Глава 3. Основные результаты.

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:

Ø в кристаллах с низкими значениями сигнала имеет место быстрый спад фототока после включения засветки УФ излучением;

Ø 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.

Чувствительность к видимому излучению у алмазных фотоприемников хорошего качества практически отсутствует. Соотношение между сигналами при длинах волн 220 и 440 нм составляет около 5 порядков.

Фоточувствительность алмазных приемников при освещении их излучением длиной волны меньше 220 нм также падает. Этот спад чувствительности обусловлен поверхностной рекомбинацией и зависит от состояния поверхности.

В отличие от специально отобранных образцов синтетического алмаза, спектральная чувствительность произвольно выбранных экспериментальных образцов распространяется в видимую область спектра. Типичный спектр чувствительности таких образцов представлен на рисунке 11 – б). Как видно из рисунка, величина чувствительности в области фундаментального поглощения в 100 раз ниже чувствительности, представленной на рисунке 11 – а). В то же время, такие образцы характеризуются большей чувствительностью в видимой области спектра, которая распространяется до 460 нм. Ответственными за чувствительность в видимой области излучения являются примеси и дефекты в синтетическом алмазе, которые имеют уровни в запрещенной зоне. Возбужденные светом переходы электронов с уровней в зону проводимости (из валентной зоны на уровень) обеспечивают свободными носителями заряда зону проводимости (валентную зону).

Для оценки степени неоднородности фотоэлектрических характеристик в синтетических алмазах из одного кристалла были вырезаны две пластинки, и на их основе созданы два фотоприемника: SDB-1 и SDB-2. Спектры абсолютной чувствительности двух фотоприемников, изготовленных из соседних областей кристалла, представлены на рисунке 12. Из рисунка видно, что образец SDB-1 характеризуется высокой абсолютной чувствительностью в максимуме, составляющей 0, 373 А/Вт. В то время как фотоприемник из соседней области кристалла имеет чувствительность приблизительно в 250 раз меньшую. При этом оба фотоприемника практически не чувствительны к видимой составляющей спектра.

Рисунок 12 – Спектры фоточувствительности для фотоприемников на основе синтетических алмазов SDB-1 и SDB-2.

На рисунке 13 приведены кривые абсолютной спектральной чувствительности фотоприемников на основе природных алмазов типа IIа и специально отобранных синтетических алмазов. Обращает на себя внимание тот факт, что значения абсолютной чувствительности фотоприемников из природных алмазов не превышает 0, 16 А/Вт, в то время как фотоприемники из отобранных синтетических алмазов характеризуются большей чувствительностью.

Рисунок 13 – Спектры фоточувствительности в УФ области фотоприемников на основе синтетических и природных алмазов при напряжнии 50 В

Максимальное теоретическое значение фоточувствительности алмазных приемников на длине волны 220 нм при условии, что квантовый выход равен единице, составляет 0, 18 А/Вт. Квантовый выход фотоприемников из природных алмазов зависит от качества кристалла и для межзонной генерации может достигать значений 0, 47 [5]. Из рисунка 3.10 видно, что исследуемые фотоприемники на основе синтетических алмазав обладают чувствительностями, превышающими теоретические значения. Например, для образца SDB ‑ 1 на длине волны 220 нм величина фоточувствительности составляет 0, 37 А/Вт, а для SDM – 0, 24 А/Вт.

⇐ Предыдущая1234

Поделиться: