Диссертация (1090210), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Но для изготовления приборов наоснове алмаза, нам нужно знать только общие закономерности влияния внешнего фона на его спектр фоточувствительности.В спектре фоточувствительности алмаза «переходного» типа есть ещё однаинтересная область. Это область длин волн короче 220 нм. Если у алмаза IIaтипа (рисунок 1.12) при подсветке происходит пропорциональный рост ужесуществующего фототока, то у структуры с алмазом «переходного» типа безподсветки вообще нет фоточувствительности в этом диапазоне. Поэтому не понятно, откуда она появляется при подсветке неактиничным излучением?Подсветка излучением разных диапазонов спектра, выделенных из спектралампы накаливания, позволило ответить на этот вопрос.Как известно [44], в полупроводниках за фундаментальным краем поглощения наблюдается полка, связанная с тем, что носители заряда, заброшенные взону проводимости фотонами с энергией большей, чем ширина запретной зоныбыстро термализуются и скатываются к дну зоны проводимости (или всплывают к потолку валентной зоны) и принимают участие в фототоке.
Полка обычноимеет плавный уклон [46,47] в направлении более коротких волн начиная открая фундаментального поглощения из-за того, что растёт оптическое поглощение полупроводника, уменьшается глубина проникновения излучения в вещество и, следовательно, слабеет генерация фототока.У алмаза наблюдается пик фотопроводимости с очень резким спадом всторону коротких волн. Чем чище алмаз, тем спад менее резкий. Происходитэто потому, что на поверхность алмаза выходит множество дефектов, связанных с азотом которые являются ловушками для генерированных светом носителей заряда.
У алмаза «переходного» типа, как мы видим, фототок в этой области полностью гасится. Подсветка лампой накаливания с различными фильтрами, позволило разделить носители заряда, захваченные уровнями, располо-39женными на различной глубине в запрещенной зоне. Как видно из рисунка 1.14,только видимый свет и ближний ультрафиолет генерировал фототок в диапазоне от 180 до 220 нм, а ИК излучение никак не влияло на этот процесс. Следовательно, мелкие уровни на поверхности алмаза «переходного» типа отсутствуют,и рекомбинация зарядов идёт на более глубокие уровни.Из всего вышеизложенного можно сделать несколько выводов.
Для стабильной работы приборов на основе алмаза нужно подбирать или синтезировать как можно более чистые алмазы, применяемые для их изготовления. Вовремя эксплуатации алмазных приборов нужно учитывать фоновую добавку кфоточувствительности фотоприёмника, не смотря на то, что алмазный фотоприемник остается солнечно-слепым и без УФ подсветки нечувствительным квидимому и ИК излучению.1.7 Спектральные характеристики алмаза легированного бором.С точки зрения алмазного приборостроения большой интерес представляетмодификация свойств полупроводниковых алмазных материалов с помощьюлегирования для получения фотодетекторов с различной шириной области фоточувствительности. Сам процесс легирования алмаза различными примесямиподробно рассмотрен в литературе, например [37]. Наиболее важной легирующей примесью для алмаза является бор, так как его достаточно просто имплантировать в алмаз [37] и он при активации, образует ряд мелких уровней в запрещенной зоне [25].
Легированные бором алмазы встречаются даже в природе[48], в виде так называемых голубых алмазов IIb типа. И в последнее времяпоявилось множество сообщений о легировании бором искусственных алмазовв процессе их роста [49]. В связи с этим были проведены спектроскопическиеисследования искусственных алмазов легированных бором, с целью определения применимости их для производства широкоспектральных фоточувствительных приборов.Для экспериментальных исследований спектров тонких плёнок алмазныхматериалов легированных бором были использованы алмазы изготовленные40фирмой ООО «НЬЮ ДАЙМОНД ТЕХНОЛОДЖИ» (г. Санкт-Петербург).Образцы тонких плёнок CTB1-4 вырезаны в кристаллографической плоскости (001) и отполированы в виде пластинок толщиной 310-345 мкм из кристаллов, легированных бором в процессе HPHT роста.
На рисунках 1.15 – 1.18представлен вид пластинок, зарисованный на просвет в аппарате Микрофот.Пластинки характеризуются зональным строением, типичным для HPHT кристаллов. В центре выделяется ростовой сектор (001) квадратной формы. Основной объем материала образован ростовыми секторами типа {111}, формирующими по направлениям <110> мальтийский крест вокруг ростового сектор(001). Также в виде креста по направлениям <100> видны ростовые сектора ти-па {110} и {100}.
