НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. О.О. ГАЛКІНА

На правах рукопису

СОРОКА Валентина Панасівна

УДК:537.635-539.216

Фотоелектричні властивості поверхні (111) алмазних полікристалічних плівок

01.04.07 - Фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Донецьк-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізики та фізичного матеріалознавства Донбаської Національної академії будівництва і архітектури МОН України.

доктор фізико-математичних наук, професор

Токій Валентин Володимирович

Донецький фізико-технічний інститут ім.. О.О. Галкіна

НАН України, ст. н.с.

Науковий керівник:

доктор фізико- математичних наук, професор,

Бажин Анатолій Іванович., Донецький національний університет Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедрри фізики твердого тіла та фізичного матеріалознавства

доктор фізико- математичних наук, професор,

Стиров Владислав Володимирович, Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри фізики

Офіційні опоненти:

Захист відбудеться “30” жовтня 2007 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .184.01 при Донецькому фізико-технічному інституті ім. О.О. Галкіна НАН України (83114, м. Донецьк, вул. Р.Люксембург, 72).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України (83114, г. Донецьк, вул. Р.Люксембург, 72).

Автореферат розісланий „27” вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д .184.01,
кандидат фізико-математичних наук Т.М. Тарасенко

Актуальність роботи: Сучасний стан мікроелектроніки, фото- і оптоелектроніки, в основному, визначається досягненнями тонко плівкової технології. Поверхнево чуттєві ефекти широкозонних матеріалів знайшли широке застосування в сенсорній техніці, дослідженнях фізики Сонця, алмазні плівки можуть бути використані, як матеріал для фотокатодів, що працюють в області вакуумного ультрафіолетового та жорсткого рентгенівського випромінювання.

Приймаючи до уваги високий рівень термічної, радіаційної і хімічної стійкості алмазу, а також низький коефіцієнт дифузії домішок, можна чекати зниження деградаційних процесів, а також ефектів старіння матеріалу, що визначають надійність і довговічність фотоелектричних елементів. Однак, на сьогодні питання формування енергетичного спектра електронів реальних алмазних матеріалів не одержали однозначної відповіді.

Вивчення електрофізичних процесів, що протікають на поверхні такого перспективного матеріалу, як алмазні полікристалічні плівки, має важливе практичне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася за рахунок бюджетних асигнувань по найважливішим напрямкам науки і техніки: “Дослідження механізму формування електронних властивостей алмазних матеріалів на стадії обробки потоком енергії високих густин з метою розробки можливостей керування технологічними процесами, створення перетворювачів систем автоматики, стійких до хімічно агресивних середовищ і радіації на основі алмазу" (Наказ Мінвузу УРСР № 72 від 21.03.89р. за № 01890088757, 1989-1991р.). По проблемі "Інформатика й автоматизація” (Постанова Ради Міністрів УРСР № 80 від 4.04.1988р.) "Створити установку і розробити технологію одержання алмазних плівок для елементної бази складної побутової техніки" за № 01890088759, 1989-1991р. - Постанова Ради Міністрів УРСР № 326 від 13.03.1987р. "Розробити теорію електронних явищ в алмазі і на границях розподілу алмазу з іншими середовищами, а також активні елементи електроніки на основі алмазу" (№ 01890088758,1990-1991р.), за планом фундаментально, пошукових і прикладних досліджень у вищих навчальних закладах, відповідно до Державного замовлення Ради Міністрів і Міносвіти України - наказ Міносвіти України № 28 від 21.03.1991р. "Фізичні основи одержання нових алмазних матеріалів електронної техніки й електронні процеси в їхніх структурах" 1991-1993р. "Розробка і дослідження фотоперетворювача випромінювання на основі тонких полікристалічних плівок" (№ 0196И011394, 1995-1996).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є аналіз електронних станів на основі параметрів фотовідгуку у приповерхневій області широкозонних матеріалів, таких як алмазні полікристалічні плівки, при взаємодії з випромінюванням у видимому та близькому інфрачервоному регіонах.

Об’єктом досліджень були алмазні полікристалічні плавки які вирощувались СVD - методом на підкладках із кремнію та вольфраму, а також спеціально виготовлені плівки які були відділені від підкладок .

Предмет досліджень -. електрофізичні та фотоелектричні властивості алмазних полікристалічних плівок.

Для досягнення даної мети були використані електрофізичні, оптичні та фотоелектричні методи дослідження властивостей АПП, також розв’язані такі задачі:

· Встановлені особливості процесів фотогенерації в алмазних полікристалічних плівках (АПП) під впливом довгохвильового випромінювання у діапазоні 0,6 – 2,0 мкм .

· Вдосконалено методику виілення та виявлення вкладу приповерхневих ділянок при фотогенерації неврівноважених носіїв та реєстрації відповідного фотовідгуку.

· Встановлена взаємодія спектральних параметрів джерел випромінювання та параметрів досліджуваного матеріалу с деякими властивостями алмазного фотоприймача.

· Визначені енергетичні характеристики приповерхневих ділянок, які дозволяють отримати цінну інформацію про стан поверхні, а також встановити кореляцію між властивостями поверхні та умовами синтезу і підготовки плівок.

Наукова новизна отриманих результатів:

1 Вперше виявлено нестаціонарний фотовідгук високоомних (до 108 ом·см) алмазних полікристалічних плівок під дією електромагнітного випромінювання у видимому та інфрачервоному (ІЧ) діапазонах (0,4 – 2,0 мкм) . Визначена сукупність зовнішніх впливів (густина потоку фотонів, напруженість електричного поля), що впливають на його характеристики, відтворюваність експериментальних результатів.

