Фотоелектричні властивості плівок свинець сульфіду з різним потенціальним рельєфом зон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Одеський державний університет ім. І.І. Мечникова

УДК:539.216.2:546.817.221

01.04.10 - Фізика напівпровідників та діелектриків

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Фотоелектричні властивості плівок свинець сульфіду

з різним потенціальним рельєфом зон

Альошин Олексій Миколайович

Одеса - 2000

Дисертація є рукописом

Робота виконана в НДІ фізики в лабораторії іонних кристалів та фотоелектричних процесів при Одеському державному університеті ім. І.І. Мечникова.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук Тюрін Олександр Валентинович.

Офіційні опоненти:

Контуш Сергій Михайлович, доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедрою фізики Одеської державної академії холоду.

Ваксман Юрій Федорович, доктор фізико-математичних наук, професор кафедри експериментальної фізики Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова.

Провідна організація: Ужгородський державний університет, Ужгород

Захист відбудеться 31 березня 2000 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої Вченої ради Д 41.051.01 Одеського державного університету ім. І.І. Мечникова (270026, Одеса, вул. Пастера, 27, ВФА)

Зі змістом дисертації можна ознайомитись у науковій бібліотеці університету, вул. Преображенська, 24.

Автореферат розісланий 29 лютого 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.ф.-м.н., доцент Федчук О.П.

Анотації

Алешин А.Н. Фотоэлектрические свойства пленок сульфида свинца с различным потенциальным рельефом зон. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Одесский госуниверситет им. И.И. Мечникова, Научно-исследовательский институт физики, Одесса, 1999 г.

Диссертация посвящена изучению механизмов токопереноса и фоточувствительности пленок сульфида свинца с различным потенциальным рельефом зон и влиянию технологических факторов на эти механизмы, а также созданию технологии нанесения фоточувствительных пленок сульфида свинца на кремниевую подложку со схемами коммутации сигналов и исследованию их структуры.

Экспериментально установлены отличительные особенности токопереноса и фоточувствительности в пленках сульфида свинца с различным потенциальным рельефом зон и выявлены причины, ответственные за эти отличия (содержание оксидных фаз, определяющее параметры потенциальных барьеров для носителей тока). Отличительной особенностью пленок со слабо выраженным потенциальным рельефом зон является увеличение высоты дрейфовых барьеров с повышением температуры и надбарьерный механизм токопереноса. Нелинейные эффекты, проявляющиеся в этом случае на ВАХ темнового тока и фототока, связаны с выделением ленц-джоулева тепла в условиях температурного гашения фототока. В пленках же с ярко выраженным потенциальным рельефом зон - различие в высотах дрейфовых и рекомбинационных барьеров и наличие сравнимого с надбарьерным туннельного механизма токопереноса не только для дырок, но и для электронов, ответственного за нелинейные эффекты на ВАХ темнового тока и фотока.

Показано, что для многослойной структуры на основе слоев сульфида свинца с различным типом проводимости, а также пленок сульфида свинца с ярко выраженным потенциальным рельефом зон помимо надбарьерной рекомбинации имеет место и туннельная рекомбинация, которая ответственна за полевое гашение фототока в таких структурах.

Усовершенствован метод химического осаждения пленок сульфида свинца путем выяснения влияния окислителя на механизм фотопроводимости таких пленок. На основе метода пульверизации предложен способ нанесения фоточувствительных пленок сульфида свинца на кремниевые подложки, позволяющий варьировать состав рабочих растворов в едином технологическом процессе.

С учетом физических свойств пленок сульфида свинца (наличие участка ОДП, нелинейности ВАХ и др.) проведен анализ тепловых режимов работы неохлаждаемых фотоприемных детекторов ИК-излучения на их основе и даны рекомендации по выбору режимов работы, обеспечивающих оптимизацию фоточувствительности пленок.

Предложен оптико-корреляционный метод неразрушающего контроля размеров кристаллитов в пленках, который может быть применен в условиях промышленного их изготовления.

Ключевые слова: фотопроводимость, сульфид свинца, датчик, многоэлементный модуль, тепловой режим, туннелирование, рекомбинационные и дрейфовые барьеры.

Альошин О.М. Фотоелектричні властивості плівок Свинець сульфіду з різним потенційним рельєфом зон. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників та дієлектриків. - Одеський державний університет ім. І.І. Мечникова, Науково-дослідний інститут фізики, Одеса, 1999 р.

Дисертація присвячена вивченню механізмів струмопереносу і фоточутливості плівок свинець сульфіду із різним потенційним рельєфом зон та впливу технологічних факторів на ці механізми, а також розробці технології нанесення фоточутливих плівок свинець сульфіду на кремнієву підкладку зі схемами комутації сигналів та вивченню їх структури.

Показано, що для багатошарової структури на основі шарів Свинець сульфіду із різним типом провідності, а також плівок Свинець сульфіду з яскраво вираженим потенційним рельєфом зон крім понадбар'єрної рекомбінації носіїв струму існує також тунельна рекомбінація, яка відповідає за польове гасіння фотоструму в таких структурах.

З врахуванням фізичних властивостей плівок Свинець сульфіду проведено аналіз теплових режимів роботи неохолоджуваних фотоприймальних пристроїв ІЧ-випромінювання на їх основі та запропоновано рекомендації щодо вибору режимів роботи, що забезпечують оптимальну фоточутливість плівок.

Запропоновано оптико-кореляційний експрес-метод неруйнуючого контролю розмірів кристалітів у плівках, який може бути вжитий в умовах промислового виготовлення.

Ключові слова: фотопровідність, Свинець сульфіду, датчик, багатоелементний модуль, тепловий режим, тунелювання, рекомбінаційний та дрейфовий бар'єри.

Alyoshin A.N. Photoelectrical Properties of Lead Sulfide Films with Different Potential Relief of Bands. - Manuscript.

The thesis for the scientific grade of the candidate of physical-mathematical sciences by the speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and isolators. I.I. Mechnikov Odessa State University.

The thesis is devoted to investigation of current transfer mechanisms and photosensitivity of PbS films with variable potential relief of the bands and influence of technological factors on these mechanisms, as well as to development of technology for applying photosensitive PbS films on silica substrate with signal commutation circuits, and study of their structure.

Original peculiarities of current transfer and photosensitivity in PbS films with variable potential relief of the bands have been experimentally established as well as the causes of these peculiarities (oxide phase content determining the parameters of potential barriers for current carriers). The peculiar feature of the films having low-profile potential relief of the bands is the increase of the drift barriers' heights with temperature and the above-barrier current transfer mechanism. Non-linear effects that are detected, in this case, on the volt-ampere characteristic (VAC) of the dark current and photo current are linked with the emission of Lenz-Joule heat under temperature damping of the photo current. In the films with the expressly pronounced potential relief of the bands, the differences are in drift and recombination barriers and existence of the tunnel mechanism, comparable with the above-barrier mechanism not only for holes but also for electrons, is responsible for non-linear effects on the VAC of the dark and photo currents.

It is shown that a multi-layer structure based on PbS layers with different conductivity types and the PbS films with expressly pronounced potential relief of the bands are characterized not only with the above-barrier recombination of the current carriers but also with a tunnel recombination which is responsible for field damping of the photo current in such structures.

A method of chemical deposition of PbS films is improved through clarification of the influence of the oxidizer on the photoconductivity mechanism in such films. The spray method is taken as the basis to develop a technique to apply PbS photosensitive films on a silica substrate that allows of varying the composition of work solutions within a single technological process.

Taking into consideration physical properties of PbS films (existence of a section of negative differential photoconductivity, VAC non-linearity, etc.), the analysis of thermal modes of operation was made for non-cooled IR-photoreception devices based on PbS films, and the recommendations on selection of operation modes were given so as to ensure optimum photosensitivity of the films.

For testing dimensions of crystallites within the films, the non-destructive optical-correlated express method that can be applied in industrial production was suggested.

Keywords: photoconductivity, lead sulfide, detector, multi-element unit, thermal conditions, tunelling, recombination and drift barriers.

Загальна характеристика роботи

Інфрачервона техніка за останні роки стала серйозним інструментом наукових досліджень та отримала широке розповсюдження у багатьох практичних застосуваннях. Своїм прогресом вона зобов'язана виникненню нових матеріалів, чутливих у ІЧ-області спектру, та технологій їх виготовлення. У першу чергу це стосується тонкоплівкових технологій та багатошарових напівпровідникових структур. Прилади інфрачервоної техніки, що використовують ці матеріали як активні елементи, служать для реєстрації та перетворення ІЧ-випромінювання в аналогові та цифрові сигнали, які легко оброблюються за допомогою обчислювальної техніки. Реалізований в подібних пристроях зворотний зв'язок перетворює їх в зручні елементі керування різними технічними системами та механізмами. З фізикою та технологією тонких напівпровідникових плівок пов'язані досягнення та перспективи розвитку мікроелектроніки, оптики приладобудування, оптоелектроніки.

Одне з достойних місць у ряду вузькозонних напівпровідників, що використовуються для створення на їх основі тонкоплівкових фотодетекторів, належать Свинець сульфіду.

Детектори на його основі працюють у спектральному інтервалі 0,6-3 мкм та діапазоні температур 77-350 К в залежності від вимог, що подаються, та особливостей їх застосування. У список найбільш поширених областей застосування ІЧ-фотоприймачів на основі Свинець сульфіду входять зоряні, спектрографічні датчики, медичні, дослідницькі інструменти, прилади, що сортують, рахують, контролюють, реєстратори полум'я, системи визначення положення теплових джерел, дослідження в галузі літаючих апаратів, вимірювання потужності в лазерних системах.

Більшість вищенаведених практичних застосувань ІЧ-фотоприймачів пов'язано з використанням для перетворення інформаційних сигналів складних електричних схем. У зв'язку з цим, подальшим кроком у розвитку та удосконаленні вказаних ІЧ-фотоприймачів є створення такої технології, в процесі якої електричні схеми посилення, комутації і обробки сигналів та ІЧ-фоточутлива плівка були б поєднані на одній підкладці, наприклад, з кремнію. Спочатку на кремнію за допомогою фотолітографії формуються усі необхідні електричні схеми, а далі в означеному місці зверху наноситься ІЧ-фоточутлива плівка. Наявність такої технології відкриває принципово нові можливості для використання ІЧ-фотоприймачів у різних галузях науки і техніки та відповідає усім необхідним практичним вимогам сучасного рівня.

