Явища генерації і переносу в неідеальних гетероструктурах і створення на їх основі сенсорів зображень нового типу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ І.І. МЕЧНИКОВА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

ЯВИЩА ГЕНЕРАЦІЇ І ПЕРЕНОСУ В НЕІДЕАЛЬНИХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ І СТВОРЕННЯ НА ЇХ ОСНОВІ СЕНСОРІВ ЗОБРАЖЕНЬ НОВОГО ТИПУ

01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків

БОРЩАК Віталій Анатолійович

Одеса-2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному університеті імені І. І. Мечникова

Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України і в Навчально-науково-виробничому центрі при ОНУ імені І. І. Мечникова.

Науковий консультант - доктор фізико-математичних наук, професор Сминтина Валентин Андрійович, Одеський національний університет імені І. І. Мечникова, завідувач кафедри експериментальної фізики.

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України доктор фізико-математичних наук, професор Литовченко Володимир Григорович, Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова, завідувач відділенням фізики поверхні та мікроелектроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор Птащенко Олександр Олександрович, Одеський національний університет імені І.І. Мечникова, завідуючий кафедрою твердого тіла та фізичної електроніки

доктор технічних наук, професор Мокрицький Вадим Анатолійович, Одеський національний політехнічний університет, профессор кафедри інформаційних технологій проектування в електроніці та телекомунікаціях

Захист відбудеться «__» _____ 2011 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.051.01 при Одеському національному університеті імені І. І. Мечникова за адресою: 65082, м. Одеса, вул. Дворянська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеського національного університету імені І. І. Мечникова за адресою: 65082, м. Одеса, вул. Преображенська, 24.

Автореферат розісланий « __ » вересня 2011 р.

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

АНОТАЦІЇ

Борщак В.А. Явища генерації і переносу в неідеальних гетероструктурах і створення на їх основі сенсорів зображень нового типу.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10.- фізика напівпровідників і діелектриків.- Одеський національний університет імені І.І.Мечникова.- Одеса, 2011.

В дисертації вирішена проблема розробки теорії збудження і переносу нерівноважних носіїв струму в істотно неоднорідних структурах - неідеальних гетеропереходах. На основі таких структур розроблено і створено ефективні сенсори оптичного і рентгенівського зображення нового типу. Створена теорія неідеального гетеропереходу, яка пояснює особливості його провідності в бар'єрній області з позицій тунельно-стрибкового переносу по локалізованих станах зі змінною довжиною стрибка. Розроблені теоретичні основи роботи перетворювача сигналів оптичного й рентгенівського зображення принципово нового типу з гетеропереходом CdS-Cu₂S. Розроблено й виготовлений принципово новий тип перетворювача сигналів оптичного зображення із внутрішнім посиленням. Такий сенсор має ефект довгострокової пам'яті і накопичення сигналу (до 24 годин), що істотно відрізняє його від відомих сенсорів зображення. Чутливість отриманих зразків в оптичній області досягає 10^-6 лкс. Встановлено, що сенсор на базі неідеальної гетероструктури CdS-Cu₂S чутливий до рентгенівського випромінювання і може фіксувати, запам'ятовувати і зберігати рентгенівське зображення.

Ключові слова: гетероперехід, тунельно-стрибкова провідність, фотоперетворювач, сенсор оптичного зображення, сенсор рентгенівського зображення

Борщак В.А. Явления генерации и переноса в неидеальных гетероструктурах и создание на их основе сенсоров изображений нового типа.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 .- физика полупроводников и диэлектриков6ен.- Одесский национальный университет имени И. И. Мечникова .- Одесса, 2011.

В диссертации решена проблема разработки теории возбуждения и переноса неравновесных носителей тока в существенно неоднородных структурах - неидеальных гетеропереходах. На основе таких структур разработаны и созданы эффективные сенсоры оптического и рентгеновского изображения нового типа. Создана теория неидеального гетероперехода которая объясняет особенности его проводимости в барьерной области с позиций туннельно-прыжкового переноса по локализованных состояниях с переменной длиной прыжка. Разработаны теоретические основы работы формирователя сигналов оптического и рентгеновского изображения принципиально нового типа с гетеропереходом CdS-Cu₂S. Разработан и изготовлен принципиально новый тип формирователя сигналов оптического изображения с внутренним усилением. Такой сенсор имеет эффект долговременной памяти и накопления сигнала (до 24 часов), что существенно отличает его от известных сенсоров изображения. Чувствительность полученных образцов в оптической области составляет не менее 10^-6 лкс. Установлено, что сенсор на базе неидеальной гетероструктуры CdS-Cu₂S чувствителен к рентгеновскому излучению и может фиксировать, запоминать и хранить рентгеновское изображение.

