Диссертация (1090210), страница 11
Текст из файла (страница 11)
В ООО«ПТЦ «УралАлмазИнвест» экспериментально установлено, что кристаллы ал-маза 2а типа толщиной больше 200 мкм полностью поглощают УФ−излучениена длине волны λ ≤ 224 нм. Будем считать, что коэффициент поглощения алмаза за краем области фундаментального поглощения по порядку величины такойже, как и у кремния – α ≅ 103−104 см−1. Что наиболее вероятно, поскольку ихзонные структуры (рисунок 1.3) похожи. Однако у алмаза гораздо больше концентрация атомов в решетке (рисунок 1.1), чем у кремния (NSi = 5×1022 см−3) ,поэтому коэффициент поглощения у алмаза должен быть даже выше.
В этомслучае поглощение света будет происходить в узком приповерхностном слоеалмаза толщиной 1−10 мкм.Рассмотрим, какие носители обуславливают вид ВАХ на рисунке 2.7[69,70]. В «прямой» ветви ток обусловлен дрейфом электронов от освещаемойверхней области (рисунок 2.4) к нижней через весь объем кристалла. Видно, чтос увеличением напряжения, ВАХ начинает выходить на насыщение, вследствиетого, что дрейфовая скорость электронов в сильном электрическом поле насыщается. Для образца № 008 толщиной 430 мкм при приложенном напряжениисмещения 200 В поле составляет величину 4,7×103 В/см, что на порядок нижевеличины поля, насыщающей дрейфовую скорость электронов [25].При приложении внешнего смещения в обратном направлении фототокопределяется дырками, дрейфующими от освещенной верхней области к нижней.
Это дырочный ток гораздо меньше и, практически, совпадает с темновым68током. Такое различие токов в прямом и обратном направлении, по-видимому,свидетельствует о том, что хотя в области генерации электроны и дырки рождаются парами, но «выживают» в основном электроны, а дырки активно рекомбинируют на глубоких донорных азотных центрах, в большом количествеимеющихся в природном алмазе [25].Отметим, что практически все падение внешнего напряжения происходитв нейтральной области кристалла.При смене направления внешнего поля на «обратное», ток складывается издвух компонент: − дырок, поступающих из области генерации в нейтральнуюобласть, и электронов, текущих из нейтральной (темновой) области к освещаемому контакту из платины.
Из вида ВАХ (рисунок 2.7) следует, что концентрация данных носителей гораздо меньше концентрации генерируемых светом«основных» электронов.2.4.3 Измерение напряжения фотосигнала, напряжения шума и порогачувствительности АОФДСхема и порядок измерения напряжения фотосигнала, напряжения шума ипорога чувствительности АОФД приведена в приложении А.Результаты расчета порога чувствительности (в виде ФП 1 ± ε Фп1 ) для АОФД№№001-008 приведены в таблице 2.2.2.4.4 Измерение динамического диапазона АОФДСхема и порядок измерения напряжения фотосигнала, напряжения шума ипорога чувствительности АОФД приведена в приложении А.Результаты расчета динамического диапазона (в виде Д ± ε Д ) АОФД№№001-008 приведены в таблице 2.2.2.4.5 Измерение постоянной времени АОФДСхема и порядок измерения напряжения фотосигнала, напряжения шума ипорога чувствительности АОФД приведена в приложении А.69Результаты измерений собственной постоянной времени (в виде τ ± ε τ )АОФД №№001-008 приведены в таблице 2.2.2.4.6 Зависимость формы спектральной характеристики АОФД отнапряжения смещения.У фоторезисторов на основе нелегированных кристаллов алмаза, имеющимбольшую толщину (300 − 400 мкм, см.
рисунок 2.4) порог чувствительностисильно зависит от напряженности электрического поля (напряжения смещения), тогда как планарные «тонкие» фоторезисторы в области полей E =103−104В/см имеют практически постоянный порог чувствительности. В области полейсвыше 104 В/см наступает насыщение дрейфовой скорости носителей, и порогчувствительности выходит на насыщение.Подтверждением этого является экспериментальная спектральная зависимость (рисунок 2.8) фототока фоторезистора № 008 (см. таблицу 2.2), от приложенного смещения [70-72].Как видно из рисунка 2.8, с ростом тянущего поля сигнал увеличивается.Смещение максимума спектральной чувствительности в коротковолновую область при увеличении напряжения смещения объясняется вытягиванием неравновесных носителей (электронов), генерированных более коротковолновым,сильно поглощаемым излучением вблизи поверхности со стороны освещаемогоPt-контакта (см.
рисунок 1.4), тогда как при низких полях эти носители за времяжизни (τ ~ 10−9 c) не успевают продрейфовать к противоположной стороне кристалла [69].Более длинноволновое излучение поглощается в объеме кристалла и частьносителей при более низких полях успевают достигнуть вытягивающегоAl−электрода. Данный эксперимент дополнительно показывает, что вблизи об-ласти фундаментального поглощения алмаз имеет сильную зависимость коэффициента поглощения от длины волны УФ-излучения.70Рис.2.8 – Зависимость спектральной характеристики малоазотного (концентрация азота < 1018) алмаза от напряжения смещения. 1 – смещение 5В; 2 –смещение 10 В; 3 – смещение 15 В; 4 – смещение 30 В; 5 – смещение 50В;6 – смещение 100 В; 7 – смещение 150 В; 8 – смещение 200 В.Рис.2.9 – Зависимость спектральной характеристики «грязного» (концентрация азота ~ 1019) алмаза от напряжения смещения.
