Спектры фоточувствительности структур на основе природного алмаза

к.т.н. Алтухов А.А., к.ф.-м.н. Фещенко В.С., Шепелев В.А.

ООО «Производственно-технологический центр «УралАлмазИнвест», г. Москва

д.ф.-м.н. Митягин А.Ю., д.ф.-м.н. Чучева Г.В.

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им.

В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино

к.ф.-м.н. Талипов Н.Х.

Военная академия Ракетных Войск Стратегического Назначения им. Петра Великого, г. Москва

Спектры фоточувствительности структур на основе

природного алмаза

В последние десятилетия в мире идет интенсивный поиск новых современных материалов для электронных и полупроводниковых приборов. Особый интерес для специалистов представляет кристаллы и эпитаксиальные пленки алмаза, который обладает уникальными свойствами и характеризуетя как «материал XXI века» [1].

В научных источниках имеется ряд сведений о создании на основе алмаза таких приборов, как транзисторы [2,3] и диоды [2,4], детекторы рентгеновского [5,6] и ядерного [5,7] излучений, варисторов [8], лазеров [9], оптоэлектронных коммутаторов [10,11], фотоэмиттеров [12] и фотодетекторов [13].

В то же время, в последние годы во всем мире наблюдается тенденция освоения ультрафиолетового (УФ) диапазона электромагнитного спектра для решения различного рода практических задач: в науке [14], технике [15], экологии [16,17] и медицине [18], а также для создания современной противопожарной [19] и военной техники [20].

Разработка новых датчиков УФ-излучения позволит создать принципиально новые приборы для контроля источников УФ-излучения, (например, измерения основных параметров излучения пико- и наносекундных импульсов эксимерных лазеров и ламп высокого давления), используемых в лазерной технике, производстве интегральных схем, полиграфии, пищевой промышленности, биотехнологии, и других областях, включая экологию и технику безопасности.

В настоящее время регистрация УФ-излучения, в основном, осуществляется с помощью дорогих и ненадежных вакуумных приборов: фотоэлементов и фотоумножителей. Полупроводниковые фотоприемники, реализованные на основе кремния и материалов группы А_IIB_YI (сульфида цинка, селенида цинка и сульфида кадмия), также не решают всего круга задач, особенно в области солнечно-слепого УФ-диапазона спектра.

Потенциальные преимущества алмазных фотоприемников УФ-диапазона определяются уникальными свойствами природного алмаза [21]: большой шириной запрещенной зоны, высокой подвижностью носителей, малым временем жизни носителей заряда, высоким темновым сопротивлением и высокой электрической прочностью, повышенной температурной и радиационной стойкостью алмазных кристаллов, а также минимальным уровнем собственных шумов. В данной работе исследуются УФ спектральные характеристики фоторезисторов, изготовленных на основе природного алмаза IIа типа.

Структура фоторезистора представлена на рис. 1.

Рис.1. Фоторезистор на основе природного алмаза.

Использовались алмазные кристаллы IIа типа как с концентрацией азота менее 10¹⁸ см^-³(1 группа), так и с содержанием азота порядка 10¹⁹ см^-³(2 группа).

Токовая спектральная чувствительность изготовленных фотоприемных структур измерялась при засветке выходящего из монохроматора МДР-23 УФ-излучением, от прокалиброванной дейтериевой лампы ЛТ-6М. Приведенная на рис. 2 схема включения фотоприемника представляет собой преобразователь “ток-напряжение.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема измерения темнового тока и

фототока при УФ-засветке фоторезисторов на основе алмаза

Выходное напряжение подавалось на АЦП, которое с помощью микроконтроллера и многопозиционного коммутирующего устройства подключалось через интерфейс RS-232 к ПЭВМ. Обработка цифровых данных производилась при помощи программного пакета LabVIEW [22].

На рис. 3 приведена темновая и световая вольт-амперная характеристика (ВАХ) фоторезистора при засветке монохроматическим излучением с l_max = 222 нм. Как видно из рис. 3 темновая ВАХ является линейной, т.е. структура в темноте ведет себя как резистор, что свидетельствует, о том, что контакты являются омическими. Удельное сопротивление кристалла алмаза, рассчитанное

Рис. 3. - Темновая и световая вольт-амперная характеристика фоторезистора на основе алмаза IIа типа. Световая ВАХ измерена при засветке УФ-излучением на длине волны l = 222 нм. Положительная (“прямая”) ветвь - потенциал “+” подавался на нижний, затемненный Al-электрод. Отрицательная (“обратная”) ветвь - потенциал “-” подавался на нижний, затемненный Al-электрод.

на основе данной ВАХ, составляет 9,2×10¹³ Ом×см. Световая ВАХ имеет нелинейный вид (рис. 3), близкий к диодной, что, по-видимому, объясняется, наличием потенциального барьера (контактной разности потенциалов), возникающем в процессе засветки между нейтральной основной областью кристалла, в которой концентрация основных носителей заряда остается такой же как и до освещения, и приповерхностной областью в которой происходит световая генерация электронно-дырочных пар, поскольку поглощение света идет только в узком приповерхностном слое толщиной 1-10 мкм [23]. Возникновение такого потенциального барьера в объеме алмаза при стационарном освещении возможно только в том случае, когда сильно нарушается равновесие между концентрацией генерируемых светом дырок и электронов. Если неравновесные электроны и дырки имеют сильно различающиеся времена жизни, то один из носителей становится “основным”, другой - “неосновным” и их разделение происходит во встроенном электрическом поле на “границе раздела” между областью генерации и нейтральной областью, аналогично тому, как это происходит в p-n переходе при возникновении фотовольтаического эффекта.

Рассмотрим, какие носители обуславливают вид ВАХ на рис. 3. В “прямой” ветви ток обусловлен дрейфом электронов от освещаемой верхней области (рис. 1) к нижней через весь объем кристалла. Видно, что с увеличением напряжения, ВАХ начинает выходить на насыщение, вследствие того, что дрейфовая скорость электронов в сильном электрическом поле насыщается. При приложении внешнего смещения в обратном направлении фототок определяется дырками, дрейфующими от освещенной верхней области к нижней. Это дырочный ток гораздо меньше и, практически, совпадает с темновым током. Такое различие токов в прямом и обратном направлении, по видимому, свидетельствует о том, что хотя в области генерации электроны и дырки рождаются парами, но “выживают” в основном электроны, а дырки активно рекомбинируют на глубоких донорных азотных центрах [21], которые заряжаются положительно и создают встроенное электрическое поле (а значит и потенциальный барьер), то есть электроны являются “основными”, а дырки “неосновными” носителями. Отсюда следует, что зонная диаграмма освещаемой алмазной фотоприемной структуры подобна зонной диаграмме неоднородно легированного полупроводника n-типа. При приложении “прямого” смещения потенциальный барьер для основных носителей - электронов со стороны освещаемой поверхности уменьшается и ток резко возрастает. Током дырок из нейтральной области можно пренебречь. Отметим, что практически все падение внешнего напряжения происходит в нейтральной области кристалла.

При смене направления внешнего поля на “обратное”, ток складывается из двух компонент: - дырок, поступающих из области генерации в нейтральную область, и электронов, текущих из нейтральной (темновой) области к освещаемому контакту из платины. Из вида ВАХ (рис. 3) следует, что концентрация данных носителей гораздо меньше концентрации генерируемых светом “основных” электронов.

Оценим концентрацию основных носителей заряда - электронов.

Исходная (темновая) концентрация носителей заряда при комнатной температуре (T= 300 К) в алмазе с удельным сопротивления r = 9,2×10¹² Ом×см составляет величину

см^-³,

(1)

где m_n - подвижность электронов, равная 2200 см²/(В×с) [21].

Эта концентрация носителей обусловлена, по-видимому, термической активацией дефектно-примесных центров различной природы на основе азота, имеющихся в алмазе, вероятнее всего - атомов азота в узле кристаллической решетки, где он является донором. Оценим энергию активации донорного уровня E_D для некомпенсированных полупроводников из выражения :

(2)

где g_D - фактор спинового вырождения донорного центра, равный 2; N_D - концентрация донорных центров, имеющая значение N_D @10¹⁸-10¹⁹см^-3, по порядку величины совпадающая с концентрацией атомов азота в алмазе (часть атомов азота может находится и не в узлах кристаллической решетки); N_c - эффективная плотность состояний в зоне проводимости:

см^-³,

(3)

здесь = 1,87m₀ - эффективная масса плотности состояний в зоне проводимости (m₀ - масса свободного электрона, m_l , m_t - продольная и поперечная эффективная масса электронов соответственно); - постоянная Планка.

Расчет согласно (2) дает величину E_D @ 1,88 -1,97 эВ в зависимости от концентрации азота. Наиболее близко данный уровень соответствует уровню донорного азотного C-центра с энергией активации 1,7 эВ [21].

На рис. 4 представлена типичная зависимость спектральной чувствительности алмазного фоторезистора от напряжения смещения для алмазных пластин с содержанием азота менее 10¹⁸ см^-³.

Рис. 4. Зависимость спектральной характеристики алмаза с концентрацией азота менее 10¹⁸(1 группа) от напряжения смещения:

1 – 5; 2 –10; 3 – 15; 4 –30; 5 –50; 6 –100; 7 –150; 8 – 200 В.

На рис. 5 представлена типичная зависимость спектральной чувствительности алмазного фоторезистора от напряжения смещения для алмазных пластин с содержанием азота порядка 10¹⁹ см^-³. Из графиков видно, что фототок в максимуме фоточувствительности для алмазов 1 группы составлял единицы наноампер и был, в среднем в пять – десять раз выше, чем для алмазных пластин 2 группы.

Рис. 5. Зависимость спектральной характеристики алмаза с концентрацией азота порядка 10¹⁹ см^-³(2 группа)от напряжения смещения: 1 – 5; 2 –10; 3 – 15; 4 –30; 5 –50; 6 –100; 7 –150; 8 – 200 В.

В то же время, темновой ток для обоих групп кристаллов был примерно одинаковый и составлял от 10 до 25 пикоампер.

Как видно из рис. 4 с ростом тянущего поля сигнал увеличивается. Смещение максимума спектральной чувствительности в коротковолновую область при увеличении напряжения смещения объясняется вытягиванием неравновесных носителей (электронов), генерированных более коротковолновым, сильно поглощаемым излучением вблизи поверхности со стороны освещаемого Pt-контакта (см. рис. 1), тогда как при низких полях эти носители за время жизни (t ~ 10^-⁹ c) не успевают продрейфовать к противоположной стороне кристалла. Более длинноволновое излучение поглощается в объеме кристалла и часть носителей при более низких полях успевают достигнуть вытягивающего Al-электрода. Данный эксперимент дополнительно показывает, что вблизи области фундаментального поглощения алмаз имеет сильную зависимость коэффициента поглощения от длины волны УФ-излучения.

В то же время, для более алмазов 2 группы наблюдается несколько другая зависимость фототока от напряжения смещения (рис. 5). При высоких напряжениях смещения (свыше 100 В) начинает расти фоточувствительность, которая обусловлена примесными центрами (B1 и B2) [21]. Это происходит потому что, коэффициент поглощения примесных центров намного ниже [23], чем у фундаментального края поглощения и электронно-дырочные пары генерируются в глубине кристалла. При повышении тянущего напряжения неравновесные носители вытягиваются из большей глубины кристалла.

Но, в то же время, для кристаллов 2 группы мы не наблюдаем увеличения фоточувствительности в области длин волн короче 210 нм. Это, по видимому, связано, с уменьшением времени жизни в таком кристалле, как для основных, так и для неосновных носителей. Основные носители, сгенерированные в приповерхностном слое кристалла, не успевают донести свой заряд до противоположного электрода и рекомбинируют в объеме кристалла.

Таким образом, в работе показано, что существует возможность управлять спектральной чувствительностью алмазного детектора в широких приделах, путём изменения напряжения смещения. Несмотря на наличие в алмазе большого количества примеси азота, невозможно сделать фотодетектор работающий в диапазоне 180 – 280 нм. Можно изготовить либо детектор, работающий в диапазоне 210 – 280 нм, либо детектор, работающий в диапазоне 180 – 214 нм.

Работа выполнена в рамках Проекта Минпромторга РФ №11411.1006800.11.066.

Список литературы

1. May P.W. Diamond thin films: a 21st-century material.// Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. – 2000. – v.358. – P. 473 – 495.

2. Aleksov A. Denisenko A., Diamond diodes and transistors. / A. Aleksov, , M. Kunze, [at. al.]//Semicond. Sci. Technol. – 2003. – №18. – P. S59 – S66.

3. Kasu M. Gate interfacial layer in hydrogen-terminated diamond field-effect transistors. / M. Kasu, K. Ueda, H. Kageshima, Y. Yamauchi // Diamond & Related Materials. – 2008. – №17. – P.741 – 744.

4. Kumaresan R. Device processing, fabrication and analysis of diamond pseudo-vertical Schottky barrier diodes with low leak current and high blocking voltage. / Kumaresan R., Umezawa H., Tatsumi N. [at. al.]// Diamond & Related Materials. – 2009. – №18. – P.299 – 302.

