БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Выпускная работа по
«Основам информационных технологий»
Магистрантка кафедры физики полупроводников и наноэлектроники
Ермакова Анна
Руководитель:
доцент Горбачук Николай Иванович
доцент Кожич Павел Павлович
Минск – 2010 г.
Оглавление
Оглавление. 2
Список обозначений ко всей выпускной работе. 3
Реферат на тему «Применение ИТ в исследовании фотопроводимости алзазных детекторов УФ-излучения». 4
Введение. 4
Глава 1. Обзор литературы. 6
Глава 2. Методика исследования. 15
2.1 Создание исследуемых структур
. 15
2.2 Методика измерений. 16
2.3 Программы для измерений и обработки результатов.
2.3.1
KSWU..
2.3.2 Origin
.
Глава 3. Основные результаты. 17
Глава 4. Обсуждение результатов. 18
Заключение. 18
Список литературы к реферату. 19
Предметный указатель к реферату. 20
Интернет ресурсы в предметной области исследования. 21
Действующий личный сайт в WWW (гиперссылка). 22
Граф научных интересов (образец приведен ниже). 23
Презентация магистерской (кандидатской) диссертации. (не менее15 слайдов, гиперссылка в электронном варианте, черно-белые выдачи по 6-9 слайдов на листе на бумажном носителе, помещаются в приложение). 24
Список литературы к выпускной работе. 25
Приложения. 26
Список обозначений ко всей выпускной работе
НРНТ алмаз – синтетический алмаз, выращенный при высоких давлении и температуре (high pressure high temperature);
CVD алмазная пленка – алмазная пленка, выращенная в процессе химического газофазного осаждения (chemical vapor deposition);
MSM – структура типа металл-полупроводник-металл (metal-semiconductor-metal);
ВАХ – вольт-амперная характеристика;
УФ – ультрафиолетовый;
ИК – инфракрасный;
ИТ – информационные технологии;
ТБО – термобарическая обработка;
ШП – широкозонные полупроводники;
ВШСК – встречно-штырьевая система контактов;
ИИ – ионная имплантация.
Реферат на тему «Применение ИТ в исследовании фотопроводимости алзазных детекторов УФ-излучения»
Введение
Детектирование ультрафиолетового излучения всегда являлось важной задачей. В современном мире его роль ещё больше возросла. УФ излучения имеют большое значение в следующих областях [1]
:
- медицина и биотехнология;
- экология;
- материаловедение, дефектоскопия, криминалистика, искусствоведение;
- астронавигация и ультрафиолетовая локация;
- астрономия;
- ядерная физика и энергетика.
Для решения этой задачи первоначально пытались применить оптоэлектронные вакуумные приборы, использующиеся для обнаружения оптического излучения. В настоящий момент ведущими мировыми производителя созданы УФ фотоприемные устройства. Они представляют собой фотоэлектронные умножители электронно-оптических преобразователей, микроканальные фотокатодные устройства и устройства на основе широкозонных полупроводников. Эти приемники имеют свои ограничения. Для фотоэлектронных умножителей необходим вакуум, высокое напряжение, у них большие габариты и вес. Что касается микроканальных фотокатодных устройств, то это вакуум, нестабильность коэффициента умножения и чувствительности, искажение изображения. [2]
Твердотельные приемники на основе широкозонных полупроводников создаются из различных материалов: кремний, GaP, нитриды, природный алмаз.
Алмазные фотоприемники УФ излучения обладают преимуществом перед своими конкурентами: узкий диапазон чувствительности (190-250 нм) и низкая чувствительность к солнечному излучению (отношение чувствительности к видимому света на 5 порядков меньше, чем к УФ излучению).
Для Республики Беларусь, в связи с наличием республиканского унитарного предприятия «Адамас БГУ» по производству синтетических алмазов, является актуальным возможность изготовления на основе имеющегося сырья создавать фотоприемники УФ излучения.
Целью данной работы является исследование фотоэлектрических характеристик приемников УФ излучения на основе синтетических алмазов производства РУП «Адамас БГУ».
Глава 1. Обзор литературы.
Ультрафиолетовое (УФ) излучение представляет собой диапазон длин волн от 100 до 400 нм. Его подразделяют на несколько типов:
- ближний УФ (NUV) – диапазон 400 нм - 300 нм (3.10 - 4.13 эВ);
- средний УФ (MUV) – диапазон 300 нм - 200 нм (4.13 - 6.20 эВ);
- дальний УФ (FUV) ‑.диапазон 200 нм - 122 нм (6.20 - 10.2 эВ);
- экстремальный УФ (EUV, XUV) – диапазон 121 нм - 10 нм (10.2 - 124 эВ);
- вакуумный УФ (VUV) ‑ диапазон 200 нм - 10 нм (6.20 — 124 эВ).