2 Спектральна залежність фотоструму при л=0,6 - 2,0 мкм описана за допомогою моделі граничних механізмів межзонної генерації носіїв у приповерхневій області .

3 Встановлена анізотропія провідності АПП при дослідженні електрофізичних характеристик у стаціонарних умовах та під дією опромінювання різної інтенсивності.

4 Встановлено параметри двох порогів фотогенерації носіїв при Е1=0,6 еВ і Е2=1,4 еВ, прояв яких пов'язано з існуванням релаксованої (1х1) і реконструйованої (2х1) ділянок поверхні (111) алмазу.

Практичне значення: отримані в даній роботі результати дозволяють зрозуміти особливості електрофізичних процесів, що протікають у приповерхневих шарах АПП. Прилади на базі АПП дозволяють застосовувати їх в екстремальних умовах при високих густинах енергії. Метод фотовідгуку дозволяє непрямим способом, що не руйнує, досліджувати деякі властивості поверхні, зокрема встановити, що CVD – плівки (C, які синтезовані з газової фази, мають ділянки релаксованої C(111) (1х1) і реконструйованої поверхні C(111) (2х1).

Особистий внесок здобувача полягає в особистій участі проведення експериментальних досліджень, аналізі та математичній обробці одержаних експериментальних результатів. Проведення досліджень кінетики фотоструму та спектрів фотовідгуку алмазних полікристалічних плівок при стаціонарному і модульованому опроміненні, виконання чисельних розрахунків фотовідгуку при пороговому та резонансному механізмах генерації носіїв, обговоренні результатів, написанні статей і обґрунтуванні висновків.

Апробація роботи: Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на щорічних Міжнародних конференціях "Diamond Film": Diamond film-92, Germany, Helderberg; Diamond film-93, Portugal; Diamond film-95, Spain; Diamond Film-96, France; 10th European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanostructures Silicon Carbide, 1999, Czech Republic; 11-th European Conference on Diamond, Diamond Like Materials Carbon Nanostructures Nitrides & Silicon Carbide, Portugal, 2000; "2-nd International Symposium on Diamond Film" Мінськ -1994р.; на Міжнародній конференції "Applications of Diamond Films and Related Materials" – США, 1995г.; на 6-му и 7-му Міжнародних симпозіумах "Тонкі плівки в електроніці" -1996 і 1997р.; Third International Symposium on Diamond Films, St. Petersburg, Russia, 1996; The second Int. Conf. LDSD 97 Portugal 1997; 12-й міжнародний симпозіум “Тонкі плівки в електроніці” 2001, Харків, Друга Міжнародна періодична науково- практична конференція „Спецпроект – аналіз наукових досліджень” Дніпрпетровськ, 2005 р.

Вірогідність отриманих результатів, що представлені у дисертації, гарантується використанням високочутливої апаратури і методики аналізу даних, що заснована на використанні фундаментальних законів, а також надійною їхньою апробацією.

Публікації: Основні матеріали дисертації опубліковані в 4 статях у журналах, що входять до переліку фахових видань ВАК України та у 12 працях міжнародних наукових конференцій.

Структура й обсяг роботи: Дисертація складається із вступу, п'яти глав, висновку і списку літератури, що включає 135 найменувань. Повний обсяг роботи, що включає 2 таблиці і 63 малюнки, складає 163 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ є оглядом теоретичних і експериментальних робіт, виконаних по темі дисертаційної роботи і зв'язаних з аналізом, методами вивчення та контролю енергетичних станів поверхневих атомів, поблизу поверхні. Розглянуто роботи з результатів фото- і электрофізичних досліджень параметрів тонких кристалічних плівок з погляду внеску стану поверхні в процеси переносу заряду, стимульованого зовнішнім опроміненням. Відомо, що в ближньому ІЧ - діапазоні (аж до л ~1мкм) алмазні полікристалічні плівки, на відміну від монокристалів, поглинають значну частину випромінювання.

Практичне значення роботи з вивчення фотовідгуку визначається тим, що саме це явище широко застосовується в оптоелектронних пристроях.

На підставі проведеного огляду сформульовані основні задачі даного дослідження.

У другому розділі описані способи одержання і підготовки зразків на основі алмазних полікристалічних плівок, методи експериментального дослідження фото- і електропровідності зразків АПП, з підкладкою і без неї. Запропоновано методику розрахунку величин енергетичних порогів генерації носіїв, обумовлених станом поверхневих атомів.

У роботі вивчалися зразки нелегованих алмазних полікристалічних плівок товщиною близько 10 мкм, вирощених СVD – методом із суміші метану і водню на підкладках Si з p-провідністю площею до 100 мм2.

При вивченні електропровідності плівок електричні контакти до АПП були підібрані таким чином, щоб не утворювати додаткових потенціальних бар’єрів. Для визначення внеску складової поверхневої провідності, нами досліджувалися плівки на підкладках із двома близько розташованими пружинними вольфрамовими контактами. Величина напруженості поля регулювалася зміною відстані між контактами і різниці потенціалів, прикладеної до них.

Використовувалась установка, яка дозволяла проводити вивчення фотовідгуку АПП як при стаціонарному, так і при модульованому монохроматичному опромінюванні.

Як джерело світла використовувалися лампи розжарення з вольфрамовою ниткою. При відокремленні швидких процесів генерації в роботі використовувався метод амплітудної модуляції випромінювання з наступним посиленням і синхронним детектуванням сигналу. Для цього між джерелом випромінювання і монохроматором розташовувався механічний модулятор з регульованою частотою обертання, який одночасно був джерелом опорного сигналу.

Задачею досліджень було: визначення оптимальних умов реєстрації швидкої складової фотовідгуку і встановлення зв'язку її амплітуди з характеристиками зразків АПП і випромінювання, яке падає на поверхню. Встановлено, що амплітуда сигналу, яка обумовлена швидкою складовою фотовідгуку, зменшується зі зростанням частоти модуляції (оптимальна частота модуляції f=67Гц). За цих умов проводилася реєстрація спектральної залежності фотовідгуку, яка не залежала від умов попередніх дослідів, а також забезпечуваючи їх відтворення.

В установці передбачена можливість реєстрації динаміки росту і спаду фотоструму (кінетика фотоструму) у режимах стаціонарного і модульованого фотовідгуку для часових розгорнень на діаграмі записувача, чи осцилограм. Це дозволяло досліджувати спектральну залежність фотовідгуку в інтервалі 200 – 2000 нм і одержувати інформацію про динаміку зміни струму за час від 0,3 до 300 сек.

Проведений теоретичний аналіз форми спектра фотовідгуку широкозонних матеріалів у ближньому ІЧ - діапазоні показує, що її вид є характеристикою, яка обумовлена, у першу чергу, властивостями самого матеріалу і властивостями джерела випромінювання. При цьому враховувалися параметри апаратурного впливу (лінійна дисперсія монохроматора, ширина щілин монохроматора і випромінювальна здатність джерела).

Як характеристика матеріалу приймача пропонується функція спектральної залежності коефіцієнта поглинання (h), що при пороговому механізмі представлена у вигляді: |

(1)

де C1 - константа, r – стала, що враховує характер електронних переходів між різними енергетичними станами в кристалі, Ep- –енергія порогу генерації носіїв.

Спектральний розподіл потоку фотонів на виході призменого монохроматора при температурі випромінювача, що встановилася, і заданій ширині щілин визначався із співвідношення: |

(2)

Отримано співвідношення, що описує форму лінії спектру фотовідгуку поблизу порога генерації. При виконанні умови квадратичних рекомбінаційних процесів у всьому діапазоні і при сталій величіні дисперсії апаратури спектральна залежність струму має вигляд: |

(3)

– густина фотоструму, С– константа, е – заряд, – напруженість поля.

Лінійність залежності густини змінної складової струму від напруженості поля спостерігається в межах Е = 0 ч 5,5 кВ/см, як показано на рис. 1 для монохроматичного випромінювання в ближньому ІЧ - діапазоні. Це дозволило вибрати зручний діапазон напруг для одержання досить високого і стабільного фотовідгуку в АПП.

Рис.1 Омічна залежність нестационарного фотовідгуку АПП.

У розглянутому діапазоні (ближній ІЧ – діапазон) функція (1) зростає, а функція (2) знижується, функція (3) має максимум, положення та величина якого визначаються експериментально. По визначеному положенню максимуму (hнн) і відомому спектральному розподілу потоку фотонів при обмірюваній температурі джерела випромінювання Т можуть бути визначені показник ступеня r у вираженні (1) та величина енергетичного порогу генерації фотоносіїв. Для того самого механізму генерації за допомогою зсуву максимуму фотовідгуку отримано співвідношення, що дозволяє обчислити сталу r |

(4)

У рамках викладених вище наближень, для обчисленого значення r при відомих спектральних розподілах потоків фотонів і положень максимумів фототcтруму вираз, що дозволяє знайти величину енергетичного порогу, має вигляд: |

(5)

Це співвідношення вказує на необхідність врахування в спектрах фотовідгуку особливостей розподілу потоку фотонів, що впливає на приймач.

В третьому розділі приведені результати експериментального вивчення впливу напрямку і величини електричного поля на процеси електропереносу носіїв в АПП у стаціонарних умовах, а також при впливі зовнішнього електромагнітного випромінювання різної інтенсивності. У цих дослідженнях використовувалися зразки алмазних полікристалічних плівок, утримуваних на підкладці з кремнію і без неї, що дозволяло виключити вплив низькоомного матеріалу підкладки і виділити характеристики самої плівки.

В алмазних полікристалічних плівках зроблено спробу визначити внесок складової поверхневої провідності. Це виконувалось за допомогою двох близько розташованих контактів з вольфраму, які знаходились на відстані 0,3 – 1,4 мм один від одного. Напруга між цими контактами змінювалась від 10 до 110 В. Було визнано, що вольт – амперні залежності є симетричні при зміні полярності докладеної напруги, що вказує на еквівалентність зондових контактів та незмінність характеру проходження струму у зразку.

Результати вимірів опору плівок при різному напрямку поля, геометрії контактів показали, що на перенесення заряду істотно впливає підкладка, яка найчастіше має меншу питому провідність. Провідність носіїв може здійснюватися двома каналами: уздовж поверхні плівки, а також через її об’єм і підкладку. Величини опорів при різній орієнтації поля близькі один до одного. Для проведення кількісного аналізу поверхневої та об’ємної складової питомого опору плівок приведена еквівалентна електрична схема провідності, згідно з якою була проведена оцінка вкладу опору поверхневої частини плівки, який має величину 1011- 1012 Ом.. Поверхнева складова питомого опору плівки була оцінена в інтервалі сs ~ 103–104Ом см, а об’ємна складова дорівнювала сV ~ 105—107 Ом см.

