«Применение ит в исследовании фотопроводимости алзазных детекторов уф-излучения» (стр. 2 из 5)
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, нм | 210 | 210 |
| Максимум спектральной примесной чувствительности λmax, нм | 1130 | |
| Порог чувствительности при λmax, Вт/Гц1/2 | (1÷2)∙10-13 | (1÷2)∙10-13 |
| Токовая чувствительность Si при λmax, А/Вт | 0,15 | |
| Вольтовая чувствительность SV при λmax, В/Вт | 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 оС 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.