АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2003 года по МПК G01K7/00 

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при создании приборов микро- и оптоэлектроники, разрабатываемых на основе алмаза, в том числе для контроля за тепловыделением в приборах микроэлектроники, выполненных на основе алмазных образцов (лазерах, и т. п.), и выбора оптимальных температурных режимов их работы.

Известно устройство для измерения температуры алмазного образца, основанное на использовании термопарного измерителя температуры, прикрепляемого к поверхности образца при помощи склейки (см., например, J.E. Graebner and J. A. Herb: Diamond Films Technology 1 (1992) p. 155), когда измеряют термоЭДС и по нему судят о температуре образца.

Основными недостатками такого устройства являются невысокое быстродействие (τ > 1 мс), обусловленное соотношением между собственной теплоемкостью С и тепловым сопротивлением между измерителем и алмазным образцом G в соответствии с оценкой по формуле τ ~ C•G. Кроме того, наличие теплового контакта с окружающей средой приводит к искажению результатов измерений температуры образца:
т_обр=Т_ИЗМ•(1+G_ОБР/G_ОКР)-Т_ОКР•(G_ОБР/G_ОКР). (1)
Здесь Т_обр - действительная температура образца, Т_ИЗМ - температура спая термопары, Т_окр- температура окружающей среды, G_ОБР и G_ОКР - тепловые сопротивления между спаем термопары и образцом и спаем термопары и окружающей средой соответственно. Данное обстоятельство особенно существенно при проведении измерений в случае низких температур.

В другом устройстве для измерения температуры используют напыляемые на поверхность образцов пленочные термопары (см., например, J.E. Graebner, J.A. Mucha, L. Seibles and J.W. Kammelott: J. Appl. Phys 71 (1992) 3143). Такие термопары имеют меньшую собственную теплоемкость и тепловое сопротивление с образцом, чем проволочные термопары, однако имеют ряд недостатков: наличие теплового контакта с окружающей средой, как и в предыдущем случае, приводит к искажению результатов измерений температуры образца; соприкосновение пленки с окружающей средой не позволяет в полной мере использовать уникальную химическую и биологическую инертность алмаза. Кроме того, стойкость пленочных покрытий к термоциклированию недостаточно высока.

Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в работе (А. И. Шарков, А.Ю. Клоков, Т.И. Галкина: Физика твердого тела 43(3) (2001), с. 346), которое содержит чувствительный элемент, выполненный из проводящего слоя на основе золота, нанесенного на поверхность алмаза методом термического испарения и подключенный к измерителю сопротивления. Такое устройство имеет существенно лучшее быстродействие, чем термопары, однако имеет ряд недостатков: во-первых, наличие теплового контакта с окружающей средой, как и в предыдущих случаях, приводит к искажению результатов измерения (см. формулу (1)); во-вторых, данное устройство не может быть широко применимо для работы в агрессивных средах; в-третьих, стойкость пленочных покрытий к термоциклированию недостаточно высока.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения достоверности получаемых результатов и обеспечение возможности работы в агрессивных средах и при многократном термоциклировании с одновременным повышением быстродействия, а также расширение функциональных возможностей устройства.

Для достижения этого технического результата в алмазный образец встроен графитизированный слой, который является проводящим слоем и находится в тепловом контакте с алмазом. К графитизированному слою, созданному путем ионной имплантации, подведены электрические контакты для подключения к измерителю сопротивления. Электрические контакты (как один из вариантов) выполнены путем ионной имплантации с распределенной по энергии дозой, как это описано в [AA. Gippius, R.A. Khmelnitsky, V.A. Dravin et al. Diamond & Related Materials 8 (1999) р.1631]. Один из вариантов выполнения устройства представлен на чертеже.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - алмаз, 2 - заглубленный графитизированный слой, 3 - контактные столбики, 4 - измеритель сопротивления, d - толщина заглубленного графитизированного слоя, h - глубина его залегания.

В приведенной ниже таблице представлены технологические параметры изготовления и характеристики одного из вариантов заявленного устройства.

Физико-химический механизм образования проводящего слоя в кристалле алмаза состоит в следующем.