Зіставлення експериментально отриманих значень питомого опору АПП при вимірах уздовж і перпендикулярно поверхні росту дозволило визначити, що об'ємна складова питомого опору відрізняється від поверхневої більш ніж на порядок. Це дозволило припустити наявність анізотропії провідності і провести роздільне вивчення електронних процесів, що протікають як на поверхні, так і в об’ємі. Для вивчення властивостей приповерхневих шарів виникла необхідність видалення підкладки.

Вивчення процесів переносу заряду у плівках, які були відділені від підкладки, показали, що зниження висоти міжкристалітного бар’єру, який виникає між зернами росту, а також впливає на електропровідність, можливо за рахунок прикладення між контактами великої напруженості поля Е > 2,5 кВ/см.

Під впливом зовнішнього електромагнітного випромінювання з’являється додаткова генерація неврівноважених носіїв, яка зумовлена виникненням додаткових термічно збуджених носіїв на поверхні плівок, чи фотогенерацією.

Застосування модульованого монохроматичного опромінення дозволило знизити міжкристалітний бар’єр, а також отримати омічні залежності вольт-амперних характеристик струму, який виникає на поверхні плівок.

В четвертому розділі розглянуті експериментальні результати дослідження нестаціонарного фотовідгуку плівки, яка була відділена від підкладки, обумовленого процесами, що протікають у приповерхневих шарах. При цьому проведено вивчення впливу на величину фотовідгуку напруженості прикладеного електричного поля, потужності і частоти модуляції потоку випромінювання. Було виявлено, що при постійній напрузі між контактами на зразках полікристалічних алмазних плівок при опроміненні їх світлом виникає струм, який зумовлений фотогенерацією неврівноважених носіїв, концентрація яких поблизу освітленої поверхні більше ніж у об’ємі. Цей фотострум залежить не тальки від інтенсивності потоку опромінення, а також і від спектрального розподілу джерела випромінювання. Таким чином, в алмазних плівках була виявлена сприйнятливість до особливостей спектрального розподілу джерела опромінення.

В умовах фотозбудження у зразках алмазних плівок спостерігаються одночасно три процеси. Нарівні з процесами генерації і дифузії неврівноважених носіїв спостерігаються процеси рекомбінації. При постійному освітленні стаціонарне розподілення неврівноважених носіїв довго не встановлюється. Струм зростає досить довго з моменту освітлення. Таким чином темп генерації носіїв є переважним над процесами рекомбінації. Такий характер поведінки фотоструму може бути пояснений проявом швидких і повільних процесів генерації носіїв. Швидкі процеси протікають у приповерхневих шарах плівок, а повільні зв'язані з виникненням об'ємного заряду. Амплітуда швидкої компоненти залежить від густини потоку опромінення, прикладеного поля. а також спектрального розподілу потоку фотонів, якими опромінюється поверхня плівок. Повільна компонента також залежить від спектрального розподілу опромінення і може буті зв’язана з електронними процесами які виникають у об’ємі зразка.

При дослідженні спектральної чуттєвості алмазних плівок використовувалось опромінення зразків монохроматичнім модульованим світлом с довжиною хвилі від 350 до 2000 нм.

При використанні модульованого монохроматичного опромінення фотострум в початковий момент часу (менш ніж 0,5 с) характеризується різким зростанням, як показано на рис.2, з часом він стабілізується і наступає його насичуваність. Насичуваність фотоструму наступає тоді, коли процеси генерації носіїв зрівноважені з процесами рекомбінації.

Рис. 2. Кінетика фотоструму АПП для різних густин потоку випромінювання.

Амплітудне значення швидкої складової фотоструму, як видно з рис.2, залежить від густини потоку, частоти модуляції світла, а також від спектрального розподілу джерела опромінення.

В супереч динаміці зміни фотоструму при постійному опроміненні фотострум, який був зареєстрований при модульованому опроміненні, носить більш стабільний характер и досить швидко насичується. Такий характер зміни фотоструму при модульованому опроміненні плівок пояснюється розділенням його на швидку та повільну компоненти.

Дослідження кінетики тонких плівок широкозонних напівпровідників різної товщини можливо якісно уявити у вигляді суперпозиції швидкого та повільного процесів. Повільні процеси домінують при умові високого рівня збудження носіїв при постійному опроміненні, а швидкі процеси спостерігаються тільки при імпульсному опроміненні зразків.

Засіб вилучення швидкої складової фотоструму АПП з використанням імпульсного модульованого опромінення був розроблен та використан нами, і є основою дослідження фотопровідності полікристалічних алмазних матеріалів.

При дослідженні люкс - амперних залежностей АПП було визначено, що їх нахил, який визначався, як відношення збільшення фототоку до зміни потоку, залежить від довжини хвилі л монохроматичного випромінювання. При постійній довжині хвилі опромінення з ростом інтенсивності потоку фотонів фотострум збільшується, причому, у короткохвильовій області при = 650, 700 нм швидкість наростання фотоструму більше ніж у довгохвильовому діапазоні.

Як показано на рис.3 нахил люкс – амперних характеристик, який визначався як відношення приросту фотоструму до потоку фотонів Tg(л)=d(lnIp)/d(lnц) залежить від довжини хвилі л монохроматичного опромінення. Довжиною хвилі 875 нм (hн=1.4 еВ) діапазон збудження неврівноважених носіїв було розбито на два – короткохвильовий та довгохвильовий.

