Научная статья на тему 'Механизм ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ НА КРИСТАЛЛЫ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АЛМАЗОВ'

Механизм ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ НА КРИСТАЛЛЫ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АЛМАЗОВ Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
60
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Механизм ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ НА КРИСТАЛЛЫ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АЛМАЗОВ»

УДК 621.382.002.

В.С.Клопченко

МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ РАЗРЯДОВ НА КРИСТАЛЛЫ СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АЛМАЗОВ

В работе рассматриваются процессы, происходящие при воздействии высоковольтных импульсных разрядов (ВИР) на кристаллы синтетических полупроводниковых алмазов (СПА). Для обработки использовались кристаллы СПА с теплопроводностью порядка 30 Вт\смК. Электрические и тепловые характеристики ВИР следующие:

- регулируемое напряжение электродного пространства в момент пробоя промежутка 2-10 кВ;

3 8 2

- удельная мощность разряда 10 - 10 Вт\см ;

38

- длительность разряда 10 - 10 с;

- температура канала разряда 103 - 106 0С.

В результате решения дифференциального уравнения теплопроводности получены выражения для расчета температурных полей в зоне обработки кристаллов СПА. Расчет проводился с помощью подпрограммы QUATR-3 по методу трапеций с экстраполяцией по Ромбергу.

Установлено, что наиболее достоверные результаты получаются при значениях параметра, характеризующего поперечный пробег электронов, в пределах 0,5 -2.

Установлено, что по мере удаления от центра зоны обработки температурное поле по поверхности спадает медленнее, чем вглубь кристалла. В то же время температурные поля как по поверхности так и по глубине спадают значительно быстрее, чем мощность пучка.

Полученные данные показывают, что импульсные разряды представляют собой высококонцентрированный источник энергии и сопровождаются созданием больших температурных градиентов (порядка 106 0С\см). Механизм воздействия импульсного разряда на СПА можно разбить на несколько этапов.

Первым этапом является достижение условий для образования электрического пробоя в газе и ионизация межэлектродного пространства при движении электронов. При этом происходит выделение большого количества тепла, достаточного для графитизации поверхности слоя алмаза. Образуется слой графитовой пленки - несколько микрометров, который препятствует продвижению электронов вглубь кристалла и тормозит процесс графитизации. На границе «графит-газ» образуется отрицательная плазма (светящийся участок над поверхностью образца), которая вызывает ударную волну, создающая давление 20-30 кбар.

Вторым этапом воздействия разряда на кристалл является образование термических и термоупругих напряжений, вызываемых большим градиентом температур и ударной волной. Для компенсации отрицательно заряженной плазмы из объема к поверхности кристалла СПА начинают перемещаться положительно заряженные носители заряда, что приводит к появлению в зоне

обработки точечных дефектов (вакансии, межузельные атомы). Перенасыщение

связей между атомами кристаллической решетки приводит к образованию

8 10 2 упругих деформаций (Е= 10 - 10 дин/см ).

Третьим этапом является создание условий к разрыву связей между атомами за счет градиента температур. Разрыв связей сопровождается возникновением дислокационных структур в местах электрического пробоя. Дополнительный отжиг показывает, что за время выравнивания температуры зоны с температурой окружающей среды происходит закалка точечных дефектов. Нарушенный стой с повышенной плотностью дислокаций простирается вглубь кристалла на 100-200 мкм. Образование графитовой пленки обусловлено интенсивным энергетическим воздействием, вследствие чего температура поверхности алмаза достигает критического значения 2000 0С и более, что в свою очередь сопровождается фазовыми превращениями. Все поступающее тепло отводится внутрь кристалла путем теплопроводности. При малой длительности процесса воздействия (менее 10-6 с) унос графитизированного материала является незначительным.

12

Расчеты показывают, что при увеличении теплового потока до 1,6 х10 Вт/м, толщина слоя достигает 104 А.

Экспериментально установлено, что после обработки кристаллов СПА

12 2

импульсным разрядом большой энергии (10 Вт/м ) и последующей деграфитизации кристаллы теряют в среднем 0,2 % своей массы. Показано также, что плотность дислокаций практически прямопропорциональна градиентам температуры. Аналогичный характер распределения плотности дислокаций наблюдается в исследованиях по избирательному травлению и катодолюминисценции.

Таким образом, возможность целенаправленного формирования дефектной структуры СПА позволяет получать кристаллы с наперед заданными электрическими и оптическими свойствами, что можно использовать при создании электронных приборов (термодатчиков, тензодатчиков, мощных переключателей по току и напряжению и т.п.) на базе этих кристаллов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.