СВЧ-фотопроводимость кристаллов алмаза тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ггз од

У^ЕК «07

ЗАХАРОВ Александр Георгиевич СВЧ-ФОТОПРОВОДИМОСТЬ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МИНСК 1997

Работа выполнена в Белорусском государственном университете

*

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук

доцент •

ВАРИЧЕНКО B.C.

Научный консультант доктор физико-математических наук главный научный сотрудник ЗАЙЦЕВ A.M.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук ЧАПЛАНОВ A.M.

кандидат физико-математических наук БЫКОВСКИЙ В. А.

Оппонирующая организация - Институт физики твердого тела и полупроводников HAH Беларуси

Защита диссертации состоится 12 декабря 1997 г. в 14 часов на заседании Совета по защите диссертаций Д 02.01.16 в Белорусском государственном университете (220050, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 4, главный корпус, к. 206)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского государственного университета.

Автореферат разослан " /<--" ноября 1997 г. Ученый секретарь Совел

диссертаций, доцент

Актуальность теми. Б настоящее время актуальной задачей твердотельной электроники является создание высокотемпературных, радиационно- и химически-стойких приборов. Алмаз представляется весьма перспективным материалом для этих целей. Кроме того, на основе алмаза возможно создание более высоковольтных и мощных приборов, чем на кремнии и германии. Однако, алмазы являются достаточно неоднородным материалом по своему дефектно-примесному составу. Поэтому разработка экспресс-методов отбора и сортировки алмазов представляет собой как практический, так и научный интерес.

Практическому использованию новых материалов твердотельной электроники неизбежно предшествует всестороннее изучение различных физических свойств этих материалов: оптических, электрических, механических и т.д. Вместе с тем, изучение электрофизических характеристик алмаза ограничено трудностями создания контактов к алмазу-изолятору и алмазу п-тнгт. Кроме того, создание контактов, как правило, требует в той или иной степени температурной обработки алмаза, что может приводить к изменению его свойств. Взаимодействие поверхности алмаза с материалом контактов также может порождать различные дефекты в приповерхностном слое. Преодолеть указанные трудносгн при исследовании алмазов возможно применением бесконтактных методов, например, метода СВЧ-фотопроводимости.

Целью работы явилась разработка бесконтактного метода исследования фотопроводимости алмаза и установление закономерностей влияния на СВЧ-фотопроводимость собственных, примесных и радиационных дефектов.

Работа выполнялась в рамках государственной научно-исследовательской работы Белгосуниверситета по теме "Разработка новых физических и технологических принципов создания и контроля свойств полупроводниковых структур и элементов микро- и оптоэлектроникн", а также по теме "Разработка полупроводниковых приборов с высокой радиационной, температурной стойкостью и методов синтеза алмазных, алмазо- и фуллерено-подобных пленок применительно к электронным устройствам" № 3079/4.18 202/06 (Республиканская научно-техническая программа "Алмазы, сверхтвердые материалы и изделия на их основе").

Научна« новизна полученных в работе результатов состоит в следующем: - впервые применен для исследования фотоэлектрических характеристик алмаза в спектральной области 200-700 нм метод бесконтактного изучения фотопроводимости, при котором образец помешается внутри полого прямоугольного резонатора с перестраиваемой собственной частотой и регулируемым отверсшем связи, что дало возможность получения ряда новых результатов, устанавливающих зависимость фотопроводимости от дефектно-примесного состава образцов. Показаны экспрессное ь и

высокая чувствительность метода СВЧ-фотопроводимости к состоянию поверхности алмаза;

- установлены особенности подготовки образцов алмаза к измерениям спектров СВЧ-фотопроводимости, состоящие в том, что наряду с операцией химического травления поверхности алмаза на заключительной стадии необходимо проводить механическую обработку поверхности корундовым порошком;

- впервые для алмаза установлена экспоненциальная зависимость величины СВЧ-фотопроводимости в спе> фальной области 200-250 нм от величины внутренних напряжений, определяемых яркостью картин двулучепреломления;

- впервые методами СВЧ-фотопроводимости и двулучепреломления показано, что наибольшее влияние на время жизни неравновесных носителей заряда в приповерхностном слое оказывают протяженные дефекты типа дислокаций роста, границ кристаллических фрагментов, двойниковых швов, микровключения;

установлена обратнопропорциональная зависимость величины СВЧ-фотопроводимости в области 200-250 нм от интенсивности излучения А-полосы в спектрах катодолюминесценции образцов алмаза типа 11а, обусловленной разрешенными переходами на одиночных оборванных связях в ядрах 60<>-дислокаций;

- впервые установлено, что имплантация ионов бора в пластины природного алмаза может приводить к увеличению времени жизни носителей заряда в объеме образца, располагающимся глубже слоя среднепроективного пробега ионов внедренной примеси на 100 мкм и более;

- впервые показана возможность наблюдения методом СВЧ-фотопроводимости в резонаторе без вакуумной откачки левитирующих над алмазом электронов;