5. Alekseev A.G. Fast X-ray and Neutron Detectors Based on Natural Diamond. / A.G. Alekseev, V.N. Amosov, I.N. Rastyagaev, [at. al.]// Instr. and Exp. Tech. – 2004. – №47. – P. 153 – 156.

6. Iwakaji Y., Kanasugi M., Maida O., at. all. Characterization of soft-X-ray detectors fabricated with high-quality CVD diamond thin films. // Appl. Surf. Sci. – 2008. – 254. – P. 6277 – 6280.

7. Wallny R.S. Status of diamond detectors and their high energy physics application. / R.S. Wallny // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. – 2007. – 582. – P. 824 – 828.

8. El-Hajj H. Characteristics of boron δ-doped diamond for electronic applications. / H. El-Hajj, A. Denisenko, A. Bergmaier [at. al.]// Diamond and Related Materials. – 2008. – № 17. – P. 409 – 414.

9. Hooker S.M. Progress in vacuum ultraviolet lasers. / S.M. Hooker, C.E. Webb // Prog. Quant. Ekctr. – 1994. – v. 18. – P. 221 – 274.

10. Ho P.-T. Diamond opto-electronic switch. / P.-T. Ho, C.H. Lee, J.C. Stephenson, R.R. Cavanagh// Opt. Comm. – 1983. – v.46. – P. 202 – 204.

11. Schmid P. Design of high-speed diamond microswitch. / P. Schmid, M. Adamschik, E. Kohn // Semicond. Sci. Technol. – 2003. – №18. – P. S72 – S76.

12. Kang W.P. Diamond vacuum field emission devices. / W.P. Kang, J.L. Davidson, Y.M. Wong, K. Holmes // Diamond and Related Materials. – 2004. – №13. – P. 975 – 981.

13. Altukhov A.A. Ultraviolet Photodetectors Fabricated on Natural-Diamond Substrates for Optoelectronic Systems. / A.A. Altukhov, V.A. Kireev, N.M. Kirilin [at. al.] // J. of Comm. Tech. and Electr. – 2006. – №51. – P. 1437 – 1440.

14. BenMoussa A. Diamond detectors for LYRA, the solar VUV radiometer on board PROBA2. / A. BenMoussa, J.F. Hochedez, U. Schuhle [at. al.] // Diamond and Related Materials. – 2006. – №15. – P. 802 – 806.

15. Denisenko A. Diamond power devices. Concepts and limits. / A. Denisenko, E. Kohn // Diamond and Related Materials. – 2005. – №14. – P. 491 – 498.

16. Sankin V.I. Silicon carbide ultraviolet photodetectors and their application in ecological monitoring. / V.I. Sankin, V.P. Chelibanov // Phys. Stat. sol. A. – 2001. – v. 185. – Issue 1. – P. 153 – 158.

17. Paul N.D. Ecological roles of solar UV radiation: towards an integrated approach. / N.D. Paul, D. Gwynn-Jones // Trends in Ecology & Evolution. – 2003. – v.18. – Issue 1. – P. 48 – 55.

18. Gorka B. Design and characterization of a tissue-equivalent CVD-diamond detector for clinical dosimetry in high-energy photon beams. / B. Gorka, B. Nilsson, R. Svensson [at. al.]// Physica Medica. – 2008. – № 24. – P.159 – 168.

19. Gorokhov E.V. Solar-Blind UV Flame Detector Based on Natural Diamond. / E.V. Gorokhov, Magunov A.N., V.S. Feshchenko, A.A. Altukhov // Instr. and Exp. Tech. – 2008. – №51. – P. 280 – 283.

20. Coffey V.C. Military program develops novel UV sources. / V.C. Coffey // Laser Focus World. – 2009. –v.45. – Issue 7. – P. 143 – 145.

21. Квасков В.Б. Природные алмазы России. / В.Б. Квасков, М.:Полярон, 1997. – 303 с.

22. Тревис Дж. LabVIEW для всех./ Дж. Тревис. – М.:ДМК Пресс: ПриборКомплект, 2005. – 544 с.

23. Pace Emanuele. UV-induced photoconduction in diamond / Emanuele Pace, Antonio De Sio and Salvatore Scuderi //Carbon. Topics in Applied Physics. – 2006. – v. 100. – P. 463-504.