ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ АЗОТОСОДЕРЖАЩИХ ЦЕНТРОВ ОКРАСКИ В ВДВТ АЛМАЗАХ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
|
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА 1
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Алмазные образцы 7
1.1 Методы синтеза алмаза 7
1.2 Описание образцов 7
1.3 Подготовка образцов 10
2 Зональность алмазных образцов 11
2.1 Оборудование для отбора образцов 11
2.2 Картографирование образцов. Неравномерное распределение примеси и
дефектов в образцах 11
2.3 Сканирующая установка 13
3.2 ВАХ при напряжении от 100 В. Контакты. Шунтирование 16
4 Электролюминесценция 18
4.1 Установка для регистрации спектров электролюминесценции 18
4.2 Спектры электролюминесценции 18
5 Спектроскопия комбинационного рассеяния 23
5.1 Регистрация КР спектров 23
6 Ионизация и перезарядка центров окраски 27
6.1 Описание образцов 27
6.2 Подготовка образцов к эксперименту 27
6.3 Результаты исследования электролюминесценции 28
6.4 Регистрация спектров фотолюминесценции 29
6.5 Установки для регистрации спектров фотолюминесценции 29
6.6 Расшифровка спектров ФЛ 30
6.7 Регистрация спектров катодолюминесценции 31
6.8 Установка для регистрации спектров КЛ 32
6.9 Регистрация спектров КЛ 32
6.9.1 Экситоны, ИВЧ 33
7 Сравнение спектров электролюминесценции со спектрами катодолюминесценции и фотолюминесценции 35
7.1 Перезарядка в образце С122 35
7.2 Ионизация центров окраски образца С130 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 39
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Алмазные образцы 7
1.1 Методы синтеза алмаза 7
1.2 Описание образцов 7
1.3 Подготовка образцов 10
2 Зональность алмазных образцов 11
2.1 Оборудование для отбора образцов 11
2.2 Картографирование образцов. Неравномерное распределение примеси и
дефектов в образцах 11
2.3 Сканирующая установка 13
3.2 ВАХ при напряжении от 100 В. Контакты. Шунтирование 16
4 Электролюминесценция 18
4.1 Установка для регистрации спектров электролюминесценции 18
4.2 Спектры электролюминесценции 18
5 Спектроскопия комбинационного рассеяния 23
5.1 Регистрация КР спектров 23
6 Ионизация и перезарядка центров окраски 27
6.1 Описание образцов 27
6.2 Подготовка образцов к эксперименту 27
6.3 Результаты исследования электролюминесценции 28
6.4 Регистрация спектров фотолюминесценции 29
6.5 Установки для регистрации спектров фотолюминесценции 29
6.6 Расшифровка спектров ФЛ 30
6.7 Регистрация спектров катодолюминесценции 31
6.8 Установка для регистрации спектров КЛ 32
6.9 Регистрация спектров КЛ 32
6.9.1 Экситоны, ИВЧ 33
7 Сравнение спектров электролюминесценции со спектрами катодолюминесценции и фотолюминесценции 35
7.1 Перезарядка в образце С122 35
7.2 Ионизация центров окраски образца С130 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 39
Краткое содержание работы: Работа направлена на изучение электрических и оптических свойств центров окраски и примесей в синтетических алмазах, способствующих электролюминесценции.
Цель работы: определить виды и концентрации примесей и дефектов, способствующих электролюминесценции в алмазах при комнатной температуре, для дальнейшего создания алмазного источника света.
Актуальность работы: Достоинствами полупроводниковых излучателей света являются компактность, малое энергопотребление и относительно высокая яркость. Современные материалы, используемые для создания источников света, имеют значительные недостатки [1]. GaAsP, SiC, GaAsP, AlInGaP, AlGaAs InGaN (наиболее распространённые материалы) обладают низкой теплопроводностью, что значительно уменьшает их эффективность, потому что требуется усложнение конструкции и/или дополнительная энергия для отвода тепла. Низкая радиационная стойкость и узкий температурный диапазон применения этих материалов делает невозможным использование их в экстремальных условиях и за пределами атмосферы нашей планеты. При производстве источников света из этих материалов используются токсичные компоненты, загрязняющие окружающую среду. Также у этих материалов высок шанс образования теплового пробоя по поверхности, так как при увеличении температуры свободным электронам легче ионизировать атомы кристаллической решетки и, следовательно, уменьшается пробивное напряжение.
Создание полупроводникового источника света на основе алмаза является актуальной задачей для современной науки и техники. Многие из недостатков, используемых сегодня полупроводников, отсутствуют в алмазе. Он обладает относительно остальных полупроводников широкой запрещенной зоной, высокой радиационной стойкостью, высокой химической стойкостью, высокой теплопроводностью и высокой подвижностью носителей заряда [1].
