Диссертация (1090210), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Алмазы этого типа достаточноредки. Содержание алмазов IIа в якутских месторождениях, например, при размере кристаллов не менее 0,1 карата не превышает 1-2%.Рис. 1.4 – Спектры ИК-поглощения природных алмазов I и II типа. Сплошнаялиния – поглощение кристаллической решеткой алмаза, пунктир - поглощениеазотными дефектами [35].• IIb – голубые проводниковые алмазы. Содержат еще меньше азота, чемалмазы IIа, порядка 1015 см-3. Полупроводниковые свойства обусловлены примесью бора (акцептор) с содержанием приблизительно до 5 1016 см-3. В отечественных месторождениях не обнаружены.• Iа – наиболее распространенный (до 98%) тип природных алмазов, со-держащих до 0,3 ат.% азота. В отечественной классификации тип Iа представлен более детально, но нами здесь рассматриваться не будет, так, как не обладает выраженными полупроводниковыми свойствами.• Ib – наиболее редко (0,1%) встречающиеся в природе желтые алмазы.24Составляют большинство синтетических алмазов.
Содержат одиночные атомыазота как примесь замещения (доноры) в количестве до 0,05 ат.%, что приводитк парамагнитным свойствам. Как и у всех цветных алмазов, полоса поглощения, иногда называемого «вторичным», поскольку обусловлено примесями, начинается в видимой области около 500 нм.Концентрационная граница, определяющая принадлежность алмазов к типу IIа весьма неопределенна. Иногда такие алмазы очень неудачно называют«безазотными», «беспримесными», хотя концентрация азота в них не менее2·1017 см-3 [36], т.е. с точки зрения материаловедения полупроводников это кри-сталлы с большой степенью легирования.1.4 Электропроводность природного алмазаЭлектропроводность алмаза, как и любого другого полупроводника, определяется спектром энергетических уровней примесей и дефектов в запрещенной зоне. Однако в электропроводности алмаза реально проявляются толькодва уровня:•донор – С-центр, атом азота в узле кристаллической решетки, основнойдефект в весьма редких алмазах типа Ib.
Термическая энергия активации EN =1,7 эВ, оптическая – 2,0 эВ;•акцептор бора в полупроводниковых алмазах типа IIb. Энергия актива-ции Еа = 0,37 эВВсе остальные уровни находятся глубоко в запрещенной зоне и проявляются только при оптическом возбуждении. Алмазы типов Ia, Ib, IIа можно отнести к хорошим диэлектрикам.
Удельное сопротивление их может достигать1016 Ом·см.Исключением могут являться алмазы с признаками пластической деформации или кристаллы типа IIа с большой концентрацией дислокаций [25]. Вэтом случае сопротивление может снижаться до 10 – 100 МОм·см.25На рисунке 1.5 показана схема энергетических уровней в запрещенной зоне алмаза. Отмечены максимум валентной зоны, минимумы зоны проводимости∆1 и Г15 и уровни примесей и дефектов.Рис. 1.5 – Схематическая диаграмма энергетических уровней в запрещеннойзоне алмаза (см табл. 1.2)Набор энергетических уровней является обобщенным, поскольку не обязательно, что все они сосуществуют в каждом отдельном кристалле.
Обозначенияна рис. 1.5 расшифрованы в таблице 1.2. (За исключением Ev и Еа энергия отсчитана от дна зоны проводимости).Следует отметить, что изображение А-, B1- и В2-дефектов в виде дискретных уровней идеализировано. В реальных кристаллах эти уровни размыты поэнергии и образуют некоторый рельеф плотности состояний N(E). В кристаллахтипа Ia N(E), возможно, перекрывается с валентной зоной. По исследованиямлюминесценции [37] ширина зоны В1-дефектов оценивается примерно в 0,2 эВ.Несмотря на то, что B1- и В2-дефекты являются многочастичными кластерами,их спектры фотовозбуждения имеют четкие максимумы при отмеченных вышеэнергиях, как если бы это были одноэлектронные глубокие доноры, уровни которых размыты в примесную зону.26Таблица 1.2.
Энергетические уровни в запрещенной зоне природного алмазаУровень в за- Энергия ио-Природа центраВозможная концентрация, см-3прещеннойнизации, эВEN1.7С-центр, донорND1-центр, заряженная от-1014 – 3·1019Соизмерима с кон-Ev¯3,15рицательно вакансия, до-центрацией GR1-норGR1- центр, нейтральнаяцентровЕvEv¯ + 1,67ЕA4,05ЕB24,7EB15,1ЕаEv+ 0,37вакансия, акцепторА-центр, донорВ2-дефект, азотная сегрегация в плоскости (100)В1 -дефект, азотная сегрегация в плоскости (111)Бор, примесь замещения вNv = 0,6·10182·1017 – 1021до 10201017 – 4·1020до 8·1016алмазах IIbНиже приведены подвижность и эффективная масса носителей тока в алмазе Спин-орбитальное расщепление валентной зоны в алмазе почти в шестьраз меньше, чем в кремнии.Подвижность электронов при 300 К, см2/В·сдрейфовая2500из эффекта Холла2000Подвижность дырок при 300 Кдрейфовая2100из эффекта Холла1500Эффективная масса электроновПродольная ml1,4Поперечная mt0,36Эффективная масса дыроктяжелых mh1,1легких ml0,327Спин-орбитальное расщепление валентной зо-6ны, мэВЭффективная плотность состояний в валентной зоне и зоне проводимостипри 300 К составляетN C ,V* 2πmhekT = 22h3/ 2*19 mhe= 2,51 ⋅ 10 m 03/ 2 T ⋅ 300 3/ 2.(1.2)Входящие в плотность состояний эффективные массы электронов и дырокопределяются какme* = ( ml ⋅ m 2t )1 / 3 ≈ 0,57m0(1.3)mh* = (m3h / 2 ⋅ m3l / 2 ) 2 / 3 ≈ 1,2m0(1.4)Соответственно эффективная плотность состояний в зоне проводимости ивалентной зоне алмаза Nс = 1,1·1019 см-3, Nv = 3,3·1019 см-3.Если эффективную массу дырок определить из водородоподобной моделидля акцепторов бора mh* 2 Ea = ε≈ 0,88 ,mEn 0(1.5)( ε = 5,7; Еа = 0,37 эВ; потенциал ионизации атома водорода Ен = 13,6 эВ), эф-фективная плотность состояний Nv = 2,1·1019 см-3.