Рис. 3. Спектральна залежність нахилу люкс-амперних характеристик у діапазоні 650–1200 нм

Нелінійність фотоструму, який спостерігається, може бути пояснена моделлю генерації неврівноважених носіїв двох типів з квадратичною та лінійною рекомбінацію. Визначено, що неоднорідні області генерації неврівноважених носіїв енергетично розподілені. Для першої області (довгохвильовий діапазон) характерним є квадратичний рекомбінаційний процес. Починаючи з енергії фотонів hн=1.4 еВ у другій області (короткохвильовий діапазон) додатково збуджуються неврівноважені носії з лінійною рекомбінацією. Таким чином, при короткохвильовому збудженні присутні два паралельних канали неврівноваженої провідності одночасно. Фотострум в даному діапазоні збудження може бути представленим як сума токів Iр = I1 + I2., які виникають у діапазонах окремо. Відповідно до цього два одночасно діючих механізми генерації носіїв, приводять до того, що Tg має проміжне значення між і 1.

Таким чином виявлено утворення енергетично неоднорідних областей генерації неврівноважених носіїв двох типів з лінійною та квадратичною рекомбінацією.

У п'ятому розділі проведено порівняння результатів експериментального дослідження спектральної залежності фотовідгуку АПП з моделлю порогового механізму генерації носіїв, яка була запропонована. Проведено оцінку енергетичних станів, відповідальних за генерацію носіїв у ближній ІЧ - області.

Приклади спектрів фотовідгуку алмазної полікристалічної плівки з планарною системою контактів в області енергій 0,6 ч1,9 еВ представлені на рис. 4. Спектр має складну форму, яка містить ряд слабко виражених особливостей. Фотострум, сумірний з рівнем шумів, реєструється вже при 1700 нм, поступово збільшується убік коротких довжин хвиль. Результати, що виявляються при таких дослідах, звичайно, трактувалися, як оптичні переходи між локалізованими станами структурних порушень. Наявність максимумів фотовідгуку пояснюються особливостями взаємодії випромінювання, що збуджує переходи, і реальною структурою кристалічних алмазних плівок.

В інтервалі довжин хвиль від 2000 до 500 нм на кривій можна виділити дві особливості приблизно при 1000 нм і 720 нм. Найбільше значення фотоструму в АПП виявлено в області 600 - 700нм.

Рис..4. Вклад граничних механізмів генерації носіїв до фотовідгуку ближнього ІЧ- діапазону.

Виявлені максимуми фотоструму в розглянутому оптичному діапазоні можуть бути зв'язані з існуванням додаткових енергетичних станів (зон), які обумовлені особливостями технології одержання АПП. Відомо, що в кристалах природного алмазу в оптичному діапазоні це явище не спостерігалось. Аналіз спектральної залежності квантової ефективності фотовідгуку, який був проведений на основі моделі порогового механізму генерації неврівноважених носіїв, показав, що в досліджуваному оптичному діапазоні виявляються, принаймні, два пороги. Спектральна залежність фототоку, яка обумовлена результатом дії обох порогів з різним потоком фотонів, показана на рис. 4.

Експериментально виявлено зсув максимумів фотовідгуку, і відповідно до моделі порогових механізмів генерації носіїв, обчислені параметри r і Ер. які, наведені в Табл.1.

Максимуми фотоструму, що виявляються, відповідно до (5), дозволили обчислити енергію двох порогів із задовільною точністю, використовуючи прості методики. Величини порогів практично не змінюються від густини потоку випромінювання і прикладеної напруженості поля. Вони визначені рівними Е11 = 0.633 ±0.018 еВ і

Е21 =1.403 ± 0.015еВ. Аналогічні пороги були виявлені раніше на поверхні (111) природного алмазу методом дифракції уповільнених електронів і були зв'язані з існуванням ділянок релаксованої C (111) (1Х1) і реконструйованої поверхні C (111) (2Х1), що зв'язані з умовами одержання АПП у процесі вирощування.

Таблиця 1. Енергетичні характеристики

фотогенерації носіїв в АПП

Температура джерела випромінювання, К |

Довгохвильовий поріг | Короткохвильовий поріг

Положення максимуму,

еВ | Енергія порога,

еВ |

Поріг

з (5)

еВ | Положення максимуму,

еВ | Енергія порога,

еВ |

Поріг

з (5)

еВ

2183 | 1,27 | 0,633 | 0,659 | 1,82 | 1,4 | 1,421

373 | 1,355 | 0,662 | 0,685 | 1,85 | 1,394 | 1,408

2493 | 1,37 | 0,643 | 0,656 | 1.887 | 1,407 | 1,418

2500 | 1,346 | 0,616 | 0,622 | 1,898 | 1,417 | 1,428

2573 | 1,361 | 0,609 | 0,609 | 1,87 | 1,374 | 1,379

2673 | 1,413 | 0,631 | 0,631 | 1,94 | 1,425 | 1,43

2800 | 1,492 | 0,674 | 0,677 | 1.94 | 1,401 | 1,398

2873 | 1,45 | 0,61 | 0,592 | 1,97 | 1,417 | 1,413

2950 | 1,48 | 0,617 | 0,595 | 1,96 | 1,39 | 1,379

Таким чином, метод фототокової спектроскопії дозволяє виявити деякі особливості стану приповерхневих шарів алмазу. Цей підхід до вивчення поверхневих властивостей алмазів, заснований на аналізі даних, отриманих традиційними методами разом з експериментальними даними фотовідгуку, дозволяє зрозуміти явища і краще вивчити властивості поверхневих шарів алмазу та інших матеріалів із зонною структурою.