Ключевые слова: гетеропереход, туннельно-прыжковая проводимость, фотопреобразователи, сенсор оптического изображения, сенсор рентгеновского изображения.

Borshchak V.A. Phenomena of generation and transport in nonideal heterostructures and creation on their basis the new type image sensors.- Manuscript.

The dissertation on a scientific degree of the doctor of physical and mathematical sciences on a speciality 01.04.10. - physics of semiconductors and dielectrics - the Odessa I.I. Mechnikov national university.-Odessa, 2011.

In the dissertation the problem of development of the excitation and transport of nonequilibrium current carriers in essentially non-uniform structures - nonideal heterojunctions theory has been solved. On the basis of such structures the effective optical and X-ray new type image sensors are developed and created. The theory of nonideal heterojunction is created which explains feature of its conductivity in barrier region from positions of tunnel-jumping transport on the located states with variable jump length. Theoretical foundations the optical and X-ray essentially new type image signal shaper on the bases of heterojunction CdS-Cu₂S work are developed. Essentially new type the optical image with internal amplification signal shaper has been developed and made. Such sensor has the effect signal long-term memory and accumulation (till 24 h.) that essentially distinguishes it from known image sensors. Sensitivity of the obtained samples in optical region makes not less than 10^-6 lux. It is established, that the sensor on the basis of nonideal heterostructure CdS-Cu₂S is sensitive to X-ray radiation and can fix, remember and store the X-ray image.

Key words: heterojunction, tunnel-jumping conductivity, photoconverters, optical image sensor, X -ray image sensor

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Застосування напівпровідникових елементів для створення різного роду датчиків електромагнітного випромінювання (у тому числі сенсорів оптичного, ультрафіолетового й рентгенівського зображення), а також пристроїв для прямого перетворення сонячної енергії в електричну є однієї з найбільш перспективних областей, фізики, техніки та енергетики яка швидко розвивається . Незважаючи на те, що ця область порівняно молода тут уже пройдені найважливіші етапи розвитку. Розроблені фізичні основи теорії фотогальванічного генератора, виділений ряд найбільш перспективних напівпровідникових матеріалів, розроблена промислова технологія й інженерна база створення датчиків зображення і фотоелектричних перетворювачів. Є також багаторічний досвід промислової експлуатації фотоелектричних енергетичних установок у космосі й на Землі.

Широко застосовуються для створення самих різних напівпровідникових приладів (у тому числі й фотоелектричних) структури, що містять гетеропереходи. Особливо швидко розвивається останнім часом вивчення можливості застосування наноструктур для створення фотодатчиків різного призначення.

У зв'язку з увагою, яка в даний час приділяється питанням екології і пошукам альтернативних джерел електроенергії дослідженням в галузі сонячної енергетики продається пріоритетне значення. Однак, незважаючи на всі зусилля сонячна електроенергія набагато дорожче електроенергії, одержаної від теплових, гідро- і атомних електростанцій.

Існує кілька перспективних шляхів зниження вартості, по яких здійснюються інтенсивні дослідження і розробки. До таких шляхів варто віднести здешевлення технології кремнієвих монокристалічних елементів, використання концентрованих потоків сонячного випромінювання в сполученні з високоефективними фотоелектричними перетворювачами (ФЕП) на основі арсеніду галію а також використання полікристалічних і аморфних напівпровідникових плівок для створення ФЕП.

Зупиняючись на останній з наведених можливостей необхідно відзначити, що використання нетрадиційних полікристалічних (CdS, CdTe, Cu₂S, CuInSe₂) і аморфних (бSi:H) матеріалів вимагає розвитку таких же нетрадиційних підходів до фізики роботи фотовольтаічних елементів на основі цих матеріалів. Разом з тим, незвичайність, некласичність з одного боку, і перспективність, з другого боку, цих систем стимулювали подальші розробки. Одного часу дуже широку популярність одержала гетеропара CdS-Cu₂S. Особливий інтерес представляє заміна шару сульфіду міді на сполуку CuInSe₂. Цей напівпровідник р-типу із шириною забороненої зони порядку одного електронвольта має значно більшу стабільність чим сульфід міді.