Известно, что разные ростовые сектора в процессе HPHT роста сильно отличаются захватом примесей (в том числе бора). Концентрация бора в ростовых секторах (001) и {111} может отличаться на полтора – два порядка величины. В видимом свете это проявляется в разной насыщенности синегоцвета ростовых секторов.Задача исследования – определить концентрацию акцепторного бора вобразцах с целью дальнейшей оценки его влияния на спектр фоточувствительности гипотетических приборов изготовленных на основе алмазных плёнок.Методика измерений и её естественные ограничения.При измерениях ИК поглощения невозможно локально определить концентрацию примеси бора в разных местах образца по следующим причинам:1. Измерения проводятся на просвет, то есть суммируются вклады слоев наразных глубинах.
Особенно это существенно для (001) пластинок HPHT кристаллов, в которых ростовые слои и границы ростовых секторов расположенынаклонно к плоскости пластинки.2. Для измерений используются диафрагмы диаметром 1-2 мм, которыепокрывают участки нескольких ростовых секторов с разным содержанием примеси.3. Пластинки не плоскопараллельны. При расчете коэффициента поглоще-ния приходится использовать среднюю толщину, что увеличивает ошибку рас-41чета.Рис. 1.15 – Плёнка СТВ-1Рис.
1.17 – Плёнка СТВ-3Рис. 1.16 – Плёнка СТВ-2Рис. 1.18 – Плёнка СТВ-4На вакуумном ИК Фурье-спектрометре Vertex70v (Bruker) измерены спектры пропускания образцов CTB1-4 в спектральном диапазоне 400-7000 см-1 сдиафрагмами диаметром 1 и 2 мм. Спектры всех образцов оказались близки.Результаты измерений.На рисунке 1.19 представлен спектр пропускания образца CTB1, измерен-42ный с диафрагмой 1 мм. Такой спектр характерен для алмазов с концентрациейакцепторного бора на уровне долей единиц – десятков ppm. В спектральномдиапазоне 400–1300 см-1 проявляется интерференция в пластинке образцаCTB1, поскольку этот образец имеет небольшой разброс по толщине (320335 мкм). В спектральном диапазоне 1400-2700 см-1 наблюдается собственноедвухфононное поглощение. Все остальные особенности спектра связаны с примесью бора.1,0Interference0,90,8Two phononregionTransmittance0,7CTB10,60,50,40,30,20,10,01000200030004000Wavenumber, cm500060007000-1Рис.1.19 – Спектр ИК пропускания образца CTB1.Для выделения вклада примеси бора в оптическое поглощение из спектровпропускания образцов применена следующая процедура.
Из спектра пропускания образца вычтен спектр пропускания чистого образца типа IIa и добавленаединица. Эта процедура позволяет отделить вклады отражения света и собственного поглощения (главным образом в двухфононой области). Далее сделанучет вклада рассеяния света на шероховатостях поверхностей пластинок (особенно существенного в образце CTB4) путем подбора такого множителя, чтобыпоглощение в спектральном диапазоне 400-1000 см-1 было близко к нулю.
Затембыли сделаны расчеты спектральной зависимости коэффициента поглощения с43использованием средних толщин образцов, указанных на рисунках 1.15 – 1.18.Это дало спектры поглощения образцов, которые у всех образцов оказалисьблизки. Один из спектров (для образца CTB3) представлен на рисунке 1.20.252802 cm-1CTB3Absorbance, cm-1202930 cm152456 cm-14090 cm-1-1103725 cm51290 cm-1-101000200030004000Wavenumber, cm500060007000-1Рис.
1.20 – Спектральная зависимость коэффициента поглощения, связанного с акцепторной примесью бора, в образце CTB3.В спектре поглощения выделяются следующие особенности. Наблюдаетсяхарактерный набор пиков поглощения с максимумами 1290, 2456, 2802, 2930,3725, 4090 см-1 [48]. Пик 2930 см-1 (0,36 эВ) соответствует ионизации акцептор-ной примеси бора. За ней в сторону увеличения энергии кванта простираетсяпоглощение, связанное с переходом дырок на разные уровни в валентной зоне ипоглощением на свободных дырках. Пики 1290, 2456, 2802 см-1 соответствуютпереходам на возбужденные уровни акцептора.
