автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Реальная структура, электродинамические свойства синтетического алмаза и создание на его основе детекторов ионизирующего излучения

УКРАИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ ИМ.А.С.ПОПОВА

РГБ ОД

12 СЕН

на правел рукописи уда 537.311

РОМАНКО Людмила Алексеевна

РЕАЛЬНАЯ СТРУКТУРА, ЭЛЖТРОФИЗИЧЕСКИЕ'СВОЙСТВА СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА И СОЗДАНИЕ НА "ЕГО ОСНОВЕ ДЕТЕКТОРОВ И0НИЗИРУЩЕГ0 ИЗЛУЧЕНИЯ.

05.27.О1.-Твердотельная элвктроитка, микроэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата темтчеокм наук

Одесса - 1994 г.

диссертация в виде научного труда / рукопись J работа выполнена в Институте сверхтверда* материалов HAH Украины

Научшй руководитель: канд. ¿в.-иат.иаук А.Г.Гонтарь

Офидиалышо оппонент«: доктор физ.-мат.наук. профессор йш A.B. ^ доктор фаз.-мат.наук Kypuaweu Ы.Д.

Ведущая организация: Институт физики полупроводаиков НАН Украины / г.Киев /

Защита диссертации состоится1994 г. , Г 5 часов на заседании специализированного Совета К В украинской Государственной акадешш связи им. А.С.Порова

Адресе; 270021, Одесса, ул.Челюскинцав.1 С диссертацией моею ознакомиться в библиотеке академии

Автореферат разослан "¡А" О^Щ^Ш-"

Учений секретарь

специализированного Совета В.И.Корнейчук

Подл, в печ. 21.10.93. Формат 60x90/16. Бум. висч. »1. Печ. сфс. Усл. печ. д. 1,0. Усл. кр.-огт, 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тирах 100 8ка. Заказ Бесплатно.

Информационно-издательский отдел с полиграфическим участком НОЯ ЕмГВ.Н.Бакуля АН Украины <

254153 Клйв-153, ул. Автозаводская, 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Перспективность использования в Электронной технике шрокозонных материалов, и, в особенности, алмаза, обсуждалась неоднократно. На протяжении последних десяти лет были изучены процессы генерации и переноса носителей заряда, характеристики оптических и электрических свойств собственных и точечных дефектов, связанных с примесными азотом, бором и другими элементами. В результате были определены численные значения ряда фундаментальных констант алмаза, основные электрические параметры и характеристики, необходимые для использования алмаза в полупроводниковой электронике.

Наибольший прогресс достигнут в области разработки и использования в различных областях техники алмазных детекторов ионизирующего излучения. Уникальное сочетание в алмазе отдельных 4®зйческих свойств, радиационная и химическая стойкость, высокая теплопроводность, электрическая прочность и тканеэквивалентность делают природный алмаз перспективным материалом для детекторов ионизирующего излучения. В настоящее время достаточно полно изучены электрические, спектрометрические, счетные, временные, дозиметрические характеристики алмазных детекторов, изготовленных из природного сырья.

Отдельной нерешенной научно-технической проблемой является регист-1? —ч

рация мощных (До 10 Р/с), коротких с 5-10 'с импульсов ионизи-

рующего }-излучения с высоким пространственным разрешением. Высокое, пространственное разрешение требуется при определении неравномер*.оти и нестабильности поля излучений на установках мощного тормозного излучения. Решение этой задачи следует рассматривать в едином комплексе возможностей природных и синтетических алмазов. Использование природных алмазов сдерживается высокой стоимостью сырья из-за незначительного количества кристаллов, обладающих счетными свойствами, и затрат на их поиск и отбор, а также тем обстоятельством, что высокая чувствительность образцов требует использования специальных дополнительных технологических операций для снижения чувствительности.

Таким образом, является актуальным решение принципиальной возможности использования синтетических алмазов в качестве чувствительных элементов таких детекторов, в такие разработка научно-обрсновагашх, критериев качества монокристаллов, пригодных для изготовления детекторов импульсного ионизирующего у-излучения. Получение таких хэряктерис-тик необходимо для разработки технологий синтеза кристаллов требуем.-го качества.

Цель работы. В нястояси-Я работе постами;« гледутсие задачи:

-исследование реальное структуры, электронных и оптических свойств монокристаллов синтетического алмаза, для определения возможности создания на их основе чувствительных элементов детекторов мощных импульсных 7-излученнй}

- разработка циниатюрных детекторов ядерных излучений и критериев качества кристаллов синтетического алмаза, пригодных для изготовления чувствительных элементов таких детекторов.

Научная новизна.

Впервые при исследовании синтетического алмаза использован метод трековой ввторадаохрафии, который позволял установить, что примесь бора присутствует в кристаллах в значительном количестве даже в тех случаях, когда не производилось преднамеренное легирование Оором. Вор имеет зонально- векториальное распределение по оОгему и участвует в образовании центров излучательной рекомбинации.

Изучены спектральный состав и Кинетика катодолшинесцентного излучения синтетического алмаза. Показано, что спектр катодолшннесцевдии в видимой области не является елементарной полосой а состоит иэ нескольких индивидуальных составляодих полос, обусловленных разными центрами рекомбинации.