Таким чином, інтерес до розробки тонкоплівкових фотоелементів на основі неідеального гетеропереходу CdS-Cu₂S довгий час був високий. Однак слід зазначити, що останнім часом увага дослідників приділяється тонкоплівковим фотоелементи на основі аморфного кремнію. Високий коефіцієнт корисної дії ФЕП на основі бSi:H поєднуєься з безпрецедентним розвитком бази їх промислового виробництва.

Таким чином, розвиток робіт по переходу CdS-Cu₂S (і його аналогам) проходив в гострій конкурентній боротьбі з іншими системами фотоперетворювачів. Це вплинуло на пріоритет прикладних досліджень. Разом з тим, варто особливо підкреслити, що такий гетероперехід є винятково зручним модельним об'єктом. Йому притаманні і можуть бути всебічно досліджені багато цікавих ефектів і властивостей, характерних для будь-яких неідеальних гетеропереходів. Такі переходи напівпровідників з незбіжними постійними кристалічних ґраток привертають увагу багатьох дослідників у зв'язку з перспективами їх застосування в різних областях напівпровідникової електроніки.

У той же час, фізика процесів, які протікають у неідеальних гетеропереходах, розроблена явно недостатньо, що гальмує розробку приладів на основі таких систем.

Особливості цих структурах, пов'язані з такою характерною їх рисою як наявність високої щільності станів на границі розподілу (через невідповідність постійних кристалічних ґраток матеріалів, що складають гетеропару) і в бар'єрній області.

Проведені дослідження показали можливість створення на основі неідеальної гетероструктури ефективного високочутливого датчика зображення у видимій області спектра. Встановлено, що такі структури можуть також бути використаний як сенсор рентгенівських зображень, що могло б мати широке застосування в багатьох галузях науки й техніки, особливо там, де незручно або неможливо використовувати рентгенівську плівку, наприклад, як датчик для комп'ютерного томографа.

Особливістю такого приладу є достатньо довгий час накопичення та зберігання записаної оптичної інформації навіть при кімнатній температурі, а також можливість неруйнуючого читання. Тому дослідження електронних процесів, що приводять до накопичення та видалення записаної оптичної інформації, представляється дуже важливим.

Таким чином, актуальність даного дослідження визначається необхідністю розвитку єдиного, фундаментального підходу до аналізу електрофізичних властивостей неідеальних гетеропереходів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі експериментальної фізики Одеського національного університету (ОНУ) імені І. І. Мечникова і в науково-дослідній лабораторії №3 Міжвідомчого науково-навчального фізико-технічного центру при Одеськім національним університеті імені І. І. Мечникова.

Робота є складовою частиною комплексних досліджень, які проводилися в рамках науково-дослідних держбюджетних і госпдоговірних тем:

“Дослідження электрофизических властивостей бар'єрних структур на основі напівпровідникових матеріалів з істотним порушенням далекого порядку з метою створення чутливих оптичних і рентгенівських сенсорів зображення із внутрішнім посиленням” (2000-2002 рр., номер госрегистрації 0100U02865).

«Удосконалення фотоелектричних характеристик сенсора на базі неідеального гетеропереходу». (2011-2012 рр., номер державної реєстрації: 0111U001385).

«Розробка методики реєстрації рухомих об'єктів за допомогою сенсора з внутрішнім підсиленням на основі неідеального гетеропереходу» (2009-2010 рр. номер державної реєстрації: 0109U000903).

«Сворення моделі фотоелектричних процесів в гетероструктурах для розробки оптично- та рентгеночутливих елементів пам'яті» (2006-2008 рр. номер державної реєстрації: 0106U001924).

«Дослідження процесів збудження та переносу в неідеальних гетероструктурах» (2003-2005 рр., номер державної реєстрації: 0107U001797).

«Исследование электронных и ионных процессов на границах раздела и в объеме полупроводниковых барьерных структур с целью создания эффективных оптических приборов народно-хозяйственного назначения» (1997-1999 рр., номер державної реєстрації: 0197V008989).

Мета й задачі дослідження. Мета досліджень: на базі комплексних досліджень розробити теорію збудження і переносу нерівноважних носіїв струму в істотно неоднорідних структурах - неідеальних гетеропереходах, на їх основі розробити і створити ефективні сенсори оптичного і рентгенівського зображення нового типу.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені й вирішені наступні завдання:

1. Експериментальними дослідженнями встановити природу і характер особливостей провідності ОПЗ неідеального гетеропереходу.

2. Розробити модель туннельно-стрибкового переносу по локальних центрах в ОПЗ гетеропереходу, тобто в області з безперервно змінюючимся у просторі потенціалом.

