Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАЗНЫХ СЕКТОРОВ АЛМАЗНЫХ ПЛАСТИН, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАДИЕНТА

Работа №75419

Тип работы

Бакалаврская работа

Предмет

технология конструкционных материалов

Объем работы68
Год сдачи2020
Стоимость4235 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
249
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Введение 9
1 Обзор литературных источников 10
1.1 Основные характеристики и особенности алмаза 10
1.1.1 Структура и физические свойства 10
1.1.2 Особенности зонной структуры 12
1.1.3 Алмаз в сравнении с другими полупроводниками 15
1.2 Методики ростовых технологий и особенности легирования 17
1.2.1 Метод химического осаждения из газовой фазы 17
1.2.2 Метод температурного градиента 19
1.2.3 Легирование монокристаллического алмаза 23
1.3. Устройства алмазной электроники 26
2 Спектроскопия адмиттанса 29
2.1 Теоретические основы 29
2.2 Метод вольт-фарадных характеристик 32
2.3 Температурная и частотная спектроскопии адмиттанса 36
2.4 Измерительный комплекс спектроскопии адмиттанса 38
2.5 Выводы по главе 39
3 Анализ экспериментальных данных и результатов 40
исследования
3.1 Исследуемые образцы 40
3.2 Результаты эксперимента 41
3.2.1 Вольт-фарадное профилирование 41
3.2.2 Результаты измерений температурной и частотной 51
спектроскопии проводимости
3.3 Анализ экспериментальных результатов 53
3.4 Выводы по главе 58
4 Безопасность жизнедеятельности 59
4.1 Схема и принцип работы криокомпрессора замкнутого цикла 59
4.2 Воздействие шума на организм человека
4.3 Контроль и методы борьбы с шумом на рабочем месте
Заключение
Список использованных источников


21 век - время бурного развития цифровых информационных и фотонных технологий. На данном этапе развития повсеместно используемая и давно зарекомендовавшая себя кремниевая электроника уже достигла предела своих возможностей, а в ряде случаев просто неприменима. Поэтому, наиболее актуальной задачей становится поиск вариантов альтернативных материалов и технологий.
Уже давно учеными были начаты исследования материалов, которые, в перспективе, могли бы заменить кремний. Одним из таких вариантов был алмаз. Действительно, параметры алмаза, такие как теплопроводность, электрическая прочность и т.д. были рекордно выше параметров кремния, как, впрочем, и всех других материалов. Однако возникал и ряд трудностей, в частности природные алмазы обладали абсолютно неконтролируемыми электрофизическими параметрами, а стоимость одного карата этого драгоценного камня была довольно высока и могла варьироваться от 10 до 200 долларов. Эту проблему удалось решить путем развития технологий роста более дешевых синтетических алмазов ювелирного качества вначале такими компаниями как Gemesis и Apollo Diamond (США). Однако, решив проблему со стоимостью, производители столкнулись с огромным количеством нюансов и в отношении процессов легирования, и в физике процессов электропроводности. Именно поэтому появилась необходимость в детальной характеризации электрофизических параметров монокристаллического алмаза, что и является основной целью данной выпускной квалификационной работы.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!


В данной выпускной квалификационной работе методами спектроскопии адмиттанса были исследованы образцы алмазных пластин, с нанесенными на них массивами диодов Шоттки. Образцы пластин были вырезаны из монокристаллов, выращенных по технологии температурного градиента (HPHT) и легированных бором непосредственно в процессе роста. Реализация измерительного процесса осуществлялась с помощью автоматизированного комплекса спектроскопии адмиттанса.
В качестве результата проведенных измерений были получены вольт - амперные, вольт-фарадные характеристики, температурные и частотные спектры проводимости. Из полученных экспериментальных зависимостей были рассчитаны профили концентрации основных носителей заряда по глубине образцов и значения энергии активации примеси бора.
Исследования ВАХ диодов Шоттки, расположенных в разных секторах алмазных пластин показали сильную зависимость обратного тока от местоположения диода. Показано, что обратный ток не может быть объяснен теорией Шокли, более корректная трактовка может быть изложена в рамках генерации ШРХ.
Рассчитанные путем дифференцирования ВФХ профили концентрации ОНЗ продемонстрировали однородный уровень легирования, а также показали разницу в легировании синей ((7-9} 1018 см-3), голубой ((1- 2}1018 см-3) и белой областей ((3-5} 1017 см-3). Анализ встраивания примеси бора в решетку алмаза, приведенный с точки зрения вероятности, и карта распределения концентрации основных носителей заряда (рисунок 3.6) подтвердили разницу в уровне легирования секторов разного цвета.
Температурная зависимость вольт-амперных характеристик продемонстрировала рост как прямой, так и обратной ветви, где первое было объяснено снижением последовательного сопротивления нейтральной области алмаза за счет увеличения концентрации ОНЗ под действием термоактивации, а второе обуславливается термостимуляцией процесса генерации ШРХ. Полученные из ВФХ концентрационные профили и значения контактной разности потенциалов (100 К - 105 В, 200К - 80 В, 300 К - 43 В, 400 К - 40 В) подтверждают данные предположения.
Исследование спектров проводимости в широком диапазоне температур (28-350 К) и частот тестового сигнала (1 кГц - 2 МГц) показало наличие участков разных механизмов электропроводности, обусловленных термоэлектронной эмиссией (Ea(thermo)= 221±7 мэВ) и прыжковым механизмом по примесной зоне (Ea(hopping)= 18±1 мэВ). Зарегистрирован диапазон температур (125-250 К), где их вклады соизмеримы. Также, было зафиксирована снижение энергии активации бора (Ea(thermo)= 221±7 мэВ).



1. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела: в 2 т. М.: Мир, 1979. 785 с.
2. Васильев Л.А., Белых З.П. Алмазы, их свойства и применение. М.: Недра, 1983. 101 с.
3. Fiori A. New generations of boron-doped diamond structures by delta-doping technique for power electronics: CVD growth and characterization: doctor¬al diss / Universited e Grenoble, Saint-Martin-d'Heres, 2012.
4. Properties of natural and synthetic diamond / ed. J.E. Field London, Aca-demic Press, 1992. 710 p.
5. Кардона М. Основы физики полупроводников. М.: Физматлит, 2002. 533 с.
6. Шалимова К.В. Физика полупроводников: учебное пособие. М.: Энергия, 1976. 412 с.
7. Saslow W., Bergstresser T. K., Cohen M. L. Band structure and optical properties of diamond // Physical Review Letters.1966, Т. 16, № 9. P. 354.
8. New Semiconductor Materials. Characteristics and Properties // Physical
Properties of Semiconductors. URL:
http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/index.html (дата обращения
10.05.2020)
9. Johnson E.O. Physical Limitations on Frequency and Power Parameters of Transistors // RCA Review. 1965, Vol.26. P. 163-177.
10. Keyes R. W. Figure of Merit for Semiconductors for High Speed Switch¬es // Proc. IEEE. 1972, Vol.60. P. 225-232.
11. Baliga B.J. Power Semiconductor Device Figure of Merit for High- Frequency Applications // IEEE Electron Device Lett. 1989, Vol.10, №10. P. 455¬462.
12. Пат. US 6858080B2. Tunable CVD diamond structures / R.C. Linares, P.J. Doering Опубл. 22.02.2005.
13. Angus J.C., Will H.C., Stanko W.S. Growth of diamond seed crystals by vapor deposition // J. Appl. Phys. 1968, № 39. P. 2915-2922.
14. Filamentary diamond crystals / B.V. Deryagin, D.V. Fedoseev, V.M. Luky-anovich et al. // J. Cryst. Growth. 1968. № 2. P. 380-384.
15. Лейпунский О. И. Об искусственных алмазах // Успехи химии .1939, Т. 8, № 10. С. 1519-1534.
16. Пат. US 3064558A. Press stand / B.V. Platen Опубл. 20.11.1962.
17. Пат. US 2947608A. Diamond synthesis / H.H. Tracy Опубл. 02.08.1960.
18. Sumiya H., Satoh S. High-pressure synthesis of high-purity diamond crystal // Diamond and Related Materials. 1996, Vol. 5. P. 1359-1365.
19. Optical engineering of diamond / ed. R.P. Mildren, J.R. Rabeau Germany, Wiley-VCH Verlag & Co. Weinheim. 2013. 146 p.
20. Novel microwave plasma-assisted CVD reactor for diamond delta dop¬ing / A. L. Vikharev, A.M. Gorbachev, M.A. Lobaev et al. // physica status solidi (RRL)-Rapid Research Letters. 2016, Т. 10, № 4. P. 324-327.
21. Ohmagari S. 2.1 Growth and characterization of heavily B-doped p1 di-amond for vertical power devices // Power Electronics Device Applications of Di-amond Semiconductors. 2018. P. 99-117.
22. Synthesis of thick and high-quality homoepitaxial diamond with high bo¬ron doping level: Oxygen effect / S.A. Bogdanov, A.L. Vikharev, M.N. Drozdov et al. // Diamond and Related Materials. 2017, Т. 74. P. 59-64.
23. Analysis of doping anisotropy in multisectorial boron-doped HPHT dia-monds / V. Zubkov, A. Solomnikova, A. Koliadin et al. //Materials Today Com- munications.2020, Т. 24. P. 100995.
24. High hole mobility in boron doped diamond for power device applica¬tions / P.N. Volpe, J. Pernot, P. Muret et al. // Applied Physics Letters. 2009, Т. 94, № 9. P. 092102.
25. Reverse-recovery of diamond pin diodes / A. Traore, A. Nakajima, T. Makino et al. // IET Power Electronics. 2017, Т. 11, № 4. P. 695-699.
