Изготовление 3D электродов: ионный и лазерный метод

D и 3D детекторы

Планарная технология позволяет изготавливать электроды в виде отдельных полос, которые называются стрипами, и, таким образом, давая 1D разрешение. По этой технологии изготавливают и пиксельные устройства (по точкам), которые обеспечивают пространственное разрешение в 2D[владелец1] [Андрей2] [Андрей3]. Еще одна технология изготовления электродов заключается в имплантации бора или других ионов чтобы создать проводящий (p-тип полупроводника) сильно поврежденный слой на поверхности алмаза.

Все эти электроды находятся на поверхности или на приповерхностном слое и, следовательно, неэффективны в том случае, когда носители заряда рождаются в объеме вещества. Для улучшения сбора заряда необходимо увеличить “рабочий объем” регистрирующих электродов, если расположить их внутри детектора, ортогонально к его поверхности. Такой подход был предложен в работе[],где материалом детектора был кремний. В этом случае электроды были внутри объема детектора и находились на расстоянии несколько десятков микрон друг от друга. Такая геометрия называется 3D геометрией. При такой конструкции электродов детектора collection distances и время сбора заряда примерно на порядок меньше, чем у плоских планарных и пиксельных детекторов с электродами, расположенными на поверхности детектора, а напряжение обеднения примерно на два порядка ниже.

Как уже было сказано выше, алмаз превосходит кремний по многим параметрам, в частности по радиационной и температурной стойкости, поэтому, есть перспектива создания трехмерной архитектуры электродов в алмазе. В настоящее время уже ведется работа по созданию алмазных детекторов с такой конфигурацией и существуют два метода создания 3D электродов: ионный и лазерный. Об этом речь пойдет ниже.

.

 

 

Изготовление 3D электродов: ионный и лазерный метод

 

Алмаз-метастабильный материал, который при атмосферном давлении и комнатной температуре, может существовать неограниченно долго, не превращаясь в стабильный при этих условиях графит. Существуют два метода изготовления проводящих графитовых 3D электродов: ионный и лазерный.

Ионный метод заключается в тм, что в результате облучения алмаза ионами образуются повреждения(дефекты) в приповерхностном слое и, при последующем отжиге ионно-имплантированного образца формируется графитовый слой на глубине несколько микрометров. Рассмотрим эти
процессы более детально.

 

При внедрение в твердое тело ускоренный ион претерпевает серию столкновений с атомами и электронами мишени, что приводит его к торможению и изменению направления движения, смещению атомов из узлов кристаллической решетки, распылению материала мишени и излучению вторичных частиц. Основные механизмы торможения иона в веществе:

1. Неупругие взаимодействия с атомами мишени. Это основной механизм потерь энергии для ионов с большой энергией. Ионы расходуют энергию на ионизацию и возбуждение атомов вещества. Было установлено[], что
высокоэнергичные частицы теряют энергию за счет резерфордовского соударения с ядром атома твердого тела всего на 0.1%. Однако по мере уменьшения энергии ионов потери за счет ионизации быстро падают, и ниже определенного критического значения энергии ионизация прекращается. Здесь вступает в силу второй механизм.

2. Упругие столкновения. Налетающие ионы передают свою энергию атомам мишени в упругих столкновениях, что приводит к образованию смещенных из равновесных положений атомов т.е. атомов отдачи. Движущийся первичный смещенный атом при соударении с другими атомами решетки, находящимися в положении равновесия, путем передачи им некоторого порогового количества энергии(~25 Эв) приводит к возникновению так называемых вторичных смещенных атомов, образуя на своем пути целый каскад таких смещений. Таким образом, возникает некоторое количество парных дефектов Френкеля (вакансия-внедренный в междоузлие атом).

 

Если облученный ионами образец достаточно сильно нагреть, то вакансии и внедренные атомы могут диффундировать в решетке, и если они окажутся на достаточно близком расстоянии друг от друга, то может произойти их рекомбинация. Но если достигается определенное количество вакансий, то в результате термического отжига образца начинается локальная перестройка структуры и система ищет новый локальный минимум, и поврежденный ионами слой преобразуется в графитовую прослойку. Минимальное количество вакансий[], необходимое для создания графита, которое обычно называют порог графитизации, было оценено как вакансий для shallow(поверхностных, неглубоких) имплантаций[владелец4]. После процесса отжига было обнаружено, что удельное сопротивление образовавшегося графита имеет сходное значение для поликристаллического графита. Полученные графитовые структуры[владелец5], как правило, ограничены до глубины в пределах 5 микрометров от поверхности алмаза[].

Во втором способе изготовления графитовых электродов используется лазерное излучение. Процесс состоит в фокусирование лазерного луча в объеме образца, и, посредством его передвижения, фокус перемещается в сторону лазерного излучения по толщине алмаза[владелец6]. Таким образом получаются столбчатые графитовые нити, ортогональные к поверхности алмаза. Рассмотрим более подробно основные тонкости и физические явления этого метода.

В любом кристалле алмаза присутствуют различные дефекты, благодаря которым есть свободные электроны, разорванные атомные связи. Когда мы фокусируем излучение в объеме, после первого импульса происходит разогрев свободных электронов, которые находятся в дефектной области. Далее идет задержка на время τ~ для того то и потому то При прохождении второго, третьего и т.д. импульсов электронам сообщается энергия, достаточная для ионизации атомов углерода. Большинство таких “затравочных” электронов генерируются в алмазе за счет нелинейного поглощения лазерного излучения, и в Вместе с этим ковалентные связи разрываются, и под действием локального нагрева образуются первые графитовые включения на дефектных областях. Примерно после десяти импульсов вырастает графитовая глобула, размер которой равен диаметру гауссова пучка. Таким образом мы получаем оптический пробой. В работе [] показано,

[владелец1]2D плоское разрешение

[Андрей2]Не понимаю, что не так

[Андрей3]

[владелец4]Нет такого словосочетания.

[владелец5]Ты не имплантируешь графитовый слой

[владелец6]Куда?????