- установлена более высокая температурная стойкость ЗН-центра в алмазе, облученном ионами высоких энергий, по сравнению с тем же центром, образующимся при облучении ионами килоэлектронвольтного диапазона и электронами;

- разработан метод отбора и контроля качества алмазного сырья для целей твердотельной электроники.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что в результате проведенных исследований и установленных закономерностей влияния на СВЧ-фотопроводимость собственных, примесных и радиационных дефектов алмаза разработан метод отбора и контроля образцов алмаза для целей твердотельной электроники на основе явления фотопроводимости, измеренной бесконтактным методом в СВЧ-диапазоне, показана корреляция данного метода с уже известными методами отбора и контроля качества алмазного сырья по интенсивности А-полосы и излуче-

J

нию свободного экситона в спектрах катодолюминесценции. Кроме того, представленные результаты показывают возможность создания экспресс-метода оценки размеров кристаллических блоков в образцах природного, синтетического алмазов и эпитаксиальных пленках на основе измерения фотоотклика при использовании резонаторов бимодалыюго типа.

Положения, выносимые на защиту

- Бесконтактный метод исследования фотопроводимости алмаза, при котором исследуемый образец помещается внутри прямоугольного СВЧ-резонатора типа Hioi и освещается светом в диапазоне длин волн 200-700 нм, отличающийся, по сравнению с методом фотопроводимости в режиме постоянного тока, повышенной чувствительностью к состоянию поверхности образцов, способностью регистрировать левитирующие над их поверхностью электроны и отсутствием проявления неоднородностей распределения собственных и примесных дефектов с характерным размером более 20 мкм.

- Установленные закономерности влияния на СВЧ-фотопроводимость природных алмазов типов Иа и 1а дефектов структуры и примесей; корреляции величины фотопроводимости в спектральном диапазоне 200-250 нм и интенсивности полосы люминесценции (300-500 нм), обусловленной разрешенными переходами в ядрах 60°-дислокаций.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых и представителей НТТМ "Актуальные проблемы прикладной физики" (Ташкент, 1989 г.), П1 Межотраслевом семинаре "ЭПР и оптическая спектроскопия дефектов и примесей в алмазе" (Александров, 1989 г.), второй межреспубликанской школе-семинаре молодых ученых "Современные проблемы спектроскопии, лазерной физики и физики плазмы" (Минск 1989 г.). международной конференции "Diamond and Related Materials" (1990), международной конференции "Radiation Eflects in Insulators" (Веймар 1991), Второй европейской конференции "Diamond-like and Related Coatings" (Ницца, 1991), на научно-практической конференции "Метрология-94" (Минск, 1994 г.), на втором международном симпозиуме по алмазным пленкам (Минск, 1994), на международной конференции "Central Conférence of the EPS" (Регензбург, 1993), иа Ежегодной конференции немецкого физического общества (Мюнсгер, 1997), на международном симпозиуме "Ионная имплантация в науке и технике", (Нэлэнчув, Польша, 1997).

Публикации. Основные результаты изложены в 16 опубликованных научных работах.

Структур* н объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации составляет 167 страниц. Она включает 66 иллюстраций, 9 таблиц. Список использованных источников включает в себя 186 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведены литературные данные по исследованию свойств основных примесных, структурных и радиационных дефектов в алмазе. Показано влияние данных дефектов на спектральные характеристики фотопроводимости и оптического поглощения. Рассмотрены различные модели этих дефектов. Представлен круг вопросов, охватывающих различные свойства поверхности алмаза. Кроме того, дано краткое описание полупроводниковых приборов, изготовленных в настоящее время на основе алмаза, и методов отбора алмазных подложек для целей полупроводниковой электроники. Рассмотрены использованные в работе методы исследования алмазов: фотопроводимость, люминесценция (более подробно рассмотрен метод катодолюминесценции (КЛ)), оптическое поглощение, лоляризационно-оптический метод. Показаны особенности исследований электрофизических параметров полупроводниковых материалов бесконтактными методами на высоких частотах и сверхвысоких частотах. Однако, в настоящее время, несмотря на ряд преимуществ по сравнению с контактными способами, эти методы не нашли широкого применения при исследовании алмаза.

Итак, несмотря на то, что исследованию фотоэлектрических свойств алмаза посвящено уже немало работ, интерпретация многих экспериментальных фактов зачастую затруднена, а результаты, полученные в различных работах, противоречивы. Это обусловлено использованием, в основном, контактных методов, вносящих в процесс измерения погрешности, обусловленные поляризацией образцов и неомичностью контактов. Кроме этого, в литературе отсутствуют сведения о влиянии на СВЧ-фотопроводимость природных алмазов дефектов структуры и примесей.

Во второй главе кратко рассмотрены основы измерений фотопроводимости бесконтактными методами на СВЧ и приводится описание экспериментальной установки для измерений спектров СВЧ-фотопроводимости в спектральной области 200 -700 им.