Актуальність теми

У зв'язку з вище означеним, у фізиці та техніці вузькозонних напівпровідників актуальними є наступні задачі:

З наукової точки зору цікавою є задача по визначенню механізму струмопереносу та фоточутливості плівок, які нанесені на підкладки з кремнію. Це зумовлено тим, що на кремнієві підкладки необхідно наносити плівки з різним потенціальним рельєфом зон. У літературі ж розглядались механізми струмопереносу та фоточутливості лише для плівок Свинець сульфіду з яскраво виявленим потенціальним рельєфом зон.

З технічної точки зору важливою задачею є створення технології нанесення фоточутливих в ІЧ діапазоні спектру плівок на кремнієву підкладку, яка містить електричні схеми підсилення, комутації та обробки інформаційних сигналів. Основними вимогами, що висуваються до таких структур, є висока фоточутливість, добра технологічність, легка сумісність з зовнішніми електричними ланцюгами комутації та обробки сигналу, і, не в останню чергу, дешевизна виготовлення.

Тема дисертації пов'язана з планом науково-дослідних робіт НДІ фізики ОДУ та виконувалась відповідно темі (номер держреєстрації 01974017680) "Вплив технології отримання та зовнішніх факторів на властивості та механізм фотопровідності полікристалічних плівок халькогенидів свинцю" з 1997 р. до теперішнього часу, а також договору про науково-технічне співробітництво між НДІ фізики ОДУ та Конструкторсько - технологічним інститутом прикладної мікроелектроніки СВ РАН (м. Новосибірськ). Згідно цього договору, виготовлення кремнієвих підкладок зі схемами комутації та нанесення на них плівок Свинець сульфіду засобом хімічного осадження проводилось у лабораторії КТІПМ СО РАН.

Мета роботи

Метою цієї роботи є:

Вивчення механізмів струмопереносу та фоточутливості плівок Свинець сульфіду з різним потенціальним рельєфом зон та вплив технологічних факторів на ці механізми.

Створення технології нанесення фоточутливих плівок Свинець сульфіду на підкладку з кремнію зі схемами комутації сигналів та дослідження їх структури.

Наукова новизна

Вперше експериментально встановлені відмінні особливості стумопереносу та фоточутливості в плівках Свинець сульфіду з різним потенціальним рельєфом зон та виявлені причини, що відповідають за ці відмінності (вміст оксидних фаз, які встановлюють параметри потенціальних бар'єрів для носіїв струму). Так, наприклад, відмітною особливістю плівок зі слабовираженим потенціальним рельєфом зон є збільшення висоти дрейфових бар'єрів із зростанням температури та надбар'єрний механізм струмопереносу. В плівках же з яскраво виявленим рельєфом зон - різниця у висотах дрейфових та рекомбінаційних бар'єрів і наявність порівняного з надбар'єрним тунельного механізму струмопереносу не тільки для дірок, але й для електронів.

Вперше виявлено, що для багатошарової структури на основі шарів Свинець сульфіду з різним типом провідності, а також плівок Свинець сульфіду з яскраво виявленим потенціальним рельєфом зон, крім надбар'єрної рекомбінації носіїв струму є ще й тунельна рекомбінація. Тунельна рекомбінація відповідає за польове гасіння фотоструму в таких структурах.

Вперше для нанесення фоточутливих плівок Свинець сульфіду використали засіб пульверизації, що дозволяє робити плівки, які мають відмінні для цього засобу властивості (надбар'єрний механізм струмопереносу, малий час релаксації фотозбудження, оптимальний розмір кристалітів, відсутність необхідності термообробки для появи фотопровідності, та ін.).

Вперше з урахуванням фізичних особливостей плівок Свинець сульфіду (наявності відрізка негативної диференційної фотопровідності, нелінійності ВАХ та ін.) був проведений аналіз теплових режимів роботи неохолоджених фотоприймальних пристроїв ІЧ-випромінювання на їх основі та наведені рекомендації щодо вибору режимів роботи, що забезпечують оптимальну фоточутливість плівок.

Практичне значення отриманих результатів

Удосконалено засіб хімічного осадження плівок Свинець сульфіду шляхом виявлення впливу окислювача на механізм фотопровідності таких плівок.

Вперше зроблено датчик ІЧ - випромінювання на основі плівок Свинець сульфіду з використанням для їх отримання методу пульверизації, які, завдяки цьому, відрізняються низькою інерційністю.

Встановлено режими роботи неохолоджених фотоприймальних пристроїв ІЧ - випромінювання на основі плівок Свинець сульфіду, при яких ці пристрої мають оптимальні характеристики. Розв'язано і обернену задачу. При заданому режимі роботи фотоприймального пристрою виявлені критерії відбору плівок, для яких цей пристрій матиме оптимальні характеристики.