3. Розрахувати характерну щільність і морфології дефектів на межі розподілу та в області просторового заряду неідеального гетеропереходу.

4. Створити модель рекомбінації носіїв, що рухаються по локалізованих станах на рекомбінаційних центрах гетеромежі.

5. Встановити природу особливостей фоточутливості гетеропереходу CdS-Cu₂S, пов'язаних з наявністю глибоких центрів в області просторового заряду і їх перезарядженням в умовах фотозбудження.

6. В результаті комплексного експерименту створити дослідний зразок сенсора оптичного й рентгенівського зображень і установку для читання і візуалізації записаної інформації.

Об'єкт дослідження - процеси збудження і переносу нерівноважних носіїв струму в неідеальних гетеропереходах.

Предмет дослідження - гетероструктури на основі матеріалів з істотним порушенням далекого порядку і сенсори оптичного та рентгенівського зображення на основі таких структур.

Методи дослідження - Методологічною основою дисертаційної роботи є системний підхід, який щодо вирішення поставлених задач ґрунтується на використанні основ теорії тунельно-стрибкової провідності зі змінною довжиною стрибка розробленою Моттом і Девісом. Така теорія була застосована для суттєво неоднорідних структур. Для створення базового слою сенсорів оптичного та рентгенівського зображення на основі неідеального гетеропереходу CdS-Cu₂S використовувалась апробована методика електрогідродинамичного розпилення рідини. Шар сульфіду міді створювався за допомогою відомої реакції заміщення (сухим методом). Верифікація товщини отриманого слою сульфіду міді проводилась з використанням відомого методу електрохімічного травлення. Для проведення дослідження фотоелектричних властивостей отриманого гетеропереходу використовувалися лише прилади, що пройшли метрологічну повірку. Для чисельних розрахунків використовувались програми написані з ви користуванням пакетів MathCad, Maple, Mathlab. Для обробки отриманих зображень використовувались мови програмування С++ та Assembler.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Вперше розроблена, запропонована та апробована модель неідеального гетеропереходу, що базується на врахуванні порушень трансляційної симетрії кристалічної гратки в межах ОПЗ. Розроблена модель вперше дозволила з єдиних позицій розглянути комплекс традиційних і аномальних фотоелектричних явищ у неідеальних гетеропереходах.

2. Вперше встановлено, що навіть малі рівні фотозбудження призводять до значного накопичення нерівноважних носіїв на локальних рівнях поблизу гетеромежі. Це обумовлює значні зміни ходу потенціального бар'єра і напруженості електричного поля біля межі розподілу. Показано, що таке явище обумовлене зменшенням різниці енергії між рівнем Фермі і пастковими центрами поблизу гетеромежі.

3. Вперше показано, що кінетика заряду, захопленого на глибокі центри в приконтактній області асиметричних неідеальних гетеропереходів визначає характер релаксації фотоструму, генерованого в таких структурах (наявність двох ділянок - швидкої й повільної релаксації). Встановлено, що на процес релаксації фотоструму насамперед впливає зміна форми потенціального бар'єра поблизу гетеромежі при зміні профілю концентрації заряду, захопленого в ОПЗ.

4. Вперше створена теорія неідеального гетеропереходу яка пояснює спостережувані експериментально особливості його провідності в бар'єрній області з позицій тунельно-стрибкового переносу по локалізованих станах зі змінною довжиною стрибка. Розроблено нову модель рекомбінації носіїв, що рухаються по локалізованих станах на центрах гетеромежі. Розроблено новий оригінальний метод визначення тунельно-стрибкової провідності бар'єрної області гетеропереходу, що полягає в рішенні задачі одночасного визначення ходу рівня Фермі в цій області і її провідності.

5. Вперше показано, що форма ВАХ обумовлена зміною траєкторії перетинання рівнем Фермі області просторового заряду при різних напругах, а також перерозподілом падінь напруг на ОПЗ і на гетеромежі.

6. Розроблено новий метод кількісного описання змін форми тунельно-рекомбінаційних ВАХ при фотозбудженні гетеропереходу.