Определены параметры центров захвата и их влияние на перенос носителей варяда в алмазе. Показано, что квазшепрерывное распределение локализованных состояний по анерпш с е=0,3-1.2 эВ приводит к температурной зависимости енергии активации проводимости в интервале 300-500 К я имитирует прыжковый механизм едектролроводаости. Глубокие ловушки с

наиболее вероятной энергией активация Б=Э,3-3,6 вВ и сечением захвата —й —10 -6=10 -10 см являются центрами медленной рекомбинации. Увеличение

концентрации втих центров повывает фоточувствительность образцов синтетического алмаза.

Установлено, что аномальная температурная зависимость электропроводности а также возникновение состояния остаточной проводимости в синтетической алмазе, обусловлено наличием потенциальных рекомбинационных барьеров, возникающих в образцах синтетического алмаза вследствии неоднородного распределения щммесей и структурных дефектов в объеме.

Практическая ценность работы;

1. Научно-обоснованы критерии качества и способы отбора кристаллов синтетического алмаза, пригодных для изготовления детекторов регистрирующих ионизирующее излучение большой модности дозы 1011- 1012 Р/с.

2. Разработана конструкция и испытаны образцы миниатюрных токовых детекторов для регистрации импульсного у-излучения со следующими техни-

лемы применения алмаза в электронике", (Москва, 1992 г.). на семинаре "Алмаз:Физика и электроника",(Москва, 1992 г.), на Третьей Международной конференции по исследовании алмазов и технологий Гейдельберг. Германия, 1992г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 143 с. текста, 50 с. рисунков, 17 таблиц, библиографию из 210 наименований, всего 207 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость темы исследования, определена цель работы, сформулированы основные .научные положения, выносимые на защиту.

Глава первая содержит литературный обзор, в котором рассмотрено современное состояние исследований собственных и примесных дефектов в алмазе. Дан краткий анализ электронной и микроскопической структуры основных примесных дефектов, обусловленных примесью азота: центры А, В1, С и дополнительных дефектных центров, возникающих в результате взаимодействия основных примесных дефектов и собственных дефектов алмаза (вакансии, меиузельные атомы, дислокации). Показано, что присутствие в алмазе основных и дополнительных центров является взаимообусловленным и позволяет классифицировать алмазы по их физическим свойствам.

Синтетические алмазы имеют одинаковую с природными кристаллическую репетку, но отличаются от них по химическому и количественному составу примесей, типу дефектов, сбставу включений, кристалломорфологией, размерами. Показано, что примеси азота, никеля и бора оказывают определяющее влияние на физические свойства синтетического алмаза. Неконтролируемая в графите, примесь бора служит причиной появления полупроводниковых свойств у алмазов. Азот в парамагнитной форме оказывает преиму-1 дественное влияние на деформацию решетки синтетического алмаза.

Неоднородное распределением атомов примесей и других .типов дефектов а также сопутствующие ||м напряжения кристаллической рйвётки, приводят к большому разбросу значений подвижности для разных образцов. Показано, что кинетические явления в неупорядоченной кристаллической решетке весьма чувствительны к типу дефектов структуры, их концентрации и степени их локализации. '

На основании литературных данных делается вывод о необходимости комплексного исследования свойств синтетического алмаза 'о Целью выработки критериев качества кристаллов для использования иХ в качестве

ческими характеристиками :

- чувствительность, Кл/Р; 10'1^-10~11

- быстродействие нс( 0,5-0,9

3. Разработаны образцы люминесцентных детекторов со следувдими техническими характеристиками:

- чувствительность, Кл/Р; ю~1э-10~12

- быстродействие, но 0,4

- (эффективность по отношения к Cri, % • 1036

- спектральный диапазон свечения, m 400-600, 850-950

»

Основные положения, защищаемые в диосертации!

1. Различия в свойства* пирамид роста высокоомньц образцов синтетического алмаза обусловлены не только Избирательной адсорбцией ■ п^имедей азота и бора, но и главным образом соотношением их концентраций .„.степенью компенсации. Основная приыеоь взот в концентрации ИА<2т1019 на оказывает решающего воздействия на Кинетические параметры переноса носителей заряда и не определяет однозначно работу Детектора.в токов«! режиме.

2. Основная полоса катодолюганвсценции синтетического алмаза в бидимой области спектрального диапазона не является елемднт^рнда а йрёЦЙавля-ет собой оупперпозицию нескольких кошон^н? рвечейй^Т ■ обублобяейных" разными центрами рекомбинации.

3. В запрещенной зоне синтетического ялща^^сииеетвуёт квазинепрерывное распределение локализованных соотояшД'ПО анергии, обусловленное неоднородным распределением примесей и дефектов, что приводит к температурной зависимости энергии активации проводимости в интервале 300-500 К и имитирует прыкковый механизм проводимости.

4. Наличие потенциальных рекомбинациоиных барьеров, возникающих вследствие неоднородного распределения примесей И структурных дефектов в объеме образцов, приводит к-пространственному разделению неравновесных носителей заряда, -увеличению их времени кизни и обуславливает аномальную температурную зависимость влектропрово.цности а также возникновение

состояния 0ст8т0чн0(ггрр9в0дим0сти>

.Апробация работы. Основные результаты диссертяциогаюй работы докладывались на Втором Всесоюзном семинаре "Оптическая 'спе.:троскошм и ЭПР примесей и дефектов в алмвзе (г.Александров, 1987г.), на Бсесо-юзной ксференции "Перспективы применения ялмиэон в олектронике и олокт-ронной технике."(Москва, 1991г.), на четвертом межотраслевом семила,.«, "ЭлектронниП пярамзгаитний резонанс и оптическчя спекч ростпия дефтг-тов и примесей в алмазе."(Бишкек, 1ГЛг.), на Втсрсй ««{»¡решда "Пров-

чувствительных влементов детекторов ионизирующего излучения.

