16
18
30
Содержание
Содержание 2
Введение 4
Глава 1. Применение алмаза в оптоэлектронике 13
1.1. Физические свойства алмаза 13
1.1.1 .Способы синтеза алмазов 15
1.1.2.Классификация алмазов на основе спектров оптического поглощения
1.1.3.Основные дефекты в алмазе, влияющие па оптические и электрические свойства 1.1.4.Электрические контакты к алмазу 20
1.2. Алмазные оптоэлектронные приборы 24
1.2.1 .Светодиоды 25
1.2.2.Устройства СВЧ-диапазона, управляемые оптическим излучением
1.2.3. Фото детекторы УФ диапазона 34
1.2.4.0птоэлектронные комму гаторы 44
Глава 2. Методики эксперимента и экспериментальные установки 56
2.1.Объекты исследований 56
2.1.1 .Алмазные образцы 56 2.1.2.0бразцы тонких металлических пленок, напыленных на
56
диэлектрические подложки
2.1.3.Алмазные оптоэлектронные коммутаторы 57
2.2.Аппаратура и методики, применяемые дня измерений и расчетов 58
2.2.1 .Оптическая спектроскопия алмазных образцов 58
2.2.2. Оптическая микроскопия металлических пленок, подвергнутых лазерному излучению
2.2.3. Измерение фототока, протекающего через алмазный коммутатор
Глава 3. Исследование спектрально-кинетических характеристик оптического пропускания и люминесценции алмазных образцов
3.1.Спектры оптического пропускания алмазных образцов 71
3.2.Фотолюминесценция алмазных образцов 74
3.2.1.Выбор длины волны для возбуждения фотолюминесценции алмазных образцов
3.2.2.Фотолюминесценция алмазных образцов при возбуждении эксилампами
3.2.3.Фото люминесценция алмазных образцов при возбуждении лазерным излучением
3.3.Импульсная катодолюминесценция алмазных образцов 84
3.4.Идентификация алмаза и его имитаторов 95
3.4.1.Проблема экспресс-идентификации алмазов и их имитаторов 95
3.4.2.Иеалмазиые образцы 97
64
66
70
78
78
82
2
3.4.3.Экспресс-идентификация алмазов и их имитаторов с помощью измерения спектров оптического пропускания и 98 фотолюминесценции
3.5.Выводы • 102
Глава 4.Устойчивость к воздействию лазерного излучения металлических и ^
керамических покрытий на поверхности оптически прозрачных материалов
4.1 .Воздействие лазерного излучения на тонкие металлические пленки 103
4.2.Оценка величины термических напряжений при нарушении адгезии металлических пленок к подложкам при воздействии УФ лазером
4.3.Выводы 119
Глава 5.0птоэлектронное переключение в природном и синтетическом алмазе 120
5.1. Основные характеристики алмазных оптоэлектроиных коммутаторов 120
5.2. Режи м фотодетектора 122
5.2.1. Работа алмазных коммутаторов в режиме фотодстектора 123
5.3. Оптоэлсктроннос переключение в алмазе 124
5.3.1. Оптоэлектронное переключение в алмазных коммутаторах ^ при управлении УФ лазерами
5.3.2. Оптоэлектрон нос переключение в алмазных коммутаторах ^ при управлении электронными пучками
5.3.3. Оптоэлектронное переключение в алмазном коммутаторе при ^ управлении УФ импульсной ксеноиовой лампой
5.4. Факторы, ограничивающие работу алмазных оптоэлектронных коммутаторов
5.4.1. Лазерно-стимулированный оптический пробой
136
межэлектродной поверхности при поперечной геометрии
5.4.2. Накопление объемного заряда при продольной геометрии 136
5.5. Моделирование токопереноса неравновесных носителей в алмазе наведенных внешним воздействием
5.6. Снижение влияния факторов, ограничивающих работу коммутатора 141
5.7. Идеальный алмазный коммутатор 143
5.7.1. Параметры алмазного образца 143
5.7.2. Контакты к образцу 144
5.7.3. Источник управляющего излучения 144
5.7.4. Конфигурация идеального коммутатора 144
5.8. Выводы 145
Заключение 147
Литература 150
3
Введение
Актуальность работы: Коммутаторы высоких напряжений и больших мощностей нашли свое применение о і научно-исследовательских до промышленных приложений [1,2]. Широко применяются коммутаторы на основе газовых разрядников, таких как тиратроны и тригатроны, и полупроводниковых приборов, таких как тиристоры. При этом газовые разрядники работают только на включение, тем самым ограничивается их сфера применения емкостными накопителями энергии. Для них достигаются следующие рабочие параметры: время коммутации (передний фронт) менее 10 не, рабочее напряжение до З MB, частота повторения импульсов до 1 кГц (в условиях прокачки газовой смеси). Полупроводниковые коммутаторы работают как на включение, так и на выключение, т.с. как с емкостными, так и с индуктивными накопителями энергии. При этом полупроводниковые коммутаторы проигрывают газовым по рабочему напряжению (обычно до 5 кВ), выигрывая по скорости коммутации (до 100 пс передний фронт, и до 1 не задний фронт) и по частоте повторения импульсов (до 100 кГц).