7. Вперше розроблені теоретичні основи роботи перетворювача сигналів оптичного й рентгенівського зображення принципово нового типу з гетеропереходом CdS-Cu₂S. Показана можливість застосування сенсора на основі неідеального гетеропереходу для реєстрації зображень, отриманих у рентгенівському діапазоні хвиль, встановлені фактори, що визначають динамічний діапазон сенсора, встановлений вплив зовнішнього зсуву на процеси накопичення і зберігання інформації.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Розроблена та запропоновано модель, що дозволяє якісно й кількісно описувати комплекс фотоелектричних явищ у неідеальних гетеропереходах з неузгодженістю ґраток (> 1% - високий коефіцієнт не ідеальності), а саме малий опір гетеропереходу при нульовому зсуві, близька до лінійної залежність провідності гетеропереходу від ширини ОПЗ, незвичайна температурна й частотна залежність дійсної компоненти провідності.

2. Розроблено метод оптимізації параметрів батареї фотоелементів, включених послідовно. Метод дозволяє визначити оптимальну кількість елементів у батареї з фіксованою площею й мінімальною освітленістю, при яких досягається задана потужність.

Такий метод є універсальним і може успішно застосовуватися при розробці батарей з будь-яких, у тому числі і кремнієвих фотоелементів.

3. Розроблений і виготовлений принципово новий тип перетворювача сигналів оптичного зображення із внутрішнім посиленням на основі гетеропереходу CdS-Cu₂S. Такий сенсор має також ефект довгострокової пам'яті і накопичення сигналу (до 24 годин), що істотно відрізняє його від відомих сенсорів зображення. Чутливість отриманих зразків в оптичній області становить не гірше 10^-6 лкс. Висока чутливість і здатність до накопичення сигналу в сполученні з легкістю одержання перетворювача великої площі дозволить застосовувати його як сенсор зображення на великих телескопах.

4. Встановлено, що сенсор на базі неідеальної гетероструктури CdS-Cu₂S чутливий до рентгенівського випромінювання і може фіксувати, запам'ятовувати і зберігати рентгенівське зображення. Встановлено, що сенсор має лінійну залежність сигналу від дози падаючого рентгенівського випромінювання. Такий сенсор може з успіхом застосовуватися замість фотоматеріалів в області медицини при рентгенографічних дослідженнях.

5. Розроблено та виготовлено установку для запису, читання й візуалізації зображень, отриманих за допомогою сенсора на основі неідеального гетеропереходу. Така установка дозволяє проводити подальші дослідження з метою вдосконалювання одержуваних сенсорів, насамперед зменшення їх неоднорідності і підвищення стабільності, а також у сполученні з розробленим сенсором може служити прототипом для датчика зображень, який може застосовуватись в області медицини або при астрономічних дослідженнях.

6. Створена універсальна програма, що дозволяє керувати процесом сканування сенсора зображення та проводити обробку отриманих даних з наступним виведенням зображення на монітор комп'ютера, а також перетворення файлу з відеоінформацією в будь-який формат, доступний стандартним програмам, що працюють із зображеннями.

7. Показано, що величина зовнішнього зсуву впливає на процеси накопичення і зберігання інформації в перетворювачі на основі гетеропереходу CdS-Сu₂S. Встановлено, що для перетворювачів, оптимальними умовами для накопичення і зберігання оптичної інформації є подача невеликого, (приблизно -0.4 В), негативного зовнішнього зсуву.

Особистий внесок здобувача. Автор особисто одержав нові наукові результати досліджень, викладених в дисертації. Дисертант самостійно розробив методику проведення експериментальних і теоретичних досліджень та провів такі дослідження структури та властивостей приконтактних областей неідеальних бар'єрних структур [35], процесів збудження і струмопереносу в неідеальних гетеропереходах [5,9,20,24,32], впливу освітлення на параметри бар'єру [11]. Автор створив алгоритм розрахунку вольт-амперних характеристик таких структур і напруги холостого ходу що генерується в них [60]. На основі створених алгоритмів здобувач написав і реалізував програму таких розрахунків [27,38]. Порівняння розрахункових даних з експериментально отриманими переконливо підтвердили правильність створеної здобувачем моделі провідності неідеальних гетероструктур як в темряві, так і при освітленні [25,26,59]. Здобувачом було проведено також ряд досліджень прикладного характеру [1,6,14,22,28,42-43]. Фотоелектричні характеристики сенсорів оптичного й рентгенівського зображення, отриманих на основі неідеальних гетеропереходів[2,4,7,8,10,12,17,18,21,23,29-31,33,34,36,37,39-41,44,46-58] та процеси релаксації в таких структурах [3,13,15,16,19,45] здобувач досліджував особисто, чи разом з науковим співробітником Балабаном А.П. Результати роботи доповідалися особисто автором на численних наукових семінарах і конференціях. Аналіз отриманих експериментальних результатів а також розробка механізму струмопереносу в неідеальних гетеропереходах проводилися при участі наукового консультанта Сминтини В.А. Автором у всіх роботах сумісно із співавторами проведено постановку задачі, аналіз виявлених закономірностей та інтерпретацію експериментальних результатів, проведено підготовку робіт до друку.