Полікристалічні алмазні плівки, що характеризуються вдалими оптичними властивостями і гарною адгезією, можуть знайти широке застосування в сучасній оптоелектроніці. Розташування отриманих енергетичних порогів генерації носіїв можна показати схематично на рис. 5.

Рис. 5 Енергетичні рівні релаксованих (1Х1) та реконструйованих (2Х1) ділянок поверхні (111) АПП

Ці значення близькі по величині до енергетичних порогів, виявлених для поверхні монокристалів алмазу. Відстань по енергії від стелі поверхневої валентної зони Еsv до рівня Ферми Еf для релаксированной поверхні (111) 1х1 дорівнює Е1=0,6еВ, а для реконструйованих ділянок поверхні (111) 2х1 складає Е2=1,4еВ. Отримані нами результати цілком узгоджуються з даними досліджень поверхні монокристалів алмазу методами дифракції уповільнених електронів.

Таким чином, метод фотовідгуку, що є непрямим і не руйнуючим, дозволяє вивчати стан поверхневих шарів і, зокрема, встановити, що в алмазних полікристалічних плівках, які синтезовані з газової фази методом CVD, присутні ділянки поверхні, що містять ділянки релаксованої (1х1) і реконструйованої поверхні (2 х 1).

Як видно з Табл.1, положення максимумів, що виявляються, зв'язано з характеристиками джерела випромінювання, причому довгохвильовий діапазон більш чутливий до спектрального розподілу потоку фотонів.

З отриманих експериментальних результатів визначено, що положення максимуму фотоструму, зв'язаного з порогом 0,63 еВ змінюється з швидкістю 5 K/нм, а зв'язаного з порогом 1,4 еВ – 15 K/нм, як показано на рис.6.

Ефект зсуву максимуму фотовідгуку може бути використаний у пірометрі, чуттєвим елементом якого є алмазна полікристалічна плівка. У такому пристрої відбувається реєстрація теплового випромінювання в широкому оптичному діапазоні (від 0.5 до 3 еВ). Випромінювання сприймається і перетворюється алмазним фотоприймачем в електричний сигнал, що може бути оброблений по заданій програмі комп’ютера без втручання людини.

Рис. 6. Зв’язок температури джерела випромінювання з положенням максимуму фототоку алмазної плівки

На підставі отриманих експериментальних результатів і їхнього аналізу можна стверджувати, що:

1. Встановлена анізотропія питомої об’ємної електропровідності алмазних полікристалічних плівок , обумовлена тим, що величина компоненти тензору питомої провідності у напрямку поверхні росту, на порядок більше компоненти тензору питомої провідності перпендикулярно поверхні росту. Об’ємний питомий опір нелегованих алмазних плівок складає 105-107Ом·см перпендикулярно поверхні росту, уздовж поверхні росту питомий опір дорівнює 104- Ом см.

2. Виявлено, що під впливом постійного монохроматичного світла кінетика фотовідгука складається із швидкої й повільної компонент, які можна розділити при використанні модульованого світла.

3. Виявлено утворення енергетично неоднорідних областей генерації неврівноважених носіїв двох типів з лінійною та квадратичною рекомбінацією.

4. Для алмазної полікристалічної плівки уперше виявлена і досліджена спектральна залежність нестаціонарної фотопровідності уздовж поверхні росту при опромінюванні в інтервалі 0,35-2,00 мкм, а також впливу на її величину електричного поля, а також параметрів джерела випромінювання і властивостей алмазної плівки.

5. Встановлений пороговий механізм спектральної залежності фотопровідності АПП для швидкої компоненти у видимому та інфрачервоному діапазонах, на підставі розробленої методики, яка враховує вплив параметрів джерела опромінення, а також властивостей плівки на форму спектру фотопровідності, яка дозволила встановити значення порогів фотогенерації носіїв Е1 = 0, 63 ± 0,038 еВ и Е2 = 1,408 ± 0,015 еВ.

6. З’ясовано, що енергетичні пороги фотогенерації носіїв співпадають з встановленими раніше, теоретично та експериментально на відстані по енергіям від стелі валентної зони Еsv поверхні до рівня Фермі Еf для релаксованої поверхні (111) 1х1 - Е11= 0,6 еВ та для реконструйованої поверхні (111) 2х1 - Е21=1,4 еВ, що дозволяє методом фотопровідності, який не є руйнівним, дослідити структуру поверхні та встановити, що алмазні полікристалічні плівки, які синтезовані з газової фази, мають поверхню , яка складається із ділянок релаксованої поверхні (111) 1х1 та реконструйованої поверхні (111) 2х1 алмазу.

Основні результати представлені в наступних джерелах:

1. Токій В.В., Тимченко В.І, Сорока В.О. Аномальна нелінійна фотогенерація носіїв на поверхні алмазу // Український фізичний журнал. 2002. -.Т.47, №1. - С. 73 -75

2. Токий В.В., Тимченко В.И., Сорока В.А. Аномальная нелинейность ИК- фотопроводимости алмазной поликристаллической пленки // ФТТ. - 2003.- Т.45, - Вып.4 - С. 600-603.