Приведенные значения, как ипорог концентрации электронов, отвечающий вырожденному полупроводникуn = 0,37NC служат ориентирами при создании оптоэлектронных приборов наоснове природного алмаза. Как видно, плотность состояний в зоне проводимости всего в 100 – 1000 раз выше, чем плотность примесных состояний в запрещенной зоне у алмаза IIa типа, что может приводить к эффектам «поляризации»[38,39], и «квазидвухфотоного» [40] поглощения света.1.5 Фотопроводимость алмаза.Фотопроводимость природных алмазов в УФ-диапазоне отличается большим разнообразием спектральных характеристик (СХ), вид которых зависит взначительной степени от присутствия в кристаллах азота в различных формах28[25,41,42].
Их можно в первом приближении отнести к одному из следующихтипов (рисунок 1.6).Рис 1.6 – Спектральная характеристика абсолютной токовой фоточувствительности алмазов типа IIа (1), «промежуточного» типа (2,3) и типа Ib (4) по[25].• СХ с резко выраженной селективностью к поглощению фотонов с энер-гией hν = Eg. Такие СХ содержат один узкий максимум фотопроводимости, фототока или абсолютной токовой чувствительности Si (А/Вт) вблизи края фундаментального поглощения (λ ≈ 225 нм) и наблюдаются в кристаллах типа IIа иIIb (рисунок 1.6, кривая 1).• CХ с максимумом вблизи края фундаментального поглощения и «плато»в области спектра 240 – 280 нм. Наблюдаются в алмазах с относительно небольшим содержанием азота, в которых концентрация А-центров Nа > NВ1, акоэффициенты ИК-поглощения в главных максимумах B1- и В2-дефектов (8,5 и7,3 мкм соответственно) достаточно велики, но приблизительно равны, αB1 ≈ αВ2(кривая 2).• СХ с двумя максимумами (кривая 3).
Концентрация NA порядка1019 см-3, коэффициенты ИК-поглощения на B1- и В2-дефектах αВ2 > 2αВ1, чтопозволяет проявиться максимуму фототока, связанному с В2-дефектами• СХ также с двумя максимумами, но второй из них принадлежит В1-дефектам. В таких кристаллах NВ1 > Na, αB2 = 0 (кристаллы типа IaB1 без В2-29дефектов, кривая 4). Первый максимум фототока несколько сдвинут в сторонубольших длин волн, возможно, вследствие влияния системы поглощения N9.В рассмотренных типах алмазов отчетливо выражен максимум фотопроводимости вблизи края фундаментального поглощения.
Токовая чувствительность имеет наибольшие значения в кристаллах типа IIа и может достигать 0,1А/Вт на длине волны λ ≈ 220 нм.Гораздо меньшей фотопроводимостью обладают кристаллы типа Iа сбольшим содержанием В1-дефектов. Спектральные характеристики фототока вэтих алмазах, если и содержат характерные особенности вблизи края фундаментального поглощения, то лишь в виде перегиба зависимости Si (А) (рисунок 1.7).
Эти необычные свойства были бы естественными для аморфного полупроводника и резко отличают алмазы этого типа от других полупроводников– кремния и арсенида галлия. В кристаллах с большой концентрацией B1- и B2-дефектов, при условии NB1 > Na, оба этих дефекта отчетливо проявляются в СХв виде максимума или перегиба (т.е. максимума производной dSi/dλ) (кривая 1).В наиболее частом случае: NB1 ≥ NA, αB1 > αB2 – спектральная характеристикаSi(λ) имеет вид колокола с максимумом вблизи 250 нм (кривая 2), что является,видимо, результатом перекрытия пиков плотности состояний N(E) (примесныхзон) B1- и В2-дефектов.В кристаллах с большим содержанием В2-дефектов (αB2 > αB1) спектральная характеристика сдвинута в сторону больших длин волн (кривая 3, рисунок 1.7).Концентрация В1-дефектов способствует снижению фотопроводимости исужению спектральной характеристики, которая в пределе больших концентраций NB1 ≥ 1020 принимает вид почти симметричного «горба» с максимумом фототока вблизи 250 нм.В алмазе (в отличие от кремния) корреляция спектров фотопроводимости иоптического поглощения затруднена неопределенностью вклада внутрицентрового поглощения на азотных дефектах, что делает проблематичным расчет концентрации фотоносителей и квантовой эффективности.30Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
