Введение к работе
Актуальность исследования. Интерес к исследованиям природного алмаза обусловлен его практическим применением в электронике и электронной технике, в связи с чем становятся необходимыми исследования примесно-дефектной структуры, оптических и электрофизических свойств кристаллов алмаза. Кроме того алмаз является достаточно удобным модельным объектом для изучения фундаментальных закономерностей электрофизики диэлектриков.
Перспективы применения кристаллов алмаза в электронике связаны с их основными физическими параметрами: дрейфовой скоростью насыщения носителей заряда, теплопроводностью, напряженностью поля электрического пробоя, подвижностью электронов и. дырок и диэлектрической проницаемостью, которая п алмазе в широком диапазоне частот оказывается постоянной е - ».
Дрейфовая скорость насыщения для электронов в алмазе является, как и теплопроводность, наиболее высокой среди известных значений этих величин у диэлектриков и полупроводников. Именно это обстоятельство в 90-х годах стимулировало развитие применения алмазов в электронике.
Как известно, произведение подвижности носителей заряда на их время жизни fir определяет перспективы использования материалов в приборах, работающих на эффекте пролета носителей заряда, в частности, детекторов ионизирующих излучений. Кристаллы алмаза обладают оптимальным сочетанием высоких значений этих параметров носителей заряда с радиационной стойкостью к различного типа излучениям.
Научные исследования показали, что на основные физические параметры приборов из природного алмаза существенным образом влияет примесь азота, который агрегируется в различных структурных формах в кристаллической решетке алмаза.
Вместе с тем установлено, что на работу детекторов и датчиков излучений на основе природного алмаза оказывает влияние пространственный заряд и поляризация детектора. что непосредственно связано с процессами накопления и релаксации заряда в этих материалах. Поэтому с точки зрения применения аамазоп в электронике представляет интерес установление природі.! пространственного заряда, а также исследование закономерностей и
механизмов его накопления и релаксации. Актуальным является также определение параметров электрически активных дефектов (ЭАД), которые играют основную роль в формировании потенциального рельефа детектора при его поляризации, что важно для определения рабочих параметров приборов на основе кристаллов алмаза и прогнозирования их свойств. Использование для указанных выше целей неизотермической релаксации позволяет .сократить время исследования и дифференцировать во времени различные релаксационные процессы.
Целью работы являлось исследование неизотермической релаксации заряда в природных алмазах методами термоактивационной токовой спектроскопии (ТАТС) и изучение на этой основе природы электрически активных дефектов, обуславливающих поляризованное состояние в кристаллах природного алмаза; установление механизмов поляризации и определение параметров релаксационных процессов на примере алмазов типа 1а. содержащих наибольшее в природных алмазах количество примесного азота.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
~ изготовить экспериментальную установку для исследования процессов электрической релаксации;
получить спектры тока термостимулированной деполяризации (ТСД) в температурном интервале 290-670К;
осуществить методику варьирования условий поляризации и фракционной термостимулированной деполяризации (ФТСД);
провести сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами ИК-спектроскопии исследуемых кристаллов;
на основе экспериментальных данных численными методами получить основные параметры электрически активных дефектов в природном алмазе.
Научная новизна. В данной работе на основе установленных корреляционных зависимостей между особенностями ИК-поглощения и спектрами тока ТСД впервые определена природа пиков тока в температурном интервале 290 - 670 К. Установлено, что пики в области 500 - 650 К обусловлены А-центрамн (два атома азота в углеродзамещающих положениях со спаренной электронной орбиталью), а пик в области 330 - 380 К - В-дефектом (совокупность
четного числа атомов азота в определенной кристаллографической плоскости).
Обработка данных ТСД численными методами на основе ретуляризнрующих алгоритмов, а также использование методики ФТСД. примененными к алмазу впервые, позволили не только однозначно определить параметры электрически активных дефектов в алмазе, но также установить особенности энергетической структуры А-центра и влияние на нее В-дефектов.
В выполненных ранее работах по термоактивационной спектроскопии природного алмаза считалось, что поляризованное состояние обусловлено объемно-зарядовой поляризацией (частный случай миграционной поляризации). В данной работе впервые показано, что наряду с миграционной поляризацией в природном алмазе существует поляризованное состояние, образование и релаксация которого описывается закономерностями дипольной релаксационной поляризации.
Научная и практическая значимость. Установление сложной энергетической структуры азотного комплекса в алмазе обеспечивает возможность уточнения структуры А-центра, определения вида потенциала, описывающего взаимодействие А-дефекта с полем кристаллической решетки алмаза. Экспериментальное обнаружение в кристаллах алмаза процессов поляризации с характерными для дипольного механизма закономерностями расширяет представления о механизмах поляризации и релаксации заряда в высокоомных полупроводниках и диэлектриках.
Установление взаимосвязи между наличием примеси азота в достаточно больших концентрациях и характером кинетики фототока позволяет производить экспрессный отбор алмазов с малым содержанием азота уже на стадии поляризации. Для классификации природных алмазов и, соответствено, определения области их применения могут быть использованы установленные в данной работе корреляционные зависимости между зарядом ТСД и концентрацией примесного азота, содержащегося в кристаллах природного алмаза в виде дефектов определенного типа.
Положения выносимые па защиту:
-
Структура и температурная область проявления пиков тока ТСД обусловлены основными азотными дефектами в природном алмазе: в области температур 500 - 650 К пики соответствуют проявлению А-дефектов, в интервале 330 - 380 К - В-дефектов.
-
Процессы поляризации природного алмаза при совместном воздействии УФ-излучения и внешнего электрического поля определяются механизмами квазидипольной релаксационной поляризации, связанной с А-дефектами, и миграционной поляризации, связанной с В-дефектами.
-
При изменении концентрации В-дефектов в природном алмазе происходит трансформация энергетической структуры А-центров от двухуровневой в кристаллах с преобладающим количеством А-дефектов до одноуровневой в кристаллах с сопоставимыми концентрациями примесного азота в форме А- и В-дефектов.
Апробация работы и публикации. Полученные результаты докладывались на Международном Симпозиуме по электретам (Париж. 1994 г.). на Международных конференциях: Релаксация-94 (С.-Петербург. 1994 г.), Алмазы в технике и электронике (Москва. 1995-1998 гг.). Диэлектрики-97 (С.-Петербург, 1997 г.). на семинарах кафедры обшей и экспериментальной физики РГПУ им. А.И. Герцена, а также на семинаре кафедры твердотельной электроники Московского института радиотехники электроники и автоматики (МИРЭА). По результатам исследования опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 123 страницы, из них 91 машинописного текста, 30 рисунка, 2 таблицы. Список литературы включает 104 наименования.
Похожие диссертации на Исследование неизотермической электрической релаксации заряда в кристаллах природного алмаза
