CC BY
31
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.