В разработанной и изготовленной установке СВЧ-фотопроводимостн используется специальный СВЧ-узел с резонатором прямоугольного типа, имеющим уст-

ройства регулировки собственной частоты и связи. Рабочая частота генератора составляет 9.6 ГГц. Регистрация сигнала фотопроводимости производится при комнатной температуре в режиме синхронного детектирования с частотой модуляции света 300 Гц. Источником света служит ксеноновая лампа ДКСШ-1000.

Проведенные сравнительные исследования алмазов типа 11а и 1а методами СВЧ-фотопроводимости, фотопроводимости на постоянном токе и оптического поглощения показали повышенную чувствительность метода СВЧ-фотопроводимости к состоянию поверхности алмаза. Разработан оптимальный способ подготовки образцов алмаза к измерениям СВЧ-фотопроводимости, заключающийся в химическом травлении в КгСггО+НзО+НзЗО« с последующей механической обработкой поверхности корундовым порошком. Приведены теоретические расчеты, устанавливающие зависимость величины СВЧ-фотоогклика от размеров кристаллических блоков в алмазах. Показано, что при размерах кристаллических блоков более 20 мкм СВЧ-фотоотклик будет одинаковым в монокристаллических образцах и образцах имеющих блочное строение. Установлено, что основной вклад в СВЧ-фотоотклик в спектральном диапазоне дают участки кристалла с наибольшими локальными временами жизни неравновесных носителей заряда, причем СВЧ-фотоотклик не зависит от геометрического расположения областей с различным дефектно-примесным составом (в отличие от контактных способов измерения).

Предложен метод расчета спектров СВЧ-фотопроводимости, основанный на измеренном спектре оптического поглощения, известном спектральном распределения лампы ДКСШ-1000 и учитывающий диффузионную длину носителей заряда.

В работе исследовались образцы природного алмаза типов Па, 1а (как с природной поверхностью, так и полированные алмазные пластины), с концентрацией примесного азота в А-форме от 51017 см-} до 1020 см 5. Исследовались также синтетические алмазы и эпитаксиальные пленки. Образцы подвергались имплантации ионами бора с распределенной энергией 20-300 кэВ ( суммарная доза 3-10и см-2) и 13.6 МэВ (1.251015 см-2). Изохронный тридцатиминутный отжиг образцов до температуры 1600° С проводился в графитовом контейнере в вакууме Ю 4 Па.

. В третьей главе рассматриваются установленные закономерности влияния на СВЧ-фотопроводимость собственных и примесных дефектов.

Исследования СВЧ-фотопроводимости в спектральной области 200-250 нм природных э.чмазов, содержащих примесный азот в А-форме с концентрацией 5-10"-1020см3 (кроме того, в некоторых кристаллах присутствовали В1 и В2-дефекты в различной концентрации), позволили выделить три типа спектров, отличающихся спек-

тральным распределением и величиной СВЧ-фотоотклика. Первый тип спектра характеризуете* высокими значениями фотоотклика (>2000 отн. ед.) и слабым проявления структуры в области 225-240 им. Для второго типа характерной оказывается величина СВЧ-фотоотклика 300-2000 отн. ед. и наличие структуры в области 225-240 нм. Третий тип имеет величину фотоответа менее 300 отн. ед. и смещенное положение максимума СВЧ-фотопроводимости в длинноволновую область (225-230 нм). Проведение дополнительных исследований методом двулучепреломления позволило установить зависимость между особенностями спектров СВЧ-фотопроводимости и дефею но-прнмесньш составом образцов алмаза. При этом оказалось, что определяющее влияние на величииу СВЧ-фотоотклика и спектральное распределение оказывают протяженные дефекты типа дислокаций, двойниковых швов, микровключения. Построенная зависимость величины СВЧ-фотоотклика в собственной области от яркости узоров двупреломления (картин муара) моделируется в виде:

1ф=А|-схр(хЛ|)+А2ехр(х/Ы, (I),

где А|, Аг, 1|, 12-некоторые коэффициенты. Различный вид экспоненциальной зависимости характерен для кристаллов, имеющих изотропное строение и блочное строение.

Установлено, что величина СВЧ-фотоотклика при засветке различных сторон алмазных пластин толщиной 100-1000 мкм может отличаться на порядок, что объясняется высокой дефектно-примесной неоднородностью алмазных пластин. Это определяет эффективность использования метода СВЧ-фотопроводимости для выбора стороны алмазных пластин в процессе их отбора для использования в микроэлектронике.

Показано влияние на СВЧ-фотопроводимость неоднородности распределения дефектов по поверхности образцов. Для этого образцы облучались ионами бора (концентрация В* ~ 10го см 3) и отжигались до температуры 1500° С. Измерение их электропроводности позволило установить, что алмазы с величиной СВЧ-фотоотклика более 2000 отн. ед. имеют значения проводимости, отличающиеся на расстоянии 1 мм не более чем в два раза. При этом всегда наблюдается проводимость р-типа с энергией активации -0.2 эВ. Алмазы с величиной фотоотклика 300-2000 отн. ед. имеют значения проводимости, отличающиеся не более чем на порядок. При этом также отмечается проводимость р-типа с энергией активации ~0.2 эВ. Для алмазов с величиной СВЧ-фотоотклика в собственной области менее 300 отн. ед. характерными оказываются отличия проводимости на расстояниях I мм на 1-8 порядков. При этом

только на единичных участках отмечаются низкие значения проводимости (10-2 (Ом см)1).

На примере полированных алмазных пластин проведено сопоставление величины СВЧ-фотолроводимостн в области 200-250 нм и концентрации примесного азота в А-форме (Са). Показано, что максимально возможные величины фотоотклика (до 120000 отн. ед.) наблюдаются у отдельных алмазов с Сл< 5-10" см°. Однако, в среднем величина фотоотклика у алмазов с З-Ю" < Сд*1 510" см-1 выше, чем у алмазов с большей и меньшей концентрацией примесного азота в А-форме. Это связано с тем, что алмазы типа 11 (Сл<510|в см ') имеют повышенное по сравнению с алмазами типа I содержание собственных дефектов. Например, плотность дислокаций в них на 3-4 порядка выше, чем в алмазах типа I (1,2). А при Са>5-Ю|'см"3 примесный азот приводит к уменьшению времени жизни неравновесных носителей заряда [4].

Сравнительное исследование методом Ю1 и СВЧ-фотопроводимости алмазных пластин показало, что величина СВЧ-фотопроводимости в спектральной области 200-250 нм обратно пропорциональна интенсивности А-лолосы (обусловленной в алмазах типа II свечением ядра 60° дислокации [2]) и пряча пропорциональна интенсивности излучения свободного экситона. (Согласно [5,6], эти характеристики в спектрах КЛ используются для отбора алмазов для целей микроэлектроники.) Это свидетельствует о возможности использования метода СВЧ-фотопроводимости для отбора алмазов для микроэлектроники и подтверждает его достоверность.

Четвертая глава посвящена изучению основных закономерностей влияния на СВЧ-фотопроводимость радиационных дефектов алмаза и термического отжига образцов. Представлены результаты исследования облученных ионами бора алмазов с энергиями 20-300 кэВ и суммарной дозой 3-Ю14 см-2, 13.6 МэВ и дозой 1.25-1015 см-2и необлученного алмазов методами СВЧ-фотопроводимости и оптического поглощения в спектральном диапазоне 200-700 нм. Исследования СВЧ-фотопроводимости проводились при засветке как имплантированных сторон алмазов, так и неимплантнро-ванных.

При засветке имплантированных сторон фотоотклик регистрировался только в спектральной области 200-240 нм. При этом с ростом температуры отжига величина СВЧ-фотоотклика возрастала, а максимум смещался в длинноволновую область. Данные результаты связываются с отжигом радиационных дефектов в объеме образца, приводящим к росту собственной СВЧ-фотопроводимости, и деградацией, модифицированной ионным облучением алмазной поверхности в процессе высокотемпературного воздействия.

При исследованиях СВЧ-фотопроводимости при освещении неимплантирован-ных сторон был зарегистрирован рост собственной СВЧ-фотопроводимости после облучения ионами бора с энергией 20-300 кэВ и суммарной дозой 310'< см 2 для двух образцов природного алмаза толщиной ~ 100 мкм - в 2 раза, толщиной 500 мкм - в 1.4 раза. Отжиг образцов до температуры 900 "С приводил к росту собственной СВЧ-фотопроводимости во всех имплантированных образцах. В неимплантированном образце подобного возрастания СВЧ-фотоотклика с отжигом не отмечалось. Данные интерпретируются, исходя из предлагаемой модели, согласно которой в области, располагающейся глубже слоя торможения ионов бора, наряду с образованием механических напряжений [7] происходит также пассивация исходных дефектов собственными междоузельными атомами. Эти междоузлия образуются в процессе имплантации и проникают вглубь кристалла в результате радиацнонно-стнмулированной диффузии, вероятно, по механизму Боргуина [8]. При этом пассивация дефектов приводит к росту СВЧ-фотоотклика. Возникающие при имплантации механические напряжения с ростом температуры отжига уменьшаются, что обусловливает возрастание фотоотклика. Это может использоваться для повышения чувствительности алмазных фотоприемников.

Показано, что при температурах отжига 900-1000" С происходит уменьшение величины собственной фотопроводимости (на порядок) у всех исследуемых образцов. При этом на всех образцах отмечено практически полное исчезновение фотоотклика в спектральной области 240-700 им. В спектрах оптического поглощения неимпланти-рованного образца при температурах отжига до 1200° С изменений зарегистрировано не было. Эти результаты объясняются процессом реконструкции поверхности, приводящим, в частности, к снятию отрицательного электронного сродства алмазной поверхности. На основании данных результатов, установленной более высокой чувствительности метода СВЧ-фотопроводимости к состоянию поверхности по сравнению с контактным способом регистрации фототока (глава 2), проведенных теоретических оценок, показывающих эффективность метода СВЧ-фотопроводимости при регистрации левитирующих электронов, предлагается модель, согласно которой СВЧ-фотоотклик определяется как неравновесными носителями заряда, находящимися в кристалле, так и левитирующими над его поверхностью. Теоретические оценки, в частности, показали, во-первых, что СВЧ-фотоотклик может определяться в равной степени неравновесными'носителями заряда в кристалле и левитирующими электронами, если концентрация левитирующих электронов в 50-100 раз меньше (в зависимости от подвижности носителей в кристалле), чем концентрация носителей в образ-

