Введение к работе
Актуальность теми. В настоящее время актуальної! задачей твердотельной электроники является создание высокотемпературных, радиационно- и химически-стойких приборов. Алмаз представляется весьма перспективным материалом для этих целей. Кроме того, на основе алмаза возможно создание более высоковольтных и мощных приборов, чем на кремнии и германии. Однако, алмазы являются достаточно неоднородным материалом по своему дефектно-примесному составу. Поэтому разработка экспресс-методов отбора и сортировки алмазов представляет собой как практический, так и научный интерес.
Практическому использованию новых материалов твердотельной электроники неизбежно предшествует всестороннее изучение различных физических свойств этих материалов: оптических, электрических, механических и т.д. Вместе с тем, изучение электрофизических характеристик алмаза ограничено трудностями создания контактов к алмазу-изолятору и алмазу n-тнпа. Кроме того, создание контактов, как правило, требует в той или иной степени температурной обработки алмаза, что может приводить к изменению его свойств. Взаимодействие поверхности алмаза с материалом контактов также может порождать различные дефекты в приповерхностном слое. Преодолеть указанные трудности при исследовании алмазов возможно применением бесконтактных методов, например, метода СВЧ-фотопроводимости.
Целью работы явилась разработка бесконтактного метода исследования фотопроводимости алмаза и установление закономерностей влияния на СВЧ-фотопроводимость собственных, примесных и радиационных дефектов.
Работа выполнялась в рамках государственной научно-исследовательской работы Белгосуниверситета по теме "Разработка новых физических и технологических принципов создания и контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро- и оптоэлектроникн", а также по теме "Разработка полупроводниковых приборов с высокой радиационной, температурной стойкостью и методов синтеза алмазных, алмазо- и фуллерено-подобных пленок применительно к электронным устройствам" № 3079/4.18 202/06 (Республиканская научно-техническая программа "Алмазы, сверхтвердые материалы и изделия на их основе").
Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем: - впервые применен для исследования фотоэлектрических характеристик алмаза в спектральной области 200-700 им метод бесконтактного изучения фотопроводимости, при котором образец помешается внутри полого прямоугольного резонатора с перестраиваемой собственной частотой и регулируемым OTBqicnteM связи, что дало возможность получения ряда новых результатов, устанавливающих зависимость фотопроводимости от дефектно-примесного состава образцов. Показаны экспрессное!ь и
высокая чувствительность метода СВЧ-фотопроводимосги к состоянию поверхности алмаза;
- установлены особенности подготовки образцов алмаза к измерениям спектров СВЧ-фотопроводимости, состоящие в том, что наряду с операцией химического травления поверхности алмаза на заключительной стадии необходимо проводить механическую обработку поверхности корундовым порошком;
впервые для алмаза установлена экспоненциальная зависимость величины СВЧ-фотопроводимости в спе> іральной области 200-250 им от величины внутренних напряжений, определяемых яркостью картин двулучепреломлення;
впервые методами СВЧ-фотопроводимости и двулучепреломлення показано, что наибольшее влияние на время жизни неравновесных носителей заряда в приповерхностном слое оказывают протяженные дефекты типа дислокаций роста, границ кристаллических фрагментов, двойниковых швов, микровключения;
установлена обратнопропорциональная зависимость величины СВЧ-фотопроводимости в области 200-250 нм от интенсивности излучения А-полосы в спектрах катодолюмииесценции образцов алмаза типа 11а, обусловленной разрешенными переходами на одиночных оборванных связях в ядрах 60«-дислокаций;
- впервые установлено, что имплантация ионов бора в пластины природного алмаза
может приводить к увеличению времени жизни носителей заряда в объеме образца,
располагающимся глубже слоя среднепроективного пробега ионов внедренной при
меси на 100 мкм и более;
впервые показана возможность наблюдения методом СВЧ-фотопроводимости в резонаторе без вакуумной откачки левитирующих над алмазом электронов;
установлена более высокая температурная стойкость ЗН-центра в алмазе, облученном ионами высоких энергий, по сравнению с тем же центром, образующимся при облучении ионами килоэлектронвольтного диапазона и электронами;
разработан метод отбора и контроля качества алмазного сырья для целей твердотельной электроники.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что в результате проведенных исследований и установленных закономерностей влияния на СВЧ-фотопроводимость собственных, примесных и радиационных дефектов алмаза разработан метод отбора и контроля образцов алмаза для целей твердотельной электроники на основе явления фотопроводимости, измеренной бесконтактным методом в СВЧ-диапазоне, показана корреляция данного метода с уже известными методами отбора и контроля качества алмазного сырья по интенсивности А-полосы и излуче-
нию свободного экситона в спектрах катодолюминесценции. Кроме того, представленные результаты показывают возможность создания экспресс-метода оценки размеров кристаллических блоков в образцах природного, синтетического алмазов и эпитаксиальных пленках на основе измерения фотоотклика при использовании резонаторов бимодального типа.
Положения, выносимые на защиту
Бесконтактный метод исследования фотопроводимости алмаза, при котором исследуемый образец помещается внутри прямоугольного СВЧ-резонатора типа Ню» и освещается светом в диапазоне длин волн 200-700 нм, отличающийся, по сравнению с методом фотопроводимости в режиме постоянного тока, повышенной чувствительностью к состоянию поверхности образцов, способностью регистрировать левитирующие над их поверхностью электроны и отсутствием проявления неоднородностей распределения собственных и примесных дефектов с характерным размером более 20 мкм.
Установленные закономерности влияния на СВЧ-фотопроводимость природных алмазов типов Па и 1а дефектов структуры и примесей; корреляции величины фотопроводимости в спектральном диапазоне 200-250 нм и интенсивности полосы люминесценции (300-500 нм), обусловленной разрешенными переходами в ядрах 60-дислокаций.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых и представителей НТТМ "Актуальные проблемы прикладной физики" (Ташкент, 1989 г.), Ш Межотраслевом семинаре "ЭПР и оптическая спектроскопия дефектов и примесей в алмазе" (Александров, 1989 г.), второй межреспубликанской школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы спектроскопии, лазерной физики и физики плазмы" (Минск 1989 г.). международной конференции "Diamond and Related Materials" (1990), международной конференции "Radiation Effects in Insulators" (Веймар 1991). Второй европейской конференции "Diamond-like and Related Coatings" (Ницца, 1991), на научно-практической конференции "Метрология-94" (Минск, 1994 г.), на втором международном симпозиуме по алмазным пленкам (Минск, 1994), на международной конференции "Central Conference of the EPS" (Регензбург, 1993), иа Ежегодной конференции немецкого физического общества (Мюнстер, 1997), на международном симпозиуме "Ионная имплантация в науке и технике", (Нэлэнчув, Польша, 1997).
Публикации. Основные результаты изложены в 16 опубликованных научных работах.
Структур* н объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации сосгавляет 167 страниц. Она включает 66 иллюстраций, 9 таблиц. Список использованных источников включает в себя 186 наименовании.
Похожие диссертации на СВЧ-фотопроводимость кристаллов алмаза