Вторая- глава содержит описания разработанных и использовании! й работе установок и стендов, технологические приемы изготовления образует Для исследовать. Излагается методика обработки експерялентальйых данных с использованием ЭВМ.

Примесный состав монокристаллов синтетического алмаза определялся по спектрам и* оптического поглощения. Для записи спектров использовались двухдуговые спектрофотометры8 Бреооп1-М80ИК область (4004000 см-1), Бреоог?1-М400 - видимая и УФ область (900-190 нм). Однородность распределения примеси азота по объему образцов ■ и в различны*" участках пирамид роста <111> и <100> изучалась на микроспектрофотометре МСФП-2. Диаметр спектрофотометрируемого участка 20 мкм. Для определения распределения примеси бора в Кристаллах синтетического алмаза впервые применен метод трековой авторадиографии. Работы выполнена при участии сотрудников Одесского госунивереитетя им.И.И.Мечникова и МИФИ (г.Москва).

Исследование катодолшинесценции синтетического"алмаза в видимой области спектра (300-600 ям) проводились на установке, созданной в лаборатории кристаллофизичесютх исследований'ИСМ"НАН Укртош яа базе растрового електронного микроскопа "Камейакс". Установка позволяет получать спектры КЛ для локальных участков! иоеяедуеМого образца г минимальный диаметр области возбуадения ■ 1 ¿огчваг'прг еяерггог электронов Е=10 кеВ и токе електронного пучка ]>9-Ю'^А.

Влияние высокотемпературного отжига ЯОО-1бОО°С яа КЛ в видимой я ближней ИК -области спектра исследовалось совместно с сотрудниками кафедры физики полупроводников'Белорусского госукиверситега (г.Минск).

Изучение кинетических параметров затухания котодолюминвсцвншш в синтетическом алмазе било проведено совместно о лабораторией кинетики неравновесных процессов Института физики АН Латвии (г.Рига).

Измерения чувствительности и временного разрешения лхшнесцентных и токовых детекторов-выполнены в НИИ Импульсной техники (г.Москва).

Для изучения спектра локальных состояний в работе использовались методы оптической и- фотоэлектрической спектроскопии, в также метод тер-юетимулироввнной деполяризации (ТСД) и температурной зависимости электропроводности. Электропроводность и токи ТСД измерялись по 3-х электродной схеме с помощью электрометров В7-29 и В7-42

(Г*10~21о~15А> в диапазоно температур Т-30О-7СО К и напряжений ИО-^ООВ.

При обработке экспериментальных сгькгров ТСД использовалось положение, разработанное Симмонсом и ГеЯло{я.м (1], согласно которсму .гри слабом повторном захвате выражение для тока рязрядки продстегштет со~

Сой сумму алемелтарша токов разрядки от дискретных уровней ловушек.

, Е í В -,

3(®)= ¿сЛКЕ.^Ы^ехрЬ--^ - ] <!Е (1)

Для определения параметров элементарных релаксаторов (оперши активации, частотного фактора) производилось разложение сложных экспериментальных спектров ТСД методом дифференциальных моментов на элементарные полосы (компоненты), описываемые Гауссовыми и Лоренцовыыи функциями, и определялись параметры каадой полосы: максимальное значение амплитуды, положения максимума, полуширины. Критерием правильности разложения спектра на елементарпые составляющие является требование максимальной точности разложения как контуров, так и их второй производной.

Величина энергии активации элементарного релаксатора определялась По методу, предложенному Лущиком: , I

Е = кГ2 У»- , (2)

ь п Ь и

где I' - температурная максимума! I - интенсивность в максимуме;

о - п

Ьи - площадь под кривой термостшулированного тока.

Частотный фактор определялся по формуле .

Е @ В

V жО)

- 01

где р - скорость линейного нвгрева образца, с учетом того, что для алмаза, у которого в основном присутствуют глубокие ловушки Е. »ИТ ,

V. Ш

порядок кинетики релаксации слабо влияет на величину Гэ. Распределение ловушек по анергии для мадоизменяицегося йначения частотного фактора определялось из температурной зависимости енергии активации.

««> - * - (4)

1 1Г1Е)

Для проверки правильности полученных результатов, применялся метод частичной термоочистки. В этом случае анергия активации Е определялась по методу Гарлика-Гибсоиа. Для случая невзаимосвязанных механизмов релаксации заряда оба метода дают близкие результаты.

В третьей главе изложены результаты изучения распределения оптически и влектричвска активных центров в алмазных пластинах, определено их влияние на электрофизические и люминесцентные свойства алмаза.