С точки зрения биологического воздействия УФ излучение делят на УФ-A лучи (UVA, 315—400 нм), УФ-B лучи (UVB, 280—315 нм) и УФ-C лучи (UVC, 100—280 нм). УФ-С излучение практически полностью и УФ-В ‑ на 90% поглощаются атмосферой (озон, водяной пар, кислород и т.д.) [4]. Воздействие УФ излучения на живые организмы представлено на рисунке 1 [1]. Следует отметить, что негативное влияние УФ на биологические организмы приходится на УФ-В и УФ-С лучи. Таким образом, детектирование этого диапазона излучений особо актуально.
Рисунок 1 ‑ Спектр относительного воздействия различных видов УФ излучения:
1 – пигментационное; 2 – эритемное; 3 – витаминообразующее; 4 – бактерицидное;
5 – концерогенное (разрушающее ДНК).
Диапазоны УФ излучения, обладающие различными и противоположными воздействиями на живые организмы, разнесены на единицы нанометров и нередко перекрываются. Это подводит к необходимости детектировать УФ излучение селективно.
Ещё одним из примеров применимости УФ излучения может служить военный аспект этого вопроса, а именно детектирование пламени от двигателя реактивного самолета.
На рисунке 2 [3] продемонстрированы спектры излучения Солнца и горения топлива JP-4, применяемого для двигателей реактивных самолетов. Применение детекторов ультрафиолетового излучения в этом направление накладывает на них ещё одно условие: малая чувствительность к видимому излучению.
Рисунок 2 ‑ Сравнение спектральной чувствительности ФД Шоттки на структуре AlGaN (Al 56%) и p-n ФД на основе SiC с УФ-спертрами излучения Солнца и горения топлива JP-4
Для создания фотоприемников ультрафиолетового излучения, которое имеет достаточно большие энергии квантов (3,1 – 12,4 эВ) используют различные широкозонные полупроводники. К классу широкозонных полупроводников (ШП) относят такие материалы, в которых при отсутствии в них электрически активных примесей с небольшой энергией ионизации, электропроводность при комнатной температуре ничтожно мала. ШП включают в себя: Si, SiC (6H), SiC (4H), GaP, ZnS, CdS и другие.
Неоспоримыми преимуществами перед возможными приемниками УФ-излучения обладают детекторе на основе алмаза. Это объясняется тем, что для них характерна:
- возможность построения полностью «солнечно-слепого» фотоприемника – с чувствительностью в области жесткого ультрафиоетового излучения (< 0,3 мкм);
- удивительно высокая спектральная селективность фотоприемника на основе совершенных и чистых кристаллов типа IIа, для которых удается подавить чувствительность в видимой области спектра (0,4 – 0,7 мкм) более чем на три порядка по отношению к максимуму чувствительность в УФ части спектра;
- возможность управления одним из важных параметров – областью спектральной чувствительности алмаза путем простого отбора естественных кристаллов с различной концентрацией примеси (дефектов). [10]
Принцип действия фотоприемников на основе алмаза аналогичен принципу действия приборов, изготовленных из других полупроводниковых материалов. Конструкции детекторов можно разделить на два основных типа: с продольным и с поперечным дрейфом носителей заряда по отношению к направлению падающего излучения. Методы изготовления контактов могут быть различными. Для детекторов планарной системы создают на освещаемой поверхности гребенчаные системы контактов (рисунок 3), для приемников, работающих в «сэндвич»-структуре могут создаваться как гребенчатые контакты, так и сплошной полупрозрачный металлический контакт.
Рисунок 3 - Схематическое изображение детектора с гребенчатой структурой
При попадании в детектор фотонов с высокой энергией происходит ионизация атомов, в результате чего генерируются электронно-дырочные пары. Энергия, необходимая для создания электронно-дырочной пары в алмазе, составляет 13 эВ (в кремнии 3,62 эВ). Генерированные излучением носители накапливаются в объеме фоторезистора в течении времени жизни. УФ-излучение эффективно поглощается только в приповерхностном слое порядка 10 мкм. В случае фотоприемника с «сэндвич» структурой созданного на основе алмазной пластинки толщиной 200 мкм, если к нему приложить напряжение в 200 В, тогда носители будут дрейфовать в режиме насыщения дрейфовой скорости (1 ÷ 2)∙107 см/с и за время пролета (порядка 10-9
с), сопоставимого со временем жизни, достигнут противоположной стороны кристалла [10]. Насыщение скорости в алмазе происходит в электрическом поле с напряженностью выше 104
В/см и объясняется взаимодействием с оптическим фоном. Максимальное значение времени жизни носителей зарядов для природных алмазов составляет десятки наносекунд.
Под воздействием излучения происходит поляризация кристалла алмаза. Ее причиной является захват ловушками неравновесных носителей заряда, движущихся под действием электрического поля к противоположным электродам. Возникающее при этом поле объемного заряда компенсирует приложенное поле, и под действием излучения чувствительность резко падает. Эффект поляризации, как правило, проявляется в толстых слоях при использовании излучения больших энергий. Таким образом, одним из способов улучшить стабильность является толщина активной области фотоприемника, соответствующая глубине проникновения ионизирующих воздействий. Так же эффект поляризации устраняется использованием выпрямляющих контактов, способных инжектировать в алмаз носители заряда. Если выпрямляющие контакты одинаковы, то один из них будет включен в прямом направлении, а другой - в запирающем.
