Исследование опубликовано в «Журнале технической физики». Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они могут проводить электрический ток только при определенных условиях, что позволяет применять данные материалы для выявления изменений какого-либо параметра среды и преобразования полученной информации в электрический сигнал. На этом принципе работают полупроводниковые сенсоры.
Выделяют полупроводники n- и p-типа. В первых из них носителями электрического заряда являются электроны, а во вторых — так называемые дырки, которые образуются в результате выхода электронов из валентной зоны. Приведение в контакт материалов, имеющих разный характер проводимости, будет сопровождаться диффузией: электроны проникнут в p-полупроводник, а в n-полупроводнике появятся дырки. Сформируется p-n-переход — слой, препятствующий движению электротока. Описанным образом устроен диод — устройство, проводящее ток преимущественно в одном направлении.
Особое место среди электронных компонентов занимают p-i-n-диоды. Для их производства, помимо двух вышеназванных материалов, используют полупроводники i-типа, в которых число дырок и свободных электронов равно и зависит от собственных свойств вещества. Ученые из ТИСНУМ и МФТИ изготовили экспериментальный образец алмазного светоизлучающего p-i-n-диода (Рисунок 1А) и исследовали его при высоких температурах: до 680°C. Процесс включал в себя несколько этапов.
Сначала ученые синтезировали алмаз методом температурного градиента. Метод предполагает растворение графита — источника углерода — в металле и создание условий, термодинамически выгодных для образования алмаза. Из потока раствора углерод осаждали на затравку — маленький кристалл. Движение раствора и диффузия происходили благодаря более низкой температуре в области затравки.
Рисунок 2. Электролюминесценция алмазного p-i-n-диода до облучения электронами и отжига. А) Вид сверху. T = 680 °C, U = 10 В, I = 20 мА. Б) Вид сбоку: n-слой (слева, желтый), p-слой (справа, сине-фиолетовый). Цена деления шкалы — 1,5 мкм. T = 450°C, U = 10 В, I = 10 мкА / © Буга С. Г. и др., «Журнал технической физики»
Полученный алмаз относится к типу Ib. Это означает, что в его кристаллической решетке малая часть атомов углерода замещена азотом, но таким образом, что они не встречаются в соседних позициях.
Затем ученые последовательно вырастили на алмазной подложке i- и p-слой, а именно: высокочистый алмаз и алмаз с добавлением бора, то есть легированный. Толщина слоев составляет 6 и 4 мкм соответственно. Химическое осаждение проводили из газовой фазы водород — метан, а для легирования в смесь добавляли диборан. После этого трехслойный образец был подвергнут отжигу с целью удаления загрязнений.
Платино-титановые контакты в виде тонких пленок ученые нанесли на образец в магнетронной распылительной системе. Она состоит из электродов, магнитного блока и аргоновой пушки. При разряжении и подаче напряжения между анодом и катодом, так называемой мишенью, зажигается тлеющий разряд. В этих условиях аргон ионизируется и бомбардирует мишень, что приводит к отрыву от нее атомов металла и их последующему осаждению на поверхности алмазного образца.
Чтобы повысить количество азото-замещенных вакансий в i-слое, ученые облучали диод потоком электронов с энергией 3 МэВ, а потом отжигали в вакууме при 800°C в течение 2 часов. Благодаря этому сила тока, проходящего через диод в прямом направлении и заданном температурном режиме, снизилась в 5−10 раз. В случае обратного включения, наоборот, данная величина немного возросла (Рисунок 1Б). Следовательно, примерно на порядок уменьшился коэффициент выпрямления диода, равный отношению силы прямого тока к обратному при одинаковом напряжении.
«При прохождении тока в прямом направлении сопротивление диода возрастает из-за дефектов алмазной структуры и уменьшения концентрации атомов азота в позициях замещения, — пояснил Сергей Буга, профессор кафедры физики и химии наноструктур МФТИ. — В обратном направлении, наоборот, наличие дефектов способствует повышению тока утечки».
Прямое включение и нагрев диода выше 400°C сопровождался электролюминесценцией, иными словами, свечением вследствие возбуждения электрическим полем (Рисунок 2). Цвет излучения был зеленоватый, что характерно для спектра, имеющего максимум в области длин волн 600-610 нм.
Ученые сняли спектры электролюминесценции диода в температурном диапазоне 450–680°C до и после облучения электронами (Рисунок 3). Установлено, что с ростом температуры, а также напряжения и силы тока, проходящего через диод, полоса электролюминесценции становится шире, а ее максимум смещается в область более длинных волн: с 610 до 680 нм. Наиболее ярко диод светится при 575°C после облучения и отжига.
«Основным источником электролюминесценции являются нейтральные оптически-активные азот-вакансионные центры окраски, — добавил Сергей Буга. — Дальнейшее изучение возможностей суперлюминесценции или повышения яркости излучения диода требует увеличения плотности тока и концентрации этих центров в i-слое».
Разработка ученых будет интересна предприятиям, производящим высокотемпературную оптоэлектронику и фемтосекундные лазеры. Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ.