«Применение ит в исследовании фотопроводимости алзазных детекторов уф-излучения» (стр. 3 из 5)
SDM
Фотоприемник изготавливался из синтетического HPHT алмаза типа Ib. Контактная структура на нём создавалась методом напыления металла.
NDB
Основой для этого фотоприемника являлся природный алмаз типа IIa с малым содержанием азота. Встречно-штырьевая система контактов на освещаемой поверхности создавалась методом ионной имплантации бора.
NDM
Исследуемый фотоприемник изготавливался из природного алмаза типа IIa. На освещаемую поверхность наносилась металлическая система контактов. На поверхности кристалла было создано 3 фотопроводящие структуры.
2.2 Методика измерений.
Для изготовленных структур исследовались характеристики:
- спектры фоточувствительности;
- вольт-амперные характеристики;
- изменение сигнала фототока со временем.
Источником излучения являлись лампы ДДС-30 и ДКШ-1000. Они покрывают диапазон излучений от 200 до 1000 нм, что позволяло тестировать детекторы не только в УФ-области спектра, но и в более длинноволновой его части.
Экспериментальные данные регистрировались на компьютер при помощи программного обеспечения разработанного сотрудником кафедры физики полупроводников и наноэлектроники KSWU. Затем полученные данные обрабатывали при помощи программы Origin.
2.3 Программы для измерений и обработки результатов.
2.3.1 KSWU.
Программа KSWU предназначена для регистрации данных с тестируемого детектора и позволяет управлять параметрами измерения. Её интерфейс представлен на рисунке 7.
Рисунок 7. Интерфейс программы KSWU.
Данное программное обеспечение позволяет задавать следующие параметры измерения:
- интервал длин волн излучения, которыми облучается образец в ходе исследования;
- шаг длины волны, в соответствии с которым происходит перестройка монохроматора;
- время задержки (необходимое для стабилизации сигнала после смены длины волны подводимого излучения) и время измерения (данные полученные за этот промежуток времени усредняются).
При измерении полученные данные в режиме реального времени отображаются на экране в виде графика. Программное обеспечение позволяет создавать целые проекты, где могут содержаться несколько массивов данных, отвечающие различным измерениям. В случае нескольких измерений в программе существует опция отображения нескольких последовательных измерений на одном графике. Проекты сохраняются в файлы с расширением mes. Программа позволяет экспортировать полученные массивы данных в файл с расширением dat. Для каждого измерения проекта необходимо проводить отдельное преобразование. Массивы данных в файлах с расширением dat доступны для дальнейшего преобразования результатов измерений в программе Origin.
Origin — пакет программ фирмы OriginLab Corporation для численного анализа данных и научной графики, работающий на компьютере под управлением операционной системы Microsoft Windows [!!!]. Интерфейс программного обеспечения представлен на рисунке 8.
Для выполнения операций можно как использовать инструмент графического интерфейса пользователя (диалоги/меню), так и вызывать их в программах. В Origin включён собственный компилятор C/C++ с поддержкой и оптимизацией векторных и матричных вычислений.
Рисунок 8. Интерфейс программы Origin.
Origin поддерживает создание двухмерной и трёхмерной научной графики, которая создаётся с помощью готовых шаблонов, доступных для редактирования пользователем. Также возможно создавать новые собственные шаблоны. После создания изображения оно может быть отредактировано с помощью меню и диалогов, вызываемых двойным щелчком мыши на его элементах. Можно экспортировать полученные графики и таблицы в ряд форматов, таких как PDF, EPS, WMF, TIFF, JPEG, GIF и др.
С помощью Origin можно проводить численный анализ данных, включая различные статистические операции, обработку сигналов и т. п.
Характерной особенностью алмазных фотоприемников, независимо от исходного сырья, является низкое значение темновых токов (рисунок 9). Фотоприемники на основе синтетических HPHT алмазов типа Ib в темноте имеют, как правило, пикоамперные значения тока при напряжении 100 В. Величина темнового тока определяется расстоянием между электродами и при уменьшении межэлектродного зазора растет.
Рисунок 9 – ВАХ в темноте и при освещении излучением дейтериевой лампой ДДС-30 для фотоприемника на основе синтетического НРНТ алмаза.
Большое влияние на ВАХ алмазных приборов оказывает влажность окружающей атмосферы. С увеличением влажности темновой ток существенно возростает.
