ФИЗИКА/ 2.Физика твердого тела.

Захарченко Р.В., Захарченко В.Н.

Національний технічний університет України «КПІ», Україна

Дослідження оптичних та електричних процесів в напівпровідниковому синтетичному алмазі

В даній роботі розглядаються електричні та оптичні особливості напівпровідникового алмазу легованого бором [1, 2]. Наведені результати з електропровідності алмазу в слабому та сильному електричних полях, розглянуті ефекти нестійкості, оптичні властивості напівпровідникового алмазу, повздовжня та поперечна фотопровідності. Також приділено увагу енергетичному спектру забороненої зони та його зв’язку з польовими ефектами, зроблені висновки.

Була досліджена рівноважна та нерівноважна електрична провідність синтетичного алмазу японського виробництва від Sumimoto Electric (тип UP3012, монокристал розміром 2,6мм×1,2мм×3,0мм) в температурному діапазоні 300-400 К в електричних полях 10²-10⁴ В/см.

Синтетичний алмаз, легований бором в процесі вирощування, має р-тип провідності, величина якої (темнова провідність) за кімнатної температури має порядок σ ~ 10^-7 См/см. Електропровідність та фотопровідність зразка вимірювалась за допомогою притискних (ємнісних) контактів і об'ємний струм провідності алмазу вимірювався за використання сигналу змінного струму. В якості джерел випромінювання використовувались лампа розжарювання (видимий та інфрачервоний (ІЧ) спектральний діапазон 400-1500 нм) та ультрафіолетова лампа ДДС-30 із спектральним діапазоном 360-186 нм.

Було з’ясовано, що в нерівноважному процесі приймають участь два типи локальних центрів в забороненій зоні: акцептори з рівнем Е_V+0,4 еВ та донори з рівнем Е_V+2,36 еВ. Також було з’ясовано, що і темнова провідність, і фотопровідність забезпечується дірками. Вимірювання фотопровідності проводилися із застосуванням модульованого випромінювання. За відсутності модуляції алмазний зразок стає електрично нестабільним в полях перевищуючих 1000 В/см. При цьому спостерігаються повільні (з приблизно хвилинною періодичністю) 20-30% осциляції струму. У випадку коли зразок попередньо довгий час перебував у темряві спостерігаються пилоподібні високочастотні (порядку 1 кГц) осциляції струму з амплітудою того ж порядку величини, що і в попередньому випадку.

Оскільки енергія фотонів у видимій області не більше ніж приблизно половина забороненої зони алмазу (5,5 еВ), існування фотопровідності означає, що у крайньому разі один глибокий енергетичний рівень розміщений недалеко від середини забороненої зони (дислокаційний рівень з енергією Е_V+2,36 еВ) [1], який і робить можливим збудження фотопровідності за допомогою подвійних оптичних переходів. Фотопровідність швидко зростає із ростом температури, тобто має вигляд I_ph = const·exp (-ΔE/kT), причому ΔE = 0,4 еВ для електричного поля 400 В/см (крива 1 Рис.3) і ΔE = 0,3 еВ для поля в 1100 В/см (крива 2 Рис.3). На основі цих результатів можна зробити припущення, що більш чим один рівень приймає участь у процесі фотопровідності (енергетичний рівень домішки бору розміщений на 0,4 еВ вище валентної зони). Для результатів, отриманих з модульованим випромінюванням та постійною напругою, фотопровідність сильно залежить від частоти модуляції. Струм при частоті модуляції 7 Гц (крива 1 Рис.1, збудження світлом видимого діапазону) значно вище струму з частотою модуляції 50 Гц (крива 2, збудження світлом видимого діапазону). На тому ж рисунку зображена польова залежність фотоструму в деталях: у випадку збудження у видимому діапазоні залежність майже лінійна до 500 В/см, потім іде область насичення, що супроводжується швидким зростом (при модуляції на низьких частотах), та знову лінійна частина. Цікава особливість цієї залежності та, що при полях більших 500 В/см спостерігалась нестабільність фотоструму у вигляді повільних осциляцій (із періодичністю в декілька секунд) з приблизно 30% відхиленням від початкової величини. Крива 3 відповідає випадку ультрафіолетового збудження зразку з частотою модуляції 7 Гц. Для кривих 1, 2 та 3 напруга постійна, максимальне значення струму спостерігалось в області полів, більших 500 В/см.

