Оптоэлектронное переключение в природном и синтетическом алмазе при управлении УФ излучением и электронными пучками

• Автор: Липатов, Евгений Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 159 с. : ил.

Глава 1. Применение алмаза в оитоэлектронике

1.1. Физические свойства алмаза

1.1.1 .Способы синтеза алмазов 15 1.1.2.Классификация алмазов на основе спектров оптического поглощения
1.1.3.Основные дефекты в алмазе, влияющие на оптические и электрические свойства 1.1.4.Электрические контакты к алмазу

1.2. Алмазные оптоэлектронные приборы

1.2.1.Светодиоды

1.2.2.Устройства СВЧ-диапазона, управляемые оптическим излучением

1.2.3.Фотодетекторы УФ диапазона

1.2.4.Оптоэлектронные коммутаторы

Глава 2. Методики эксперимента и экспериментальные установки

2.1.Объекты исследований

2.1.1 .Алмазные образцы 56 2.1.2.Образцы тонких металлических пленок, напыленных на диэлектрические подложки
2.1.3.Алмазные оптоэлектронпые коммутаторы
2.2.Аппаратура и методики, применяемые для измерений и расчетов
2.2.1 .Оптическая спектроскопия алмазных образцов
2.2.2. Оптическая микроскопия металлических пленок, подвергнутых лазерному излучению
2.2.3. Измерение фототока, протекающего через алмазный коммутатор
Глава 3. Исследование спектрально-кинетических характеристик оптического пропускания и люминесценции алмазных образцов
3.1 .Спектры оптического пропускания алм азных образцов
3.2.Фотолюминесценция алмазных образцов
3.2.1.Выбор длины волны для возбуждения фотолюминесценции алмазных образцов
3.2.2.Фотолюминесценция алмазных образцов при возбуждении эксилампами
3.2.3.Фотолюминесценция алмазных образцов при возбуждении лазерным излучением
3.3.Импульсная катодолюминесценция алмазных образцов
3.4.Идентификация алмаза и его имитаторов
3.4.1 .Проблема экспресс-идентификации алмазов и их имитаторов
3.4.2.Неалмазиые образцы

3.4.3.Экспресс-идентификация алмазов и их имитаторов с помощью измерения спектров оптического пропускания и 98 фотолюминесценции 3.5.Выводы
Глава 4.Устойчивость к воздействию лазерного излучения металлических и керамических покрытий на поверхности оптически прозрачных материалов
4.1 .Воздействие лазерного излучения на тонкие металлические пленки
4.2.Оценка величины термических напряжений при нарушении адгезии металлических пленок к подложкам при воздействии УФ лазером
4.3.Выводы
Глава 5.Оптоэлектронное переключение в природном и синтетическом алмазе
5.1. Основные характеристики алмазных оптоэлектронных коммутаторов
5.2. Режим фотодетекгора
5.2.1. Работа алмазных коммутаторов в режиме фотодетектора
5.3. Оптоэлсктроннос переключение в алмазе
5.3.1. Оптоэлектронное переключение в алмазных коммутаторах при управлении УФ лазерами
5.3.2. Оптоэлектронное переключение в алмазных коммутаторах при управлении электронными пучками
5.3.3. Оптоэлектронное переключение в алмазном коммутаторе при ^ управлении УФ импульсной ксеноновой лампой
5.4. Факторы, ограничивающие работу алмазных оптоэлектронных коммутаторов
5.4.1. Лазерно-стимулированный оптический пробой межэлектродной поверхности при поперечной геометрии
5.4.2. Накопление объемного заряда при продольной геометрии
5.5. Моделирование токопереноса неравновесных носителей в алмазе наведенных внешним воздействием
5.6. Снижение влияния факторов, ограничивающих работу коммутатора
5.7. Идеальный алмазный коммутатор
5.7.1. Параметры алмазного образца
5.7.2. Контакты к образцу
5.7.3. Источник управляющего излучения
5.7.4. Конфигурация идеального коммутатора
5.8.Выводы
Заключение
Литература
Актуальность работы: Коммутаторы высоких напряжений и больших мощностей нашли свое применение оі научно-исследовательских до промышленных приложений [1,2]. Широко применяются коммутаторы на основе газовых разрядников, таких как тиратроны и тригатроны, и полупроводниковых приборов, таких как тиристоры. При этом газовые разрядники работают только на включение, тем самым ограничивается их сфера применения емкостными накопителями энергии. Для них достигаются следующие рабочие параметры: время коммутации (передний фронт) менее 10 не, рабочее напряжение до З МВ, частота повторения импульсов до 1 кГц (в условиях прокачки газовой смеси). Полупроводниковые коммутаторы работают как на включение, так и на выключение, т.е. как с емкостными, так и с индуктивными накопителями энергии. При этом полупроводниковые коммутаторы проигрывают газовым по рабочему напряжению (обычно до 5 кВ), выигрывая по скорости коммутации (до 100 пс передний фронт, и до 1 не задний фронт) и по частоте повторения импульсов (до 100 кГц).
Полупроводниковые коммутаторы по типу управления можно разделить на два вида:
> инжекционные;
> оптоэлектронные.
В инжекционных коммутаторах переключение происходит при инжекции электроннодырочных пар через контакты, что является сравнительно медленным (~ 1 мм/мке), но энергетически выгодным процессом. По эюй причине инжекционные полупроводниковые коммутаторы эффективно работают в микро- и наносекундпом временном диапазоне.
В оптоэлектронных коммутаторах управление происходит путем создания в рабочем теле высокой концентрации неравновесных носителей заряда при поглощении фотонов оптического диапазона (от УФ до БИК в зависимости от полупроводникового материала), т.е. с помощью оптоэлектронного переключения.
Основой создания оптоэлектронных коммутаторов обычно выступают традиционные полупроводники - кремний и арсенид галлия [1]. Оптопарой для кремния выступает №:УАС-лазер (Ял = 1062 нм), для СаАя - светодиод на его основе (Ясид = 870 нм). При этом достигнуты фроты включения и выключения в десятки пикосекунд. Однако величины рабочих напряжений для коммутаторов на основе БІ и йаАз не превышают нескольких сотен киловольт. Значніельно повысить рабочие напряжения полупроводниковых коммутаторов можно при использовании широкозонных полупроводников.
Интерес к алмазу в качестве материала для твердотельных коммутаторов возник ввиду наилучших іребуемьіх характеристик по сравнению с другими полупроводниками (см. таблицу 1).
Алмаз характеризуется большой шириной запрещенной зоны, крайне высоким удельным сопротивлением и напряжением пробоя, что обеспечит низкие токи утечки, высокое рабочее напряжение и электрическую прочность (влияющую на срок службы).
Скорость выключения оптоэлектронного коммутатора (длительность заднего фронта /с) целиком и полностью определяется временем жизни носителей /ж. Скорость включения оптоолектропного коммутатора (длительность переднего фронта tp) ограничена временем распространения элсктромагншной волны /, в материале рабочего тела [3,4]:

Напряжение [отн.ед.]
Время [не]

Рис. 1.2.22. Дополнительная компонента импульса алмазного коммутатора при полном освещении (А = 193 нм, ro s = 10 не) межэлектродной поверхности алмазного образца при увеличении интенсивности излучения от 0.1 (а) до 3 МВт/см2 (е) [11].