Полупроводниковые коммутаторы по типу управления можно разделить на два вида:
> инжекционные;
> оптоэлектронные.
В инжскцнонных коммутаторах переключение происходит при инжекции электронно-дырочных пар через контакты, что является сравнительно медленным (~ 1 мм/мке), но энергетически выгодным процессом. По эюй причине инжекционные полупроводниковые коммутаторы эффективно работают в микро- и наносекунд пом временном диапазоне.
В оптоэлектронных коммутаторах управление происходит путем создания в рабочем теле высокой концентрации неравновесных носителей заряда при поглощении фотонов оптического диапазона (от УФ до БИ К в зависимости от полупроводникового материала), т.с. с помощью оптоэлектронного переключения.
Основой создания оптоэлектронных коммутаторов обычно выступают традиционные полупроводники - кремний и арсенид галлия [1]. Оптопарой для кремния выступает Nd. YAG-лазер (Хл = Ю62 нм), для GaAs - светодиод на его основе (Хсид = 870 нм). При этом достигнуты фрошм включения и выключения в десятки пикосекунд. Однако величины рабочих напряжений для коммутаторов на основе Si и GaAs не превышают нескольких сотен киловольт. Значиїсльно повысить рабочие напряжения полупроводниковых коммутаторов можно при использовании широкозонных полупроводников.
Интерес к алмазу в качестве материала для твердотельных коммутаторов возник ввиду наилучших іребуемьіх характеристик по сравнению с другими полупроводниками (см. таблицу 1).
Алмаз характеризуется большой шириной запрещенной зоны, крайне высоким удельным сопротивлением и напряжением пробоя, что обеспечит низкие токи утечки, высокое рабочее напряжение и электрическую прочность (влияющую на срок службы).
Скорость выключения оптоэлектронного коммутатора (длительность заднего фронта /с) целиком и полностью определяется временем жизни носителей /ж. Скорость включения оптоэлектронного коммутатора (длительность переднего фронта Гр) ограничена временем распространения электромагнитом волны в материале рабочего тела [3,4]:
4
Таблица 1. Физические характеристики некоторых беспримесных полупроводников.
Материал Ширина запрещенной зоны, эВ Напряжение пробоя, В см'1 Удельное сопротивление, Ом-см Диэлектри- ческая постоянная Подвижность, см2-В’|-с|
электронов дырок
Алмаз (С) 5.5 !07 >1012 5.7 4500 3800
КарОил кремния (БЮ) 3 26 5-Ю6 10ш 9.8 900 320
Нитрид галлия (баК1) 3 3-10* 10* 8.9 2000 350
Арсения галлия (баА5) 1.42 4105 107 12.9 8500 400
Кремний (Я/) 1.12 3.7-10* 104 1 1.7 1500 450
Германий (Се) 0.66 2-10* 102 16.2 3900 1900
3 [~ с1
'' = 2 с ’ (1)
где е, <7 и с - диэлектрическая постоянная материала, межэлектродный зазор и скорость
света в вакууме. Для получения минимального /р необходимо использовать материал рабочего тела с наименьшей диэлектрической постоянной и высокой электрической прочностью (чтобы минимизировать межэлектродный зазор). Алмаз имеет наилучшие характеристики из известных материалов. Для с! - 0.1 мм время переключения не может быть быстрее = 1.2 пс (рабочее напряжение ограничено 100 кВ/см).
В условиях больших напряженностей электрического поля происходит насыщение скорости носителей заряда за счет снижения их подвижности [5]. При этом ток через коммутатор /ф определяется как
/*=е'г'7. (2)
где е, п и V,, - заряд электрона, концентрация носителей заряда и насыщенная скорость
носителей заряда (для алмаза 2.7-10' см/с, что почти в 3 раза больше, чем /для СлАб).
