Спосіб польової обробки п’єзоелектричних кристалічних матеріалів

Реферат: Винахід належить до напівпровідникового матеріалознавства. Спосіб також може використовуватись в напівпровідниковому приладобудуванні та сенсорній електроніці. Спосіб польової обробки п'єзоелектричних кристалічних матеріалів полягає у вимірюванні залежності коефіцієнта нелінійних спотворень від частоти зовнішнього поля та вибору частот статистично значимих максимумів залежності. Також відбувається циклічна обробка електричною напругою на кожній з вибраних частот. Моніторинг обробки здійснюють шляхом вимірювання кінетики фотовідгуку кристала. Технічним результатом винаходу є зменшення джерел нестійкості та нелінійності в кристалах.. UA 104184 C2 (12) UA 104184 C2 UA 104184 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до напівпровідникового матеріалознавства. Він також може використовуватись в напівпровідниковому приладобудуванні та сенсорній електроніці. Відомі способи польової обробки, в основу яких покладено стимуляцію перебудови внутрішніх полів дефектів структури (В. А. Мокрицкий, С. В. Ленков, О. В. Маслов, С. А. Савельев "Обработка монокристаллов CdZnTe для применения в датчиках γ-излучения" ТКЭА 2001, № 3, с. 9-10; Е. М. Зобов, М. Е. Зобов, Ф. С. Габибов, И. К. Камилов, Ф. И. Маняхин, Е. К. Найми "Влияние ультразвуковой обработки на фотоэлектрические и люминесцентные свойства кристаллов ZnSe", ФТП - 2008, т. 42, в. 3, с. 282-285). Однак їм притаманні такі недоліки: 1) непрогнозованість процесу обробки кристала; 2) значні витрати часу на закріплення перетворювачів та створення акустичного контакту; 3) неможливість обробки кристалів складної геометричної форми; 4) відсутність обґрунтованості показників та параметрів обробки; 5) трудомісткість. Найбільш близькими за технічним змістом є спосіб польової обробки, в якому локальне "заліковування" джерел нестійкості та нелінійності в кристалі здійснюють за допомогою комбінованого фотоелектрозбудження з областей максимальної спектральної нестійкості та частотної нелінійності (Патент на винахід № 93947 Україна, МПК (2011.01) H01L 21/263, 2011 р., Бюл. № 6. Даному способу притаманні такі недоліки: 1) складність моніторингу процесу обробки; 2) після обробки в частині кристалів стабільність параметрів та стійкість характеристик погіршується, 3) трудомісткість визначення параметрів польової обробки. В основу винаходу поставлено задачу підвищення ефективності обробки кристалів та її моніторингу за рахунок застосування сигнатур характеристик в фазовій площині та спрощення процедури узгодженого визначення параметрів фото- та електрозбудження, комбінований вплив яких сприяє "локальному" заліковуванню джерел нелінійності і дисипації в кристалі та зменшенню їх потужності. Протягом польової обробки амплітуду П-подібної напруги та інтенсивність фотозбудженння вибирають такими, щоб в кристалі відбулася стимуляція еволюції джерел нелінійності відклику, які суттєво впливають на стабільність характеристик кристалів в часі та при зовнішній дії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі польової обробки п'єзоелектричних кристалічних матеріалів для кристала вимірюють залежність коефіцієнта нелінійних спотворень Kg (ƒ) від частоти зовнішнього поля та вибирають частоти ƒ n зовнішнього впливу статистично значимих максимумів залежності Kg (ƒ). Збуджуючи кристал зовнішньою напругою на кожній з частот ƒ n вимірюють залежність коефіцієнта нелінійних спотворень Kg(λ) від довжини хвилі фотозбудження λ та по її максимумам визначають спектральні області підвищеної нелінійності фотовідклику Δλ і. Далі, збільшуючи величину П-подібної електричної напруги в е (2,71) раз та підсвічуючи кристал з максимуму відповідної