В разделе 3.1 представлены результаты исследования распределения примесей по объему кристалла. Методом трековой авторадиографии установлено наличие в кристалла! примеси бора дьмо в тех случаях, когда при

синтеае алмазе не проводится преднамеренное лвгированяе бором. Распределение примеси бора имеет зопально-секториальннй характер и коррелирует с зонально-секториальнш распределением интенсивности рекомбпвациок-ного излучения, фиксируемым На КЛ топограммах образцов синтетического алмаза. Это предполагает участие боря в образовании центров излучатель-пой рекомбинации. Установлено, что в большинстве иоследоватшх кристаллов в пирамида! роста граней куба <100> концентрация боря в несколько раз выше, чем в пирамидах роста граней октаэдра <1.11>. Примесь азота . по данным спектрофотометрирования отдельных участков алмаза, тояе имеет неоднородное распределение! в участках, соответствующих пирамидам нарастания граней (100), содержание азота в С-центрэдов 1,5г2 раза выше, чем в пирсмздвх <111>. Данине детальных намерений ■электропроводности различных пирамид роста и отдельных ¿он показывают,' что пирамиды

роста граней куба <100> являются диалектрика&вг даже в тем -случае, ког-

?п -ч >

да содержание примеси бора в них достигает 10ат.-см и па порядок выше, чем в пирамидах роста <111>, обладай®«-полупроводниковым свойства™. В пределах одной пирамида роста раепрэлмзйзк»-' бора, пнтенсивнос-сти люминесценции и величина электросопротивления коррелируют меяду собой. Следовательно, различия в свойствах пирамид роста <111> и <100> обусловлены не только избирэтельиоЙ-'адсорбцяеЗ примесей азота и бора, но и соотношением их концентраций г-стеяс-ямо компенсации.

Следовательно, для синтетического алмаза концентрация азота, определяемая методом ЭПР,■Соответствует"не"общему содержанию примеси, а только нейтральным атомам-.апота, ■ нескомпенсировяшшм бором.

МС=М1)-МА=11'П1135'' 1 ГДЭ ^5)

• Нр - полная концентрация-примеси азота; Мд -концентрация примеси бора.

Результаты изучения- спектрального состава КЛ-свечения синтетического алмаза, представлены в разделе 3.2, Показано, что положение максимума основной' полосы люминесценции зависит от типа облучаемой грани и определяется ее примесным составом. Так, для образцов, вырезанных из пирамид-роста <100> кристаллов системы Ш-Мп-С, максимум полосы лхмине-сценции находится в области 525±10 нм, ширина полосы равна 110 нм. В спектрах" люминесценции пластин, вырезанных из пирамид роста <111>, максимум полосы находится при длине волны ^тах~550»10 тг (шгрина полосы составляет 150-180 нм). Исследование спектрального распределения люминесценции кристаллов, полученных в разных ростовых системах (методом спонтанного синтеза в системах Ш-Яп-С и методом темп-.;«з-турного градиента в системах Ш-Со-Ре-С и ГИ-Г'Э-С о у.^лич'шннм гг;о-центннм содержанием никеля), позволяет связать сдвиг максимума полосы

свечения в длинноволновую область, характерный для пирамиды роста <111>, о присутствием примеси никеля.

Анализ спектров КЛ полученных с различит зон размером 1-3 мкм в пирамидах роста граней f 111} И (100} показал, что в видимой области спектрального диапазона основная полоса свечения представляет собой супперпозицшо нескольких компонент, обусловленных разными центраш из-лучательной рекомбинации. Это было подтверждено исследованием влияния высокотемпературного отжига (Т=800-1600°С) на спектральные характеристики KJI (рис.1). Характер изменения спектра КЛ с увеличением температуры оцшга для граней {111} и (100) различный и связан с отличием при-иесно-дефектного состава этих Пирамид роста. Для грани {111} в процессе откига наблюдается заметное уменьшение интенсивности свечения в длинноволновой части спектрального диапазона, максимум основной полосы КЛ сдвигается в коротковолновую область 520-530 нм. Происходит уменьшение интенсивности КЛ центра 684 нм.

Для грани {100}, начиная с Т-1000°С на кривой интенсивности свечения можно выделить три спектральных диапазона Х<500 нм, 500<Х<575 нм

. Рис.1.Изменение спектрального состава катодолюминесценции в процессе высокотемпературного отжига, спонтанная кристаллизация, система М-Мп-С, Т=77 К. 1- Т =Э00°С, 2- Тотж =1000°С,.

6 - неотточенный образец.

и Х>575 им, в которых характер изменения люминесценции с увеличением температуры отжига различается. Спектральный диапазон 400-500 им совпадает с положением основной полосы КЛ природных алмазов (¿-полоса), для которой основным механизмом рекомбинационного свечения, согласно даным Соболева, являются внутрицентровда переходы на В1 дефекте, представляющим собой котлекси вакансий, стабилизированные атомом примесного азота. Такой механизм может бить приемлем и для синтетического алмаза. При высокотемпературном откиге Т>1000°С в результата того, что диспергированные приме си металлов коагулируют и дафундируют из решетки с образованием дополнительных вакансий, происходит перестройка примесно-дефектиой структура алмаза, в результате становится возможной кластеризация вакансий. Увеличенное содержание парамагшгнюго азота в пирамидах <100>, способствует образованию оптически активных дефектов типа В1, о чем свидетельствует проявление полоса 400-500 нм, которая более четко выражена для пирамиды <100>, чем для пирамиды роста <111>. С увеличением тешюратуры огтага, возрастает также вероятность обмена местами в решетке меадуузельного атома углерода с замещающими атомами пршоси, что приводит к образованию новых и трансформации существующих дефектов, о чем свидетельствует непрерывный рост интенсивности свечения центра

575 нм , а такие проявление при Т„„,ш =1200°С центра НЗ с ЕМ 503,2 нм

отж«

и последующий отжиг его при Тотж=1б00°С.