Алмаз является в нормальных условиях метастабильной фазой вещества. В результате ионной имплантации часть sp³ связей оказывается разорванными. Впоследствии, поврежденный материал трансформируется в термодинамически более выгодную фазу, содержащую sp² связи. Это явление называется графитизацией алмаза. Такая трансформация может происходить либо спонтанно, по достижению некоторой критической дозы, либо в результате следующего за имплантацией отжига. Следует особо отметить, что имплантируемыми ионами могут быть не только ионы Не, но и другие (Giррius А.А. at all, Physica В: Condensed Matter 2001; 308-310:573-576). Графитизизированный материал по своим оптическим и электрическим характеристикам напоминает графит( Khmelnitsky R.A. at all, Chem. Vap. Deposit, 1996, 5:121-125). Выбор геометрии детектора определяется особенностями той задачи, для которой предполагается использовать детектор.

В качестве алгоритма для расчета связи между физическими параметрами потока ионов и характеристиками заглубленного слоя можно пользоваться стандартным пакетом программ TRIM для расчета профиля радиационного повреждения. Критическая доза для того, чтобы в процессе отжига из радиационно поврежденного материала сформировался графитизированный слой составляет 2,8•10⁶ cм^-2( Khmelnitsky R.A. at all, Chem.Vap.Deposit, 1996, 5:121-125).

Детектор может использоваться для измерения температуры, потока электромагнитного излучения и т.д.

Отличительными признаками заявляемого устройства является заглубление проводящего слоя в объем алмаза и выполнение его путем ионной имплантации (в том числе и с последующим отжигом). Толщина заглубленного графитизированного слоя d и глубина его залегания h определяются выбором вида имплантируемых ионов, их энергией и дозой облучения и выбираются, исходя из требований к сопротивлению детектора и его геометрии.

В силу того, что тепловой контакт заглубленного графитизированного слоя с окружающей средой отсутствует, G_окр _→ ∞. Вследствие этого формула (1) приобретает вид: т_обр=Т_ИЗМ, то есть точность измерения температуры алмазного образца существенно возрастает.

Во-вторых, толщина такого слоя составляет порядка 100 нм, так что его теплоемкость (при Т=300 К) составляет ~0,1 Дж/К•м², что меньше, чем во всех рассмотренных ранее способах измерения температуры. Кроме того, измеренное нами тепловое сопротивление между графитизированным слоем и матрицей алмаза составляет (при Т = 300 К) 8•10^-8 Дж/К•см², что дает оценку быстродействия τ~4 нс.

В-третьих, поскольку графитизированный слой защищен от окружающей среды слоем алмаза, устройство обладает такой же высокой стойкостью к неблагоприятным химическим и биологическим факторам окружающей среды, как и сам алмаз. Кроме того, данное устройство имеет повышенную стойкость к термоциклированию.

Устройство работает следующим образом.

1. Измерение температуры. Изменение температуры алмаза 1 вызывает изменение температуры проводящего слоя 2, а это, в свою очередь, вызывает изменение его электрического сопротивления, что и регистрируется измерителем сопротивления 4.

2. Измерение потока электромагнитного излучения. При попадании потока электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 0,1 нм до 10⁵ нм на заглубленный графитизированный слой 2 происходит преобразование энергии электромагнитного излучения в тепловую энергию, что приводит к изменению температуры заглубленного графитизированного слоя 2. Это вызывает изменение его электрического сопротивления, что и регистрируется измерителем сопротивления 4.

3. Измерение потока неравновесных акустических фононов. При попадании потока неравновесных акустических фононов на заглубленный графитизированный слой 2 происходит преобразование их энергии в тепловую энергию (термализация), что приводит к изменению температуры заглубленного графитизированного слоя 2. Это вызывает изменение его электрического сопротивления, что и регистрируется измерителем сопротивления 4.

Таким образом, заявляемое устройство обладает не только улучшенными характеристиками, но также более широкими функциональными возможностями.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано при создании приборов микро- и оптоэлектроники, разрабатываемых на основе алмаза, в том числе для контроля за тепловыделением в приборах микроэлектроники, выполненных на основе алмазных образцов (лазерах, оптоэлектронных коммутаторов и т.п.), и выбора оптимальных температурных режимов их работы. Чувствительный элемент предлагаемого устройства выполнен на базе алмаза, в тело которого встроен графитизированный слой с электрическими контактами. Технический результат, на получение которого направлено заявленное изобретение, выражается в повышении достоверности получаемых результатов и обеспечении возможности работы устройства в агрессивных средах при одновременном повышении быстродействия. 1 ил., 1 табл.

Алмазный детектор, включающий чувствительный элемент в виде проводящего слоя, находящегося в тепловом контакте с алмазом, подсоединенный при помощи электрических контактов к измерителю сопротивления, отличающийся тем, что проводящий слой выполнен в виде графитизированного слоя и вместе с электрическими контактами встроен в структуру алмаза.