Запропоновано оптико - кореляційний експрес - метод неруйнуючого контролю розмірів кристалітів у плівках, який може бути застосований в умовах їх промислового виробництва.

Апробація результатів дисертації

Результати, отримані в дисертації, були представлені на V Міжнародному з'їзді з хімічних сенсорів у Римі, на IV та V Міжнародних конференціях з фізики та технології тонких плівок, Івано-Франківськ, на III Міжнародній конференції "Матеріалознавство та властивості матеріалів для инфрачервоної мікроелектроніки", Ужгород, на XI Науково-технічній конференції "Фотометрія та її метрологічне забезпечення", Москва, у журналі "Неорганічні матеріали", РАН, в "Оптичному журналі", у випуску "Фотоелектроніка", у спеціальному випуску SPIE Proceedings, на Міжнародній науково - практичній конференції "Екологія міст та рекреаційних зон", на Міжнародній науково - практичній конференції "Вода та здоров'я - 98". Є свідоцтво про науково - технічне досягнення.

Публікації

Результати, наведені в дисертації, були опубліковані у п'яти наукових статтях в журналах та збірниках, введених до реєстру ВАК України, у двох Працях міжнародних конференцій, шести тезах конференцій та одному свідоцтві про науково - технічне досягнення, всього 14 публікацій.

Структура дисертації.

Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаної літератури. Повний обсяг дисертації складає 131 сторінку, у тому числі 86 сторінок основного тексту, 31 малюнок, бібліографічний перелік із 112 найменувань, які включають власні публікації автора та окремий перелік власних публікацій автора.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету роботи, її наукову новизну та вказано на її практичну цінність.

Перший розділ дисертації присвячений розгляду та аналізу літературних даних і основних положень відомих моделей струмопереносу та фоточутливості полікристалічних напівпровідникових плівок Свинець сульфіду. Розглянуті фізичні механізми, які пояснюють особливості струмопереносу та фоточутливості у межах кожної з цих моделей. Докладно розглянуті моделі електростатичного потенціального бар'єру (§1.1), поздовжнього p-n переходу (§1.2) та модель Мотта (§1.3).

У другому розділі поставлено задачу отримання фоточутливих плівок Свинець сульфіду на кремнієвих підкладках з уже нанесеними на них схемами комутації та обробки інформаційних сигналів. Із аналізу існуючих засобів отримання фоточутливих напівпровідникових плівок Свинець сульфіду ("фізичні" та "хімічні" шари) виявлено, що найбільші переваги для вирішення поставленої задачі має засіб отримання плівок засобом хімічного осадження із розчину (§2.1). Крім цього, нами запропонована також технологія нанесення плівок Свинець сульфіду на підкладки з кремнію зі схемами комутації та обробки сигналу засобом пульверизації розчинів (§2.2). Для кожної з наведених технологій встановлені суміші ванн та режими для отримання фоточутливих плівок Свинець сульфіду з найкращими характеристиками. Виявлено, що оптимальні за своєю фоточутливістю плівки Свинець сульфіду, отримані методом хімічного осадження з розчину, мають погану адгезію до кремнію. Тому запропоновано проводити хімічне осадження в два етапи: спочатку наносити нефоточутливий шар Свинець сульфіду (підшар), який має гарну адгезію до кремнію, а на нього - фоточутливий шар Свинець сульфіду, який має гарну адгезію до підшару. При використанні для нанесення плівок методу пульверизації ці два цикли об'єднані у єдиний технологічний процес. В результаті готовий зразок має структуру, яка наведена на мал.1.

Мал.1. Схема зразку, отриманого методом хімічного осадження.

У третьому розділі описані результати проведених досліджень фазового складу та структури плівок Свинець сульфіду, отриманих методами хімічного осадження та пульверизації.

У §3.1 наведені результати рентгенографічного аналізу фазового складу плівок. Плівки Свинець сульфіду вимірювались на рентгенівському діфрактометрі "ДРОН-3М" у мідному випромінюванні на довжині хвилі ?=1.542 Е (k_hkl), з фокусуванням по Бреггу - Брентано, із використанням графітового монохроматора. Зйомка проводилась з обертанням на гоніометричній приставці ГП-13.

Дослідження фазового складу плівок, отриманих методом хімічного осадження довели, що в них, крім Свинець сульфіду, знаходяться ще й оксидні фази типу PbO, PbSO₄ та PbO*PbSO₄. У плівках, виготовлених за методом пульверизації, вміст оксидних фаз не перевищує 5% та інтенсивність ліній, характерних для них, відповідає рівню фону. Вміст окисних фаз в плівках, виготовлених методом хімічного осадження, зростає після тривалого випалювання плівок на повітрі при температурі вищій за 100 ⁰С. Така ж сама термообробка, проведена для плівок Свинець сульфіду, виготовлених методом пульверизації свідчить, що навіть семигодинне випалювання при температурі близько 100 ⁰С не призводить до додаткової появи оксидних фаз, відсотковий вміст яких у плівці перевищив би величину похибки вимірювань (або фону). Встановлено також, що після випалювання у кристалітах відбуваються структурні зміни (про це можна зробити висновок завдяки зростанню характерних для PbS максимумів на рентгенограмах). фоточутливий свинець сульфід плівка

В §3.2 наведені результати досліджень структури плівок Свинець сульфіду методом електронної мікроскопії з використанням просвітлюючого електронного мікроскопу ЭМВ-100 ЛМ. Відомо, що для плівок Свинець сульфіду існує оптимальний розмір кристалітів, при якому їх фоточутливість максимальна (0.1-0.2*10^-6 м.). Отримати плівки з оптимальним розміром кристалітів можна або в результаті дбайливого вдосконалення технології виготовлення, або додатковими обробками (наприклад, випалюванням у атмосфері з вмістом кисню).