3. Сорока В.А., Тимченко В.И., Носанов Н.И. Электропроводность CVD – алмаза // Вісник Донецького університету, Сер. А: Природничі науки. - 2002 - Вип.1–С. 277-281

4. Спицын Б.В., Буйлов Л.Л., Токий В.В., Тимченко В.И., Сорока В.А., Токий Н.В.. Алмазный фотодетектор на основе структуры металл – диэлектрик – металл //Физика и техника высоких давлений - т.12, №3, 2002, С.131-135

5. Tokiy V.V., Timchenko V.I., Soroka V.A., Tokiy N., Spitsyn B.V., Builov L.L. Spectral Characteristic of Diamond Silicon Sandwich Structures of Photodiode, Photoconductor and MISFET// Appl. of DF and Rel. Mat. 3 Int. Conf. -21-24.08.95, Gaithersburg, USA. Р. 149-152.

6. Tokiy V.V., Timchenko V.I., Soroka V.A., Tokiy N., Spitsyn B.V., Builov L.L. Diamond Film Metal-Semiconductor-Metal Photodetector. //Appl. of DF and Rel.Mat.3 Int. Conf. 21-24.08. 95 Gaithersburg : USA. Р.145- 148.

7. Токий В.В., Тимченко В.И., Сорока В.А Теория формы фототокового спектра при высоком уровне инжекции // Алмазные пленки и пленки родственных материалов (Сборник докладов 12-го международного симпозиума “Тонкие пленки в электронике”); Под ред. В.И. Лапшина, М.А. Преласа, Б.И. Спицина, В.М. Шулаева, МСТПЭ–12, 23-27 апреля 2001, Харьков; Украина 2001,– С.53 - 55.

8. Токий В.В., Тимченко В.И., Сорока В.А. Фотостимулированная электропроводность алмазных пленок// Труды Украинского вакуумного общества, Харьков: 1997,- Т.3 - С. 120-122.

9. Токий В.В., Тимченко В.И., Сорока В.А. Исследование электронных характеристик поверхности алмазных поликристаллических пленок. // Материалы 7 Международного симпозиума, Тонкие пленки в электронике, Йошкар-ола: 1-5 июля 1996, - С.99-102.

10. Tokiy V.V., Timchenko V.I., Bariyakhtar V.G., Soroka V.A. Stationary and Nonstationary Photocurrent Components in Diamond Films/ 8 European conference on Diamond, Diamond – like Materials, 12-17 September 1997, Diamond 97 Scotland, abstract booklet

11. Долговская Е.О., Токий В.В., Тимченко В.И., Сорока В.А. Фототоковая спектроскопия алмазных поликристаллических пленок. // Матеріали 27 наукової конференції студентів, Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури, 2001-3(28) С.11-14.

12. Tokiy V.V., Tivchenko V.I., Gorban S.V., Savina D.L., Soroka V.A., Tokiy N. The (111) Diamond surface by ESR and photoconductivity. // Third International Symposium on Diamond Films, 16-19 June,1996,Scientific Club of the Polytechnical Institute in Lesnoe, 29 Polytechnicheskaya, St. Petersburg, Russia , abstract booklet

13. Tokiy V.V., Tivchenko V.I.,.Soroka V.A, Tokiy N. Spectral characteristic of fast and slow photoresponce in diamond // Third International Symposium on Diamond Films, 16-19 June,1996,Scientific Club of the Polytechnical Institute in Lesnoe, 29 Polytechnicheskaya, St. Petersburg, Russia , abstract booklet.

14. Тимченко В.И. Сорока В.А. Кувалдина А.Н Установка для определения нестационарной фотопроводимости алмазных поликристаллических пленок // Вестник Донбасской Государственной Академии Строительства и Архитектуры, 1997 - Вып. 97-3 -№7, С.105.

15. Samsonenko N.D., Tokiy V.V., Timchenko V.I., Soroka V.A., Impulse thermal excitation of power transmission in diamond film // 2-th European conference on Diamond, Germany, Heidelberg, September 1992. Abstract Diamond film-92.

16. Tokiy V.V, Timchenko V.I., Soroka V.A. Resonance and threshold shape’s of the photocurrent spectrum of diamond films // 10-th European conference on Diamond, Diamond – like Materials, Carbon Nanotubes, Nitrides & Silicon Carbide 12-17 September 1999, Prague Hilton Atrium, Czech Republic.

Cорока В.А. Фотоэлектрические свойства поверхности (111) алмазных поликристаллических пленок. - Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. - Донецкий физико-технический институт им. А.А.Галкина НАН Украины, Донецк, 2007 год

В данной работе изучались фотоэлектрические свойства нелегированных поликристаллических алмазных пленок, выращенных СVD- методом из смеси метана и водорода на подложках из кремния (Si), вольфрама (W).

Синтез АПП проводился в реакционной камере при общем давлении смеси газов в диапазоне 2–10 кПа и содержании водорода около 4%. Процесс осаждения углерода, образующего структуру алмаза, проводился при температуре подложек от 1100 до 1500К со скоростью около 10 мкм/час. Активация газовой среды осуществлялась графитовым нагревателем, имевшим температуру до 2000 К.