спектральної області Δλ і, циклічно обробляють кристал на кожній з частот ƒn, вимірюють його фотовідклик I(t) та одночасно здійснюють чисельне диференціювання фотовідклику dI/dt з представленням у вигляді сигнатур I(t)-dІ/dt фазового простору. Обробку кристала П-подібною електричною напругою припиняють, досягнувши для кожної зі спектральних областей фотовідклику Δλі на кожній частоті ƒn необоротного зменшення   B  1 S   S  форм сигнатур I(t)-dI/dt в е (2,71) раз, де S  і S  - це площі складових  асиметрії  сигнатури відносно нульового рівня {dI/dt=0}. На відміну від відомого способу, вибраного за прототип, в запропонованому способі польової обробки п'єзоелектричних кристалічних матеріалів досягається синхронізація зовнішніх та внутрішніх електричних полів за рахунок узгодження параметрів комбіновано фотота електрозбудження, які визначаються з частотної залежності коефіцієнта нелінійних спотворень Kg(ƒ) та його залежності від довжини хвилі фотозбудження Κg(λ). При цьому такий вплив дозволяє індукувати протікання фотоелектронних процесів на певних масштабних рівнях та відповідно досягти цілеспрямованої стимуляції перебудови внутрішніх пружних і електричних полів тих структурних неоднорідностей, які є джерелами нелінійності та дисипації в п'єзоелектричних кристалах, і тим самим самоузгоджено модифікувати структуру взаємозв'язків між ними. Така обробка: а) суттєво зменшує потужність джерел нелінійності та дисипації в кристалах за рахунок визначення узгоджених параметрів комбіновано фото- та електрозбудження; б) покращує стійкість електрофізичних характеристик кристалів та підвищує стабільність їх фізичних параметрів в часі та при зовнішній дії; 1 UA 104184 C2 в) спрошує процедуру контролю ходу обробки кристалу в реальному масштабі часу за рахунок застосування сигнатур відклику кристалу I(t)-dI/dt та інтегративного показника 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50   B  1 S   S  асиметрії їх форм відносно нульового рівня {dI/dt=0}.   На кресленях зображено: Фіг. 1. Блок-схема пристрою для польової обробки. Спектри фотострумів I(λ): Фіг. 2 до обробки, Фіг. 3 після обробки. Динамічні світлові ΒΑΧ U-1ƒ, λ кристала: Фіг. 4 до обробки, Фіг. 5 після обробки. Блок-схема пристрою для польової обробки, складається з генератора сигналів довільної форми 1, електрометричного підсилювача 2, вимірювача нелінійних спотворень 3, персонального комп'ютера 4, кристалотримача 5, електроди якого під'єднують до електрометричного підсилювача 2 та між якими встановлюють кристал 6, світлофільтра 7 та джерела світла 8. Спосіб здійснюється при нормальних умовах на установці, блок-схема якої зображена на Фіг. 1. Для цього кристал 6 поміщують в кристалотримач 5. З генератора сигналів довільної форми 1, управління яким здійснюють за допомогою комп'ютера 4, подають П-подібну напругу на електроди кристалотримача. Для польової обробки виконуються наступні операції: а) змінюючи частоту гармонічного сигналу в діапазоні 0,1-30 кГц, яку встановлюють і контролюють за допомогою генератора сигналів довільної форми 1 і комп'ютера 4, вимірюють частотну залежність коефіцієнта нелінійних спотворень Kg(ƒ) за допомогою вимірювача нелінійних спотворень 3; б) з отриманої залежності Kg(ƒ) автоматично вибирають частоти ƒn зовнішнього впливу статистично значимих максимумів залежності Kg(ƒ); в) вимірюють залежність коефіцієнта нелінійних спотворень від довжини хвилі фотозбудження Kg(λ) на кожній з частот ƒn за допомогою джерела світла 8, світлофільтра 7, генератора сигналів довільної форми 1 переведеного в режим генерування гармонічної напруги, електрометричного підсилювача 2 та комп'ютера 4; г) диференціюючи отриманий спектр по довжині хвилі Kg(λ)/dλ, визначаємо