Главная  Усиленная люминесценция 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [ 37 ] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

приводящее к порче электролитов, обкладок конденсаторов, изоляционных покрытий проводов и кабелей и выводящее из строя целые приборы и устройства. Это особенно справедливо по отношению к твердым диэлектрикам, в которых при пробое происходят необратимые изменения.

Неполный пробой, наблюдающийся в стеклах, щелоч-но-галогенных кристаллах, канифоли, целлулоиде и некоторых других материалах с 1930 г., не находил какого-либо серьезного применения.

В 1973 г. Ф. Никол реализовал неполный пробой в монокристаллах сульфида кадмия и показал, что он не оставляет в образце никаких заметных следов, повторяется многократно и его можно использовать как новый способ накачки для лазеров. В опытах Никола неполный разряд возникал, если к тонкому (20 мкм) образцу через разрядный промежуток прикладывался импульс электрического поля амплитудой 10... 15 кВ и длительностью 2 МКС. Разряд наблюдался в виде ярко светящихся нитей. Такой тип разряда в полупроводниках получил название стримерного. Возникли термины «стримерная люминесценция» и «стримерный лазер». Основные работы в этом направлении выполнены в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР и Институте физики им. Б. И. Степанова АН БССР.

Получение стримерных разрядов в полупроводниках открывает новый этап в изучении физических свойств твердого тела, электрических явлений и их использовании для практических целей. Возможность многократно воспроизводить пробой в одном и том же объеме кристалла, возникающие при этом люминесценция и стимулированное испускание позволяют получить новую информацию о строении твердых тел и происходящих в них процессах, в частности выяснить механизм рассеяния горячих электронов и характер электрон-фонон-ного взаимодействия. Перенесение электрического пробоя в такую сравнительно хорошо изученную среду, как полупроводники, позволяет выяснять общие закономерности электрических разрядов в диэлектрических материалах. Открываются широкие возможности для практического использования пробоя с целью создания высокого уровня возбуждения в объеме кристалла и разработки новых приборов, в том числе простых и малогабаритных


Рис. 7.1. Простейшие схемы возбуждения стримеров высоковольтными импульсами (а) и пучком электронов (б):

/ - образец; 2 - подложка; 3 - кювета; 4 - диэлектрическая жидкость; 5 - игловой электрод; 6 - металлическая оправа; 7 - искровой разряд

генераторов импульсов света нано- и пикосекундной длительности.

Стримерные разряды в полупроводниках возбуждаются либо импульсами электрического поля, либо путем зарядки образцов сильноточным электронным пучком в вакууме. Для возбуждения электрическим полем исследуемые образцы помещаются в сосуд, заполненный диэлектрической жидкостью (рис. 7.1). Тонкие образцы прикрепляются к сапфировым или стеклянным подложкам. Используются жидкости с различными значениями диэлектрической проницаемости e«: трансформаторное масло (еж = 2), метилметакрилат (4), ацетон (21), жидкий азот (1,5), жидкий гелий (1,2) и др. Такой набор жидкостей позволяет проводить опыты при изменении температуры в широких пределах и значении 8ж как меньшем, так и большем значения диэлектрической постоянной кристалла 8» = 8... 13.

Импульсное напряжение U подводится к образцу через электрод-острие на расстояние 0,1...0,3 мм. Чтобы избежать полного пробоя и протекания через кристалл большого тока, второй электрод источника напряжения не подводится к образцу, заземляется. При достижении напряжения некоторого порогового значения (Un = = 6... 15 кВ) зазор между острием и поверхностью пластины пробивается искрой, а в пластине возникает сетка ярко светящихся стримеров. Для каждого заданного значения напряжения имеется оптимальная величина искрового зазора, при которой длина и яркость свечения стримеров максимальны.



Пороговые значения напряжения при положительной Uit и отрицательной t/n~ полярностях, как правило, не совпадают. Для гексагонального сульфида кадмия значения Uit всегда еньше UU. Для кубического селенида цинка U„<:U„, если ек> еж, и, наоборот, Ut> U, если ек<еж. С уменьшением искрового промежутка напряжение пробоя уменьшается и возможна такая ситуация, когда искра возникает, а стримеры не развиваются.

Диэлектрическая жидкость, в которую погружен образец, выполняет две функции. Во-первых, искровой пробой жидкости обостряет передний фронт импульса накачки на четыре-пять порядков, а во-вторых, обеспечивает быструю релаксацию электрического заряда, полученного образцом от иглового электрода.

Если генератор напряжения обеспечивает достаточно крутой передний фронт импульса, то стримеры возбуждаются без диэлектрической жидкости при непосредственном контакте иглового электрода с образцом. Однако предельная частота их следования будет меньше, чем при наличии жидкости из-за остаточного заряда, накапливаемого образцом после каждого импульса.

Описанный способ возбуждения стримеров чаще всего применяется на опыте, так как он весьма прост и не требует создания вакуума.

При втором способе возбуждения стримеров полупроводниковая пластинка на подложке в металлической оправе (см. рис. 7.1,6) помещается в электронную пушку. Импульсный или непрерывный поток электронов заряжает ее. Между пластинкой и заземленной оправой возникает сильное электрическое поле, приводящее к искровым разрядам. Локальная область в кристалле, из которой начинается искра, служит отправной точкой для развития стримеров. Экспериментально установлены три условия, которые должны быть выполнены, чтобы возникли стримерные разряды.