Для электрических и фотоэлектрических исследований была создана установка, которая позволяла исследовать спектральную зависимость фотоотклика, в интервале длин волн 200-2000нм, в режиме стационарного и модулированного потока фотонов, а также получать информацию о кинетике изменения тока за время от 0,3 до 300 сек

Определен вклад поверхности в процессы электропереноса. Анализ процессов переноса заряда в полупроводниковых материалах с поликристаллическим строением неоднократно проводился на основе модели термоэлектронной эмиссии. Глубокие уровни (глубокие ловушки) существующие в объеме зерен, сильно влияют на статические и динамические характеристики электропроводности. Однако, эти характеристики в значительной степени определяются также вкладом межзеренных границ. Анализ вклада границ зерен в поликристаллических материалах показал, что вольт - амперная зависимость проявляет три характерных участка: линейный, сублинейный и суперлинейный

На сублинейном участке в продольном электрическом поле происходит понижение межкристаллитных барьеров, которое частично компенсируется дополнительным захватом электронов на уровни пограничных состояний. Постепенное заполнение пограничных уровней при постоянной плотности тока замедляется и ВАХ становится сублинейной.

При изучении электрофизических свойств алмазных поликристаллических пленок, состоящих из сросшихся кристаллитов необходимо учитывать вклад границ зерен. Увеличение приложенного к пленке электрического поля, должно привести к понижению роли межзеренных барьеров и выделению роли кристаллической фазы.

Определена совокупность внешних воздействий (плотность потока фотонов, напряженность электрического поля и т.д.), влияющих на его характеристики, воспроизводимость экспериментальных результатов.

Проведено изучение влияния внешних воздействий (мощности потока излучения, частоты модуляции облучения и величины напряженности электрического поля) на величину фототока. Обнаружено, что при воздействии на образец постоянного монохроматического света кинетика фототока характеризуется быстрой и медленной компонентами, которые можно разделить использованием модулированного света.

Определено образование пространственно неоднородных областей генерации неравновесных носителей двух типов с линейной и квадратичной рекомбинацией.

Предложена методика определения параметров спектра (Еп, max, r) , основанная на пороговом механизме поглощения с линейной и квадратичной рекомбинацией носителей. Обнаружена анизотропия удельной объемной проводимости алмазных поликристаллических пленок, проявляющаяся в том, что величина компоненты тензора удельной проводимости вдоль поверхности роста, по крайней мере, на порядок больше компоненты тензора удельной проводимости перпендикулярно поверхности роста. Определены параметры двух энергетических порогов генерации носителей и предложена модель их связи с релаксированной (1х1) и реконструированной (2х1) участками поверхности С (111).

Установлено, что энергетические пороги фотогенерации носителей совпадают с определенными ранее теоретически и экспериментально расстоянием по энергии от потолка валентной зоны Еsv поверхностности до уровня Ферми Еf для релаксированной поверхности (111) 1х1 - Е11= 0,6 эВ, и для реконструированной поверхности (111) 2х1 - Е21=1,4 эВ что позволяет косвенным и неразрушающим методом фотопроводимости исследовать структуру поверхности и, в частности, выяснить, что алмазные поликристаллические пленки, синтезированные из газовой фазы, имеют поверхность, состоящую из участков релаксированной поверхности (111) 1х1 и реконструированной поверхности (111) 2х1 алмаза.

Ключевые слова: алмазные поликристаллические пленки, анизотропия проводимости, фотоотклик, фотогенерации, квантовая эффективность, релаксация и реконструкция поверхности.

Сорока В.П. Фотоелектричні властивості поверхні (111) алмазних полікристалічних плівок.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01,04.07 – фізика твердого тіла. - Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О.Галкіна НАН України, Донецьк, 2007 рік

У даній роботі вивчалися фотоелектричні властивості нелегованих полікристалічних алмазних плівок, які були вирощені CVD-методом. Визначено внесок поверхні в процеси електропереносу. Уперше виявлена спектральна залежність нестаціонарного фотовідгуку у видимому та ближньому ІЧ- діапазонах. Проведено вивчення впливу зовнішніх впливів ( потужності потоку випромінювання, частоти модуляції і значення електричного полю) на величину фотовідгуку. Запропоновано методику визначення параметрів спектра (Еп, max, r) , яка заснована на граничному механізмі поглинання з лінійною та квадратичною рекомбінацією носіїв. Установлено параметри двох енергетичних порогів генерації носіїв і запропонована модель їхнього зв'язку з релаксованою (1х1) і реконструйованою (2х1) ділянками поверхні С (111).

Ключові слова: алмазні полікристалічні плівки, анізотропія провідності, фотовідгук, фотогенерація , квантова ефективність, релаксація та реконструкція поверхні.

Soroka V.A. Photoelectric properties of a surface (111) of diamond polycrystalline films.-Manuscript

Thesis for compefition of the candidate scientific degree in physics and mathematics speciality 01.04.07. – solid state physics – Donetsk Institute of Physics and Ingineering named after O.O. Galkin National Academy of Science of Ukraine, Donetsk, 2007.

The dissertation is devoted to studying the electronic states of surface of diamond polycrystalline films, grew up by SVD-method, and the analyses of parameters of spectral distribution of photoresponse. Non-stationary photoresponse of high-resistance of diamond films of optical and IR- regions are appreciated. The spectral dependence of photoresponse is received with the help of model of barriers mechanism. The anisotropy of conductivity of diamond polycrystalline films in permanent conditions is observed. The parameters of barriers of photogeneration connected with relaxation (1x1) and reconstruction (2x1) of the diamond surface (111) are established.

As to practical application of results of work – the method of photoresponse is used as indestructible method of diagnostic of states of growing surface diamond films.

Key words : diamond polycrystalline films, anisotropy of conductivity, photoresponse, photogeneration, quant efficiency, relaxation and reconstruction of surface.

Підписано до друку 14.09.2007 р.

Формат 140х200. Папір офсет.

Друк трафаретний. Гарнітура