Для расчета концентрации акцепторного бора обычно используют пики 1290 и 2802 см-1 [50]. Сильный пик2456 см-1 не используется, поскольку накладывается на полосу двухфононногопоглощения. Относительно слабый пик 1290 см-1 используется при высокихконцентрациях акцепторного бора (более 1018 см-3), когда другие пики уже размываются [51].
В нашем случае выгодно использовать поглощение в пике442802 см-1, для которого есть калибровка [48,50].Для всех спектров поглощения выделены участки спектра вблизи пика2802 см-1. Это диапазон 2670-2900 см-1. После вычитания базовой линии полу-чены спектры поглощения в пике 2802 см-1. На рисунке1.21 представлен спектрпика 2802 см-1 в образце CTB4. Далее производилось интегрирование кривойпод пиком. Использована калибровка из работы [48]:[B0] (ppm) = (5,53×10−4) × I2802 (cm−2),(1.9)где [B0] – концентрация нейтрального акцепторного бора, выраженная в ppm;I2802 – интегральная интенсивность пика 2802 см-1, выраженная в cm−2.16CTB1CTB2CTB3CTB414Absorbance, cm-1121086420270027502800Wavenumber, cm28502900-1Рис.1.21 – Коэффициент поглощения в области пика 2802 см-1 образца CTB4.Значения I2802 составили 1047, 814, 863, 1023 см-2 для образцов CTB1, 2, 3,4 соответственно. Используя калибровку (1.9) для образцов CTB1-4 получаем,что концентрация нейтрального акцепторного бора составляет 0,45-0,58 ppm, тоесть (0,9±0,1)×1017 см-3.
Следует понимать усредненность этих цифр, учитываяоговорки, изложенные выше.45Рассмотрим спектр поглощения легированного бором алмаза с точки зрения применения его в многоспектральных приборах наблюдения (рисунок1.22).В спектре поглощения выделяются следующие особенности [48]. Наблюдается характерный набор пиков поглощения с максимумами 7,75, 4,07, 3,57,3,41, 2,68, 2,44 мкм. Пик 3,41 мкм (0,36 эВ) соответствует ионизации акцептор-ной примеси бора. За ней в сторону увеличения энергии кванта простираетсяпоглощение, связанное с переходом дырок на разные уровни в валентной зоне ипоглощением на свободных дырках. Пики 7,75, 4,07, 3,57 мкм соответствуютпереходам на возбужденные уровни акцептора. Важно подчеркнуть, что за поглощение, представленное на рисунке 1.22 ответственен только одиночный, замещающий, нескомпенсированный, неионизированный бор, то есть нейтральный акцепторный бор. Следовательно, при поглощении на нём электромагнитного излучения, в алмазе будет генерироваться фототок.Рис.1.22 – Спектр поглощения легированного бором алмаза (вычтен спектрпропускания чистого образца типа IIa).На рисунке 1.23 представлены окна пропускания атмосферы в ИК – диапазоне спектра [52].
Как видно из рисунка, некоторые пики поглощения акцепто-46ра бора приходятся на окна прозрачности атмосферы. Пик 2,44 мкм приходитсяна окно прозрачности 2 – 2,5мкм, а пики 3,57 и 4,07 на окно прозрачности 3,5 –4,2 мкм. Из вышеизложенного следует, что датчики на основе алмаза, легиро-ванного бором, могут применяться для детектирования ИК – излучения в среднем ИК-диапазоне спектра.Рис.1.23 – Окна прозрачности атмосферы в ИК – диапазоне спектра.При увеличении степени легирования алмазной плёнки, пики будут размываться, что повысит степень согласования спектральной характеристики алмазного фотоприёмника со спектром пропускания атмосферы. То есть повыситчувствительность приёмника к излучению объектов с равномерным ИКспектром.
Но, увеличение степени легирования алмазной плёнки, приводит кпонижению подвижности носителей заряда, что может отразиться, как на чувствительности фотоприёмника, так и на его быстродействии. В связи с этим,необходима оптимизация степени легирования алмазных материалов, с цельюдостижения компромисса между чувствительностью и быстродействием изготовленных из них фотоприёмников.Выводы к Главе 11. Исходя из спектров поглощения и электрофизических свойств, дляпроизводства фотодетекторов пригодны алмазы IIa и IIb типа.472.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
