Диссертация (1090210), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Так, внедрены в производство в ООО «ПТЦ «УралАлмазИнвест» и серийно выпускаются одноэлементные алмазные детекторы ФРАО-1(ТУ 4437 – 002 – 11651143 – 2005) и ФДАО-1 (ТУ 4437 – 001 – 11651143 –2005), которые используются для изготовления фотоприёмных приборов новогопоколения.В частности, на основе датчика ФДАО-1 на ЗАО «Концерн «МОЙДОДЫР» была разработана система автоматического оперативного контроля качества воды, которая устанавливается на блочно-модульные установки по очисткесточных вод от нефтепродуктов.В АО «Конструкторское бюро приборостроения им. Академика А.Г. Шипунова» Фотоприёмного устройство УФ диапазона спектра на основе ФДАО-1использовалось в рамках НИР «ЗРПК – СМ» для обнаружения трассеров ракет.16Одноэлементный прибор ФПЯ-1 (прототип ФДАО-1) был установлен натехнологический наноспутник ТНС-0 №1 производства ФГУП «РНИИ КП», гдеуспешно проработал в качестве датчика солнечной ориентации в условиях реального космического полёта.Разработанные конструктивные и физико-технологические основы производства алмазных многоэлементных детекторов матричного и линейного типапозволяют серийно изготовлять эти детекторы и приборы на их основе.Так, многоэлементная матрица УФ ФП (ИЛУЮ.203319.007ТУ) серийновыпускается ООО «ПТЦ «УралАлмазИнвест» и вошла в перечень электроннойкомпонентной базы разрешённой для применения при разработке, модернизации, производстве и эксплуатации вооружения, военной и специальной техники(ЭКБ 08 – 2015).Полученные в работе экспериментальные данные по фотоэлектрическимхарактеристикам алмазных одноэлементных и многоэлементных фотоприёмников позволит широко внедрять их в таких актуальных областях науки, техникии технологии, как детектирование УФ излучения с целью обнаружения источников утечки электроэнергии, очагов возгорания, пусков боевых ракет и выстрелов из стволовой артиллерии.
Большой интерес представляет дозиметрияУФ излучения в медицине, в промышленных озонаторах и космических аппаратах.Защищаемые положения:1. Алмазные полупроводники, легированные бором имеют спектр поглощения согласованный с окнами прозрачности атмосферы, в частности пик 2,44мкм приходится на окно прозрачности 2 – 2,5мкм, а пики 3,57 и 4,07 на окнопрозрачности 3,5 – 4,2 мкм, и могут применяться для разработки гиперспектральных фоточувствительных устройств чувствительных как в УФ областиспектра, так и в среднем ИК.2. Технология производства кремниевых интегральных схем, после доработки её с учётом наличия индивидуальных номеров для каждой алмазной пластины и их различных габаритов, а также введением некоторых изменений учи-17тывающих природу алмаза (твёрдость, отсутствие нелетучего окисла, графитизацию) позволяет изготовлять элементы алмазной электроники.3.
С повышением напряжения смещения форма спектра фоточувствительности алмазного фотодиода меняется, причём у относительно чистых алмазов(концентрация азота < 1018) растёт фоточувствительность в области длин волнкороче 210 нм, а у более «грязных» (концентрация азота ~ 1019) начинает растифоточувствительность в районе 240-280 нм, обусловленная примесными центрами (B1 и B2), что делает невозможным создать датчик с диапазоном чувствительности от180 до 280 нм, путём легирования его азотом или подбора алмазной пластины по этому критерию.4. Возможность управления формой спектра фоточувствительности алмазного фотодетектора позволяет конструировать спектральные приборы, которые за счёт изменения аппаратной функции своей оптической системы могутраспознавать состав многокомпонентных смесей, используя одиночный детектор.5.