При включении детектора в отсутствии облучения через него протекает ток, ограниченный объемным зарядом самих инжектированных носителей. При облучении ток увеличивается, и если в кристалле возникает поляризация, то создающий поляризацию заряд на ловушках со стороны инжектирующего контакта нейтрализуется инжектированными из него носителями в течение времени жизни. Носители противоположного знака, движущиеся к запирающему слою, вытягиваются сильным электрическим полем этого слоя. Запирающий слой должен иметь большие токи утечки (не очень высокое сопротивление), так как если использовать идеальный контакт с высоким обратным сопротивлением, все внешнее напряжение будет падать на этом контакте и электрическое поле в объеме алмаза будет незначительным.
В приборах на основе алмаза может быть реализован фотовольтаический эффект, который представляет интерес для преобразования ультрафиолетового излучения в электричество [11]. Такие структуры должны содержать области встроенного электрического поля, в которых происходит разделение фотогенерированных носителей заряда. К подобным структурам относятся p-n-переход, униполярные барьерные структуры или изолирующие пленки с металлическими электродами с различной работой выхода на противоположных сторонах.
Максимум чувствительности алмазных фотоприемников обусловленный зона-зонным переходом приходится на длину волны 225 нм. Соотношение сигнал/шум для фотоприемников на основе природного алмаза постигает порядка 105
[10,12]
Одним из производителей фотоприемников ультрафиолетового излучения на основе природного алмаза типа IIa является предприятие «УралАлмазИнвест». Спектр относительной чувствительности алмазных фотодетекторов на основе природных алмазов представлен на рисунке 4. Технические характеристики выпускаемых типов детекторов: фоторезистор (ФПА-1) и фотовольтаический детектор с потенциальной ямой (ФПЯ-1) – представлены в таблице 1 [13].
Рисунок 4 – Относительная спектральная чувствительность фотодетектора на основе природного алмаза [14]
Таблица 1 – Характеристики промышленно выпускаемых фотоприемников на основе природного алмаза типа IIа [10]
| Параметры |
Тип фотоприемника |
|
| ФПА-1 |
ФПЯ-1 |
|
| Спектральный диапазон чувствительности, нм |
180-250 |
180-250 |
| Максимум спектральной чувствительности λmax
|
210 |
210 |
| Максимум спектральной примесной чувствительности λmax
|
1130 |
|
| Порог чувствительности при λmax
|
(1÷2)∙10-13
|
(1÷2)∙10-13
|
| Токовая чувствительность Si
|
0,15 |
|
| Вольтовая чувствительность SV
|
2,3∙106
|
0,15 |
| Размер фоточувствительной площадки, мм2
|
1 ÷ 10 |
1 ÷ 10 |
| Напряжение смещения/питания, В |
5 ÷ 60 |
5 ÷ 100 |
| Динамический диапазон линейности, Вт/см2
|
104
|
104
|
| Напряжение шума, В/Гц1/2
|
- |
2,5∙10-9
|
| Постоянная времени фотопроводимости, с |
250∙10-6
|
100∙10-6
|
Одним из типов синтетических алмазов являются CVD алмазы. CVD-процесс получения алмазов основан на разложении, тем или иным способом, углеводородов (как правило – метана) в смеси с водородом и последующим осаждением алмаза на нагретую подложку. Рабочая смесь диссоциирует в вакуумной камере под действием электрического разряда, СВЧ-плазмы или лазерного излучения. Возможна также диссоциация на горячей нити или в пламени газовой горелки (в этом случае используют смесь ацетилен-кислород). Продукты разложения (углеводородные радикалы и атомарный водород) диффундируют к подложке, нагретой до температуры 700–1000°С, на которую и осаждается алмаз. Рост алмаза не является эпитаксиальным, зарождение кристаллов происходит на заранее привнесенных на подложку центрах нуклеации, обычно (нано)частицах алмаза. Типичное значение давления газа в камере составляет 30–100 Торр, а скорости осаждения – 1–20 мкм/ч. В качестве подложек чаще всего используют кремний или молибден, но осаждать алмазные пленки можно и на другие материалы, стойкие к нагреву до 1000°С в присутствии атомарного водорода. Полученные пленки могут быть химически отделены от подложки и использованы далее в виде пластин. В то время как площадь поликристаллического CVD-алмаза может составлять десятки и сотни квадратных сантиметров, площадь монокристаллических пленок обычно не превышает 1 см2
, поскольку она ограничена размерами алмазной подложки. [15]
Типичный относительный спектр фоточувствительности фотоприемников УФ излучения на основе CVD алмазов представлен на рисунке 5
Рисунок 5 – Относительная спектральная чувствительность фотодетектора на CVD алмазах без дополнительной очистки поверхности и после неё[16]
Максимум чувствительности фотоприемников на основе CVD алмаза приходится на длину волны 220 нм. Дополнительная очистка поверхности алмаза приводит к снижению чувствительности фотоприемника в видимой области. Тогда превышение чувствительности в УФ-области над видимым излучением составляет 4 порядка, что на порядок меньше, чем для фотоприемников на основе природного монокристалла алмаза типа IIа.