екстремуми функції Kg(λ) та відповідні спектральні області підвищеної нелінійності фотовідклику Δλi; д) збільшують амплітуду П-подібної електричної напруги в е раз та здійснюють обробку кристала 6 на кожній з частот ƒn за допомогою генератора сигналів довільної форми 1 і комп'ютера 4, одночасно підсвічуючи його за допомогою джерела світла 8 та світлофільтра 7 з максимуму відповідної λi спектральної області підвищеної нелінійності фотовідклику Δλі. При цьому напруженість поля Ε в кристалі не повинна перевищувати критичного рівня Екр, який відповідає межі механічної міцності кристала; e) вимірюють фотовідклик кристала I(t) і одночасно здійснюють його чисельне диференціювання dI/dt та представлення у вигляді сигнатур фазового простору I(t)-dI/dt. Обробку кристала П-подібною електричною напругою Ui(t) припиняють, досягнувши на кожній із частот ƒ n для кожної з спектральних областей підвищеної   B  1 S   S  форм сигнатур  нелінійності фотовідклику Δλi необоротного зменшення асиметрії  + ˉ I(t)-dI/dt відносно нульового рівня {dl/dt=0} в е (2,71) раз, де S і S - це площі складових сигнатури відносно нульового рівня {dI/dt=0}. Таким чином, в результаті польової обробки досягається цілеспрямована стимуляція перебудова внутрішніх пружних і електричних полів структурних неоднорідностей певного типу і масштабу, сукупності яких є джерелами нелінійності та дисипації в п'єзоелектричних кристалах, що забезпечується шляхом синхронізації параметрів комбінованого фото- та електрозбудження для одночасного досягнення фото- та електропластичного ефектів та індукуванням протікання фотоелектронних процесів на певних масштабних рівнях. Це викликає зміну електрофізичних параметрів та характеристик кристала, зокрема покращення стабільності діелектричних параметрів в часі, зменшення діелектричних втрат, рівня темнового шуму та збільшення фоточутливості. Крім того відпадає необхідність термічного впливу на кристал, а використання персонального комп'ютера, сигнатур фотовідклику I(t)-dI/dt, а також інтегративного показника   B  1 S   S  асиметрії їх форм відносно нульового рівня {dI/dt=0} дозволяє проводити   моніторинг результатів вже в процесі обробки і відповідно контролювати її хід в масштабі реального часу. 2 UA 104184 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб польової обробки п'єзоелектричних кристалічних матеріалів шляхом монохроматичного підсвічування кристала та одночасного прикладення до нього змінного електричного поля U t  5 на частотах, визначених з частотної залежності коефіцієнта нелінійних спотворень K g ƒ  , який відрізняється тим, що вимірюють частотну залежність коефіцієнта нелінійних спотворень K g ƒ  та визначають частоти ƒ n статистично значимих максимумів залежності K g ƒ  і вимірюють залежність коефіцієнта нелінійних спотворень від довжини хвилі фотозбудження K g   на кожній з частот ƒ n та визначають спектральні діапазони  i підвищеної нелінійності 10 фотовідгуку і циклічно оброблюють кристал П-подібною електричною напругою зі збільшеною в е раз амплітудою на кожній з частот ƒ n , кристал одночасно підсвічують в максимумі відповідної спектральної області  i , а моніторинг обробки здійснюють шляхом вимірювання кінетики фотовідгуку кристала і одночасного чисельного диференціювання представленням у вигляді сигнатур фазового простору 15 кінетики dI / dt з I t   dI / dt , обробку кристалів припиняють, досягнувши на кожній із частот ƒ n для кожної i необоротного зменшення  S   B  1    форми сигнатури I t   dI / dt в e , тобто 2,71, раз, де S  і  S     S - це площі складових сигнатури відносно нульового рівня dI / dt  0 . коефіцієнта асиметрії 3 UA 104184 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4