Под внешним воздействием примеси в алмазе способны люминесцировать. На сегодняшний день в алмазе наблюдается катодолюминесценция, фотолюминесценция, электролюминесценция и рентгенолюминесценция, поэтому сейчас алмаз используется только как детектор соответствующего воздействия.
В 2022 году был запатентован алмазер (алмазный лазер с оптической накачкой) [2]. Для создания компактного алмазного источника света, применимого в электронике и фотонике, наиболее эффективно использовать электроинжекционную накачку так как другие виды накачки требуют усложнение конструкции и снижают общий КПД. К тому же алмазное устройство с электроинжекционной накачкой для своего производства будет требовать меньших трудозатрат и материалов [3].
Из-за зональности необходимо сканировать некоторые образцы алмаза. Проблемой является нестабильность и быстрая ионизация центров окраски в современной алмазной электронике.
Значимость работы: Электролюминесценция в алмазе может использоваться для создания светодиода и лазера. Такие устройства могут использоваться в спутниках, квантовых сенсорах, вычислительных и считывающих устройствах и датчиках. Электроинжекционный алмазер может использоваться в интегральной фотонике для управления кубитами в квантовом компьютере и квантовой криптографии в качестве источника одиночных фотонов.
Новизна исследования: Исследование электролюминесценции на дефектах и примесях в алмазе ведется с конца 70-х годов. Для этого использовались образцы природных алмазов и алмазов, выращенных методом температурного градиента. Алмазы не использовались в качестве материала для создания светодиодов из -за их малых размеров и слабоконтролируемых примесей.
После открытия электролюминесценции в сульфиде цинка, активированного медью Ж. Дестрио в 1936 году [4] и изобретения в 1976 году эффективных широкозонных твердых структур Ж. И. Алферовым [5], в 1979 году Вульф и Вудс проводили попытки создания алмазного диода и исследовали электролюминесценцию на H3-центрах алмаза (N2V0). ЭЛ регистрировали при напряжении больше 400 В и при температуре образца свыше 400 К. До конца двадцатого века были опубликованы еще несколько исследований по получению электролюминесценции на других центрах окраски алмазов, также при напряжении больше 400 В [6,7]. В начале двадцать первого века исследования электролюминесценции центров окраски алмазов проводились при напряжении выше 100 В [8,9,10]. Было обнаружено свечение центров окраски никеля, титана и кобальта. Для создания светоизлучающих приборов, необходимо было иметь кристаллы с n- и р- типом проводимости. Ученые определили, что алмазу необходим бор для дырочного типа проводимости (p-тип). Для создания слоя с n- типом проводимости были попытки использования азота и фосфора. Использование обоих элементов не дало нужного результата, поскольку азот сверхбыстро ионизируется, а примесь фосфора создает локальные уровни, которые расположены близко к валентной зоне. С 2011г. были созданы алмазные диоды Шотки с напылением циркония, титана, золота и никеля [8]. Данные диоды люминесцировали при подаче на них напряжения ~150 В.
Из-за улучшения методов синтеза алмазов за последнее десятилетие улучшилась чистота кристаллов, увеличились их размеры, а также уменьшилась их стоимость. В данный момент времени стало возможно контролировать вид примеси и ее концентрацию в кристаллах. Благодаря чему стало возможно исследовать электролюминесценцию примесей при комнатной температуре и при напряжении меньше 300 В.
Задачи:
1. Поиск алмазных образцов, в которых наблюдается электролюминесценция (ЭЛ), среди доступных в лаборатории (ЛКИТ).
2. Картографирование алмазных образцов, с целью выявления зон с максимальной интенсивностью электролюминесценции. Определение необходимого напряжения для возбуждения свечения примесей в образцах.
3. Исследование электрических характеристик образцов. Регистрация вольтамперных характеристик (ВАХ) для определения высоты барьера зон с максимальной интенсивностью свечения. Сравнение вольтамперных характеристик, зарегистрированных в зонах, где наблюдалось свечение и где оно отсутствовало.
4. Дефектно-примесный анализ методом КР спектроскопии.
5. Регистрация и расшифровка спектров электролюминесценции.
6. Анализ с использованием спектров фотолюминесценции и катодолюминесценции.
Цель работы: определить виды и концентрации примесей и дефектов, способствующих электролюминесценции в алмазах при комнатной температуре, для дальнейшего создания алмазного источника света.
