ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕПЛОВЫХ И ЭЛЕКТРОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЛМАЗОВ РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ Е. Ивакина, И. Киселева, П. Шаевб , В. Гуделисб, К. Ярашюнасб а Институт физики НАН Беларуси, 220072, Минск б Институт прикладных исследований, ВГУ, 10222 Вильнюс, Литва Алмаз справедливо считают материалом 21 века в связи с его непревзойденным сочетанием физических параметров, химической и радиационной стойкостью, биологической инертностью и т.д. Стремительное развитие CVD – технологий существенно повысило интерес к этому материалу в связи с новыми возможностями применения алмаза в микроэлектронике, оптоэлектронике, сенсорике, оптике и лазерной физике. В проекте, который выполняется силами двух коллективов из Института прикладных исследований Вильнюсского университета и Института физики НАН Беларуси, решается задача оптической диагностики CVD-алмаза по важнейшим с точки зрения применений параметрам – тепловым и электронным. С этой целью разработаны оригинальные методы измерений и специальная исследовательская аппаратура на базе современной лазерной техники и средств детектирования оптических сигналов. Методы характеризуются полной бесконтактностью, высоким временным разрешением и реализуются на разработанных участниками проекта комплексе ОПТОПИКОТЕСТ (Минск) и модуле HOLO-3 (Вильнюс). Текущий проект является продолжением и развитием ранее выполненных совместных работ по этой тематике в рамках двухстороннего договора о научно- техническом сотрудничестве в период 2002-2005 г.г. , а также по проекту CBP.EAP.EV 982483 (2007 г.) в рамках программы НАТО по научно-техническому сотрудничеству. Выполняемые в настоящее время работы направлены на выяснение физических факторов, влияющих на динамику свободных носителей заряда (СНЗ) и процессы теплопереноса в алмазах CVD (поликристаллы) и HPHT (синтетические монокристаллы) различной структуры и дефектного содержания.. Для возбуждения СНЗ впервые применено двухфотонное поглощение на длине волны 351 нм. Это позволило реализовать объемный характер накачки образцов и провести измерения времени рекомбинации и коэффициента диффузии в широком интервале концентраций СНЗ (1015 - 31017 см-3) и температур (80- 800К) 0 1 2 3 4 10-2 10-1 3.0x1017 cm-3 9.9x1016 cm-3 4.2x1016 cm-3 1.1x1016 cm-3 =0.76 ns =2.5 ns =6.4 ns ln (T 0/T ) Optical Delay (ns) 800 K =23 ns(a) 1 0 0 1 0 0 0 1 0 2 1 0 3 1 0 4 1 .5 x 1 0 1 5 3 .5 x 1 0 1 5 7 .5 x 1 0 1 5 2 .3 x 1 0 1 6 1 x 1 0 1 8  e x= 2 1 3 n m slope = -2.8  a (c m 2 /V s) T (K )  e x= 3 5 1 n m (b ) Рисунок 1 Рисунок 2 образцов. Время жизни СНЗ контролировалась также по наведенному поглощению, вызванному их генерацией. Совокупность кинетик пропускания в образце HPHT алмаза IIa типа на длине волны 1053 нм при различных уровнях накачки и при Т=800К представлена на рисунке 1. Цифрами указаны начальная концентрация и время жизни СНЗ. На рисунке 2 показан результат исследования динамических решеток СНЗ: температурные зависимости амбиполярной подвижности носителей при различных уровнях накачки. Тепловые исследования выполнены также методом динамических решеток, но ввиду более медленных процессов зондирование проводилось пучком непрерывного He-Ne лазера (длина волны 6328 нм). На рисунке 3 дана временная развертка затухания сигнала дифракции для CVD –алмаза при его возбуждении на длине волны 213 нм. Хорошо видна двухкомпонентная кинетика. Первый пичок вниз – электронная компонента, медленная составляющая – релаксация тепловой решетки, сформированной в результате беизлучательной рекомбинации СНЗ. Электронная компонента исследована, как описано выше, аппаратурой более высокого временного разрешения. Тепловая компонента с противоположным знаком наведенного показателя преломления позволяет определять тангенциальную температуропроводность. 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 0,9 1,0 1,1 Уровень фоновой засветки Ди фр акц ио нн ая эф фе кти вно сть , от н.е д. Время, мкс 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0,01 2 1 Ди фр акц ио нн ая эф фе кти вно сть , от н.е д. Время, мкс Рисунок 3 Рисунок 4 При исследовании теплопроводности с разрешением по глубине образца CVD –алмаза подтвердилась колончато-коническая структура кристаллитов, ориентированных нормально к поверхности. На рисунке 4 показаны две кинетики, полученные при возбуждении пластинки алмаза с ростовой (1)и подложечной (2) сторон на длине волны 213 нм. Расчеты показывают, что теплопроводность алмаза с ростовой стороны может быть в несколько раз выше, чем с подложечной, где диаметр кристаллитов меньше. Получаемы в результате исследований новые данные о CVD-алмазах и сопоставление их с монокристаллами позволяет правильно оценить возможности применения данного материала в электронике и оптоэлектронике, например, в качестве детекторов жесткого излучения и эффективных теплоотводов. Кроме того, эти данные могут быть использованы для развития технологий выращивания материалов с требуемыми характеристиками.