Апробація результатів.

Основні результати, отримані в дисертації, доповідалися й обговорювалися на: II Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ашхабад, 1991), ICSFS-6 (Paris, France,1992), IV Международная конференция по физике и технологии тонких пленок (Ивано-Франковск, 1993), ICO-16 Satellite Conf. on Active and Adaptive Optics (Garching/Munich, Germany,1993), Third Int. Symp. on Measurmentes and Control in Robotics (Torino, Italy, 1993), Horisons de l'Optique (Palaiseau, France, 1995), IS&T/SRIE Symposium on Electronic Imaging: Science & Technology (San Jose, California, USA, 1995), 15th European Conference on Surface (Lille, France, 1995), IVth NEXUSPAN Workshop on Sensors for Control of Irradiation (Odessa, Ukraine, 1997), EUROSENSORS XI, conf (Warsaw, Poland, 1997), Перспектива ХХ1, Региональная научно техническая выставка ВУЗов г.Одессы, (Одесса, 1997), Sensor Spring time in Odessa (Одесса, 1999), SPIE Internacional Simposium on Environmental and Industrial (Boston, USA, 2001), УНКФН-1 (Одеса, 2002), IX-ой Международная конференция по физике и технологии тонких пленок (Ивано-Франковск, 2003), Датчик-2003 (Судак, 2003), EUROSENSORS XVIII Conf. (Rome, Italy, 2004), SEMST-1 (Одесса, 2004), EUROSENSORS XIX Conf. (Barcelona, Spain, 2005), Всеукраїнський з'їзд «Фізика в Україні» (Одеса, 2005), SEMST-2 (Одесса, 2006), EUROSENSORS XX Conf. (Geteborg, Sweden, 2006), УНКФН-3 (Одеса, 2007), СЕМСТ-3 (Одеса, 2008), First Mediterranean Photonics Conference (Ischia-Naples, Italy, 2008), EUROSENSORS XXII Conf.- (Dresden, Germany, 2008), SEMST-4 (Одесса, 2010), Symposium on Physics and Chemistry of Nanostructures and on Nanobiotechnology (Beregove, Crimea, Ukraine, 2010), III Международная научная конференция «Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроники (Кацивели, Крым, Украина, 2010), Луцк.

Публикації. Результати дисертації опубліковано у 60 наукових працях, у тому числі 29 статтях (всі - у фахових виданнях) і 31 матеріалах і тезах міжнародних і національних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація містить вступ, сім розділів, висновки, список використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 261 сторінки тексту, в тому числі 231 сторінок основної текстової частини, 113 рисунків, та 243 бібліографічних найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, що вирішується та теми дисертації. Вказано мету, задачі, об'єкт, предмет і методи дослідження, сформульовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, показаний зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наведені дані про апробацію роботи, публікації, особистий внесок здобувача, структуру й обсяг роботи.

У першому розділі показано, що одним зі шляхів розширення функціональних можливостей елементної бази інтегрально-оптичних пристроїв є застосування приладів на гетеропереходах. Проаналізовано проблему створення на їхній основі перетворювача оптичного зображення (а, можливо, і зображення, отриманого в інших діапазонах електромагнітного випромінювання) в електричний сигнал, тобто сенсора зображень.

Проведено аналіз існуючих тенденцій розвитку датчиків оптичних і рентгенівських зображень. З розвитком комп'ютерної техніки й переходу до цифрових систем передачі, зберігання й відтворення зображень перехід до безвакуумних сенсорів зображення стає ще більш актуальним. Розробляються твердотільні матриці, що самоскануються, у яких сканування фотопровідної мішені й перетворення зарядового рельєфу у відеосигнал виробляється схемотехническими засобами. Сканування фотопровідної мішені, тобто почергове опитування осередків, і утворення відеосигналу виробляється в них не електронним променем, а електричним імпульсом, що рухається в напівпровідниковій підкладці складної будови - прилад із зарядовим зв'язком (ПЗЗ).

Пристрої формування зображення на ПЗЗ мають високу чутливість і роздільну здатність, великий динамічний діапазон (зміна освітленості на три порядки), відсутність високих напруг. Незважаючи на широке поширення ПЗЗ-фотоприймачів і вони мають недоліки - це неоднорідності чутливості по площі багатоелементного фотоприймача (плямистість зображення).

