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André F. Sartori

• This thesis focusses on synthesis of boron-doped, heteroepitaxial diamond grown on Ir/YSZ/Si(001). Gas phase processes during Chemical Vapour Deposition (CVD) was investigated by Optical Emission Spectroscopy (OES), in order to monitor and control B-doping of diamond, and to understand mutual interaction with other gas species, such as O and N. In particular, the effect of B on the growth rate enhancement by N was studied, and it was found that growth rate threshold between standard and accelerated growth corresponds to an incorporated N/B ratio close to unity. The influence of B incorporation in diamond films with high dislocation densities was investigated. It was demonstrated that, for the correct estimation of B incorporation by CL and XRD, a biaxial stress component must be separated from the hydrostatic stress component caused by the B incorporation-induced lattice expansion. The identification of dislocations by selective etching was studied. Etch-pit formation was found toThis thesis focusses on synthesis of boron-doped, heteroepitaxial diamond grown on Ir/YSZ/Si(001). Gas phase processes during Chemical Vapour Deposition (CVD) was investigated by Optical Emission Spectroscopy (OES), in order to monitor and control B-doping of diamond, and to understand mutual interaction with other gas species, such as O and N. In particular, the effect of B on the growth rate enhancement by N was studied, and it was found that growth rate threshold between standard and accelerated growth corresponds to an incorporated N/B ratio close to unity. The influence of B incorporation in diamond films with high dislocation densities was investigated. It was demonstrated that, for the correct estimation of B incorporation by CL and XRD, a biaxial stress component must be separated from the hydrostatic stress component caused by the B incorporation-induced lattice expansion. The identification of dislocations by selective etching was studied. Etch-pit formation was found to depend substantially on process parameters. The shape of the etch-pits was explained in terms of crystallographic planes and off-axis direction. It was demonstrated that the inner facets of the etch-pits switch from lower to higher index planes with increasing temperature or with decreasing pressure. Combined TEM and EELS analysis have shown that dislocations in heavily B-doped diamond tilt towards [001] and are enriched with B. Furthermore, B in the dislocations are embedded tetrahedrally and also in lower coordination. Heteroepitaxial B-doped diamond films were investigated for the first time as electrodes for electrochemical applications. It was demonstrated that they present much improved merits compared with polycrystalline diamond, showing wide potential window of 3.3 V, lower background current, resistance to fouling by polar adsorbates and much higher electrochemical homogeneity across the surface. The results are comparable with high-quality B-doped diamond single crystal electrodes. Heteroepitaxial diamond was for the first time applied as Schottky barrier diodes for high-power applications, showing very high rectification ratio of 10 orders of magnitude and very low on-state resistance for Ni-diamond junctions. The measured performance in forward bias approached that of state-of-the-art devices built with high-quality homoepitaxial crystals. Reverse blocking voltages of 600-700 V was demonstrated with heteroepitaxial diamond for the first time using Ir as a Schottky contact. The work presented in this thesis contributes with a humble step towards one of mankind’s biggest goals: the need to produce clean and renewable energy and to use it in an efficient manner.…
• Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von bordotiertem, heteroepitaktisch auf Ir/YSZ/Si(001)-Substraten gewachsenem Diamant. Gasphasenprozesse während der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wurden mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) studiert, um die Bordotierung des Diamant zu überwachen und zu regeln. Darüber hinaus sollte mit Hilfe der OES-Studien ein tieferes Verständnis der Wechselwirkung von Bor mit anderen Gasspezies, wie Sauerstoff und Stickstoff, gewonnen werden. Bei diesen Experimenten wurde insbesondere der Effekt von Bor auf die Wachstumsratenerhöhung durch Stickstoffzugabe untersucht, und es wurde festgestellt, dass der Schwellwert für die Wachstumsrate zwischen normalem und beschleunigtem Wachstum bei einem Konzentrationsverhältnis N/B für eingebauten Stickstoff bzw. Bor von ca. 1 liegt. Der Boreinbau in Diamantfilme mit hohen Versetzungsdichten wurde untersucht. Es wurde gezeigt, dass in der Regel eine biaxiale Stresskomponente vomDie vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von bordotiertem, heteroepitaktisch auf Ir/YSZ/Si(001)-Substraten gewachsenem Diamant. Gasphasenprozesse während der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wurden mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) studiert, um die Bordotierung des Diamant zu überwachen und zu regeln. Darüber hinaus sollte mit Hilfe der OES-Studien ein tieferes Verständnis der Wechselwirkung von Bor mit anderen Gasspezies, wie Sauerstoff und Stickstoff, gewonnen werden. Bei diesen Experimenten wurde insbesondere der Effekt von Bor auf die Wachstumsratenerhöhung durch Stickstoffzugabe untersucht, und es wurde festgestellt, dass der Schwellwert für die Wachstumsrate zwischen normalem und beschleunigtem Wachstum bei einem Konzentrationsverhältnis N/B für eingebauten Stickstoff bzw. Bor von ca. 1 liegt. Der Boreinbau in Diamantfilme mit hohen Versetzungsdichten wurde untersucht. Es wurde gezeigt, dass in der Regel eine biaxiale Stresskomponente vom gemessenen Gesamtstress abgezogen werden muss, um so die durch den Boreinbau induzierte hydrostatische Stresskomponente zu erhalten, die es dann erlaubt, eine korrekte Bestimmung des Boreinbaus mittels CL und XRD durchführen. Die Identifikation von Versetzungen durch präferentielles Ätzen wurde untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Ätzlochbildung erheblich von den Prozessparametern abhängig ist. Die Form der Ätzlöcher wurde geometrisch durch die Orientierung der zugehörigen kristallographischen Ebenen und der off-axis Richtung erklärt. Es wurde gezeigt, dass die inneren Facetten der Ätzlöcher mit steigender Temperatur oder sinkendem Druck von niedriger- zu höherindizierten Ebenen wechseln. Kombinierte TEM und EELS Analysen haben gezeigt, dass Versetzungen in stark bordotiertem Diamant vorzugsweise nahe der kristallographischen [001] Richtung verlaufen und eine Anreicherung von Bor aufweisen. Darüber hinaus wird das Bor in den Versetzungen tetraedrisch und in niedrigerer Koordination eingebaut. Heteroepitaktische bordotierte Diamantfilme wurden zum ersten Mal als Elektroden für elektrochemische Anwendungen untersucht. Es wurde gezeigt, dass sie wesentlich bessere Eigenschaften als polykristalliner Diamant aufweisen. Im einzelnen gehören dazu ein breiteres Potentialfenster von 3,3 V, ein niedrigerer Hintergrundstrom, ein höherer Widerstand gegenüber Fouling durch polare Adsorbate und eine wesentlich höhere elektrochemische Homogenität über die Oberfläche. Die gewonnenen Ergebnisse sind vergleichbar mit denen von hochqualitativen bordotierten single-crystal Diamantelektroden. Heteroepitaktischer Diamant wurde erstmals auch als Schottky-Diode für Hochleistungs-anwendungen eingesetzt und weist dabei ein sehr hohes Gleichrichtungsverhältnis von zehn Größenordnungen und einen sehr niedrigen on-state Widerstand für Nickel-Diamant Übergänge auf. Die gemessene Leistung in Durchlassrichtung kommt an die eines state-of-the-art Bauteils gebildet aus hochqualitativen homoepitaktischen Kristallen heran. Sperrspannungen von 600 – 700 V wurden zum ersten Mal mit heteroepitaktischem Diamant unter Verwendung von Ir als Schottky-Kontakt demonstriert. Diese Arbeit leistet einen bescheidenen Beitrag zu einem der größten Ziele der Menschheit: Saubere und erneuerbare Energie zu produzieren und diese auf effiziente Weise zu nutzen.…