*112864*

Казючиц Н.М., Русецкий М.С., Наумчик Е.В., Мартинович В.А.*

Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь

*Белорусский национальный технический университет, Минск, Беларусь

Методика визуальной оценки распределения примесей и дефектов в синтетических НРНТ алмазах

Алмаз является материалом, обладающим уникальными физическими свойствами, благодаря которым он нашел свое применение в ювелирной промышленности, технике и электронике. Высокая подвижность носителей заряда, рекордная теплопроводность, радиационная стойкость делают алмаз привлекательным материалом для изготовления электронных приборов. Проблема использования природных алмазов для электронного приборостроения заключается в том, что каждый кристалл, будучи довольно дорогим, имеет индивидуальный набор характеристик. В связи с этим синтез алмазов электронного качества является актуальной задачей.

В Республике Беларусь синтетические алмазы производятся на РУП «Адамас БГУ». Продукция предприятия имеет наименование сверхтвердый материал (СТМ) Алмазот. СТМ Алмазот выращивают в беспрессовых аппаратах типа «разрезная сфера» в условиях термодинамической стабильности алмаза (Р=5-6 ГПа и t=1400-1600 °С) путем постепенной перекристаллизации углерода, растворенного в расплавленном металле (high-pressure high-temperature – HPHT метод). Для синтеза крупных монокристаллов алмаза HPHT методом используется сложная реакционная ячейка. Практически все элементы ячейки изготавливаются из порошков с использованием технологии прессования. Прессованные порошки адсорбируют большое количество воздуха, и сам синтез происходит на воздухе. Поэтому в кристаллы алмаза неконтролируемым образом попадает примесь азота. Наряду с этим из расплава в кристаллы попадают и металлы-катализаторы. Большая концентрация примесей, прежде всего азота и никеля, существенно ограничивают возможность применения кристаллов в электронике.

Целью работы было исследование распределения примесей и дефектов в НРНТ алмазах СТМ Алмазот, выращенных в стандартных условиях синтеза.

На рисунке 1 приведены фотографии типичных кристаллов СТМ Алмазот и изготовленных из них пластин. Схема раскроя кристаллов на пластины показана сплошными линиями. Раскрой кристаллов осуществлялся таким образом, чтобы получить пластины, содержащие боковые вершины кристалла (пластины 1 и 5).

Фотографии пластин сделаны при различных условиях съемки. Пластины, представленные в строке 1 рисунка 1, фотографировались на белой бумаге при освещении белым светом. В строке 2 приведены фотографии тех же пластин, полученные на фоне белой бумаги при освещении лазером с длиной волны 337 нм. Пластины, изображенные в строке 3, располагались на черном нелюминесцирующем фоне и также освещались лазерным излучением.

Из фотографий пластин, полученных на белом фоне при освещении белым светом видно, что пластины неоднородно окрашены. Преобладает желтая с различными оттенками окраска, обусловленная примесью азота, находящегося в узлах кристаллической решетки – С-дефектами. Концентрация азота в желтых областях достигает 2·10¹⁹ см^-3. Бесцветные области, как правило, расположены при вершинах кристалла и характеризуются низким (менее 5·10¹⁷ см^-3) содержанием азота. Численные данные были получены из спектров оптического поглощения [1].

Излучение с длиной волны 337 нм не поглощается чистым алмазом, так как энергия квантов меньше ширины запрещенной зоны. В азотосодержащих областях это излучение сильно поглощается примесью азота уже в приповерхностном слое [2] и не доходит до бумаги. В безазотных областях пластин излучение проходит через кристалл и вызывает синюю люминесценцию бумаги. Таким образом, желтые области пластин выглядят на фотографиях темными, а бесцветные – синими.

	1	2	3	4	5
1
2
3
	а)				б)
Рисунок 1. Фотографии пластин СТМ Алмазот на белом фоне при освещении белым светом – строка 1, на белом фоне при освещении светом с длиной волны 337 нм – строка 2, на черном фоне при освещении светом с длиной волны 337 нм – строка 3. Пластины вырезаны по сетке куба параллельно – а) и перпендикулярно – б) затравочной плоскости.

Фотографирование на черном нелюминесцирующем фоне с лазерным освещением позволяет получить люминесцентные топограммы пластин. Люминесценция отсутствует в областях пластин как с низкой, так и с высокой концентрацией азота. В первом случае - из-за малой концентрации центров излучательной рекомбинации, а во втором – из-за тушения люминесценции С-дефектами. Тушение излучательной рекомбинации С-дефектами происходит вследствие увеличения вероятности безызлучательной передачи энергии возбуждения алмазной решетке через примесные атомы азота. Люминесценция наблюдается лишь в центральной части пластин, что может быть связано с нарушениями кристаллической решетки при росте кристалла.

Визуальный анализ коррелирует с результатами исследований методами спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Из спектров ФЛ установлено, что зеленое свечение обусловлено дислокациями и примесью никеля [3,4]. Из спектров ЭПР получены численные значения концентраций примеси азота и никеля. Как оказалось, пластины, вырезанные в окрестности вершин кристалла, содержат приблизительно в три раза меньше примесей.

Таким образом, визуальная оценка пластин синтетических алмазов дает наглядное представление о степени неоднородности распределения азотсодержащих примесей и дефектов и может быть использована при отборе алмазов для электронного приборостроения.

Литература

1. Д.А. Новак, Е.А. Усик, Н.М. Казючиц, В.Н. Казючиц, М.С. Русецкий. Влияние примеси азота на фотоэлектрические свойства синтетических монокристаллов алмаза. В сб.: Материалы и структуры современной электроники / Под ред. В.Б. Оджаева. БГУ, Мн. (2008). С. 88.

2. Физические свойства алмазов. Справочник. Под редакцией Новикова Н.В. Наукова думка, К. (1987). 95 с.

3. Квасков В.Б. Природные алмазы России. Полярон. М. (1997). 304 с.

4. Zaitsev A.M. Optical properties of diamonds: a data handbook. Springer. (2001). 502 р.