В спектральном диапазоне 500<1<575 нм, при начальном уменьшении интенсивности свечения при Т ,„-800°С, с ловшюяием температуры отжига

012» ш

происходит восстановление оптзпбеки-активкых центров, и, соответственно, рост интенсивности свечения в полосе о максимумом при \i520 нм. Существование в исследованных кристаллах взаимосвязи мезду интенсивностью основной полосы КЛ в различных зонах и пирамидах роста и концентрацией примеси бора в втих участках, определенной по авторадиограммам, свидетельствует, что рекомбинация на донорно-акцепторных парах с участием азота и бора является одной из составит частей излучения, что согласуется с донорно-акцепторным механизмом рекомбинации в алмаз6.

Исследование кинетики затухания катодсшшинесценции в синтетическом алмазе подтвердили наличие нескольких рекомбинащюнных процессов. В спектрах КЛ синтетических алмазов в видимой области спектра в диапазоне времен доминирует широкая полоса с максимумом при 1 = 400 нм и имеет время затухания т=400 пс. Время катухання не зависит от температуры в интервале 77-300 К. В длинноволноьсй части полосы при 1]Г1ах= 510 нм выделена более инерционная составляющая с временем затухания люминесценции г^ЮО не. Составляющая с г=--100 не наблюдается во всем исследованном диапазоне температур 77-300 К. КЛ полоса системы

084 им, обусловленная рекомбинацией на оптически активном центре в состав которого входят атом никеля, таете является невлементарной. Спектр свечения состоит из двух компонент: медленной -с затуханием Тк10~ с л быстрой с т*0,4 но. интенсивность и спектральный состав свечения обеих составляющих одинаковы.

Для синтетических алмазов, легированных бором в процессе синтеза, в УФ-облаоти наблюдается инерционная составляющая о временем затухания более 100 но. Максимум свечения находится при 330 нм. Спектр быстроза-

_Q

тужащей люминесценции о t<10 с такой же, как и у синтетических олма-

РО

зов с содержанием взота до 10 см , выращенных в системе Ni-Mn-O. При температуре ниже 100 К выделяется инерционная полоса с максимумом г(ри Х«580 нм и t>100 но. При комнатной температуре ета полоса отсутствует. Чэ совокупности полученных данных следует, что бистроэатухощ я я лгоми-несценцня с максимумом 400 нм и t=400 не обусловлена собственным дефектом непримеояого происхождения, который является общим для всех исследованных типов алмазов.

Исследование процессов переноса носителей заряда Р высокоомных синтетических алмазах, рвэработка на основе алмаза чувствительных элементов различных электронных устройств, требует решения вопроса создания качественного электрического контакта к синтетическому алмазу, обеспечивающего необходимые рекимн прохождения тока в образце. Проведенные исследованя электрофизических свойств контактов (раздел 3.3), позволили установить, что свойства контактной зоны определяются как процессами, протекающими ггри формировании плетет металла на поверхности кристалла, так и энергетической структурой и концентрацией уровней в запрещенной зоне алмаза устанавливающейся при его росте. Использование в качестве электродов карбидообразующих металлов (Т1Л'а,Сг) позволяет получать "квазиомический" режим работы контакта в широком интерва-

р '1

ло нвпрякенностей электрических полей (10 + 5•10) В/см, при этом обеспечивается высокья стабильность и механическая прочность контакта.

Квазинепрерышое распределение локализованных состояний в запрещенной зоне алмаза приводит к образованию потенциального барьера на контакте. Облучение высоковнергетичным ионизирующим облучением (электроны F-4 МвР, Д-1015см"2 и у-кванты Е=1,02 МэВ, Д-105-108 Р) приводит к компенсации существовавших электрически-активных дефектов энергетическими уровнями радиационных дефектов, что позволяет получать омические контакты к высокосмшм образцом синтетического алмаза в широком интер-

n А

вале нгпряхенностей электрических полей F-10е-10 В/см.

Ill») исследовании оптического поглощения и фотовлектрических свойств синтетического алмаза {рпздел 3.4) было установлено, что неоднородность

распределения щяшзеных и структурных дефектов, а также сопутствующая им неоднородность внутренних напряаений в кристаллической решетке, приводит к дополнительному поглощений в области 1<400 им. Для наиболее однородных образцов спектральное распределение фототока соответствует спектру оптического поглощения в видимом и УФ спектральном диапазоне. В спектре поглощения таких образцов в УФ области проявляется широкая полоса о максимумом 1=270 ни (длинноволновый край «300 нм). В спектральном распределении фототока при этих длинах вопа присутствует полоса о краем Х=300нм (4.1 вВ). Проявление ее в спектре фотопроводимости связывается с фотсиониэацией центров медленной рекомбинации (г-центрц) и свидетельствует о низкой концентрации центров быстрой рекомбшшдои (а-центры), т.е. , а сл слова те льно, о высокой фоточувствлтелыюс-

г о

ти образца в области собственного поглощения. Если в образце присутст-ует значительное количество центров быстрой рекомбияацИ (Н3* Нр), то ата полоса проявляется в тушении фототока.

Присутствие в образцах синтетического алмаза глубоких центров медленной рекомбинации при низкой концентрации рекомбинирующих носителей обуславливает большие времена релаксации фототока, как при включении, так и выключении фотовозбувдения. К значительному увеличению времена жизни носителей заряда также приводит пространственное разделение неравновесных носителей на коллективных потенциальных барьерах, связанных с разними неоднородностями в кристаллической решетке. Это проявляется в наличии состояния остаточной проводимости, которое было експе-рименталыю зафиксировано в образцах синтетического алмаза.

Исследование температурной зависимости электропроводности синтетического алмаза (раздел 3.5) показало, что процессы переноса носителей заряда характеризуются рядом особенностей. Так для большинства образцов электропроводность имеет активационный характер с постоянной анергией акгиващш только в области высоких температур Т*550 К. При более низких температурах Т*550 К для значительной части образцов анергия активации уменьшается с уменьшением тешерагури. Обработка экспериментальных дынных показала, что в этом случае температурная зависимость электропроводности определяется соотношением:

и КТо/®)"2 (6),

где То - константа, ах- принимает значения 1/2 а области температур 450-550 К и 1/4 - при температурах 300-450 К. Показано, что такой характер температурной зависимости может соответствовать проводимости носителей заряда по нелокализовашшм состояниям для случая, когда енер-гетичвекое распределение локализевшпшх состояний, действующих как во-

вушки для е.чектронов, описывается распределением Гаусса.

Среди исследованных образцов особой группой выделяются образцы, для которых в диапазоне температур 300-500 К наблюдается аномальная зависимость равновесной проводимости сг(Т), зашпочещаяся в наличии im кривой О (Т)" максимума или, соответственно, участка уменьшения проводимости с ростом температура. Для таких образцов, в области температур, где Наблюдается аномальная зависимость о(Т-1), величина »лектропррвод-ности зависит от напряженности электрического поля с зависящим от поля потенциалом ионизации. При более высоких температурах ее значение остается постоянным! при температуре Т«550 К вое кривые lgff(T~1) сходятся в точку независимо от приложенного поля. Обработка результатов показала, что окспериментаяьше точки полевой зависимости влектропроводнос-ти спрямляются в координатах lga-fU-E2''3). Согласно [2], подобная зависимость обусловлена взаимодействием локализованного носителя заряда о екрапированнши кулоновскимй ловушками. Большой радиус экранирования (Го«3 нм) характеризует дефект как крупномасштабную флуктуацию потенциала, близкую по размеру к многочастичным дефектам в алмазе.

Для всех образцов с аномальной зависимостью <7(Т) при измерении фотопроводимости, наблюдается состояние остаточной проводимости. Следовательно, причины, обуславливающие состояние остаточной проводимости,' являются общими и для случая аномальной зависимости электропроводности. В реальных кристаллах синтетического алмаза содержание примесей и степень компенсации могут изменяться от точки к точке кристалла и из-за отсутствия экранирования (при низкой концентрации носителей заряда ), приводить к созданию потенциального рельефа. Следствием существования такого крупномасштабного рельефа Потенциала является пространственное разделение неравновесных носителей влектрическими полями неод-нородностей и возникновение рекомбинациошшх барьеров.

Результаты исследования спектра ловушек методом термодеполяризации (ТСД) представлены в разделе 3.6. Показано, что в синтетическом алмазе в основном заполняются две группы ЦЗ: - первач проявляется в виде интенсивного максимума при температуре Та 500-540 К, вторая - при температуре Т»610-620 К. При поляризации в слабом электрическом поле с одновременным освещением светом из видимого или УФ спектрального диапазона, токи ТСД имеют направление обратное токам поляризации практически для всех исследованных образцов. На графике ото соответствует отрицательным значьчшям измеренных токов (см. рис.2, кригше 1,2.). Качественный анализ полуширины полученных крипт ТСД (б' >д"), а также тот 'JfiKT, что спектры токов тецдостимулированной проводимости ив имеют максимумов, а нябледяетея црпр^рлггшй рост тока с увеличением темпера-

тури, дает основание предположить что реализуется бимолекулярный механизм рекомбинации свободных носителей захвата при слабом повторном прилипании.

При поляризации образцов в сильном электрическом поле ЕаЮ* В/см за счет инжекщш неравновесных носителей из контакта, для значительной части образцов в области высокотемпературного максимума набвдается инверсия неправления токов ТСД (рис.2.кривые 3). Она обусловлена перезарядкой ЦЗ, что приводит к изменению степени компенсации ловушек в компенсированных полупроводниках при сильном повторном прилипании. Согласно 13), такой механизм инверсии тока ТСД монет быть приемлен к полупроводникам с многократно заряженными примесями. Сравнение кривых ТСД в случае фотоэлектретного и термо- .

влектретпого состояния (рис.2) подтверждает, что в синтетическом алмазе возможно одновременное образование гоыо- и ге-терозарядов за счет накопления носителей заряда на пространственно и энергетически разделенных уровнях ловушек.

Анализ спектров ТСД образцов синтетического алмаза показал: -в запрещенной зоне синтетического алмаза существует квазинепрерывное распределение ЦЗ носителей заряда по энергии. Мелкие ловушки с энергией Е=0,3+1,2 эВ имеют непрерывное энергетическое распределение, обусловленное кристаллохимической неупорядоченностью решетки синтетического алмаза, и являются, преимущественно, ЦЗ электронов. Более глубокие ловушки квазидискрет-ны и подчиняются Гауссовому распределению по энергии: - ЦЗ с наиболее вероятной энергией активации Е*1,7-2.0 эВ (сечение захвата 5=10~13-10-15см~2) являются центрами быстрой рекомбинации, на которые мо-

400 6£)0

тоюшратура. н

,50

-¿а

сп' 6 I 1

/ V,

м > и

в 2

температура, к

Рис.1.Спектры ТСД при разных способах поляризации образцов СП14(а). СП1б(б). 1-Тп=300К, Еп=1,5кВ/смД=5РОш» ленной рекомбинации на которые захватыва- 2-Тп=ЗООК, Еп=1,5кВ/см,Х=220йм ются дырки. Увеличение концентрации этих 3~Тп=700К, Еп=15 кВ/см