Недостаточное развитие технологий допирования алмаза и создания на его основе р-п-р-п - структур [6] определило необходимость управления работой алмазных твердогельных коммутаторов внешним импульсным воздействием энергетичных частиц, создающим высокую концентрацию неравновесных носителей заряда, т.е. с помощью оптоэлсктронного переключения [5,7].
Первоначальные исследования (80-е годы) оптоэлектронного переключения в алмазе проводились на природных образцах 2а [8-13], 26 [12] и 1а [5,7,12] типов (подробно физическая классификация природных алмазов рассмотрена в [5,7,14]). В то время природные образцы значительно превосходили синтетические по оптическим, электронным и прочим свойствам. При этом доступными для промышленного применения являлись природные алмазы небольших размеров до 10 мм3, что недостаточно для применения в сильноточной электронике.
5
Размерные ограничения характерны и для синтетических образцов, выращенных в условиях высоких давлений (>!0 кбар) и высоких температур (>1 200 К) [ 15,16J , т.е. ВДВТ методом.
В 90-е годы началось успешное развитие технологии синтеза алмазов ХПО методом (химическое парогазовое осаждение, по аналогии с англ. - chemical vapor deposition, CVD) [17-20]. В настоящее время доступны поли кристаллические алмазные пластины диаметром до 10 см и толщиной до 3 мм [20]. Постоянно совершенствуются их оптические и электронные свойства, что необходимо для создания алмазных оптоэлектронных коммутаторов больших мощностей.
Для управления оптоэлектронны.мн алмазными коммутаторами использовалось импульсное лазерное излучение на длине волны 193 нм [11], 220-222 нм [8,10,21], 248 нм [3,4,13,22], 266 [12], 353-355 нм [9,12,21], 532 нм [12] и электронные пучки с энергией электронов в максимуме распределения 100-160 кэВ [23,28].
Управление алмазным оптоэлектронным коммутатором с помощью лазерного и спонтанного излучения, а так же электронного пучка обеспечивает стабильность запуска и высокую эффективность переключения. Управление алмазными оптоэлектронными коммутаторами с помощью источников спонтанного излучения предполагает принципиальную возможность обеспечить компактность размеров и экономическую обоснованность. Помимо этого, развитие алмазных светодиодов с длиной волны излучения ленд = 235 им [24-26] предполагает появление полноценной оптопары для алмазных оптоэлектронных коммутаторов.
Работа выполнялась в рамках: 1) гранта CRDF № RP2-538-TO-02 «УФ Хс лампы е высокой плотностью мощности излучения для коммутаторов на основе алмаза», 2002 -
2004 г.; 2) договора с И ГЭС ОИВТ РАН по созданию мошной импульсной кссноновой лампы, 2003-2004 г.; 3) гран га РФФИ 05-08-33621 -а «Исследование и создание эффективных газоразрядных источников спонтанного излучения в 13УФ области спектра»,
2005 - 2007г.; 4) проект «Проведение исследований и разработка эскизного проекта оконечного усилителя для создания лазерного комплекса петаваттной мощности, в том числе с оптической накачкой» в рамках Программы “Фундаментальные проблемы нано- и пикосекундной электроники большой мощности”, х/д-240/05-3, 2005 г.; 5) гранта МНТЦ №2706, «Исследование и создание импульсных УФ и ВУФ источников спонтанного излучения с большой мощностью излучения», 2006 - 2007 г.
Целью настоящей работы, начатой в 2000 г., является формулировка требований к оптическим характеристикам алмазных образцов, экспериментальное исследование оптического пропускания, фото- и катодолюминесценции образцов природного и синтетического алмаза, формирование и исследование стойкости к УФ излучению металлических контактов к алмазу, создание на их основе оптоэлектронных алмазных коммутаторов и исследование их коммутационных характеристик.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
I. Анализ спектров оптического пропускания и фото- и катодолюминесценции природных и синтетических алмазных образцов, оценка концентрации и измерение кинетики затухания оптических центров.
6
2. Определение порога лучевой стойкости контактов к алмазным образцам в зависимости от материала и способа напыления при облучении импульсным лазерным излучением наносскундной длительности;
3. Определение режимов эффективной работы оптоэлектронных алмазных коммутаторов • для различных конфигураций образцов, электрических контактов и управляющих
источников излучения.