Для создания многоэлементных алмазных приёмников наиболее подходит «сэндвичевая» структура. Это когда детектирование УФ-излучения происходит в алмазных фотоприемниках, а обработка электрического сигнала (накопление, опрос) – в кремниевом кристалле. Электрическое соединение кристаллов осуществляется с помощью индиевых столбов, которые специально выращиваются на каждом (либо одном) кристалле.6.
Изготовленные в процессе работы одноэлементные и многоэлементныеалмазные фотоприёмники и результаты их исследования позволяют создаватьинформационно-измерительные приборы УФ диапазона спектра нового поколения.Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационнойработы докладывались на следующих конференциях и семинарах: XIX Международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборамночного видения (Москва, 2006, 2014), Mezinarodni vedecko-prakticka conference«Aktualni vymozenosti vedy» (Praha, 2011), The 21th annual International Confe-18rence on Advanced Laser Technologies ALT’13 (Budva, Montenegro, 2013), Российской конференции по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники «Фотоника» (г. Новосибирск, 2015г.), 3rd International School andConference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures «SaintPetersburg OPEN 2016» (г.
Санкт-Петербург, 2016г.), научных семинарах Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН, Иркутского, Новосибирского, Кишиневского, Одесского и Приднестровского университетов, Института Лазерной физики СО РАН и др.Публикации. Результаты диссертационной работы изложены в 30 публикациях (из них 20 в ведущих рецензируемых научных журналах, в которыхдолжны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук и патентах).Личный вклад автора.
Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично, либо при его определяющем участии. Постановка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно ссоавторами опубликованных работ. Экспериментальные результаты, их получение и обработка произведены совместно с соавторами, а их анализ и интерпретация проведены автором лично.
Принадлежность указанных научных результатов лично соискателю признана всеми соавторами.БлагодарностиАвтор выражает свою благодарность Митягину Александру Юрьевичу забольшую помощь в подготовке диссертации и осмыслении её результатов,Тришенкову Михаилу Алексеевичу за помощь в изначальной постановке задачи разработке концепции их решения, Концевому Юлию Абрамовичу за всемерную поддержку и помощь в работе.191 СВОЙСТВА АЛМАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВЛИЯЮЩИЕ НА ПАРАМЕТРЫФОТОДЕТЕКТОРОВ1.1 Кристаллическая структураКристаллическая решётка алмаза является кубической гранецентрированной, базис содержит два атома с координатами 000 и 1/4, 1/4, 1/4.Рис.
1.1 – Кристаллическая решётка алмаза. Показано тетраэдрическое окружение атомов углерода (а – постоянная решётки)Решетку алмаза можно представить в виде двух гранецентрированных решеток,совмещенных таким образом, что одна из них смещена на 1/4 пространственнойдиагонали.Кубическая элементарная ячейка содержит восемь атомов (рисунок 1.1)координационное число – четыре. Решётка алмаза не является плотноупакованной.
Относительный объем, занятый атомами составляет 0,31, т.е. примерно46% от максимального заполнения, свойственного плотной упаковкеВ табл. 1.1 представлены основные параметры структуры алмаза и его редкой разновидности лонсдейлита в сравнении с графитом [25,33].В решетке алмаза и производной от нее решетке цинковой обманки кристаллизуется большинство известных полупроводников; кремний, германий,арсенид галлия и др.20Таблица 1.1. Параметры структуры кубического, гексоганального алмаза играфита, а также его редкой разновидности лонсдейлита в сравнении с графитом.Кубический ал-ПараметрмазГексагональныйалмазГрафитграфитТип решеткиПространственная группаалмаз(лонсдейлит)вюртцит07h ; Fd3m4D 6h; P63 /mmc4D6HПостоянная решетки, нм0,357а = 0,252а = 0,246с = 0,412с = 0.6710,1420,152между слоямиРасстояние между ближайшими сосед ними0.154атомами, нмЭлектронная конфигурацияПлотность, г/см30,339sp3sp3sp33,5153,512,211.2 Зонная структура алмазаВ алмазе валентные электроны образуют направленные тетраэдрическиеsр3- орбитали.