це. Во-вторых, время нахождения электронов в левитирующем состоянии в алмазах с электропроводностью 10 10 (Ом-см)-' составляет 108 с, что на несколько порядков превышает время жизни носителей заряда в большинстве природных алмазов.

Исследования изменения спектрального края пропускания образца алмаза типа Па, облученного ионами бора с энергией 13.6 МэВ в процессе термообработки, показали две стадии отжига оптически активных дефектов: 300 и 900 °С, связываемые с отжигом дефектов соответственно междоузелыюго и вакансионного типа. Показана также более высокая термостойкость центра ЗН, образованного высокоэнергетичным облучением ионами бора 13.6 МэВ (Тог»=1000°С), по сравнению с облучением ионами кэВного диапазона и электронами (Тот*=ШУ С) [9).

В пятой главе представлено описание разработанного метода отбора и контроля алмазов для целей микроэлектроники на основе анализа спектров СВЧ-фотопроводнмости в спектральной области 210-240 им. Разработанный метод позволяет произвести неразрушающим способом отбор и сортировку алмазов. Основой данного метода служит экспериментально установленная зависимость между спектральным распределением, величиной фотоотклика в диапазоне длин волн 210-240 нм в алмазных подложках и электрофизическими характеристиками изготовленных на их основе полупроводниковых приборов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые для исследования алмаза применен метод СВЧ-фотопроводимости (СВЧ-ФП; 9.6 ГГц) в спектральном диапазоне 200-700 нм. Показано, что в кристаллах природного алмаза с концентрацией примесного азота в А-форме менее 5-1019 см3 (измеренной методом оптического поглощения) величина СВЧ-ФП в диапазоне 200250 нм экспоненциально уменьшается с ростом яркости узоров аномального двулуче-преломления (картин муара), обусловленных структурными и примесными дефектами. При этом величину СВЧ-ФП на порядок снижают протяженные дефекты: дислокации, границы кристаллических фрагментов, двойниковые швы, микровключения при их выходе на исследуемую поверхность образца; максимум СВЧ-ФП регистрируется в области 225-230 нм.

2. Показано, что СВЧ-ФП, зарегистрированная с противоположных сторон пластин толщиной 100-1000 мкм природных алмазов типа Па, в спектральном диапазоне 200250 нм может различаться на порядок вследствие дефектно-примесной неоднород-

ности кристаллов. Это является физической основой разработанного экспресс метода контроля и отбора алмазов по спектрам СВЧ-ФП для твердотельной электроники.

3. Впервые методами СВЧ-ФП и катодолюминесценцнн установлено, что у природных алмазов с концентрацией примесного азота в А-форме менее 5-10" см 3 величина СВЧ-ФП при фотовозбуждении в области 200-250 нм обратно пропорциональна интенсивности полосы люминесценции 300-550 нм, обусловленной разрешенными переходами на одиночных оборванных связях в ядрах 60" дислокаций. Как правило, максимум СВЧ-ФП оказывается наибольшим у кристаллов с концентрацией азота в диапазоне 5-1018—5-1019 см '. Это согласуется с установленной обратно пропорциональной зависимостью между количеством собственных дефектов в кристаллах природного алмаза и концентрацией примесного азота.

4. Впервые установлено, что имплантация ионов бора в алмаз типа lia, 1а с распределенной энергией 20-300 кэВ и дозой 310м см-2 и последующий изохронный отжиг в вакууме S10"4 Па до температуры 800 °С приводят к росту СВЧ-ФП при засветке не-имплантированной стороны в спектральном диапазоне 200-250 нм. После имплантации фотоотклик возрастает в 2 раза в образце толщиной 100 мкм и в 1.4 при толщине 500 мкм. Данные интерпретируются на основе модели, согласно которой в объеме образца алмаза, располагающегося глубже слоя торможения ионов, наряду с образованием при имплантации слоя механических напряжений, происходит пассивация исходных дефектов междоузельными атомами углерода, образованными в процессе облучения.

5. Впервые установлено, что термообработка кристаллов природного алмаза в вакууме при 900-1000 °С приводит к необратимым изменениям структуры приповерхностного слоя, проявляющимся в уменьшении величины фотоотклика в спектральном диапазоне 200-250 нм н сдвиге максимума СВЧ-ФП в длинноволновую область, а также, значительном уменьшении фотоответа в области длин волн 250-700 нм. Данные интерпретируются на основе предлагаемой модели СВЧ-ФП алмаза, согласно которой регистрируемый сигнал обусловливается как неравновесными делокализо-ванными носителями заряда в кристалле, так и электронами левитирующими над его поверхностью.