Тому дослідження структури плівок свинець сульфіду з метою виявлення розмірів кристалітів є беззаперечною умовою для оптимізації параметрів плівок. Встановлено, що плівки, отримані засобом пульверизації, мають розміри кристалітів, близькі до оптимальних, та подальшої термообробки не потребують. У плівках же, виготовлених методом хімічного осадження, розміри кристалітів дещо менші оптимальних. З метою збільшення розмірів кристалітів та доведення їх до оптимальних проводилась термообробка таких плівок на повітрі при різних температурах та тривалості випалювання. Аналіз випалених плівок Свинець сульфіду, виготовлених методом хімічного осадження, показав, що при збільшенні тривалості випалювання розміри кристалітів зростають та досягають оптимальних, що поліпшує їхні фотоелектричні властивості та фоточутливість ІЧ - датчиків на їх основі.

В §3.3 указано на основні недоліки засобу електронної мікроскопії (такі, як трудомісткість, тривалість, дорожнеча та, головне, руйнування досліджених зразків, що робить неможливим їхнє подальше застосування) для швидкої діагностики якості виготовлених зразків плівок. Тому досить важливою задачею є знаходження неруйнуючого оперативного методу виявлення розмірів кристалітів плівки. Як експрес - метод контролю отриманих плівок вперше було запропоновано використовувати метод кореляційної спектроскопії. Вимірювання розмірів кристалітів цим засобом зразків плівок Свинець сульфіду, виготовлених за різними технологіями та які зазнали випалювання різної тривалості при різних температурах, показали гарний збіг з результатами досліджень за допомогою електронної мікроскопії. Таким чином, показано ефективність використання методу кореляційної спектроскопії як експрес - методу для достовірного визначення характерних розмірів кристалітів, що створюють плівку, без тривалих та руйнуючих зразки досліджень методом електронної мікроскопії.

У четвертому розділі досліджуються електричні та фотоелектричні властивості плівок Свинець сульфіду з різним вмістом оксидних фаз, що відповідають за формування потенціального рельєфу зон для носіїв заряду в цих плівках.

В §4.1 встановлюється тип провідності плівок з різним вмістом оксидних фаз. Показано, що із зростанням вмісту оксидних фаз провідність плівок змінюється від n-типу до p-типу. Якщо шари з різним типом провідності нанести один на другий, то типи провідностей у плівках зберігаються, а в процесі експлуатації або термообробки таких структур відбувається зміщення плівки з n-типом провідності до p-типу.

В §4.2 та §4.3 обґрунтовано вибір контактів для фоточутливої плівки Свинець сульфіду, наводиться методика дослідження та схема установки для електричних та фотоелектричних вимірювань.

В §4.4 наведена температурна залежність темнового струму та фотоструму в плівках Свинець сульфіду з різним вмістом оксидних фаз.

Показано, що в плівках з низьким вмістом оксидних фаз спостерігається складна температурна залежність темнового струму I_d(T) з енергією активації, яка, в свою чергу, залежить від температури. Аналіз такої залежності I_d(T), зроблений в §4.6.1 показав, що суттєвим моментом в поясненні зростання енергії активації може бути припущення про зростання висот потенційних бар'єрів на межах кристалітів з ростом температури. Це може відбутися, насамперед, з двох причин: якщо порушується умова детальної рівноваги між міжзеренною межею та зоною провідності, при якій захват електронів на міжкристалітні поверхневі рівні перевищує їхню емісію, або коли з'являється тунельний струм, який призводить до зарядження міжкристалітних поверхневих станів.

Зі зростанням відсоткового вмісту оксидних фаз на температурній залежності I_d(T) з'являється експоненційний відрізок темнового струму, який цілком визначає характер температурної поведінки провідності плівок з високим вмістом оксидних фаз. Вказана залежність добре корелює з холовськими вимірюваннями знаку основних носіїв струму (§4.1). Така кореляція свідчить про те, що експоненційний відрізок залежності темнової провідності пов'язана з утворенням інверсійних каналів у приповерхневій області кристалітів з p-типом провідності.

