)星和燈塔等需要數(shù)百瓦功率的應(yīng)用設(shè)備中，通常使用放射性同位素?zé)犭娛桨l(fā)電機(jī)（RTGs）。
       鍶-90和釙-238是RTGs的主要熱量來源，而隨著鍍附人造金剛石等寬帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā)明問世，核能源性能便得到了極大的改善；其中，利用金剛石的光生伏特效應(yīng)可以將輻射能轉(zhuǎn)化為電流，核心技術(shù)是包含內(nèi)建電場的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
       人造金剛石設(shè)備的優(yōu)勢主要是輻射硬度高、耐操作溫度高（150℃）、熱導(dǎo)率高、化學(xué)惰性好。利用其優(yōu)越的特性可以制備出簡潔緊湊的電源設(shè)備并工作數(shù)十年。
       文獻(xiàn)[7]對不同輻射類型的金剛石探測器的靈敏性進(jìn)行研究，并得到I-V特性；這些特性具有類二極管形狀并帶有清晰的1.6伏光伏轉(zhuǎn)換。該效應(yīng)是由于硼襯底和CVD金剛石沉積薄膜之間的界面所致。純金剛石表面的每個界面產(chǎn)生接觸電壓，而較高的電荷遷移則保證了電荷收集過程中較低的損耗。據(jù)此，可以將其應(yīng)用在不同類型的光伏轉(zhuǎn)換器上。
       本實(shí)驗(yàn)旨在制備一種人造金剛石光伏轉(zhuǎn)換器，利用p-i結(jié)構(gòu)的薄膜做轉(zhuǎn)換器并測量其光伏特性。通過制備半透明接觸片，保證短波輻射有效進(jìn)入轉(zhuǎn)換器。
2、問題探討
       光電池用p-i結(jié)構(gòu)是一種沉積有CVD金剛石薄膜的襯底。該襯底為鍍硼HTHP IIb型金剛石襯底，具有良好的空穴導(dǎo)電性，襯底尺寸為4×4×0.5mm3，氮濃度低于1ppm，硼濃度低于100ppm。襯底上沉積出50mkm的IIa型CVD金剛石薄膜。在CVD金剛石的外表面沉積出半透明金屬觸點(diǎn)，在襯底底側(cè)沉積出普通金屬觸點(diǎn)。圖1為p-i結(jié)構(gòu)光伏轉(zhuǎn)換器示意圖。剪頭為入射輻射的方向。光電池的工作容積為一層IIa型金剛石層，和襯底相鄰。

圖一：p-i結(jié)構(gòu)的光電池———p型HTHP金剛石襯底，沉積層為50mkm的IIa型CVD金剛石薄膜 

3、P-I結(jié)構(gòu)的制備
A、襯底的制備
       在RD-G WEBB-117真空高溫爐中對HTHP金剛石晶體做退火處理，并對真空退火影響HTHP金剛石電導(dǎo)性與否做了研究。襯底參數(shù)主要是UV輻射和IR輻射下的吸收光譜和室溫下襯底的電導(dǎo)率。在10000℃~16000℃范圍內(nèi)（增量為1000℃）對吸收光譜和電導(dǎo)率進(jìn)行測量；并對陰極發(fā)光強(qiáng)度和X射線發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)對Br40和Br03兩種晶體試樣特性進(jìn)行研究。陰極發(fā)光強(qiáng)度和X射線發(fā)光強(qiáng)度隨退火溫度升高而減弱，這說明退火降低了晶體缺陷的濃度。由于退火引起晶體表面發(fā)生局部石墨化，所以在退火后要對試樣進(jìn)行化學(xué)清洗。
       利用較大電壓（不接近0伏）的I-V曲線的切線求得晶體電阻；在1100℃~1500℃范圍內(nèi)無輻射條件下利用靜電計求得I-Vs。在1300℃下退火后Br03試樣的電阻出現(xiàn)顯著變化，隨著后續(xù)退火處理，電阻變化逐漸降低了10倍。Br40試樣的電阻在整個退火過程中都單調(diào)遞減，最終達(dá)到50ohms，比初始值降低了2.3倍。
B、CVD金剛石的沉積
       襯底在退火處理并獲得良好導(dǎo)電性后開始制備p-i結(jié)構(gòu)：在襯底上沉積出50微米厚的高純IIa型CVD金剛石同質(zhì)外延薄層，襯底背面沉積出30nm厚的硬金電觸點(diǎn)，在CVD薄膜正面沉積出3毫米寬的半透明觸片，有20微米寬的接觸條組成，間隔為50微米。鍍硼外延金剛石薄膜的沉積要求襯底的初始表面必須良好。利用電子顯微鏡對襯底進(jìn)行掃描，得到的陰極發(fā)光類型圖表明試樣中存在缺陷增多區(qū)，這和襯底的帶狀不均質(zhì)性相一致，并呈明亮的正十字形。這種結(jié)構(gòu)降低了同質(zhì)外延薄膜的質(zhì)量性能，且薄膜的不完全晶體結(jié)構(gòu)也降低了電離輻射轉(zhuǎn)化電流的效率。
C、光電池的制備
       實(shí)驗(yàn)利用DESK V磁控管在金剛石晶體上沉積出UV半透明硬金觸點(diǎn)。首先在晶體上沉積出一層連續(xù)金屬層，然后在晶體表面鋪設(shè)一層特殊的面罩。將帶有面罩的晶體放置在離子清洗裝置中，未被面罩覆蓋的金屬層部分就離子束去除掉。圖2為原子力顯微鏡（AFM）觀測到的半透明硬金觸點(diǎn)輪廓。
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