Вид ВАХ алмазных фотоприемников зависит от конструкции прибора. Планарная структура фотоприемников является симметричной относительно протекания тока. В идеальном случае ВАХ должны быть симметричными. При нанесении металлических контактов они могут получиться омическими, и тогда ВАХ будут линейными при “положительном” и “отрицательном” смещениях. Если контакты получились выпрямляющими, типа барьера Шоттки, то наблюдаемые ВАХ будут нелинейными и несимметричными.
Ещё одним важным параметром детекторов является стабильность их характеристик с течением времени. Применительно к фотоэлектрическим приборам на основе алмаза можно говорить о проблеме стабильности характеристик. Причина проблемы заключается в том, что большинство алмазов содержит ловушки носителей заряда [20]. Созданные внешним воздействием неравновесные электроны и/или дырки захватываются на уровни ловушек, и величина фототока, в связи с этим, уменьшается. Если со временем наблюдается рост сигнала, то, по-видимому, происходит освобождение зарядов с уровней ловушек. В зависимости от типа и концентрации ловушек необходимо различное время засветки при фиксированной мощности дозы для насыщения ловушек и стабилизации сигналов.
Для синтетических кристаллов алмаза наблюдается следующие закономерности:
- в кристаллах с низкими значениями сигнала имеет место быстрый спад фототока после включения засветки УФ излучением;
- в кристаллах с высоким уровнем фототока наблюдается медленный рост или медленный спад (порядка сотен секунд) сигнала и высокие значения флуктуаций сигнала со временем.
Для исследований выбирались образцы с высокими и стабильными значениями сигналов. На рисунке 10 приведены изменения фототока со временем при подсветке излучением дейтериевой лампы ДДС-30 для экспериментальных фотоприемников на основе природного кристалла IIa ‑ а) и на основе специально отобранных синтетического HPHT алмаза ‑ б). При измерениях варьировалась мощность дозы подсветки путем ослабления исходного уровня интенсивности с помощью сетчатых фильтров.
 а) |  б) |
| Рисунок 10 – Зависимость величины фототока со временем при различных интенсивностях излучения дейтериевой лампы ДДС-30 для фотоприемника на основе природного алмаза типа IIа NDM (а) и фотоприемника на основе синтетического HPHT алмаза типа Ib SDM (б) | |
При включении подсветки наблюдается резкий скачек сигнала, а затем его спад до стабильного значения фототока. Для фотоприемника на основе природного алмаза при первой засветке время стабилизации сигнала составляет 300 с, при повторной засветке с той же мощностью падающего излучения время стабилизации в два раза меньше и составляет 150 с. Скачек сигнала при повторной засветке меньше, чем при первоначальной, это объясняется тем, что за время между этими засветками не все ловушки освободились. Для фотоприемников на основе синтетического HPHT алмаза наблюдается схожее поведение сигнала при повторной засветке образца. Время стабилизации для алмазного синтетического фотодетектора при первой засветке составляет 120 с, при повторной – 20 с.
В синтетических алмазах в силу неоднородного распределения концентрации азота по кристаллу наблюдаются желтые и бесцветные области. Концентрация азота в бесцветных областях составляет порядка 1017 см -3, что даже меньше чем в природных алмазах типа IIа (~1018 см -3). Для желтых областей концентрация азота превышает 1019 см -3. Как известно [18], количество азота влияет на величину фототока в алмазах. Образцы с низким содержанием азота наиболее фоточувствительны. В связи с этим, для изготовления фотоприемников проводился специальный отбор исходного сырья, содержащего бесцветные области в пластинках.
 а) |  б) |
| Рисунок 11 – Спектры фоточувствительности фотоприемников на основе синтетического НРНТ алмаза типа Ib: SDB-1 (а), SDB-3 (б) | |
Исследования спектральной чувствительности экспериментальных образцов фотоприемников проводились в диапазоне длин волн 200 – 1000 нм. На рисунке 11 – а) представлена типичная абсолютная спектральная чувствительность специально отобранных фотоприемников на основе синтетического алмаза. Максимум чувствительности приходится на длину волны 220 нм, что соответствует зона-зонному переходу. С ростом длины волны наблюдается спад чувствительности. При длине волны в 240 нм фототок падает на 3,5 порядка, а при 260 нм – до значений темнового тока.