Криві 4 та 5 з постійним ультрафіолетовим
(УФ) підсвічуванням та пульсуючою напругою двох польових напрямків.

Зменшення ефективної глибини рівня домішки бору з 0,4 еВ до 0,3 еВ у відносно високому електричному полі можна пояснити так: у відповідності до моделі Лексу [3] для притягуючого центру, він володіє стійкими збудженими станами біля краю валентної зони, поле руйнує більш високі рівні і це робить центр більш мілким.
З цих же обставин зростання поля робить більш простим

вихід дірок з рівня (Рис. 2). Припускаючи, що такі центри воднеподібні, таке зменшення їх глибини можна пов’язати з іонізацією збуджених станів центра (Рис.2): в сильному електричному полі центр може бути іонізованим з переходом електрона з основного на перший збуджений стан із подальшим тунелюванням в зону провідності. Відповідне зменшення енергії іонізації буде (n₁/n₂)², де n₁=1 та n₂=2 - квантові числа, тобто 25%. В ході експерименту спостерігалося точно таке відносне зменшення енергії активації рівня в температурній залежності фотоструму (Рис. 3).

Висновки.
Досліджуваний напівпровідниковий синтетичний алмазний матеріал вказує на наявність у ньому нетривіальних особливостей, що пов’язані з оптичною та електричною перезарядкою та іонізацією глибоких локальних енергетичних рівнів в забороненій зоні, а також наявні оптичні та електричні ефекти пам’яті у тому сенсі, що вони визначаються збудженням так само як і залежать від передісторії досліджуваного матеріалу. Тож можна сказати, що існує імовірна можливість використання даного матеріалу для накопичення за його допомогою інформації, що було б дуже перспективно виходячи із нетривіальних хімічних, термічних, механічних та інших властивостей алмазу. Але останнє потребує додаткових окремих досліджень. Отож в ході проведених досліджень знайдено:

· Об’ємна електропровідність вивченого монокристалу має виразну анізотропію: поперечна провідність менше поздовжньої в 17 разів. Були проведені вимірювання ємності зразка і з’ясовано, що є її чітка реакція на освітлення. При освітленні УФ лампою ємність зростає;

· Рекомбінація нерівноважних носіїв заряду проходить через глибокий (можливо дислокацій домішкового азоту) рівень; має місце прилипання фотодірок на акцепторних рівнях бору.

· В полях, перевищуючих 500 В/см для фотоструму та 4800 В/см для темнового струму спостерігається нестійкість струму при надлінійній вольт-амперній характеристиці. Нестійкість проявляється у вигляді серії пилоподібних імпульсів тривалістю біля мілісекунди і супроводжується повільною зміною струму (спостерігаються також при вимірах ємності). Характер цієї нестійкості дозволяє передбачити релаксаційний механізм з локальним пробоєм області об’ємного заряду.

Доведено, що домішковий акцепторний центр бора в алмазі, незважаючи на значну глибину (0.4 еВ), є водневоподібним.

Література:

1. Алмаз в электронной технике. Сборник статей. Отв. ред. В. Б. Квасков. М. Энергоатомиздат. 1990.

2. В.С. Вавилов, А.А. Гиппиус, Е.А. Конорова. Электронные и оптические процессы в алмазе. М., «Наука», 1985.

3. Α. Ηalpeгin, J. Nahum, Phys. Chem. Solids 18, 297 (1961).