26. Thin large area vertical Schottky barrier diamond diodes with low on- resistance made by ion-beam assisted lift-off technique / V.S. Bormashov, S.A. Tereniyev, S.G. Bugaev et al. // Diamond and Related Materials. 2017, Т. 75. P. 78-84.
27. Umezawa H., Shikata S., Funaki T. Diamond Schottky barrier diode for high-temperature, high-power, and fast switching applications // Japanese Journal of Applied Physics. 2014, Т. 53, № 5S1. P. 05FP06.
28. Umezawa H., Kato Y., Shikata S. 1 Q on-resistance diamond vertical- Schottky barrier diode operated at 250° C // Applied Physics Express. 2012, Т. 6, № 1. P. 011302.
29. Diamond Schottky-pn diode without trade-off relationship between on-resistance and blocking voltage / T. Makino, H. Kato, N. Tokuda et al. // physi- ca status solidi (a). 2010, Т. 207, № 9. P. 2105-2109.
30. High performance of diamond p+-i-n+ junction diode fabricated using heavily doped p+ and n+ layers / K. Oyama, S.G. Ri, H. Kato et al. // Applied Physics Letters. 2009, Т. 94, № 15. P. 152109.
31. Massarani B., Bourgoin J. C., Chrenko R. M. Hopping conduction in semiconducting diamond // Physical review B. 1978, Т. 17, № 4. P. 1758.
32. Diamond power devices: state of the art, modelling, figures of merit and future perspective / N. Donato, N. Rouger, J. Pernot et al. // Journal of Physics D: Applied Physics. 2019, Т. 53, № 9. P. 093001.
33. Umezawa H., Matsumoto T., Shikata S. I. Diamond metal - semiconductor field-effect transistor with breakdown voltage over 1.5 kV // IEEE Electron Device Letters. 2014, Т. 35, № 11. P. 1112-1114.
34. Зубков В. И., Батлер Д. Э. Диагностика полупроводникового алмаза: дельта-легирование и прыжковая проводимость // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2015, Т. 1, № 1. С. 68-72.
35. Зубков В. И. Диагностика полупроводниковых наногетероструктур методами спектроскопии адмиттанса. СПб.: Элмор, 2007. 162 с.
36. Kennedy D. P., O'brien R. R. On the mathematical theory of the linearly- graded pn junction // IBM Journal of Research and Development. 1967, Т. 11, № 3. P. 252-270.
37. Пат. RU 2437112. Способ определения параметров полупроводниковых структур / Зубков В.И., Кучерова О.В., Яковлев И.Н. Опубл. 20.12.2011.
38. Temperature admittance spectroscopy of boron doped chemical vapor deposition diamond / V.I. Zubkov, O.V. Kucherova, S.A. Bogdanov et al. // Jour¬nal of Applied Physics. 2015, Т. 118, № 14. P. 145703.
39. Sah C. T., Noyce R. N., Shockley W. Carrier generation and recombina¬tion in pn junctions and pn junction characteristics // Proceedings of the IRE. 1957, Т. 45, № 9. P. 1228-1243.
40. Electrical properties and defect analysis of neutron irradiated undoped CVD diamond films / M. Bruzzi, S. Miglio, S. Pirollo et al. // Diamond and related materials. 2001, Т. 10, № 3-7. P. 601-605.
41. Stability, reconstruction, and electronic properties of diamond (100) and (111) surfaces / T. Frauenheim, U. Stephan, P. Blaudeck et al. // Physical Review B. 1993, Т. 48, № 24. P. 18189.
42. The (100), (111) and (110) surfaces of diamond: an ab initio B3LYP study / M. De La Pierre, M. Bruno, C. Manfredotti et al. // Molecular Physics. 2014, Т. 112, № 7. P. 1030-1039.
43. Lagrange J. P., Deneuville A., Gheeraert E. Activation energy in low compensated homoepitaxial boron-doped diamond films // Diamond and Related Materials. 1998, Т. 7, № 9. P. 1390-1393.


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2024 Cервис помощи студентам в выполнении работ