гут,,захватываться как электроны, так и дырки; -ЦЗ с наиболее вероятной анергией активации Е=3,3-3.6эВ и сечением захвата являются центрами мед-

8=10®-10 10см~2

центров повышает фоточувствительность образцов синтетического алмазе, -дефекты структуры кристаллической решетки алмаза, в частности, вакансии, возникшие в процессе роете кристалла, либо при облучении вы-соноэнергетячным ионизирующим облучением (электроны, у-кванты), создают в запрещенной зоне уровни, компенсирующие Глубокие центры медленной рекомбинации. Нарушение степени компенсации в процессе термовыо-вечивания носителей с центров медленной рекомбинации, приводит к йн- -версии тока ТСД.

В четвертой главе рассмотрены критерии оценки качества кристаллов синтетического алмаза, пригодных для изготовления чувствительных элементов детекторов ионизирующего излучения * конструкции детекторов и их характеристики. Показано, что в качестве критериев оценки должны выступать кристаллофизические характеристики (совершенство огранки, габитус, окраока кристаллов), не имеющих строгого количественного значения, и комплекс электрофизических, оптических, люминесцентных характеристик, контроль которых производится инструментально.

1. Для изготовления всех типов детекторов необходимо использовать хорошо образованные кристаллы с плоскими гранями и ровными ребрами, прозрачные, имеющие светло-желтую окраску без видимой секториалыгасти и зональности. Допускается присутствие мелкодисперсных включений, если их оуммарная площадь не превышает 2% наибольшей площади проекции кристалла.

2. Для Обеспечения широкой спектральной облает регистрации люминесцентных детекторов 380-700 им, 800-1000 нм необходимо использовать чувствительные элементы, изготовленные из пирамид нарастания граней {111} монокристаллов синтетического алмаза, синтезированных с добавлением в ростовую систему никеля!

3. Для спектроскопии короткоимпульсного излучения необходимо'вести регистрацию в области положения максимума Оыстрозатухающей компоненты? 380-400 им - видимая область и 850-950нм - ближняя ИИ-область.

4. Содержание примеси азота в пластинах синтетического алмаза должно быть достаточным для компенсации неконтролируемой примеси боса и уменьшения токов утечки. Для изготовления чувствительных елементов детекторов пригодны пластины о содержанием парамагнитного азота в пределах (0.5-2) •1019см~Э. Токи утечки при напряжении 1!-±500 Б не должны превышать 1»10~10А*

5.Азот в концентрациях N < 2- не оказывает определяющее влияние на чувствительность и временное разрешение токовых детекторов. Для обеспечения чувствительности токового детектора необходимо накопление Положительного объемного заряда на центрах медленной рекомбинации с

вВ, при втом должно гмтюлнятсй условие слабого начального.

заполнения центров медленной рекомбинации, что проявляется в спектрах ХОД наличием токов термодецоляризации только обратной полярности.

Используя результаты экспериментальных исследований, разработаны конструкции токовых и люминесцентных детекторов с чувствительными еле-ивнтвии из синтетического алмаза. Показана возможность использования малогййаригного дозиметра на синтетическом алмазе при больших мощностях доз (1012Р/с). Чувствительность дозиметров находится в интервале 2>10"131Сл/Р * 1- 10"11КлУР, временное разрешение не хуже 0,9 но.

Показана принципиальная возможность регистрации мощных импульсов 7-излучения с помощью системы алмазных люминесцентных преобразователей в составе измерительного канала "алмаз-волоконнооптический кабель-фотоэлектронный приемник". Временное разрешение с ВОЛС длиной 500 м не хуже 10- не.

Продемонстрирована работоспособность токовых детекторов на основе синтетического алмаза при регистрации ренгеновокого излучения. Чувствительность к рентгеновскому излучению в стационарном режиме составляет 10"®-10_'а-с/Р при дозе облучения 1,2 Р/с.

Основные результаты и выводы.

1. Установлено, что примесь бора присутствует в кристаллах в значительном количестве даже в тех случаях, когда не производилось преднамеренное легирование,Сором. Вор имеет зонально-секториальное распределение по объему и участвует в образовании центров излучаТельной рекомбинации. Показано.что различия в свойствах пирамид роста <111> высокоомных образцов синтетического алмаза обусловлены не только избирательной адсорбцией примесей азота и бора, но и главным образом соотношением их концентраций: степень» компенсации.

2. Показано, что спектр катодолюминесценции в видимой области не является елементарной полосой а представляет собой супперпоэицию нескольких компонент, обусловленных разными центрами рексмбинвциснными:

- рекомбинацией на донорно-акцепторных парах азот-бор, с максимумом свечения при 520±10 нм и временем затухания т=100 нс{ -рекомбинацией на собственных дефектах (комплексы вакансий) о максимумом при 400 нм и временем затухания т=0.4 во;

- рекомбинацией на оптически активных центрах, связанных с диспергированной примесью никеля, время затухания втого процесса ию^о. Регистрируемая в ближней ИК-области спектра, катодолюминесцентная полоса системы 834 нм состоит из двух компонент затухания: медленной- с временем затухания Т=10^с и быстрой с Г=0,4 не. Интенсивность и спектральный состав свечения обеих составляющих одинаковы.