1 – смещение 5В;2 – смещение 10 В; 3 – смещение 15 В; 4 – смещение 30 В; 5 – смещение50В; 6 – смещение 100 В; 7 – смещение 150 В; 8 – смещение 200 В.В то же время, для более высокоазотных алмазов (образцы № 001, 003,006) наблюдается несколько другая зависимость фототока от напряжения сме-щения.71При высоких напряжениях смещения (свыше 100 В) начинает расти фоточувствительность обусловленная примесными центрами (B1 и B2). Это происходит потому что, коэффициент поглощения примесных центров намного ниже, чем у фундаментального края поглощения и электронно-дырочные парыгенерируются в глубине кристалла.
При повышении тянущего напряжения неравновесные носители вытягиваться из большей глубины кристалла.Но, в то же время, для высокоазотного кристалла мы не наблюдаем увеличения фоточувствительности в области длин волн короче 210 нм. Это связано, суменьшением времени жизни в таком кристалле, как для основных, так и длянеосновных носителей. Основные носители, сгенерированные в приповерхностном слое кристалла не успевают донести свой заряд до противоположногоэлектрода.2.5 Применение алмазных одноэлементных фотодетекторов для УФспектроскопииДля спектрометрической аппаратуры с расширением спектра регистрируемого излучения в УФ-область возникают новые требования к характеристикамполупроводниковых УФ-фотодетекторов, конструкционным и эксплуатационным характеристикам отдельных узлов и аппаратуры в целом.Функционирование фотоприемной и спектрометрической аппаратуры,анализирующей наличие и химический состав примесей в исследуемом объеме,связано с необходимостью использования шаговых двигателей и таких оптикомеханических и оптико-электронных узлов, как дифракционные решетки [73] имногоэлементные фотодетекторы [74].Все это негативно влияет на время, необходимое для измерений, их точность, а также на габариты и стоимость фото- и спектрометрического оборудования.
Кроме того, для фотоприемной аппаратуры на основе многоэлементныхфотодетекторов приходится решать проблемы с различного рода шумами и искажениями, связанные как с наличием множества отдельных фоточувствитель-72ных элементов (пикселей) и их разной чувствительностью, так и с перекрестнойзасветкой различных пикселей при падении излучения под углом [75,76].Изложенные проблемы спектральной аппаратуры можно решить с использованием одноэлементных фотодетекторов с варьируемой спектральной характеристикой фоточувствительности [69] и определенного математического аппарата.Фотодетектор ФПЯ-1 (рисунок 2.10) является самостоятельным прибором,который снабжен фоточувствительным элементом с электродами. Элемент установлен внутри герметичного металлокерамического корпуса таким образом,чтобы его рабочая область находилась напротив входного окна [33].Чувствительным элементом фотодетектора является алмазная пластинаразмером от 1.5х1.5 до 4.5х4.5 мм толщиной 0.3 ± 0.14 мм, которая монтируетсяв 16-выводной металлокерамический DIP-корпус 201.16-1 (см.
рисунок 2.10) свходным окном из кварца КУ1. Контактные площадки внешних выводов корпуса имеют никелевое покрытие, обеспечивающее получение надежных соединений методами различных видов сварки и пайки. Корпус унифицирован, чтопозволяет устанавливать его на платах в стандартные гнезда для микросхем.Рис.2.10 – Внешний вид УФ-фотодетектора ФПЯ-1.Конструкцию чувствительного элемента данного фотодетектора условноможно назвать «сэндвичной» благодаря технологии последовательного создания слоев металлов на верхней и нижней стороне алмазной пластины.
Полупрозрачный слой платины толщиной 5 нм на верхней пластине играет роль верхне-73го электрода и обладает достаточным пропусканием в спектральной областичувствительности УФ-фотодетектора. Алюминиевый слой толщиной 1 мкм нанижней стороне пластины играет роль нижнего электрода [33,72]. Нижнийэлектрод соединен с контактной площадкой корпуса, которая соединена с выводом корпуса, предназначенным для подачи напряжения смещения, а верхнийэлектрод соединен с выводом для выходного сигнала.
Соединения выполненыультразвуковой сваркой золотой проволокой. Активная зона чувствительногоэлемента занимает примерно 75…85% площади пластины.Спектральную чувствительность УФ-фотодетектора определяли по схеме,приведенной на рисунке 2.11. Осветительное устройство с лампой ДДС-30 (1)облучало УФ-излучением (2) входную щель монохроматора МДР-23 (3). Монохроматор МДР-23 (3) выделял из всего спектра излучения лампы монохроматическую составляющую (4) и подавал ее на алмазный фотодетектор (5). Фотосигнал (6) принимался на регистрирующем устройстве (7) при одном и том женапряжении смещения (8), которое, как и напряжение питания (9), подавалось сблока питания (10). Спектр УФ-излучения (4) при этом менялся от 190 до 280нм. Затем напряжение смещения (8) изменялось, и снова производилось измерение спектральной характеристики.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