У зразках з малою концентрацією оксидних фаз фотопровідність практично відсутня, і починає з'являтися, коли відбувається інверсія знаку основних носіїв струму та виникає p-n-перехід у приповерхневій області кристалітів, що і є причиною появи фоточутливості, завдяки просторовому розподілу фотоносіїв на ньому. Температурна залежність фотоструму в таких фоточутливих зразках характеризується слабкою активацією фотоструму в області низьких температур та гасінням при температурах, що перевищують 230 К. Для з'ясування причини такої зміни фотоструму проводили дослідження величини дрейфової рухомості та сталої часу спаду фотоструму, які показують, що активація фотоструму пояснюється більш сильним активаційним зростанням рухомості носіїв порівняно із зменшенням часу їх життя. Виявлено також зміщення температурного максимуму фотоструму в область більш високих температур при зростанні вмісту оксидних фаз.

Аналіз наведених вище результатів свідчить, що величина концентрації оксидних фаз в плівках Свинець сульфіду обумовлює процес формування в них різноманітних за величиною рекомбінаційних та дрейфових бар'єрів, які, в свою чергу, встановлюють величину темнової провідності та фотопровідності плівок, а також їх поведінку при зміні температури.

Неоднаковий потенційний рельєф зон має впливати на ВАХ зразків при темновому струмі та фотострумі. З'ясовуванню цього питання присвячений §4.5.

Встановлено, що із зміною вмісту оксидних фаз в плівках з'являються відміни і в ВАХ темнового струму, і фотоструму.

Для зразків з малим вмістом оксидних фаз ВАХ темнового струму I_d(T), виміри при температурі Т~200 К, виявляють слабку понадлінійну залежність за умов підведеного напруження більше 75 В. Ступінь відхилення залежності I_d(U) від лінійності зростає з підвищенням температури вимірювань, а точка переходу незначно зміщується в область менших напруг.

На ВАХ фотоструму I_f(U) для таких плівок при напругах U>U_п та температурах вимірів вище 200 К спостерігається відрізок негативної диференційної провідності (НДП), на якому зростання підведеної напруги викликає зменшення величини протікаючого струму. В області напруг U<U_п залежність I_f(U) підкоряється закону Ома. Аналіз отриманих залежностей I_f(U) показує, що поява НДП відповідає відрізку температурного гасіння фотоструму, а підвищення температури вимірів призводить до зміщення відмітки початку області НДП у бік менших напруг. Слід також відмітити, що вигляд кривих I_f(U) не залежить від сили збуджуючого світла.

Характерною особливістю зразків з високим вмістом оксидних фаз є нелінійність ВАХ I_d(U), яка наступає при рівнях підведеної напруги вище 45 В, і при цьому напруга, яка відповідає переходу до понадлінійності ВАХ, практично не залежить від температури.

На ВАХ фотоструму I_f(U) спостерігається відрізок НДП, початок якого збігається з переходом до понадлінійної залежності I_d(U) і також не залежить від температури вимірювань. Слід відмітити той факт, що на частці НДП зі зростанням підведеної до зразків напруги спостерігається значне підвищення рівня шуму та зменшення величини часу життя носіїв заряду, що встановлюється за спаданням кривої релаксації фотоструму.

Необхідно відмітити, що спостережені особливості ВАХ I_d(U) та I_f(U) для плівок з високим вмістом оксидних фаз збереглися і за умов, що не передбачають термічний розігрів плівок при проведенні вимірів безпосередньо у рідкому нітрогені. Для зразків з низьким вмістом оксидних фаз у цьому випадку ВАХ I_d(U) та I_f(U) були лінійними у всьому інтервалі підведених напруг (до 100 В).

Спостережені особливості ВАХ I_d(U) та I_f(U) для плівок з низьким вмістом окисника, як наведено в §5.1, можуть бути пояснені моделлю, яка враховує джоулеве розігрівання плівок при протіканні струму. У цьому випадку початок області НДП спостерігається в діапазоні температур, у якому додаткове джоулеве розігрівання призводить до температурного гасіння фотопровідності.

У випадку зразків з високим вмістом оксидних фаз найбільш імовірною причиною вищенаведеної поведінки ВАХ I_d(U) та I_f(U), на наш погляд, є тунелювання електронів крізь міжкристалітні бар'єри. При перевищенні тунельним струмом омічного діркового ВАХ I_d(U) переходить на понадлінійну частку, а на кривий I_f(U), через зростання темпу рекомбінації, з'являється відрізок НДП. Теоретичні розрахунки, зроблені у §4.6.2 з урахуванням цього, показали гарну відповідність до експериментальних даних.

П'ятий розділ присвячений дослідженню особливостей режимів роботи неохолоджених фотоприймальних пристроїв на основі плівок Свинець сульфіду. Необхідність такого дослідження викликана тим, що, як наведено в попередньому розділі, в плівках Свинець сульфіду (і, внаслідок цього, у фотоприймальних пристроях на їх основі) спостерігається зменшення сигналу внаслідок ефекту термопольового гасіння фотоструму. Цей ефект спостерігається при зростанні температури плівки, що може відбуватися під час роботи неохолоджуваної багатоелементної фотоприймальної матриці за рахунок виділення ленц-джоулева тепла. Таким чином, тепловий режим роботи вузькозонних фотоприймальних пристроїв з оптимальними характеристиками має обмеження, які потребують аналізу та кількісної оцінки.