3. Определены парам бэгры центров захвата носителей заряда в синтетическом алмазе. Мелкие ловушки о анергией Е=0,3+1,2 вВ имеют практически непрерывное внергетическое распределение, обусловленное кристаллохимии о ской неупорядоченностью решетки синтетического алмаза, и являются, преимущественно, центрами захвата электронов. Их наличие приводит к температурной зависимости онергии активации проводимости в интервале 300-500 К и имитирует прыкковый механизм электропроводности.

Более глубокие ловушки квазидискретны и подчиняются Гауссовому распределению по энергии: -центры захвата с наиболее вероятной внерги-ой активации Е* 1,7-2.0 еВ (сечение захвате 5=Ю~1^-10~13см~2) являются центрами быстрой рекомбинации (в-центры), на которые могут захватываться как электроны, так и дырки} -центры захвата с наиболее вероятной

о — 10 —О

энергией активации Е=3,3-3,6 еВ И сечением захвате 5=10 -10 см являются центрами медленной рекомбинация (г-цеитры), на которые захватываются дырки.

4. Установлено, что аномальная температурная зависимость электропроводности а также возникновение состояния остаточной Проводимости в синтетическом алмазе, обусловлено наличием потенциальных рекомбинацион-яых барьеров, возникающих в образцах синтетического алмаза вследствии не<?днородаого распределения примесей и структурных дефектов в объеме. 5» Конкретные условия синтеза формируют определенную примеснодефект-ную атмосферу кристаллов, в которой основная примесь азот в концентра-цйИ N^2-10 не определяет однозначно работу детектора в токовом режиме. Анализ результатов исследования структуры и свойств синтетического алмаза позволил выработать критерии качества кристаллов, пригодных для изготовления чувствительных элементов детекторов.

6. Разработаны конструкции чувствительных элементов на основе синтетического алмаза для регистрации мощного импульсного излучения с высоким быстродействием Т<0,5 но с использованием: -регистрации изменения равновесной проводимости при воздействии ионизирующего излучения¡-регистрации люминесцентного излучения 'алмаза при воздействии ионизирующего излучения.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах?

1. Л.А.Романко, Термостимулированные токи в синтетическом алмазе.// Сб.н.т. "Получешш, свойства и применение сверхтвердых материалов", ИСМ, 1989, ст.7-10.

2. Л.А.Ромшко, А.Г.Гонтарь, Влияние энергетического положения центров рвхватв на инжектируйте свойства контактов в синтетическом алмазе.//

Синтетические алмазы, 1991, И1, ст.6-10.

3. Э.Д.Алукер, В.В.Гаврилов, А.Г.Гонтарь, Л.А.Романко, Д.П.Эрто, Быст-розатухахкцая лхминесцентная спектроскопия приходного и синтетического алмаза.// Электронный парамагнитный резонанс и оптическая спектроскопия дефектов и примесей в алмазе. Тез.докл.4 меаотраслевого семинара-Еишкек, 1991, ст.6-8.

4. А.Г.Гонтарь, Л.А.Романко, В.Н.Ткач, Микроспектрометричеекие исследования монокристаллов синтетического алмаза.//Электронный иарамвгват-ный резонанс и оптическая спектроскопия дефектов и примесей в алмазе. Тез.докл.4 нелотр-;елевого семинара, Бишкек, 1991, ст. 12-14.

5. А.Г.Гонтарь,Б.Г.Малоголовец,Л'.А.Романко,М,А.Бублик,Н.И.Терентьев, О влиянии азота на рентгеночувствитедьностъ синтетического алмаза. // Электронный парамагнитный резонанс и оптическая спектроскопия дефектов и примесей в алмаз. Тез.докл.4 межотраслевого семинара, Бишкек, 1991, ст.23- 25.

6. А.Г.Гонтарь,-А.Е.Корниенко, А.М.Куцяй, Л.А.Романко, В.Н.Ткач, Бор в синтетическом алмазе.//Проблемы применения алмаза в электронике. Тез.докл.2 конференции, Москва 1992,ст.41-42.

7. Л.А.Романко, А.Г.Гонтарь, К использований, синтетического алмаза в качестве детектора ионизирующего излучения.//В кн.Алмаз: Физика и электроника.- 1992, в.1, ст.7-19.

8. A.S.Vishnevs!{y, A.G.Contar, L.A.Romanko, Т.I.Zelentsova, I.У.Ratlin, Use of track autography in crystal and the physical study of synthetic diamond monocrystals./Zfiucl.(Tracks Иеаз,-1992,v.20,N2,p.309-313.

9. b.A.Rcmanko, A.G.Contar, Synthetio diamond-based dstelitor of ionized radiation.//Diamond and Related Uatirial3, 1994, 3, 259-263. ,

ЛИТЕРАТУРА.

1. Simmons J.G., Taylor U.W., Tarn Ы.О. 'Thermally Stimylated Currents . in Semicondaotors and Insulators Having Arbitrary Trap Distributions //Phye.Rev.:B-1973. V.7.H8, p.3714-3719.

2. Квасков В.Б., Федосеев Ю.В..Буховец В.Л. Электрофизические свойства поликластерних пленок алмаза.//СО.Перспективы применения алмазов в

электронике и электронной технике.М.:9нергоатомиздат,-1991,о.45.

3. Бардовский В.А.. Еордовокий Г.А., Извозчиков Г.А. 0 механизме инверсии тона термодеполяриэации фстоолектретного состояния, обусловленное изменением степени компенсации ловушек. // В сб. Электреты и их применение.-1978.-в.3 -с.23-25.