Также для синтеза монокристаллов алмаза используют метод температурного градиента с использованием различных металлов-катализаторов. Наибольшая часть получаемых синтетических алмазов относится к типу Ib с концентрацией азота более 1019
см-3
. Добавление в катализаторы различных элементов позволяет регулировать примесной состав синтетических монокристаллов алмаза. Также легирование бором во время роста кристаллов позволяет получить алмазы типа IIb. Благодаря ряду уникальных свойств синтетический полупроводниковый алмаз является перспективным материалом для электроники. Одним из ограничений в расширении исследований и практическом применении таких алмазов является сложность его легирования. [17]
Выращиваемые монокристаллы синтетических алмазов характеризуются большой неоднородностью по концентрации азота [18]. В связи с этим, для создания на их основе фотоприемников высокого качества необходим тщательный отбор используемого сырья.
Глава 2. Методика исследования.
2.1 Создание исследуемых структур.
В качестве объектов исследования выступали синтетические монокристаллы алмаза типа Ib, выращенные методом высоких давления и температур (HPHT) на РУП «Адамас БГУ». Синтезировались монокристаллы НРНТ алмаза методом температурного градиента в беспрессовых аппаратах высокого давления типа «разрезная сфера» (БАРС) при температуре 1750-1800 К и давлении 5,4-5,5 ГПа. Некоторые образцы дополнительно подвергались термобарической обработке (ТБО) в аппаратах БАРС при температуре 2100-2200 К и давлении 6,5-6,7 ГПа в течение 4 часов. Из кристаллов вырезались пластинки. Обе их поверхности механически полировались. Толщины пластин после обработке составляли 250 ‑ 400 мкм.
На освещаемой поверхности алмазных пластин создавались встречно-штырьевые системы контактов (ВШСК), вид которых представлен на рисунке 6. На противоположной стороне – сплошной контакт. Это позволяет включать экспериментальные образцы в планарной (участвует ВШСК на освещаемой поверхности) и «сэндвич» (участвует один штырьевой контакт на освещаемой поверхности и сплошной контакт на противоположной) структурах. Для части образцов контактные области создавались методом ионной имплантации (ИИ) бора. Расстояние между штырьевыми контактами в этом случае составляло d = 110 мкм. Осуществлялась полиэнергетическая имплантация ионов бора с энергиями Е = 25-91 КэВ, суммарной дозой 2*1016
см-2
. После имплантации образцы подвергались активационному отжигу при температуре 1400 о
С в течение 30 минут в вакууме. На другой группе образцов контактные структуры создавались методом напылением металла. Штырьевые контакты в этом случае располагались на расстоянии d = 70 мкм.
Рисунок 6 – Контактная структура
Исследуемые образцы:
SDB-1 и
SDB-2
Алмазные пластины для этих фотоприемников вырезаны из одного кристалла синтетического HPHT алмаза типа Ib. На их примере можно исследовать распределение фотоэлектрических свойств по кристаллу. Контактные структуры для этих фотоприемников были созданы путем имплантации ионов бора.
SDB-3
Для этого образца использовалось синтетическое алмазное сырье отличное от предыдущих фотоприемников. Проводящая структура так же создавалась методом ионной имплантации.
SDM
Фотоприемник изготавливался из синтетического HPHT алмаза типа Ib. Контактная структура на нём создавалась методом напыления металла.
NDB
Основой для этого фотоприемника являлся природный алмаз типа IIa с малым содержанием азота. Встречно-штырьевая система контактов на освещаемой поверхности создавалась методом ионной имплантации бора.
NDM
Исследуемый фотоприемник изготавливался из природного алмаза типа IIa. На освещаемую поверхность наносилась металлическая система контактов. На поверхности кристалла было создано 3 фотопроводящие структуры.
2.2 Методика измерений.
Для изготовленных структур исследовались характеристики:
- спектры фоточувствительности;
- вольт-амперные характеристики;
- изменение сигнала фототока со временем.
Источником излучения являлись лампы ДДС-30 и ДКШ-1000. Они покрывают диапазон излучений от 200 до 1000 нм, что позволяло тестировать детекторы не только в УФ-области спектра, но и в более длинноволновой его части.
Экспериментальные данные регистрировались на компьютер при помощи программного обеспечения разработанного сотрудником кафедры физики полупроводников и наноэлектроники KSWU. Затем полученные данные обрабатывали при помощи программы Origin.
2.3 Программы для измерений и обработки результатов.
2.3.1 KSWU.
Программа KSWU предназначена для регистрации данных с тестируемого детектора и позволяет управлять параметрами измерения. Её интерфейс представлен на рисунке 7.
Рисунок 7. Интерфейс программы KSWU.
Данное программное обеспечение позволяет задавать следующие параметры измерения:
- интервал длин волн излучения, которыми облучается образец в ходе исследования;
- шаг длины волны, в соответствии с которым происходит перестройка монохроматора;
- время задержки (необходимое для стабилизации сигнала после смены длины волны подводимого излучения) и время измерения (данные полученные за этот промежуток времени усредняются).