6. Установлено, что для алмаза оптимальным способом подготовки образцов к измерениям спектров СВЧ-фотопроводимости при фотовозбуждении в диапазоне 200-700 нм является традиционная химическая обработка, с последующей "шлифовкой" корундовым порошком М-14. При этом СВЧ-фотоотклик возрастает, а в диапазоне 200250 нм, кроме тою, "гашение" фотоотклика, обусловленное процессами поверхност-

нлП рекомбинации, происходит при более коротких доннах волн. Это объясняется тем, что в результате механической обработки с поверхности происходит удаление продуктов травления и сухих веществ, являющихся компонентами травителен, препятствующих эмиссии электронов и, возможно, образующих новые дефекты.

7. Разработан метод исследования структурных, примесных и радиационных дефектов в алмазе с возбуждением неравновесных носителей заряда в спектральном диапазоне 200-700 им путем измерения СВЧ-ФП. Предложен и развит неразрушающий метод отбора и контроля качества алмазов для твердотельной электроники. Сформулированы критерии по концентрации примесного азота, величине и спектральному распределению СВЧ-ФП в диапазоне длин волн 200-250 им для отбора алмазов. Показаны такие преимущества данного метода измерений применительно к алмазу как отсутствие проявления неоднородностей распределения собственных и примесных дефектов с характерным размером более 20 мкм, возможность анализировать приповерхностный слой, в частности, исследовать левитирующие над поверхностью алмаза электроны, бесконтактность, экспрессность.

8. При измерениях спектров поглощения образцов алмаза, облученных ионами бора с энергиями 13.6 МэВ и 20-300 кэВ, установлено, что центр ЗН, образующийся при вы-сокоэнергетичном облучении, является более термостойким (температура полного отжига 1000 °С), чем при облучении ионами в диапазоне килоэлектронвольт и электронами (температура полного отжига 600 °С). Кроме того, изохронный отжиг образца алмаза, облученного ионами бора с энергией 13.6 МэВ и дозой 1.25-10" см-2, приводит к изменению спектрального края пропускания образца: с 420 им до 340 им при 300 °С и с 340 до 225 нм при 900-1000 °С. Данные интерпретируются с учетом двух стадий отжига: междоузельных дефектов (низкотемпературная фаза) и вакансионных дефектов (высокотемпературная фаза).

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Захаров А.Г. Установка СВЧ-фотопроводимости для контроля качества алмазов II Материалы конференции молодых ученых и представителей НТТМ "Актуальные проблемы прикладной физикн'.-Ташкент. - 25-27 окт. 1989 г.

2. Зайцев A.M., Вариченко B.C., Захаров А.Г. Бесконтактная спектроскопия природного алмаза // Материалы второй межреспубликанской школы-семинара молодых ученых "Современные проблемы спектроскопии, лазерной физики и физики плазмы". - Минск-16-20 октября 1989 г.

3. Tatyanina N. A., Kulakov V.M., Zezin R.V., Zacharov A.G., Zaitsev A.M. Influence of ingomogenity of the subsurface layer of natural diamond of Ila and intermediate types on the lifetime of nonequelibrium charge carriers// Abstracts of Fall Conference Diamond and Related Materials, Simposium C: Properties and Application of SiC, Natural and Synthetic Diamond and Related Materials С-V/ P29 - November 27-30,

1990.

4. Stelmakh V.F., Varichenko V.S., Zacharov A.G., Zaitsev A.M. Microwave Photoconductivity Characterization of Insulating Diamond Irradiated with Ions// Abstracts of International Conference Radiation Effects in lnsulators-G - Weimar, GDA-24-28 June

1991.

5. Denisenko A.V., Zacharov A.G., Melnikov A.A., Kurganskii V.I., Zaitsev A.M., Varichenko V.S. Insulating Electronics on Diamond and Selection Criterios of Diamond Wafers Used for Electronics Devices II Abstracts of Second European Conference on Diamond-like and Related Coatings - Nice, Francc - September 2-6,1991.

6. Кулаков B.M., Татьянина H.A., Зезин Р.Б., Вариченко B.C., Захаров А.Г. Исследование СВЧ-фотопроводимости природных алмазов Па и промежуточного типов// Сборник научных трудов Гиналмазэолото "Процессы производства и свойства благородных металлов, алмазов и изделий из них" г- Москва, 1991,207 стр.

7. Zacharov A.G., Varichenko V.S., Zaitsev A.M., Plotnikova S.P., Microwave photoconductivity and optical absorption of boron implanted diamonds // Abstracts of II conference The problems of application of diamond in electronics. - Moscow, 1992, p.88-89.

8. Jakubenja S.N., Stelmakh V.F., Varichenko V.S., Zacharov A.G., Shvarkov D.S., Zaitsev A.M., Melnikov A.A., Burchard B. Contactless Rapid Quality Control of Silicon, Germanium and Diamond// 13th Gentrai Conference of the EPS-Regensburg, FRG -March 29 April 2,1993.