4. Уменьшение влияния факторов, ограничивающих эффективную работу алмазных оптоэлектронных коммутаторов.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось на основе лабораторных экспериментов и математических оценок. В исследованиях оптических свойств алмазных образцов применялись стандартные методики спектральных измерений с использованием современных измерительных приборов. При определении лучевой стойкости металлических пленок, напыленных на неметаллические прозрачные подложки, использовались стандартные методы оптической микроскопии и методы измерений энергегических характеристик импульсного лазерного . излучения. Для исследования режимов эффективной работы оптоэлектронных алмазных коммутаторов применялись стандартные методы измерений временных и энергетических характеристик импульсов лазерного излучения- и методы измерений амплитудно-временных параметров-электрических импульсов наносскундной длительноеги.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. В спектрах люминесценции природных алмазов, демонстрирующих электронноколебательную систему N3, в наносекундном временном диапазоне после начата импульса возбуждения доминирует система N3 с бесфононной линией А. = 415.2 им с характеристическим временем затухания 20-50 не при комнатной температуре. При этом в миллисекундном временном диапазоне после начала импульса возбуждения в спектральной области 350-700 нм наблюдается бесструктурная /1-полоса люминесценции с характеристическим временем затухания 7-10/мс, которая обусловлена собственными структ-урн ыми дефектам и:
• 2. Для тонких металлических пленок до 1 мкм, осажденных методом вакуумно-
дугового распыления на неметаллические подложки, при. воздействии лазерным излучением- длительностью 10-50 не существует диапазон плотностей поглощенной энергии (50-350 мДж/см2) для которого наблюдается адгезионный режим разрушения пленки. При этом максимальная температура разрушаемых пленок не превышает температуру плавления объемного материала. Пороговая плотность энергии для разрушения, пленок в адгезионном режиме уменьшается на 10-20% при суммировании лазерных импульсов.
3. При поперечной геометрии алмазного коммутатора рост эффективности переключения при увеличении интенсивности управляющего лазерного излучения ограничен развитием лазерно-стимулированного пробоя межэлсктродиой поверхности коммутатора. При продольной геометрии алмазного коммутатора рост эффективности переключения при увеличении интенсивности управляющего лазерного излучения ограничен накоплением объемного заряда и стойкостью контактов к управляющему излучению.
4. Для алмазных коммутаторов с продольной геометрией снижение амплитуды импульса напряжения при накоплении управляющих лазерных импульсов на длине волны в области несобственного поглощения предотвращается чередованием полярности прикладываемого напряжения в диапазоне ± 0.5-20 кВ/см. При управлении алмазным коммутатором с помощью электронного пучка или лазерного излучения на длине волны в области фундаментального поглощения, чередование полярности не предотвращает снижения амплитуды импульса напряжения при накоплении управляющих импульсов.
Достоверность защищаемых положении и других результатов подтверждается: 1) согласием экспериментальных данных с результатами работ других авторов в случае близких условий проведения экспериментов, например, наблюдение электронно-колебательной системы ДО ^-дефектов в наносскундиом временном диапазоне [27,29] и се отсутствие в спектрах люминесценции, регистрируемых с задержкой в 1 мке после импульса возбуждения [30]; скачкообразное увеличение амплитуды и длительности токовых импульсов при развитии лазерно-стимулированного электрического пробоя межэлектродного зазора алмазного коммутатора [8,9,11]; 2) воспроизводимостью
полученных данных в пределах интервала 15% в одинаковых условиях для различных образцов; 3) согласием полученных экспериментальных данных с результатами численных оценок, например, при облучении лазерным излучением металлических пленок на диэлектрических подложках в адгезионном режиме разрушения' максимальная расчетная температура не превышает температуру плавления для объемного материала; оценочные концентрации азотной примеси в образцах, полученные из спектров оптического пропускания, согласуются с величинами при численном моделировании зависимостей амплитуды фототока от приложенного электрического поля и интенсивности излучения.
Новизна полученных результатов:
1. Исследованы спектрально-кинетические характеристики с временным разрешением 10 не фото- и катодолюминесцснции природных и синтетических алмазов при импульсном возбуждении. Исследована !рансформация спектров люминесценции алмазов с течением времени после импульса возбуждения. Впервые получены спектры времени затухания фото- и катодолюминесценции природных и синтетических алмазов [2007].