При измерении полученные данные в режиме реального времени отображаются на экране в виде графика. Программное обеспечение позволяет создавать целые проекты, где могут содержаться несколько массивов данных, отвечающие различным измерениям. В случае нескольких измерений в программе существует опция отображения нескольких последовательных измерений на о
2.3.3 Origin
Origin — пакет программ фирмы OriginLab Corporation для численного анализа данных и научной графики, работающий на компьютере под управлением операционной системы Microsoft Windows [!!!]. Интерфейс программного обеспечения представлен на рисунке 8.
Для выполнения операций можно как использовать инструмент графического интерфейса пользователя (диалоги/меню), так и вызывать их в программах. В Origin включён собственный компилятор C/C++ с поддержкой и оптимизацией векторных и матричных вычислений.
Рисунок 8. Интерфейс программы Origin.
Origin поддерживает создание двухмерной и трёхмерной научной графики, которая создаётся с помощью готовых шаблонов, доступных для редактирования пользователем. Также возможно создавать новые собственные шаблоны. После создания изображения оно может быть отредактировано с помощью меню и диалогов, вызываемых двойным щелчком мыши на его элементах. Можно экспортировать полученные графики и таблицы в ряд форматов, таких как PDF, EPS, WMF, TIFF, JPEG, GIF и др.
С помощью Origin можно проводить численный анализ данных, включая различные статистические операции, обработку сигналов и т. п.
Глава 3. Основные результаты.
Характерной особенностью алмазных фотоприемников, независимо от исходного сырья, является низкое значение темновых токов (рисунок 9). Фотоприемники на основе синтетических HPHT алмазов типа Ib в темноте имеют, как правило, пикоамперные значения тока при напряжении 100 В. Величина темнового тока определяется расстоянием между электродами и при уменьшении межэлектродного зазора растет.
Рисунок 9 – ВАХ в темноте и при освещении излучением дейтериевой лампой ДДС-30 для фотоприемника на основе синтетического НРНТ алмаза.
Большое влияние на ВАХ алмазных приборов оказывает влажность окружающей атмосферы. С увеличением влажности темновой ток существенно возростает.
Вид ВАХ алмазных фотоприемников зависит от конструкции прибора. Планарная структура фотоприемников является симметричной относительно протекания тока. В идеальном случае ВАХ должны быть симметричными. При нанесении металлических контактов они могут получиться омическими, и тогда ВАХ будут линейными при “положительном” и “отрицательном” смещениях. Если контакты получились выпрямляющими, типа барьера Шоттки, то наблюдаемые ВАХ будут нелинейными и несимметричными.
Ещё одним важным параметром детекторов является стабильность их характеристик с течением времени. Применительно к фотоэлектрическим приборам на основе алмаза можно говорить о проблеме стабильности характеристик. Причина проблемы заключается в том, что большинство алмазов содержит ловушки носителей заряда [20]. Созданные внешним воздействием неравновесные электроны и/или дырки захватываются на уровни ловушек, и величина фототока, в связи с этим, уменьшается. Если со временем наблюдается рост сигнала, то, по-видимому, происходит освобождение зарядов с уровней ловушек. В зависимости от типа и концентрации ловушек необходимо различное время засветки при фиксированной мощности дозы для насыщения ловушек и стабилизации сигналов.
Для синтетических кристаллов алмаза наблюдается следующие закономерности:
- в кристаллах с низкими значениями сигнала имеет место быстрый спад фототока после включения засветки УФ излучением;
- в кристаллах с высоким уровнем фототока наблюдается медленный рост или медленный спад (порядка сотен секунд) сигнала и высокие значения флуктуаций сигнала со временем.
Для исследований выбирались образцы с высокими и стабильными значениями сигналов. На рисунке 10 приведены изменения фототока со временем при подсветке излучением дейтериевой лампы ДДС-30 для экспериментальных фотоприемников на основе природного кристалла IIa ‑ а) и на основе специально отобранных синтетического HPHT алмаза ‑ б). При измерениях варьировалась мощность дозы подсветки путем ослабления исходного уровня интенсивности с помощью сетчатых фильтров.
|
а) |
б) |
| Рисунок 10 – Зависимость величины фототока со временем при различных интенсивностях излучения дейтериевой лампы ДДС-30 для фотоприемника на основе природного алмаза типа IIа NDM (а) и фотоприемника на основе синтетического HPHT алмаза типа Ib SDM (б) |
|
При включении подсветки наблюдается резкий скачек сигнала, а затем его спад до стабильного значения фототока. Для фотоприемника на основе природного алмаза при первой засветке время стабилизации сигнала составляет 300 с, при повторной засветке с той же мощностью падающего излучения время стабилизации в два раза меньше и составляет 150 с. Скачек сигнала при повторной засветке меньше, чем при первоначальной, это объясняется тем, что за время между этими засветками не все ловушки освободились. Для фотоприемников на основе синтетического HPHT алмаза наблюдается схожее поведение сигнала при повторной засветке образца. Время стабилизации для алмазного синтетического фотодетектора при первой засветке составляет 120 с, при повторной – 20 с.