9. Zacharov A.G., Varichenko V.S., Zaitsev A.M., Melnikov A.A., Stelmakh V.F., Tatyanina N.A., Kulakov V.M., Zezin R.V., Plotnikova S.P. Microwave Photoconductivity Characterization of Diamonds Used for Electronics // Abstracts of Second International Symposium on Diamond Films. - Minsk, Belarus. - 3-5 May, 1994.

10. Захаров А. Г., Вариченко В. С., Гонтарь А. Г. Влияние ионного облучения на СВЧ-фотопроводнмость природных алмазов типа II// Сверхматериалы.- № 2 -1997.-с. 7-12.

11. Захаров Л. Г., Вариченко В. С. Особенности дефсктообраэовання в алмазе, облученном нонами бора // Deem. Белорус, ун-та. Сер. I: Фиэ. Маг. Информ. - Ms 2, 1997.-е. 19-22.

12. Zacharov A.G,, Varichenko V. S.. Zaitsev A, M. Microwave Photoconductivity and Optical Absorption Investigations of Ion Implanted Diamond II Annual Meeting of German Physical Society. - Muenster, Germany. - 1997.

13. Захаров А. Г., Вариченко В. С., Дидык А. Ю. Влияние высокотемпературного отжига на дефектную структуру ионно-облученного алмаза. -Препринт// Сообщения ОИЯИ. -1997-Р-14-97-71-Дубна, 1997,6 с.

14. Zaitsev A.M., Zacharov A.G., Denisenko A.V., Melnikov A.A., Varichenko V.S., Job R., Fahrner W.R. Optical Characterisation of Electronic, Thermal, and Mechanichal Properties of Wide Band Gap Superhard Semiconductors// Keynote Lecture on the Int. Conf. M1CROMAT97, Berlin, Germany, April 16-18,1997.

15. Захаров А. Г., Вариченко В. С., Дидык А. Ю. СВЧ-фотопроводимость иои-но-облученного алмаза. Препринт//Сообщения ОИЯИ. -1997-Р14-97-338.-Дубна, 7 с.

16. Захаров А.Г., Вариченко B.C. Исследования ионно-имплантированных слоев алмаза методом СВЧ-фотопроводимости // Сборник тезисов международного симпозиума Ионная имплантация в науке и технике. - Налэнчув, 22-24 января 1997 г. - Польша. - с. 31.

Список цитируемой литературы

1. Вавилов B.C., Гиппиус А.А., Конорова Е.А. Электронные и оптические процессы в алмазе. -М: Наука, 1985. - 120 с.

2. Природные алмазы России I П.П. Вечерин, В.В. Журавлев, В.Б. Квасков и др.; Под. ред. В.Б. Кваскова. - М.: Полярон, 1977. - 304 с.

3. Конорова Е.А., Козлов С.Ф., Вавилов B.C. Токи ионизации в алмазах при облучении электронами с энергией от 500 до 1000 кэВ// ФТГ. - 1966. - Т.8, в. I. - С. 3-7.

4. Collins А.Т., Kamo М., Sato Y. Intrinsic and extrinsic cathodoluminescence from single-crystal diamonds grown by chemical vapour deposition II J. Phys.: Condens. Matter. -1989.-№ I - P. 4029-4033.

5. Kawarada H., Yamaguchi A. Exciton recombination radiation as characterization of diamonds using cathodoluminescence // Third international conference on the new diamond science and technology, Heidelberg, Germany. - 1992. - P. 100-105. 6. Вавилов B.C. Алмаз - шнрокозоннын полупроводник // Алмаз в электронной технике. - М.: Энергоатомнздат, 1990. - С. 14-21.

H

7. Bourgoin I.C., Corbett J.W. A new mechanism for interstitial migration II Phys. Lett. -1972.-V.38 a,№2.-P. 135-137. . 8. Walker J. Optical studies of irradiated diamond //Inst. Phys. Conf. - 1977. -№31, Ch. 8. -P. 510-511.

РЕЗЮМЕ

Захаров Александр Георгиевич

СВЧ-фотопроводнмость кристаллов алмаза

Ключевые слова: СВЧ-фотопроводимость, оптическое поглощение, катодолюминес-ценция, двулучепреломление, алмаз, дефект, ионная имплантация, отжиг, отрицательное электронное сродство, левитация.

Целью работы явилась разработка бесконтактного метода исследования фотопроводимости алмаза и установление закономерностей влияния на СВЧ-фотопроводнмость собственных, примесных и радиационных дефектов.

Впервые методом СВЧ-фотопроводимостн в спектральном диапазоне 200-700 им исследовано влияние собственных, примесных и радиационных дефектов на величину фотоотклика природных алмазов типов 1а, Иа и получен ряд новых результатов в области фотоэлектрических свойств алмаза, развития методов спектроскопических исследований, На основе полученных результатов предложена модель СВЧ-фотопроводимости, учитывающая вклад в СВЧ-фотоотклик как делокализованных неравновесных носителей заряда в кристалле, так и левитирующих над ним электронов и отсутствие проявления неоднородностей распределения собственных и примесных дефектов с характерным размером более 20 мкм. Также предложена модель трансформации дефектно-примесной структуры алмаза, вызванной ионным облучением в объеме образца, располагающимся глубже слоя торможения ионов.