Актуальность работы: Достоинствами полупроводниковых излучателей света являются компактность, малое энергопотребление и относительно высокая яркость. Современные материалы, используемые для создания источников света, имеют значительные недостатки [1]. GaAsP, SiC, GaAsP, AlInGaP, AlGaAs InGaN (наиболее распространённые материалы) обладают низкой теплопроводностью, что значительно уменьшает их эффективность, потому что требуется усложнение конструкции и/или дополнительная энергия для отвода тепла. Низкая радиационная стойкость и узкий температурный диапазон применения этих материалов делает невозможным использование их в экстремальных условиях и за пределами атмосферы нашей планеты. При производстве источников света из этих материалов используются токсичные компоненты, загрязняющие окружающую среду. Также у этих материалов высок шанс образования теплового пробоя по поверхности, так как при увеличении температуры свободным электронам легче ионизировать атомы кристаллической решетки и, следовательно, уменьшается пробивное напряжение.
Создание полупроводникового источника света на основе алмаза является актуальной задачей для современной науки и техники. Многие из недостатков, используемых сегодня полупроводников, отсутствуют в алмазе. Он обладает относительно остальных полупроводников широкой запрещенной зоной, высокой радиационной стойкостью, высокой химической стойкостью, высокой теплопроводностью и высокой подвижностью носителей заряда [1].
Под внешним воздействием примеси в алмазе способны люминесцировать. На сегодняшний день в алмазе наблюдается катодолюминесценция, фотолюминесценция, электролюминесценция и рентгенолюминесценция, поэтому сейчас алмаз используется только как детектор соответствующего воздействия.
В 2022 году был запатентован алмазер (алмазный лазер с оптической накачкой) [2]. Для создания компактного алмазного источника света, применимого в электронике и фотонике, наиболее эффективно использовать электроинжекционную накачку так как другие виды накачки требуют усложнение конструкции и снижают общий КПД. К тому же алмазное устройство с электроинжекционной накачкой для своего производства будет требовать меньших трудозатрат и материалов [3].
Из-за зональности необходимо сканировать некоторые образцы алмаза. Проблемой является нестабильность и быстрая ионизация центров окраски в современной алмазной электронике.
Значимость работы: Электролюминесценция в алмазе может использоваться для создания светодиода и лазера. Такие устройства могут использоваться в спутниках, квантовых сенсорах, вычислительных и считывающих устройствах и датчиках. Электроинжекционный алмазер может использоваться в интегральной фотонике для управления кубитами в квантовом компьютере и квантовой криптографии в качестве источника одиночных фотонов.
Новизна исследования: Исследование электролюминесценции на дефектах и примесях в алмазе ведется с конца 70-х годов. Для этого использовались образцы природных алмазов и алмазов, выращенных методом температурного градиента. Алмазы не использовались в качестве материала для создания светодиодов из -за их малых размеров и слабоконтролируемых примесей.
После открытия электролюминесценции в сульфиде цинка, активированного медью Ж. Дестрио в 1936 году [4] и изобретения в 1976 году эффективных широкозонных твердых структур Ж. И. Алферовым [5], в 1979 году Вульф и Вудс проводили попытки создания алмазного диода и исследовали электролюминесценцию на H3-центрах алмаза (N2V0). ЭЛ регистрировали при напряжении больше 400 В и при температуре образца свыше 400 К. До конца двадцатого века были опубликованы еще несколько исследований по получению электролюминесценции на других центрах окраски алмазов, также при напряжении больше 400 В [6,7]. В начале двадцать первого века исследования электролюминесценции центров окраски алмазов проводились при напряжении выше 100 В [8,9,10]. Было обнаружено свечение центров окраски никеля, титана и кобальта. Для создания светоизлучающих приборов, необходимо было иметь кристаллы с n- и р- типом проводимости. Ученые определили, что алмазу необходим бор для дырочного типа проводимости (p-тип). Для создания слоя с n- типом проводимости были попытки использования азота и фосфора. Использование обоих элементов не дало нужного результата, поскольку азот сверхбыстро ионизируется, а примесь фосфора создает локальные уровни, которые расположены близко к валентной зоне. С 2011г. были созданы алмазные диоды Шотки с напылением циркония, титана, золота и никеля [8]. Данные диоды люминесцировали при подаче на них напряжения ~150 В.
Из-за улучшения методов синтеза алмазов за последнее десятилетие улучшилась чистота кристаллов, увеличились их размеры, а также уменьшилась их стоимость. В данный момент времени стало возможно контролировать вид примеси и ее концентрацию в кристаллах. Благодаря чему стало возможно исследовать электролюминесценцию примесей при комнатной температуре и при напряжении меньше 300 В.
Задачи:
1. Поиск алмазных образцов, в которых наблюдается электролюминесценция (ЭЛ), среди доступных в лаборатории (ЛКИТ).
2. Картографирование алмазных образцов, с целью выявления зон с максимальной интенсивностью электролюминесценции. Определение необходимого напряжения для возбуждения свечения примесей в образцах.
