Photonics RussiaPhotonics RussiaФотоника1993-72962686-844XTechnosphera JSC69855110.22184/1993-7296.FRos.2025.19.7.578.586Materials and CoatingsМатериалы и покрытияResearch ArticleDiamond UV detector with graphite electrodes formed by laser ablationУФ-детектор на алмазе с графитовыми электродами, сформированными лазерной абляциейhttps://orcid.org/0000-0002-2213-4224RalchenkoViktor G.РальченкоВиктор Григорьевич
Russian Federation

Cand.of Sc.(Phys.&Math.), Head of the Diamond Materials Laboratory, Natural Sciences Center

к. ф.- м. н., зав. лабораторией алмазных материалов Центра естественно-научных исследований (ЦЕНИ)

vg_ralchenko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9257-804XPashininVladimir P.ПашининВладимир Павлович
Russian Federation

Researcher, Surface Laser Optics Laboratory, Natural Sciences Center

научн. сотр., лаборатория лазерной оптики поверхности ЦЕНИ

vppashinin@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1389-5697PopovichAlexey F.ПоповичАлексей Федорович
Russian Federation

Engineer, Senior Engineer, Diamond Materials Laboratory, Natural Sciences Center

инженер, лаборатория алмазных материалов ЦЕНИ

lex78@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9190-5766BolshakovAndrey P.БольшаковАндрей Петрович
Russian Federation

Cand.of Sc.(Phys.&Math.), Senior Researcher, Diamond Materials Laboratory, Natural Sciences Center

к. ф.- м. н., с. н. с., лаборатория алмазных материалов ЦЕНИ

bolshak3@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3196-5695MartyanovArtem K.МартьяновАртем Константинович
Russian Federation

Cand.of Sc.(Phys.&Math.), Senior Researcher, Diamond Materials Laboratory, Natural Sciences Center

к. ф.- м. н., с. н. с., лаборатория алмазных материалов ЦЕНИ

art.martyanov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3144-714XZakharchenkoKirill V.ЗахарченкоКирилл Викторович
Russian Federation

Cand.of Sc.(Phys.&Math.), Researcher, Diamond Materials Laboratory, Natural Sciences Center, Associate Professor, Department of Physics

к. ф.- м. н., н. с., лаборатория алмазных материалов ЦЕНИ, доцент кафедры физики

nanophys@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1135-5566KonovVitaly I.КоновВиталий Иванович
Russian Federation

Dr.of Sc.(Phys.&Math.), acad. RAS, Head of the Natural Sciences Center

д. ф.- м. н., акад. РАН, руководитель Центра естественно-научных исследований (ЦЕНИ)

vik@nsc.gpi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1170-4084DaiBingДайБин
China

Cand.of Sc.(Phys.&Math.), Assistant Prof.

к. ф.- м. н., доцент

daibinghit@vip.126.comProkhorov General Physics Institute of the RASИнститут общей физики им. А. М. Прохорова РАНHarbin Institute of TechnologyХарбинский технологический институтKotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics of the RASИнститут радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАНMoscow State Technical University of Civil AviationМосковский государственный технический университет гражданской авиации1512202519757858612122025Copyright ©; 2025, Ralchenko V.G., Pashinin V.P., Popovich A.F., Bolshakov A.P., Martyanov A.K., Zakharchenko K.V., Konov V.I., Dai B.Copyright ©; 2025, Ральченко В.Г., Пашинин В.П., Попович А.Ф., Большаков А.П., Мартьянов А.К., Захарченко К.В., Конов В.И., Дай Б.2025Ralchenko V.G., Pashinin V.P., Popovich A.F., Bolshakov A.P., Martyanov A.K., Zakharchenko K.V., Konov V.I., Dai B.Ральченко В.Г., Пашинин В.П., Попович А.Ф., Большаков А.П., Мартьянов А.К., Захарченко К.В., Конов В.И., Дай Б.https://journals.eco-vector.com/1993-7296/article/view/698551

A Diamond being a wide-bandgap radiation-hard semiconductor, is rather promising for the development of UV detectors, including the solar-blind ones. A version of an all-carbon UV detector has been implemented on a single-crystal CVD diamond wafer with the interdigital electrodes consisting of a system of shallow (near-surface) and deep graphitized grooves produced by laser ablation without any lithography. Simulation of the electric field distribution in the detector has demonstrated the advantage of using buried electrodes that provide a more uniform field distribution within the crystal. The photosensitivity spectra exhibit a sharp peak at 220 nm, with the buried electrodes providing a 75% higher response amplitude (14 A/W).

Алмаз, широкозонный радиационно-стойкий полупроводник, перспективен для создания детекторов УФ излучения, в том числе «солнечно-слепых». Реализован вариант полностью углеродного УФ-детектора на монокристальной пластине CVD алмаза со встречно-штыревыми электродами в виде системы мелких (приповерхностных) и глубоких графитизированных канавок, полученных лазерной абляцией без применения литографии. Моделирование распределения электрического поля в детекторе показало преимущество использования заглубленных электродов, которые обеспечивают более однородное распределение поля в кристалле. Спектры фоточувствительности демонстрируют острый максимум в области длин волн 220 нм, причем для заглубленных электродов амплитуда отклика на 75% выше (14 А / Вт).

diamondUV detectorlaser ablationgraphitizationалмазУФ-детекторлазерная абляцияграфитизацияThis paper has been supported by the Russian Science Foundation, grant No. 23-42-00120 and the National Natural Science Foundation of China, grant No. 52261135545Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-42-00120 и Национального Фонда естественных наук КНР, грант № 52261135545Shimaoka T., Koizumi S., Kaneko J. H. Recent progress in diamond radiation detectors. Functional Diamond. 2022; 1(1): 205–20. DOI: 10.1080/26941112.2021.2017758.Angelone M., Verona C. Properties of Diamond-Based Neutron Detectors Operated in Harsh Environments. Journal of Nuclear Engineering. 2021; 2(4): 422–70. DOI: 10.3390/jne2040032.Krasilnikov A.V., Rodionov N. B., Bol’shakov A.P., Ral’chenko V.G., Vartapetov S. K., Sizov Y. E., Meshchaninov S. A., Trapeznikov A. G., Rodionova V. P., Amosov V. N. CVD-synthesis of detector quality diamond for radiation hardness detectors of ionizing radiation. ZhurnalTekhnicheskoiFiziki. 2022; 92(4): 596–603.Girolami M., Allegrini P., Conte G., Trucchi D. M., Ralchenko V. G., Salvatori S. Diamond Detectors for UV and X-Ray Source Imaging. IEEE Electron Device Letters. 2012; 33(2): 224–6. DOI: 10.1109/LED.2011.2176907.di Franco F., Rosuel N., Gallin-Martel L., Gallin-Martel M.-L., Ghafooryan-Sangchooli M., Keshmiri S., Motte J.-F., Muraz J.-F., Pellicioli P., Ruat M., Serduc R., Verry C., Dauvergne D., Adam J.-F. Monocrystalline diamond detector for online monitoring during synchrotron microbeam radiotherapy. J. Synchrotron Rad. 2023; 30(6): 1076–85. DOI: 10.1107/S160057752300752X.Salvatori S., Girolami M., Oliva P., Conte G., Bolshakov A., Ralchenko V., Konov V. Diamond device architectures for UV laser monitoring. Laser Phys. 2016; 26(8): 084005. DOI: 10.1088/1054-660X/26/8/084005.Fei H., Sang D., Zou L., Ge S., Yao Y., Fan J., Wang C., Wang Q. Research progress of optoelectronic devices based on diamond materials. Front Phys. 2023; 11. DOI: 10.3389/fphy.2023.1226374.Lin C., Lu Y., Yang X., Tian Y., Gao C., Sun J., Dong L., Zhong F., Hu W., Shan C. Diamond-Based All-Carbon Photodetectors for Solar-Blind Imaging. Advanced Optical Materials. 2018; 6(15): 1800068. DOI: 10.1002/adom.201800068.Mildren R., Rabeau J. Optical engineering of diamond. – John Wiley & Sons; 2013.Ralchenko V.G., Savel’ev A.V., Konov V. I., Mazzeo G., Spaziani F., Conte G., Polyakov V. I. Polycrystalline diamond film UV detectors for excimer lasers. Quantum Electron. 2006; 36(6): 487–8. DOI: 10.1070/QE2006v036n06ABEH013211.Liao M., Sang L., Teraji T., Imura M., Alvarez J., Koide Y. Comprehensive Investigation of Single Crystal Diamond Deep-Ultraviolet Detectors. Jpn J. Appl. Phys. 2012; 51(9R): 090115. DOI: 10.1143/JJAP.51.090115.Lin C., Lu Y., Tian Y., Gao C., Fan M., Yang X., Dong L., Shan C. Diamond based photodetectors for solar-blind communication. Opt Express. 2019; 27(21): 29962–71. DOI: 10.1364/OE.27.029962.Li F.N., Bao H. W., Li Y., Ma F., Wang H. X. Laser induced diamond/graphite structure for all-carbon deep-ultraviolet photodetector. Applied Surface Science. 2023; 636: 157818. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.157818.Olivero P., Forneris J., Jakšić M., Pastuović Ž., Picollo F., Skukan N., Vittone E. Focused ion beam fabrication and IBIC characterization of a diamond detector with buried electrodes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2011; 269(20): 2340–4. DOI: 10.1016/j.nimb.2011.02.021.Jiang M., Jia Z., Qiu M., Chen X., Cai J., Yang M., Shen Y., Liu C., Chee K. W. A., Jiang N., Nishimura K., Li Q., Yuan Q., Li H. A High-Performance All-Carbon Diamond Pixel Solar-Blind Detector with In Situ Converted Graphene Electrodes. Materials. 2025; 18(6): 1222. DOI: 10.3390/ma18061222.Komlenok M., Bolshakov A., Ralchenko V., Konov V., Conte G., Girolami M., Oliva P., Salvatori S. Diamond detectors with laser induced surface graphite electrodes. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2016; 837: 136–42. DOI: 10.1016/j.nima.2016.09.019.Yurov V., Bushuev E., Bolshakov A., Ashkinazi E., Antonova I., Zavedeev E., Khomich A., Voronov V., Ralchenko V. Etching Kinetics of (100) Single Crystal Diamond Surfaces in a Hydrogen Microwave Plasma, Studied with In Situ Low-Coherence Interferometry. Physica Status Solidi (a). 2017; 214(11): 1700177. DOI: 10.1002/pssa.201700177.Forneris J., Lo Giudice A., Olivero P., Picollo F., Re A., Marinelli M., Pompili F., Verona C., Verona Rinati G., Benetti M., Cannata D., Di Pietrantonio F. A 3-dimensional interdigitated electrode geometry for the enhancement of charge collection efficiency in diamond detectors. Europhysics Letters. 2014; 108(1): 18001. DOI: 10.1209/0295-5075/108/18001.Liu K., Dai B., Ralchenko V., Xia Y., Quan B., Zhao J., Shu G., Sun M., Gao G., Yang L., Lei P., Han J., Zhu J. Single crystal diamond UV detector with a groove-shaped electrode structure and enhanced sensitivity. Sensors and Actuators A: Physical. 2017; 259: 121–6. DOI: 10.1016/j.sna.2017.01.027.Kononenko T., Ralchenko V., Bolshakov A., Konov V., Allegrini P., Pacilli M., Conte G., Spiriti E. All-carbon detector with buried graphite pillars in CVD diamond. Appl Phys A. 2014; 114(2): 297–300. DOI: 10.1007/s00339-013-8091-7.Bloomer C., Newton M. E., Rehm G., Salter P. S. A single-crystal diamond X-ray pixel detector with embedded graphitic electrodes. J. Synchrotron Rad. 2020; 27(3): 599–607. DOI: 10.1107/S160057752000140X.Komlenok M.S., Tikhodeev S. G., Khomich A. A., Lebedev S. P., Komandin G. A., Konov V. I. Optical properties of laser-modified diamond: From visible to microwave range. Quantum Electron. 2019; 49(7): 672–5. DOI: 10.1070/QEL16930.Liu Z., Ao J.-P., Li F., Wang W., Wang J., Zhang J., Wang H.-X. Fabrication of three dimensional diamond ultraviolet photodetector through down-top method. Appl Phys Lett. 2016; 109(15): 153507. DOI: 10.1063/1.4965027.