Каждый атом углерода служит центром тетраэдра, в вершинахкоторого расположены ближайшие соседние атомы. Каждая из электронныхорбит вытянута вдоль одной из осей тетраэдра. Максимум энергии валентнойзоны для структуры алмаза находится в точке k = 0 (край валентной зоны) ЗонаБриллюена, т.е. наиболее компактный объем в пространстве волновых векторовс центром в точке k = 0, включающий в себя все неравнозначные значения k,для гранецентрированной кубической решетки алмаза имеет вид усечённогооктаэдра (рисунок 1.2).
Буквами обозначены основные элементы симметриикристалла, показаны основные кристаллографические направления. Например, ГХ отвечает кристаллографическому направлению <100>, Г-К – <110>, Г-L –<111> и т.д.21Рис. 1.2 – Зона Бриллюена алмаза. Буквами обозначены «точки симметрии», Г– центр зоны (k = 0)Максимуму энергии валентных электронов отвечает точка Г25′ (потолоквалентной зоны), минимуму – точка Г1 (дно валентной зоны) (рисунок 1.3).Ширина валентной зоны Г1 - Г25′ по наиболее надежным данным около 23 эВ.Минимуму энергии электронов в возбужденном состоянии, т.
е. дну зоны проводимости отвечает точка ∆1.Рис. 1.3 – Зонная структура алмаза. Энергия отсчитана от максимума валентной зоны Г25′. Точка ∆1 (непрямые переходы) лежит ниже, чем Г15 (прямые переходы)22Ширина запрещенной зоны, соответствующая «непрямым» электроннымпереходам Г25′ → ∆1 составляет 5,47 эВ при 300 К, что хорошо согласуется скраем собственного оптического поглощения 225 нм [25].Однако экспериментально край собственного поглощения удается наблюдать лишь в достаточно редких типах кристаллов с пониженным содержаниемпримесей азота (см. раздел 1.3.3). Точка ∆1 смещена относительно точки Г25′ внаправлении <100> на расстояние 0,78 kmax.Ширина запрещенной зоны для прямых переходов Г25′ → Г15 в точке k = 0по наиболее надежным данным составляет 7,3 эВ.Коэффициент поглощения, обусловленного межзонными переходами, определяется как:α = 4πk / λ ,(1.1)где k – коэффициент экстинкции, мнимая часть комплексного показателя преломления, λ – длина волны.Показатель преломления алмаза n = 2,43 при обычных условиях примерноравен n = ε n, где ε – высокочастотная диэлектрическая проницаемость, и ввидимом диапазоне претерпевает лишь незначительное снижение с длинойволны, вследствие естественной дисперсии света [25,33].1.3 Физическая классификация алмазовОснову современной физической классификации алмазов заложили [34],первыми обратившие внимание, что существуют два типа спектров оптического поглощения в ИК-диапазоне и соответственно два типа природных алмазов.В частности, алмазы типа I обнаруживают ИК-поглощение в области длин волнот (1250 – 300 см-1) (рисунок 1.4).Алмазы типа II имеют поглощение только в области 2 – 6 мкм.
Поглощение в этой области является собственным решеточным поглощением, тогда какпоглощение в более длинноволновой области 8 – 33,3 мкм обусловлено присутствием примесного азота. Исходное разделение алмазов на «чистые» и «нечис-23тые» сохранилось в современной классификации, хотя оно и оказалось весьмаусловным.Отечественная и зарубежная классификации заметно различаются. Зарубежная классификация более проста и подразделяет алмазы на четыре типа:• IIа – малоазотные алмазы. Основные классификационные признаки: от-сутствие ИК-поглощения в однофононной области (рисунок 1.4), ярковыраженный край фундаментального поглощения в УФ-диапазоне вблизи 225 нм, коэффициент теплопроводности близок к 20 Вт/см·К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