3. Исследование электрических характеристик образцов. Регистрация вольтамперных характеристик (ВАХ) для определения высоты барьера зон с максимальной интенсивностью свечения. Сравнение вольтамперных характеристик, зарегистрированных в зонах, где наблюдалось свечение и где оно отсутствовало.
4. Дефектно-примесный анализ методом КР спектроскопии.
5. Регистрация и расшифровка спектров электролюминесценции.
6. Анализ с использованием спектров фотолюминесценции и катодолюминесценции.
Для проведения комплексных исследований алмазов с различными центрами окраски с целью получения электролюминесценции было разработано и создано несколько аппаратных устройств позволяющих регистрировать спектры и люминесценцию возбужденных центров окраски. А также были проведены исследования образцов при различных типах воздействиях (лазерное излучение, электронный пучок, ультрафиолетовый свет), позволившие утверждать, что при электролюминесценции задействованы центры окраски отличные от центров, реагирующих на другие типы воздействий.
Были отобраны ряд образцов С13, С34, С36, С122, С130, CG12, CG17, CG18, CGB2, CGB3, CGB4, CGB5 на которых была получена электролюминесценция при различных напряжениях.
Спектры комбинационного рассеяния исследованных образцов подтвердили предположение о зонах электролюминесценции привязанных к наблюдаемой секторальности кристаллов, что говорит о локализации электроактивных центров окраски в процессе синтеза и обработки образцов.
Для этих образцов были получены вольтамперные характеристики, показывающие наличие барьера, аналогичного барьеру в диоде Шотки.
Так же на этих образцах были получены зависимости интенсивности люминесценции от подаваемого на образцы напряжения. При напряжении от 320 В во всех образцах наблюдается насыщение, то есть задействуются все имеющиеся в образце электроактивные центры.
Исследование фотолюминесценции данных образцов показало, что на некоторых образцах локализация фотоактивных центров не совпадает с электроактивными.
Спектры фото и катодолюминесценции показывают, что при данных воздействиях задействуются центры окраски отличные от электроактивных центров. Однако в двух образцах С122 и С130 было обнаружено, что фотоактивные центры NV-и локальная мода N2V0могут возбуждаться электрическим током. Данный результат требует дальнейших исследований.
Ни в одном из исследованных образцов эффекта перезарядки под действием электрического тока не наблюдалось. Эксперименты с образцом С130 показали, что воздействие электрическим током на центры окраски является менее энергетическим, чем воздействие светом и электронным пучком, благодаря чему можно выявлять электроактивные центры, которые при более энергетическом воздействии ионизуются и безызлучательно рекомбинируют. Данные утверждения необходимо проверить на большем количестве образцов.
Анализ спектров исследованных образцов, полученных под действием электрического тока, показал, что в электролюминесценцию основной вклад вносят центры окраски никеля NE1 и NE2, азотные агрегаты и возможно N2V0и NV-.
Были отобраны ряд образцов С13, С34, С36, С122, С130, CG12, CG17, CG18, CGB2, CGB3, CGB4, CGB5 на которых была получена электролюминесценция при различных напряжениях.
Спектры комбинационного рассеяния исследованных образцов подтвердили предположение о зонах электролюминесценции привязанных к наблюдаемой секторальности кристаллов, что говорит о локализации электроактивных центров окраски в процессе синтеза и обработки образцов.
Для этих образцов были получены вольтамперные характеристики, показывающие наличие барьера, аналогичного барьеру в диоде Шотки.
Так же на этих образцах были получены зависимости интенсивности люминесценции от подаваемого на образцы напряжения. При напряжении от 320 В во всех образцах наблюдается насыщение, то есть задействуются все имеющиеся в образце электроактивные центры.
Исследование фотолюминесценции данных образцов показало, что на некоторых образцах локализация фотоактивных центров не совпадает с электроактивными.
Спектры фото и катодолюминесценции показывают, что при данных воздействиях задействуются центры окраски отличные от электроактивных центров. Однако в двух образцах С122 и С130 было обнаружено, что фотоактивные центры NV-и локальная мода N2V0могут возбуждаться электрическим током. Данный результат требует дальнейших исследований.
Ни в одном из исследованных образцов эффекта перезарядки под действием электрического тока не наблюдалось. Эксперименты с образцом С130 показали, что воздействие электрическим током на центры окраски является менее энергетическим, чем воздействие светом и электронным пучком, благодаря чему можно выявлять электроактивные центры, которые при более энергетическом воздействии ионизуются и безызлучательно рекомбинируют. Данные утверждения необходимо проверить на большем количестве образцов.
Анализ спектров исследованных образцов, полученных под действием электрического тока, показал, что в электролюминесценцию основной вклад вносят центры окраски никеля NE1 и NE2, азотные агрегаты и возможно N2V0и NV-.