2. Обнаружен адгезионный механизм разрушения тонких меюллических пленок на неметаллических подложках при облучении лазерным излучением [2002]. Показано, что при лазерном облучении металлической пленки сквозь прозрачную подложку пороговая плотность энергии излучения для разрушения пленки меньше, чем пороговая плотность энергии для адгезионного разрушения при прямом облучении пленки.
3. Показано, что лазерно-стимулированный пробой межэлектродной поверхности оптоэлектронного алмазного коммутатора с поперечной геометрией при высоких напряженностях поля и/или плотностях энергии лазерного излучения вызывает аномальное увеличение амплитуды и/или длительности токового импульса коммутатора [2004].
4. Показано, что в алмазных оптоэлектронных коммутаторах с продольной геометрией при управлении излучением в области несобственного (на дефектах и примесях) поглощения эффект уменьшения амплитуды токового сигнала за счет накопления
8
объемного заряда на глубоких ловушках в запрещенной зоне алмаза преодолевается при смене полярности потенциала с каждым управляющим импульсом [2004].
Научная ценность:
1. На основе изменения спектров фото- и катодолюминесценции природных алмазов разделены во времени электронно-колебательная система N3У-дефектов, доминирующая в наносекундном временном диапазоне» и бесструктурная А-полоса люминесценции алмаза, доминирующая в миллисекундном временном диапазоне. В спектрах времени затухания электронно-колебательной системы N3^-дефектов наблюдались всплески в локальных областях бесфононной линии X = 415.2 нм и ес фононных повторений в спектральной област и 420-460 нм.
2. Продемонстрирован адгезионный механизм разрушения тонких металлических пленок (~ 1 мкм) на неметаллических подложках при облучении лазерным излучением без возникновения расплава за счет лазерно-индуцированных термических напряжений. Показано уменьшение порога плотности энергии для разрушения пленки по адгезионному механизму при облучении пленки сквозь прозрачную подложку за счет дополнительного влияния ударного воздействия лазерного излучения.
3. Установлена ошибочность принятой интерпретации (оптоэлектронная неустойчивость) аномального увеличения амплитуды и/или длительности токового импульса алмазного коммутатора при высоких напряженностях поля и/или плотностях энергии лазерного излучения. Данный эффект и «линейность» вольтамперной характеристики объясняются лазсрно-стимулированным пробоем межэлектродной поверхности коммутатора.
Практическая значимость:
1. Продемонстрировано, что природный и ХПО алмаз, а также основной имитатор алмаза - фианит (стабилизированный диоксид циркония) - характеризуются различными спектрами оптического пропускания и люминесценции, ввиду оптических центров с различной природой, спектральными и временными характеристиками.
2. Продемонстрирована работа оптоэлектроиных алмазных коммутаторов с продольной и поперечной геометрией с высокой эффективностью переключения Г) при управлении лазерным излучением па 222, 248 и 308 нм (г) до 0.65), широкополосным импульсным излучением в диапазоне 200-250 нм (г| до 0.1) и электронными пучками нано- и пикосекундной длительности (г| до 0.95).
3. Определены механизмы, ограничивающие эффективную работу алмазных оптоэлектронных коммутаторов. Для коммутаторов с поперечной геометрией - это лазерно-стимулированный пробой межэлектродной поверхности. Для коммутаторов с продольной геометрией - это накопление объемного заряда на ловушечных уровнях в запрещенной зоне. Предложены способы преодоления данных ограничивающих механизмов.
Сведении о внедрении результатов диссертации:
1. Предложен способ экспресс-идентификации природного и ХПО алмаза и его материалов-имитаторов на основе измерения интегральных спектров оптического пропускания и фотолюминесценции.
9
2. Предложен способ экспресс-оценки величины силы адгезии меюллических и керамических пленок к неметаллическим подложкам путем определения пороговой плотности энергии лазерного излучения необходимой для адгезионного разрушения пленки.
3. Предложено для управления алмазными высоковольтными коммутаторами использовать источник УФ излучения, основанный на микросекундном искровом разряде в ксеноне (фант CRDF № RP2-538-TO-02 «УФ Хе лампы с высокой плотностью мощности излучения для коммутаторов на основе алмаза», 2002-2004 г., договор с Alameda Applied Science Соф, Сан Леандро, США).
4. Предложена концепция алмазного оитоэлсктронного коммутатора высоких мощностей и напряжений для приложений сильноточной электроники.