Во-первых, удельное сопротивление образцов должно быть не ниже некоторого минимального значения ppmm. Для сульфида КЗДМИЯ Pmin - 5-10 Ом-см. В образцах с меньшим удельным сопротивлением стримеры не возникали. С увеличением р до 10° Ом-см количество стримеров, их длина и интенсивность возрастают.

Во-вторых, фронт нарастания импульсов возбуждающего электрического поля должен быть достаточно 10 В-см"-с~, а следовательно.

крутым, не менее

имеется пороговое значение производной по времени от напряжения U, подаваемого на игловой электрод от генератора. Для кристаллов сульфида кадмия в трансформаторном масле минимальное значение dU/dt = = 6-10" В-с~. При меньших значениях dU/dt стримеры не наблюдаются для амплитуд импульсов вплоть до 50 кВ.

Пороговое значение скорости нарастания поля определяется скоростью растекания объемного заряда кристалла. Для создания свободных электронов необходимо, чтобы напряженность электрического поля достигала значений ?о~10® В-см~. Напряженность поля объемного заряда определяется его градиентом. Поэтому скорость накопления объемного заряда должна быть больше, чем скорость его растекания. Для скорости дрейфа Удр=10- см-с" оценки дают dU/dt> \Ql В-с". В данном случае dU/dt характеризует потенциал заряженной области кристалла, а не иглового электрода.

В-третьих, из большого числа исследованных кристаллов стримеры возникали только в тех из них, которые являются прямозонными и характеризуются достаточно высоким квантовым выходом люминесценции. Стримерные разряды реализованы в CdS, CdSe, ZnSe, GaAs, ZnS, ZnO, ZnTe, CdTe и тройных полупроводниковых соединениях CdSjcSei-jc, AgGaS2, ZnIn2S4, Zn2ln3S5, твердых растворах CuGaS2x:Se2(i ;c).

В люминесцирующих на непрямозонных кристаллах, в частности в высокоомном фосфиде галлия (р~ ~10 Ом-см), стримеры не наблюдались. Для проверки возможности неполного пробоя кристаллов без излучающих следов использовалось свойство стримеров перескакивать из одного образца, в котором они. возбуждены, на другой, находящийся в контакте с первым. Было показано, что «темные» стримеры также не возникают в нелюминесцирующих кристаллах.

Молекулярные кристаллы типа антрацена и нафтацена удовлетворяют указанным выше условиям. Однако при подаче импульсов напряжения до 100 кВ возбудить стримерные разряды в них не удалось.

Типы неполного электрического пробоя. По внешнему виду картины ближнего поля различают такие типы неполного пробоя полупроводников: прямолинейные кристаллографические ориентированные стримерные разряды; ихнуровидные изогнутые разряды; коронообразные разряды; диффузные разряды, как в аморфных телах;



поверхностные ветвистые и елонкоподобные разряды (рис. 7.2).

В высококачественных кристаллах с концентрацией примесей 10...10 см~ и менее наблюдаются, как правило, прямые ориентированные стримеры при всех температурах, начиная с температуры жидкого гелия. В менее совершенных кристаллах на треках стримеров возникают многочисленные изломы и в целом трек становится изогнутым. Возможно, коронный разряд образуется в результате еще большего числа изломов в образцах с большой концентрацией примесей и дефектов.

В сильно дефектных кристаллах (особенно кубических) уже при комнатной температуре возникает коронный разряд, а при Г = 77 К и ниже они светятся как аморфные тела. Поэтому картина неполного пробоя позволяет судить о качестве кристалла.

Поверхностные ветвистые или елочкоподобные разряды возникают в образцах, поверхность которых обработана в химическом полирующем травителе или химико-механическим способом, а также на свежесколотых образцах. Если поверхность образцов отполировать механически, то они будут содержать дефектный приповерхностный слой и стримеры исчезнут. Кроме специальной обработки поверхности для возбуждения приповерхностных стримеров необходима определенная кристаллографическая ориентация пластины и соответствующий тип диэлектрической жидкости.

Звезда стримеров. Уже в первых работах по электрическому пробою щелочно-галогенных кристаллов было установлено, что разряд происходит не по кратчайшему пути между электродами, а по некоторым преимущественным направлениям. Аналогичная закономерность наблюдается в полупроводниках.

В сульфиде кадмия треки стримеров всегда лежат в трех плоскостях, параллельных боковым граням элементарной ячейки кристаллографической решетки. Из одной точки каждой плоскости стримеры могут распространяться по 12 направлениям (рис. 7.3). С точностью до 1° углы между осью С и стримером при 7 = 300 К равны ±43, ±46, ±(43 + 90), ±(46 + 90), ±83, ±93°. Все возможные направления распространения стримеров можно характеризовать звездой стримеров - геометрической фигурой, представляющей собой совокупность единичных векторов ei, выходящих из одной


Рис. 7.2. Ближнее поле излучения различных типов неполного электрического пробоя полупроводниковых монокристаллов:

а, 6 - прямолинейные кристаллографически ориентированные стримеры в ZnSe (а) и CdS (6); в - шнуровидный изогнутый пробой в ZnSe; г - коронный разряд в ZnSe; д. е - поверхностный ветвистый в ZnSe (d) и елочкоподобный а CdS (е) разряды; ж. з - диффузные разрнды в легированном CdS : Li (ж) и пространственно неоднородном ZnSe (з) (В В Зубрицкий, Т. С. Шульга, 1985-1987 гг.)



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [ 37 ] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

0.0008