В синтетических алмазах в силу неоднородного распределения концентрации азота по кристаллу наблюдаются желтые и бесцветные области. Концентрация азота в бесцветных областях составляет порядка 1017
см -3
, что даже меньше чем в природных алмазах типа IIа (~1018
см -3
). Для желтых областей концентрация азота превышает 1019
см -3
. Как известно [18], количество азота влияет на величину фототока в алмазах. Образцы с низким содержанием азота наиболее фоточувствительны. В связи с этим, для изготовления фотоприемников проводился специальный отбор исходного сырья, содержащего бесцветные области в пластинках.
| а) |
б) |
| Рисунок 11 – Спектры фоточувствительности фотоприемников на основе синтетического НРНТ алмаза типа Ib: SDB-1 (а), SDB-3 (б) |
|
Исследования спектральной чувствительности экспериментальных образцов фотоприемников проводились в диапазоне длин волн 200 – 1000 нм. На рисунке 11 – а) представлена типичная абсолютная спектральная чувствительность специально отобранных фотоприемников на основе синтетического алмаза. Максимум чувствительности приходится на длину волны 220 нм, что соответствует зона-зонному переходу. С ростом длины волны наблюдается спад чувствительности. При длине волны в 240 нм фототок падает на 3,5 порядка, а при 260 нм – до значений темнового тока.
Чувствительность к видимому излучению у алмазных фотоприемников хорошего качества практически отсутствует. Соотношение между сигналами при длинах волн 220 и 440 нм составляет около 5 порядков.
Фоточувствительность алмазных приемников при освещении их излучением длиной волны меньше 220 нм также падает. Этот спад чувствительности обусловлен поверхностной рекомбинацией и зависит от состояния поверхности.
В отличие от специально отобранных образцов синтетического алмаза, спектральная чувствительность произвольно выбранных экспериментальных образцов распространяется в видимую область спектра. Типичный спектр чувствительности таких образцов представлен на рисунке 11 – б). Как видно из рисунка, величина чувствительности в области фундаментального поглощения в 100 раз ниже чувствительности, представленной на рисунке 11 – а). В то же время, такие образцы характеризуются большей чувствительностью в видимой области спектра, которая распространяется до 460 нм. Ответственными за чувствительность в видимой области излучения являются примеси и дефекты в синтетическом алмазе, которые имеют уровни в запрещенной зоне. Возбужденные светом переходы электронов с уровней в зону проводимости (из валентной зоны на уровень) обеспечивают свободными носителями заряда зону проводимости (валентную зону).
Для оценки степени неоднородности фотоэлектрических характеристик в синтетических алмазах из одного кристалла были вырезаны две пластинки, и на их основе созданы два фотоприемника: SDB-1 и SDB-2. Спектры абсолютной чувствительности двух фотоприемников, изготовленных из соседних областей кристалла, представлены на рисунке 12. Из рисунка видно, что образец SDB-1 характеризуется высокой абсолютной чувствительностью в максимуме, составляющей 0,373 А/Вт. В то время как фотоприемник из соседней области кристалла имеет чувствительность приблизительно в 250 раз меньшую. При этом оба фотоприемника практически не чувствительны к видимой составляющей спектра.
Рисунок 12 – Спектры фоточувствительности для фотоприемников на основе синтетических алмазов SDB-1 и SDB-2.
На рисунке 13 приведены кривые абсолютной спектральной чувствительности фотоприемников на основе природных алмазов типа IIа и специально отобранных синтетических алмазов. Обращает на себя внимание тот факт, что значения абсолютной чувствительности фотоприемников из природных алмазов не превышает 0,16 А/Вт, в то время как фотоприемники из отобранных синтетических алмазов характеризуются большей чувствительностью.
Рисунок 13 – Спектры фоточувствительности в УФ области фотоприемников на основе синтетических и природных алмазов при напряжнии 50 В
Максимальное теоретическое значение фоточувствительности алмазных приемников на длине волны 220 нм при условии, что квантовый выход равен единице, составляет 0,18 А/Вт. Квантовый выход фотоприемников из природных алмазов зависит от качества кристалла и для межзонной генерации может достигать значений 0,47 [5]. Из рисунка 3.10 видно, что исследуемые фотоприемники на основе синтетических алмазав обладают чувствительностями, превышающими теоретические значения. Например, для образца SDB ‑ 1 на длине волны 220 нм величина фоточувствительности составляет 0,37 А/Вт, а для SDM – 0,24 А/Вт.
Глава 4. Обсуждение результатов.
Заключение.
Изготовлены экспериментальные образцы УФ фотоприемников на основе синтетических HPHT алмазов, выращенных на РУП «Адамас БГУ». Приемники изготовлены путем создания на кристалле структур двух типов: металл ‑ полупроводник ‑ металл (МSM структура) и имплантированный бором слой ‑ полупроводник ‑ металл (р+
-i-структура).
