Механизм ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ

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;
- удельная мощность разряда 103 – 108 Вт\см2;
- длительность разряда 103 – 108 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
упругих деформаций (Е= 108 – 1010 дин/см2).
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.
Расчеты показывают, что при увеличении теплового потока до 1,6 х1012 Вт/м,
толщина слоя достигает 104 А.
Экспериментально установлено, что после обработки кристаллов СПА
импульсным разрядом большой энергии (1012 Вт/м2) 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.