Апробации работы:
1. 5-й Международный Российско-Китайский Симпозиум по лазерной физике и лазерным технологиям, Томск, Россия (2000 г.);
2. Международная конференция Lasers 2000, Albuquerque, USA (2000 г.);
3. Школы-семинара молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии», Томск, Россия (2001 г.);
4. Международная конференция Atomic and Molecular Pulsed Laseis V, Томск, Россия (2001 г.);
5. Международная конференция High-power laser ablation IV, Taos, USA (2002 г.);
6. Международный симпозиум Symposium on the Physics of Ionized Gases «21st SPIG», Ниш, Югославия (2002 г.);
7. 6-я Международная конференция Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Plows, Томск, Россия (2002 г.);
8. 8-я Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной физике, Иркутск, Россия (2002 г.);
9. Международная конференция Atomic and Molecular Pulsed Lasers VI, Томск, Россия (2003 г.);
10. 13-й Международный симпозиум High current electronics, Томск, Россия (2004 г.);
11. 7-й Международный Российско-Китайский Симпозиум по лазерной физике и лазерным технологиям, Томск, Россия (2004 г.);
12. Международная конференция ICONO/LAT 2005, Санкт-Петербург, Россия (2005 г.);
13. Международная конференция Atomic and Molecular Pulsed Lasers VII, Томск, Россия (2005 г.);
14. 13-я Международная конференция Radiation Physics and Chemistry of Inorganic Materials, Томск, Россия (2006 г.);
15. Международная конференция Atomic and Molecular Pulsed Lasers VIII, Томск, Россия (2007 г.);
16. 9-я Международная конференция Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows, Томск, Россия (2008 г.);
17. Международная конференция Atomic and Molecular Pulsed Lasers IX, Томск, Россия (2009 г.);
10
18. XVIII Международный симпозиум Gas Flow and Chemical Lasers and High Power Lasers, София, Болгария (2010 г.).
Личный вклад:
Все результаты диссертации получены лично автором, либо при его прямом участии. При его непосредственном участии были проведены постановка, подготовка и выполнение экспериментов, а также обработка и интерпретация результатов экспериментов. Часть экспериментов по исследованию кагодолюминесцснции алмазных образцов были проведены на лабораторной базе кафедры лазерной и световой техники ТПУ на установке и при участии доцента, к.ф.-м.н. О.И. Олешко (глава 3). На основании полученных экспериментальных данных при участии u.c., к.ф.-м.н. АЛ. Феденева был проведен расчет максимальной температуры тонкой металлической пленки на неметаллической прозрачной подложке при воздействии лазерным излучением (глава 4). Часть экспериментов и математического моделирования протекания фототока в алмазных образцах были проведены в Alameda Applied Science Corp. (Сан Леандро, США) при участии J. Schein, М. Krishnan (глава 5).
Постановка задачи и общее руководство работой осуществлялось профессором, д.ф,-м.н. (специальность 01.04.03 - радиофизика) В.Ф. Тарасенко.
Публикации:
Основные результаты диссертации опубликованы в 23 работах : из них 16 статьи в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК, 5 - в Proceedings of SPIE, 2 - в сборниках научных трудов и материалов конференций.
Структура и объем работы:
Диссертация изложена па 159 листе машинописного текста, иллюстрируется 89 рисунками, 9 таблицами, состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы из 154 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследований, приведены защищаемые положения, их новизна, научная и практическая ценность.
В первой главе дан обзор научной литературы, посвященной явлению обратимого изменения проводимости недопированного (малопримесного) алмаза природного и синтети чес кого происхождения; классификации алмазных образцов; оптоэлсктронным приборам, создаваемым на основе алмаза; достигнутым параметрам работы алмазных-оптоэлектронных коммутаторов в зависимости от способа и характеристик управления, конфигурации коммутатора; ограничениям широкого применения данных оптоэлсктронных приборов и способам их преодоления.
Во второй главе дано описание исследованных образцов, а также экспериментальной аппаратуры и методик, с помощью которых были получены экспериментальные данные, помещенные в оригинальной части диссертационной работы.
Третья глава посвящена исследованию оптических спектральных характеристик алмазных образцов (6 природных плоскопараллсльных, 2 синтетических плоскопараллельиьгх и 4 бриллианта круглой огранки) и образцов из материалов-имитаторов алмаза (фианит, алмаз). Исследовались спектры оптического пропускания и фото- и кагодолюминесцснции образцов. На основании полученных спектров произведены оценки концентрации основных азотных дефектов в алмазных образцах.