В §5.1 такий аналіз проведено для фотоприймального пристрою на основі плівки Свинець сульфіду, отриманої методом пульверизації розчину. Показано, що при визначених умовах протікання струму у фоточутливих шарах такого пристрою призводить до виділення ленц-джоулева тепла, що може викликати додаткове розігрівання плівки, що призводить до гасіння фотоструму. Проведені розрахунки дозволили виявити режими і умови, при яких датчик працює з максимальною фоточутливістю. Крім того, ці розрахунки дали можливість прогнозувати параметри фоторезисторів на етапі їх виготовлення для роботи в заданому робочому режимі з оптимальною фоточутливістю.

В §5.2 проведено аналіз теплових режимів роботи для матричних модулів на основі халькогенидів свинцю в двох режимах роботи: у режимі постійного вмикання усіх фоторезистивних елементів і схем комутації, підсилення і зчитування сигналу та у режимі поелементного опитування, при якому схеми обробки інформації, які сформовані на кремнієвій підкладці, увімкнені постійно, а фоторезистивний елемент вмикається лише на час з'йому з нього інформації.

Показано, що в обох режимах в залежності від умов роботи реальних матричних приймачів фоточутливість матричних приймачів випромінювання може як підвищуватись, так і зменшуватись, що призводить до погіршення ефективності роботи таких структур.

В результаті теоретичних розрахунків отримано формули, які дозволяють для обох режимів виявити граничні умови, а також оцінити, яку кількість теплоти треба відділити для оптимальної роботи модуля.

В §5.3 обговорюється можливість застосування датчиків ІЧ-випромінювання в радіаційній екології.

Висновки

Для формування на поверхні кремнієвий підкладки зі схемами комутації фоточутливого шару Свинець сульфіду застосовано метод хімічного осадження, який використовувався в два етапи, що відрізнялись різним вмістом окисника в робочих розчинах.

На основі методу пульверизації запропонований метод нанесення фоточутливих плівок Свинець сульфіду на кремнієву підкладку, що дозволяє варіювати склад робочих розчинів в єдиному технологічному процесі.

Встановлено, що в плівках, виготовлених методом пульверизації, вміст оксидних фаз типу PbO, PbSO₄, PbO·PbSO₄, які визначають тип провідності цих плівок, у відсотковому співвідношенні не перевищує 5 %, і їх вміст не зростає при термічній обробці плівок на повітрі.

Показані можливі шляхи доведення розмірів кристалітів, що формують плівку, до оптимальних шляхом термічного випалювання плівок на повітрі. Запропоновано експрес-метод неруйнуючого контролю розмірів кристалітів у плівках з використанням кореляційної спектроскопії.

Експериментально встановлено, що тип провідності плівки Свинець сульфіду, виготовленої методом хімічного осадження, визначається концентрацією окисника в робочих розчинах. Встановлено, що якщо в процесі експлуатації структури підшар n-типу провідності і фоточутливий шар р-типу провідності, нанести на кремнієву підкладку один на другий, то відбувається зміна типу провідності підшару.

Встановлено, що вид температурних залежностей темнового струму і фотоструму в плівках Свинець сульфіду з різним потенційним рельєфом зон, визначається температурними залежностями часу життя та рухливості основних носіїв струму. Їхні же температурні залежності, в свою чергу, обумовлені присутністю рекомбінаційних та дрейфових бар'єрів, висоти яких неоднакові. Показано, що в плівках, у яких потенційний рельєф зон слабо виявлений (плівки з n-типом провідності) висоти дрейфових бар'єрів із зростанням температури підвищуються.

Показано, що відрізок негативної диференційної провідності ВАХ фотоструму і понадлінійна залежність ВАХ темнового струму в плівках із різним потенційним рельєфом зон обумовлені різними причинами. В плівках із слабко виявленим потенційним рельєфом зон особливості ВАХ пов'язані із виділенням ленц-джоулева тепла в умовах температурного гасіння фотоструму. В плівках із яскраво виявленим потенційним рельєфом зон ці особливості викликані тунельними процесами в міжкристалітних прошарках. Причому тунелювання крізь міжкристалітні бар'єри відбувається не тільки для дірок, як було в раніше запропонованих моделях, але і для електронів.

Встановлено, що в плівках із яскраво виявленим потенційним рельєфом зон (плівки з p-типом провідності), крім надбар'єрної існує і тунельна рекомбінація носіїв заряду. Тунельна рекомбінація відповідає за відрізок негативної диференційної провідності на ВАХ фотоструму.

Розроблено ІЧ-датчик на основі плівки Свинець сульфіду, яка виготовлена методом пульверизації і описана можливість його використання в радіаційній екології. Встановлені теплові режими роботи і зміни фотоелектричних характеристик таких датчиків внаслідок ленц-джоулева розігрівання під час їхньої експлуатації без охолодження. При цьому виявлені оптимальні режими роботи, для яких не спостерігається термопольове гасіння фотоструму, що призводить до втрати фоточутливості датчика.