Абсолютная чувствительность в максимуме специально отбранных фотоприемников лежит в диапазоне от 0,1 А/Вт до 0,5 А/Вт и сопоставима с чувтвительностью детекторов на основе природных алмазов IIa. При этом, сигнал в УФ области (220 нм) превышает фототок в видимой области на пять порядков.
Обнаружено усиление фототока для фотоприемников на основе синтетических алмазов, которое не наблюдается для фотоприемников на основе природных алмазов типа IIa. Эффект усиления объясняется с позиции влияния уровней захвата на время жизни свободных носителей заряда и подтверждается экспериментальными зависимостями чувствительности от напряжения смещения.
Установлена возможность работы алмазных фотоприемников в фотовольтаическом режиме. В этом случае, их чувствительность в ультрафиолетовой области спектра составляет порядок 1 мА/Вт.
Список литературы к реферату.
1. Бланк, Т.В. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра. Обзор / Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг// ФТП. – 2003.- Т.37, № 9. – с.1025-1055
2. Алмазные многоэлементные фотоприемные устройства УФ-диапазона. / А.А. Алтухов, А.Ю. Митягин, А.М. Клочков, Г.А. Орлова // Технология и конструкция в электронной аппаратуре. – 2008. ‑ № 3. – с.3-6
3. Детекторы ультрафиолетового излучения. / И. Артюков // Фотоника. – 2008. - № 5. – с.26-33
4. Ультрафиолетовое излучение; его биологическое воздействие, приемники излучения / Круковская Л.П. // Метод. Пособие
5. Фотоприемники ультрафиолетового диапазона на основе широкозонных соединений А3
В5
/ И.Д. Анисимова, В.И. Стафеев // Прикладная физика. ‑ 1999. ‑ № 2.
6. Алмазные фотоприемники ультрафиолетового диапазона. / А.А. Алтухов, А.Ю. Митягин, Е.В. Горохов, В.С. Фещенко, Н.Х. Талипов // Технология и конструкция в электронной аппаратуре. – 2007. ‑ № 4. – с.29-31
7. Optimized spectral collection efficiency obtained in diamond-based ultraviolet detectors using a three-electrode structure / F. Spaziani, M.C. Rossi, S. Salvatori, G. Conte // Appl.Phys.Lett. – 2003. – V.82, №21 – р.3785
8. Solar-blind diamond detectors for LYRA, the solar VUV radiometer on board proba II / A Benmoussa, J.-F. Hochedez, W.K. Schwutz, U. Schühle, M. Nesládek, Y. Stockman, U. Kroth, M. Richter, A. Theissen, Z. Remes, K. Haenen, V. Mortet, S. Koller, J.P. Halain, R. Petersen, M. Dominique, M. D’Olieslaeger // Experimental Astronomy – 2003. ‑ № 16 – p.141–148
9. http://www.ural-almaz.com.ru/
10. Ультрафиолетовый фотоприемник для спектрального диапазона 0,19—0,28 мкм на природном алмазе типа 2а / А.А. Алтухов, В.В. Ерёмин, В.А. Киреев, А.В. Митёнкин // Прикладная физика. – 2006. ‑ № 2 – с.66-72
11. CVD-алмазы: применение в электронике / В. Ральченко, В. Конов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. – 2007. ‑ № 4. – с.58-67
12. Characteristics of CVD diamond films in detecting UV, X-ray and alpha particle / J. Ahn, B. Gan, Q. Zhang, Rusli, S.F. Yoon, V. Ligatchev, S.-G. Wang, Q.-F. Huang, K. Chew // International Journal of Modern Physics B. – 2002. – Vol. 16. – Nos. 6&7. –р.1018-1023
13. Токи, ограниченные пространственным зарядом, в синтетическом полупроводниковом алмазе / Ю.А. Детчуев, В.А. Крячков, Э.Г. Пель, Н.Г. Санжарлинский // Физика и техника полупроводников – 2000. – Т. 34. – В. 10. – с.1166-1169
14. Влияние примеси азота на фотоэлектрические свайства синтетических монокристаллов алмаза. / Новак, Д.А., Усик, Е.А., Казючиц Н.М., Казючиц В.Н., Русецкий М.С. // Труды 3 Международной научной конференции "Материалы и структуры современной электроники" ‑ Минск, 2008 г. ‑ с. 88-91
15. Оптические и парамагнитные свойства облученных электронами и отожженных кристаллов синтетического алмаза / Н.А. Поклонский, Г.А. Гусаков, В.Г. Баев, Н.М. Лапчук // Физика и техника полупроводников – 2009. – Т. 43. – В. 5. – с.595-603
Предметный указатель к реферату.
Интернет ресурсы в предметной области исследования.
Действующий личный сайт в
WWW (гиперссылка).
www.ailiana-anna.narod.ru
Граф научных интересов (образец приведен ниже).
Магистрантки Ермаковой А.В. Физический факультет
Cпециальность ??-??-?? физика
| Смежные специальности
|
Основная специальность
|
Сопутствующие специальности
|
Презентация магистерской (кандидатской) диссертации. (не менее15 слайдов, гиперссылка в электронном варианте, черно-белые выдачи по 6-9 слайдов на листе на бумажном носителе, помещаются в приложение).