11
В четвертой главе приведены результаты исследований стойкости к лазерному излучению металлических и керамических пленок толщиной 0.3-2 мк.м на подложках из стекла, кварца и алмаза (п. 4.1) при воздействии как со стороны границы воздух-пленка (прямое воздействие), так и со стороны подложка-пленка (инверсное воздействие). При этом экспериментальным путем определены величины пороговых интенсивностей и плотностей энергии лазерного излучения для адгезионного разрушения покрытия к подложке.
Проведены численные оценки силы адгезии покрытия к подложке на основе экспериментальных данных (п. 4.2). Предложена методика экпресс-диагностики силы
адгезии покрытия к подложке методом определения порога разрушения при лазерном
/
воздействии.
Пятая глава посвящена собственно исследованию проводимое! и в алмазных образцах, управляемая лазерным излучением и электронными пучками различной длительности и энергии, улучшению рабочих параметров алмазных оптоэлектронных коммутачоров с различной геометрией и различными материалами электродов.
В заключении кратко изложены основные результаты и выводи»!, полученные в ходе проведенных исследований.
12
Глава 1. Применение алмаза в оптоэлектронике
1.1. Физические свойства алмаза
Алмаз обладает рядом уникальных свойств, которые обеспечивают ему практическое использование не только как ювелирного материала. Так алмаз имеет наивысшую твердость из известных природных материалов, что обуславливает его применение при изготовлении режущих инструментов [5,7,43]. Известно, например, что уже древние римляне использовали алмазные пластины для резки сапфиров [5,6].
С античных времен известно и другое замечательное свойство алмаза - его высокая теплопроводность [5-7,43]. При комнатной температуре теплопроводность алмаза в несколько раз превышает теплопроводность меди. Поэтому алмаз используют при изготовлении теплоотводов.
Высокая радиационная стойкость и гканеэквивалентность (атомный номер алмаза 6, что близко к среднему атомному номеру биологических тканей ~7.5) обеспечили алмазу с середины прошлого века применение в детекторах ядерных излучений и дозиметрии [5-7].
Кроме того, алмазу предрекают применение при изготовлении приборов микроэлектроники, работающих в неблагоприятных условиях при высоких уровнях радиации, высоких температурах и в химически агрессивных средах [5-7]. Так, для кремниевых устройств предельная рабочая температура не превышает 300-350 °С, а для устройств на основе алмаза рабочая температура в потенциале може г достигать 1000 °С.
Большая ширина запрещенной зоны Е% = 5.49 эВ (см. Рис. 1.1.1) обеспечивает чистым алмазам высокое удельное сопротивление и прозрачность от ИК до вакуумного УФ диапазона (см. Рис. 1.1.2). Поэтому алмаз находит вес большее применение как материал ошоэлектронных приложений. В первую очередь - это солнечно-слепые детекторы излучения УФ диапазона [5,6,44.45]. Такие детекторы имеют высокую чувствительность к УФ- диапазону, но существенно меньшую - к видимому. Кроме того, алмаз применяют для измерений рентгеновского излучения [5,6].
Активно разрабатываются и совершенствуются алмазные светодиоды. Ввиду эффективной излучательной рекомбинации свободных экситонов в узкой спектральной полосе с максимумом при 235 нм алмазные светодиоды являются наиболее коротковолновыми из существующих [24-26].
Еще одним перспективным направлением является создание высоковольтных коммутаторов больших мощностей па основе алмаза, управляемых УФ излучением [3,4,8-13,28,46]. При этом высокое пробивное напряжение >1 МВ/см повышает рабочее напряжение коммутатора, высокое удельное сопротивление >10!’ Ом-см обеспечивает низкий ток утечки, а наивысшая теплопроводное п> - эффективную диссипацию тепла. Кроме того, невысокая диэлектрическая постоянная алмаза 5.68 обеспечивает малое время включения. Малое время жизни носителей заряда в природном алмазе 100-400 не
13
Приведенный волновой вектор Рис. 1.1.1. Зонная структура алмаза [5]. Схематично отмечены дефектные уровни в запрещенной зоне, обусловленные основными азотными и собственными дефектами.
Длина волны [нм]
Рис. 1.1.2. Коэффициент поглощения беспримесного алмаза [5].
14
- Київ+380960830922