Якісно новою елементною базою для створення систем обробки інформації є використання нейристорних ліній. Їх можна застосовувати для реалізації сенсорів зображень, для комутації фотоприймачів.

Нейрокон є різновидом твердотільного перетворювача зображення, у якому використовується поширення низкоомної області (нейристорного імпульсу) уздовж рядка. Він представляє замкнуту нейристорну лінію, у якій як накопичувач інформативного заряду застосовується ємність фоточутливого шару. Нейристорна лінія являє собою ланцюжок активних елементів, що мають при пропускних напругах S- образні ВАХ і мають базову область у напрямку поширення сигналу, загальну для всіх елементів.

Технологія виготовлення нейроконов не є настільки критичною до якості елементів, як для ПЗЗ-фотоприймачів. При досить сильному зв'язку між окремими елементами нейристорної лини нейристорний імпульс може "перескакувати" через дефектний осередок, тобто якість зображення виходить досить високим. Нейрокони задовольняють стандарту розкладання зображень телебачення. Гранична чутливість їх може становити тисячні частки люкса. Низький навантажувальний опір при високій роздільній здатності дає можливість досить легко погодити вихід нейрокона із входом відеопідсилювача в мікроелектронному виконанні.

Таким чином, у цей час удосконалювання систем, що передають зображення майже винятково пов'язане з розробкою різних безвакуумних сенсорів (на основі ПЗЗ-матриць, нейристорних ліній тощо). До таких пристроїв ставиться і сенсор зображень на основі неідеальних гетеропереходів.

Показано, що в порівнянні зі згаданими вище пристроями він має цілий ряд позитивних властивостей: можливість накопичення та зберігання інформації протягом тривалого часу при кімнатній температурі, ефект внутрішнього посилення, можливість багаторазового читання записаної інформації, висока чутливістю як в оптичному, так і в рентгенівському діапазонах одночасно. Такий сенсор легко виготовити з досить більшою площею, що істотно розширює його функціональні можливості.

При читанні записаної інформації можна використовувати всі можливі способи сканування - променем читаючого світла (як у вакуумних приладах), схемним шляхом (як у ПЗЗ-матрицях) або комбінованим способом, тобто смужкою читаючого світла зі схемним перемиканням чутливих рядків.

В другому розділі проведені експериментальні дослідження провідності неідеального гетеропереходу.

Рис. 1 ВАХ гетеропереходу СdS-Cu₂S при різних значеннях фотоємності, що відповідають різним рівням освітленості світлом з області власного поглинання СdS.

Детальне вивчення впливу параметрів області просторового заряду (ОПЗ) на провідність гетероструктури дуже важливо, тому що дозволяє уточнити механізм втрат у гетерофотоелементах. Особливо цікавим представляється дослідження залежності провідності бар'єрної області від її ширини у зв'язку із припущенням про тунельний характер струмопереноса.

Проаналізована можливість використання відомого ефекту впливу освітлення на ширину ОПЗ для визначення механізму її провідності. Для цього вимірювались залежності провідності зразка на постійному та змінному струмі від фотоємності (яка однозначно залежала від ширини області просторового заряду) у відсутності зсуву.

ВАХ гетеропереходу СdS-Cu₂S при освітленні його світлом з л < 620 нм представлені на рис. 1. Кривим, виміряним при різних рівнях освітлення, відповідають різні значення фотоємності гетеропереходу. Добре видно, що з ростом фотоємності й, отже, зменшенням ширини бар'єра провідність зразка суттєво зростає. Тому пояснити спостережувані зміни ВАХ без припущення про збільшення провідності бар'єра важко.

Досліджувалось також залежності провідності зразка на змінному струмі від фотоємності у відсутності зсуву. В останньому випадку вимірювання активної складової частини провідності виконувалося методом компенсації мостом змінного струму, яким також вимірювалась ємність переходу. Для кожного значення фотоємності, можна легко розрахувати ширину бар'єра й побудувати залежність провідності або опору бар'єра безпосередньо від його довжини (рис.2). Добре видно, що зі збільшенням ширини ОПЗ її опір як на постійному (крива 2), так і на змінному (крива 1) струмі зростає.



Рис. 2. Залежність опору гетеропереходу Сd-Cu₂S на постійному (крива 2) і змінному (крива 1) струмі.