Проведено аналіз двох теплових режимів роботи фотоприймальної матриці в залежності від методу опитування її 256 елементів (режимі постійного включення всіх фоторезистивних елементів та схем комутації, підсилення та зчитування сигналу, і режимі поелементного введення, при якому схеми обробки інформації, сформовані на кремнієвій підкладці, увімкнені постійно, а фоторезистивний елемент вмикається лише під час зчитування з нього інформації). Дані рекомендації щодо вибору оптимальних умов роботи неохолоджуваного матричного модуля із халькогениду свинцю, виготовленого за монолітною технологією на кремнієвій підкладці. Запропонована модель дозволяє встановити оптимальні та граничні умови роботи реальних матричних структур на основі Свинець сульфіду, а також встановити, яку кількість теплоти треба відвести для оптимальної роботи модуля.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

Алешин А.Н., Бурлак А.В., Игнатов А.В., Пастернак В.А., Тюрин А.В. Вольт-амперные характеристики пленок сульфида свинца с различным содержанием оксидных фаз // Неорганические материалы. -1995. -Т.31. №31. - С.426-427.

Алешин А.Н., Бурлак А.В., Мандель В.Е., Пастернак В.А., Тюрин А.В., Цукерман В.Г. Фоточувствительные слои сульфида свинца, полученные методом пульверизации // Неорганические материалы. -1999.-Т.35. -№4. -С. 1-4.

А.Н. Алешин, А.В. Бурлак, В.Е. Мандель, В.А. Пастернак, А.В. Тюрин, В.Г. Цукерман "Особенности работы неохлаждаемых матричных фоточувствительных модулей на основе халькогенидов свинца". // "Оптический журнал", 1999, т.66, №7, С. 86-89.

А.Н. Алешин, А.В. Бурлак, В.Е. Мандель, В.А. Пастернак, А.В. Тюрин, В.Г. Цукерман "Фотоэлектрические свойства слоев сульфида свинца, полученных методами химического осаждения и пульверизации". // "Фотоэлектроника", 1999, вып.8, С. 111-114.

А.Н. Алешин, А.В. Бурлак, В.Е. Мандель, В.А. Пастернак, А.В. Тюрин, В.Г. Цукерман "Оптимизация фоточувствительности неохлаждаемых матричных фотоприемных устройств на основе халькогенидов свинца выбором теплового режима их работы". // "Фотоэлектроника", 1999, вып.8, С. 115-118.

Alyoshin A.N., Tyurin A.V., Burlak A.V., Ignatov A.V., Pasternak V.A. PbS-based Optical Sensor Properties as a Function of Oxidant Concentration // Technical Digest of "The Fifth International Meeting on Chemical Sensors". - Rome, Italy: University "Tor Vergata".- 1994. v.2. - Р.1005-1008.

Alyoshin A.N., Byrlak A.V., Pasternak V.A., Tyurin A.V. Photoelectric Peculiarities and Theoretical Analysis of Thin Semiconductor PbS Films Properties Prepared by New Spray Method // SPIE Proceedings.- Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics. -426 p., ISBN: 0-8194-2609-1.- 1997. - v.3182. - Р. 245-249.

Алешин А.Н. Датчик для измерений уровня фонового инфракрасного излучения в радиационной экологии // Материалы международной научно-практической конференции "Экология городов и рекреационных зон", Одесский центр научно-технической информации. - Одесса. - 1998. - С.208-212.

Алешин А.Н. О возможном применении датчика инфракрасного излучения в роботах-манипуляторах, работающих в сложной радиационной обстановке // Материалы международной научно-практической конференции "Вода и здоровье - 98". - Одесский центр научно-технической информации. - Одесса. - 1998. - С.270-273.

Алешин А.Н., Бурлак А.В., Игнатов А.В., Зотов В.В., Тюрин А.В., Цукерман В.Г. Изотермическая релаксация темнового тока в пленках сульфида свинца // Материалы IV-й Международной конференции "Физика и технология тонких пленок". - Часть II. - Ивано-Франковск. - 1993. - С.269.

Алешин А.Н., Бурлак А.В., Кучерюк О.Д., Пастернак В.А., Тюрин А.В. Механизм полевого гашения фототока в поликристаллических пленках сульфида свинца // Материалы V-й Международной конференции "Физика и технология тонких пленок". - II часть. - Ивано-Франковск. - 1995. - С.203.

Информационный листок о научно-техническом достижении, №.167-96, РГАСНТИ 50.09.37. Одесса, 1996 г. Датчик инфракрасного излучения на основе сульфида свинца // А.Н. Алешин, А.В. Бурлак, В.Е. Мандель, В.А. Пастернак, А.В. Тюрин.

Alyoshin A.N., Tyurin A.V., Byrlak A.V., Pasternak V.A. Photoelectric Peculiarities and Theoretical Analysis of Thin Semiconductor PdS Films Properties Prepared by New Spray Method // Abstracts of The Third International Conference "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics". - Uzhgorod. - Ukraine. - 1996. - P.74.

Алешин А.Н., Бурлак А.В., Кучеренко Б.И., Мандель В.Е., Пастернак В.А., Тюрин А.В. Малоинерционные ИК - фотоприемники на основе поликристаллических слоев сульфида свинца // Тезисы докладов 11-й Научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений. - Москва. - 1996. - С.10.

Размещено на Allbest.ru

...