Полученные результаты позволили разработать новый экспресс-метод отбора и контроля качества алмазов для целей твердотельной электроники путем измерения спектров СВЧ-фотопроводимости в области 210-240 мкм и предложить способ оценки размеров кристллнческих блоков путем измерения фотоотклика при различной частоте электромагнитного поля.

Результаты работы могут быть использованы при разработке и создании электронных и оптоэлектронных приборов на алмазе.

RESUME

Zacharov Alexander Georgievich

MW-photoconductivity of diamond crystals

Key words: MW-photoconductivity, optical absorbtion, cathodoluminescence, birefrigtnce, diamond, defect, ion implantation, annealing, negative electron affinity, levitation.

The aim of the study is the development of contactless method for investigation of photoconductivity of diamond and investigation of regularities of intrinsic, impurity and radiation defects influence on MW-photoconductivity.

For the first time the influence of intrinsic, impurity and radiation defects or photoresponce within a spectral range of 200 nm to 700 nm has been studied by MW-photoconductivity technique. New results have been obtained in the fields of photoelectrical properties of diamond and spectroscopic methods of investigations. On a base of obtained results a model of MW-photoconductivity has been proposed. The model takes into consideration a contribution in MW-photoresponce both delocalized nonequilibrium charge carriers in diamond crystal and levitation electron and an absence of manifestation of nonhomogeneous distribution of intrinsic and impurity defect having a dimension more than 20 nm. A model of transformation of defect-impurity diamond structure due to ion irradiation in layer located deeper than ion stopping range has been also proposed.

The obtained results allowed us to develop a new express method to select and control quality of diamonds for electronic purposes measuring the MW-photoconductivity spectra within a spectral range of 210 nm to 240 nm. A method to essess a dimensions of crystalline blocks measuring the photoresponse at different frequency of electromagnetic field has been also proposed.

The results can be used as a basis for the development and production of diamond based electronic and optoelectronic devices.

РЭ 3 Ю М Е

ЗАХАРА Г Аляксандр Георпев1ч ЗВЧ-ФОТАПРАВОДНАСЦЬ КРЫШТАЛЯ ? АЛМАЗУ

Ключавыя словы: ЗВЧ-фотаправоднасць, аптычнае паглынанне, катодалю-мжесцэнцыя, падвойнае прамяневае праламленне, алмаз, дэфект, ¡онная ¡мпланта-цыя, адмоу пая роднасць да электрона, лештацыя.

Мэтай работы э'яу лялася распрацоука бескантактавага метаду даследавання фотаправоднасш алмаза устанауленне заканамернасцей уплыву на ЗВЧ-фотаправоднасць уласных, дамешкавых 1 радыяцыйных дэфектау.

Упершыню метадам ЗВЧ-фотаправоднасщ у спектральным дыяпазоне 200-700 нм даследаван уплыу уласных, дамешкавых 1 радыцыйных дефекта у на памер фотаводгуку природных алмаза у тыпау 1а, На I атрыман шэраг новых вышка у у вобласц! фотаэлектрычных уласцтасцей алмаза, раэв'щця метадау спек-траскашчных даследавання у . На аснове атрыманых выжкау прапанована мадэль" ЗВЧ-фотапправоднасщ, у лшваючая у клад у ЗВЧ-водгук як дэлакалЬованых не-рау неважных носьбаау зараду у крышталях, так 1 лев1туючых над ¡м электронау 1 адсутнасць праяулення неаднароднасцей размеркавання уласных 1 дамешкавых дэфектау з характерным памерам больш 20 мкм. Таксама прапанована мадэль трансфармацьм дэфектна-дамешкавай структуры алмазу, выюиканай ¡онным абпра-меньваннем у аб'еме узору, размешчанымым глыбей слою тармажэння ¡онау .

Атрыманыя вынЫ даэволЫ распрацаваць новы экспрэс-метад адбору I кан-тролю якасн1 алмаза у для мэт цвердацельиай электронш шляхам вымярэння спек-трау ЗВЧ-фотаправоднасш у вобласщ 210-240 мкм I прапапаваць спосаб ацэню памерау крыштал1чных блока у у алмазе шляхам вымярэння фотаводгуку пры ро-знай частаце электрамагштнага поля.

Вышм працы могуць быць выкарыстаны пры распрацоу цы 1 вырабе электронных 1 оптаэлектронных прыборау на алмазе.

Подписано к печати 11.11.1997. Форма г 60x84 1/16 Бумага № I объем 1.22 п.л. Заказ Тираж 100 зкз Отпечатано на ротапринте Белгосуниверситета 22050, г. Минск, ул. БобруПския, 7.