Список литературы к выпускной работе.
1. Бланк, Т.В. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра. Обзор / Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг// ФТП. – 2003.- Т.37, № 9. – с.1025-1055
2. Алмазные многоэлементные фотоприемные устройства УФ-диапазона. / А.А. Алтухов, А.Ю. Митягин, А.М. Клочков, Г.А. Орлова // Технология и конструкция в электронной аппаратуре. – 2008. ‑ № 3. – с.3-6
3. Детекторы ультрафиолетового излучения. / И. Артюков // Фотоника. – 2008. - № 5. – с.26-33
4. Ультрафиолетовое излучение; его биологическое воздействие, приемники излучения / Круковская Л.П. // Метод. Пособие
5. Фотоприемники ультрафиолетового диапазона на основе широкозонных соединений А3
В5
/ И.Д. Анисимова, В.И. Стафеев // Прикладная физика. ‑ 1999. ‑ № 2.
6. http://www.hamamatsu.com
7. Природные и синтетические алмазы / Г.Б. Бокий, Г.Н. Безруков, Ю.А. Клюев, А.М. Налетов, В.И. Непша // М.: Наука. – 1986. – 221 с.
8. Природные алмазы России / Вечерин, П.П., Журавлев, В.В., Квасков, В.Б., Клюев, Ю.А., Красильников А.В., Самойлович, М.И., Суходольская, О.В // Полярон. – 1997. – 304 с.
9. Влияние некоторых центров окраски на цвет природных и синтетических алмазов / Ю.А. Клюев, А.М. Налётов // Сверхтвердые материалы. – 2008. ‑ № 4. – с.61-66
10. Алмазные фотоприемники ультрафиолетового диапазона. / А.А. Алтухов, А.Ю. Митягин, Е.В. Горохов, В.С. Фещенко, Н.Х. Талипов // Технология и конструкция в электронной аппаратуре. – 2007. ‑ № 4. – с.29-31
11. Optimized spectral collection efficiency obtained in diamond-based ultraviolet detectors using a three-electrode structure / F. Spaziani, M.C. Rossi, S. Salvatori, G. Conte // Appl.Phys.Lett. – 2003. – V.82, №21 – р.3785
12. Solar-blind diamond detectors for LYRA, the solar VUV radiometer on board proba II / A Benmoussa, J.-F. Hochedez, W.K. Schwutz, U. Schühle, M. Nesládek, Y. Stockman, U. Kroth, M. Richter, A. Theissen, Z. Remes, K. Haenen, V. Mortet, S. Koller, J.P. Halain, R. Petersen, M. Dominique, M. D’Olieslaeger // Experimental Astronomy – 2003. ‑ № 16 – p.141–148
13. http://www.ural-almaz.com.ru/
14. Ультрафиолетовый фотоприемник для спектрального диапазона 0,19—0,28 мкм на природном алмазе типа 2а / А.А. Алтухов, В.В. Ерёмин, В.А. Киреев, А.В. Митёнкин // Прикладная физика. – 2006. ‑ № 2 – с.66-72
15. CVD-алмазы: применение в электронике / В. Ральченко, В. Конов // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. – 2007. ‑ № 4. – с.58-67
16. Characteristics of CVD diamond films in detecting UV, X-ray and alpha particle / J. Ahn, B. Gan, Q. Zhang, Rusli, S.F. Yoon, V. Ligatchev, S.-G. Wang, Q.-F. Huang, K. Chew // International Journal of Modern Physics B. – 2002. – Vol. 16. – Nos. 6&7. –р.1018-1023
17. Токи, ограниченные пространственным зарядом, в синтетическом полупроводниковом алмазе / Ю.А. Детчуев, В.А. Крячков, Э.Г. Пель, Н.Г. Санжарлинский // Физика и техника полупроводников – 2000. – Т. 34. – В. 10. – с.1166-1169
18. Влияние примеси азота на фотоэлектрические свайства синтетических монокристаллов алмаза. / Новак, Д.А., Усик, Е.А., Казючиц Н.М., Казючиц В.Н., Русецкий М.С. // Труды 3 Международной научной конференции "Материалы и структуры современной электроники" ‑ Минск, 2008 г. ‑ с. 88-91
19. Оптические свойства монокристаллов синтетических алмазов / А.В. Мудрый, Т.П. Ларионова, И.А. Шакин, Г.А. Гусаков, Г.А. Дубров, В.В. Тихонов // Физика и техника полупроводников. – 2004. – Т. 38. – В. 5. – с.538-542
20. Оптические и парамагнитные свойства облученных электронами и отожженных кристаллов синтетического алмаза / Н.А. Поклонский, Г.А. Гусаков, В.Г. Баев, Н.М. Лапчук // Физика и техника полупроводников – 2009. – Т. 43. – В. 5. – с.595-603
21. Физика полупроводниковых приборов / А.И. Лебедев // М.: ФИЗМАТЛИТ. – 2008. – 488 с.