При слабкому освітленні (малої фотоємності) вольтамперна характеристика має великий диференціальний опір, у відсутності зсуву струм зростає, залишаючись, однак, на змінному струмі істотно меншим стаціонарного значення, що досить характерно для тунельно-стрибкового механізму переносу. Наведені криві не є експонентами, а виявляють набагато більше слабку залежність, що наближається скоріше до лінійної, що також свідчить скоріше про багатоступінчастий механізм переносу, чим про пряме тунелювання.

Процесами, що протікають в ОПЗ, можна якісно пояснити різноманіття спостережуваних спектральних характеристик Сd-Cu₂S. Однак, строга кількісна інтерпретація і зв'язок з такими параметрами шару Cu₂S (де відбувається генерація) як дифузійна довжина, геометричні розміри для кожної конкретно спектральної залежності коефіцієнта поглинання виявляється досить складною. Проте, встановлено, що такий важливий параметр, як дифузійна довжина неосновних носіїв в Cu₂S, все-таки можна визначити, досліджуючи спектральні характеристики.

Графіки залежності провідності гетерофотоелемента Сd-Cu₂S на постійному і змінному струмі від величини прикладеного зсуву при різних рівнях освітленості наведені на рис.3. Хоча при зростанні інтенсивності освітлення провідність збільшується завжди, однак це зростання для великих і малих зсувів може бути обумовлене різними причинами. З рис.3 видно, що при досить великих зсувах провідність на постійному й змінному струмі відрізняється набагато менше, ніж при малих. Це може свідчити про те, що зі збільшенням зовнішньої постійної напруги в обмеженні струму істотну роль починає грати послідовний опір базового шару CdS, провідність якого обумовлена вільними носіями і не пов'язана з переносом заряду по локалізованих станах, а тому не залежить від частоти вимірюваного сигналу. Про це також свідчить насичення характеристик G=G(U) при близьких до значення величини бар'єра зсувах. При більших інтенсивностях збуджуючого світла перехід до омічної залежності струму від напруги відбувається при більш низьких зсувах. Ріст провідності при освітленні для більших напруг обумовлений збільшенням провідності базового шару CdS, а для малих - ростом провідності бар'єрної області за рахунок зменшення ширини ОПЗ. При відсутності зсуву різниця між провідністю на постійному й змінному струмі максимальна, тому що в цьому випадку струм, що протікає, визначається майже винятково бар'єром, провідність якого може бути обумовлена частотно-залежним механізмом переносу по локалізованих станах.

Таким чином, провідність при відносно невеликих зсувах залежить не тільки від висоти, але й від ширини бар'єра і може визначатися тунельно-рекомбінаційним механізмом переносу.

Провідність гетероструктури CdS-Cu₂S як на постійному, так і на змінному струмі сильно залежить від параметрів бар'єра, які можуть мінятися під дією освітлення. Така залежність може свідчити про перевагу тунельно-рекомбінаційних механізмів переносу. Це також підтверджується видом температурних і частотних залежностей провідності фотоелементів CdS-Cu₂S, характерним для такого механізму переносу.



Рис. 3. Залежність провідності на постійному (суцільні криві) і змінному (штрихові криві) струмі від величини позитивного зсуву при різних рівнях підсвічування (1 і 1а - 100 відн.од.; 2 і 2а - 20 відн.од.; 3 і 3 а - 2 відн.од.).

У третьому розділі для пояснення особливостей вольтамперних характеристик реальних гетеропереходів була використана модель тунельно-рекомбінаційного струмопереносу на основі теорії Мотта руху носіїв по локалізованих станах. Для омічного режиму стрибкової провідності, що реалізується уздовж рівня Фермі зі змінною довжиною стрибка, імовірність стрибка W складе

W=f²х_phехр(-2бR') (1)

Тут R' -- довжина найбільш імовірного стрибка, яка визначається зі співвідношення

(2)

де б(E_ct) - коефіцієнт, що характеризує ступінь локалізації станів, по яких здійснюється струмоперенос, N (E_F) - щільність станів на рівні Фермі (E_F - енергетична відстань від рівня Фермі до дна зони провідності), f²х_ph - передекспоненціальний множник, що визначає взаємозв'язок тунельного переходу електрона між локалізованими станами з фононами, гранична частота яких х_ph. В (2):

б(E_ct)=б₀h^-1(2m E_ct)^1/2 (3)

(4)

де ћ - постійна Планка, m* -- ефективна маса електрона, б₀, N₀, E₀, В₀ - константи, а енергетична відстань до дна з-зони E_ct виражається в координатах, прийнятих у даній роботі в такий спосіб: E_ct=ц₀+ДF₀-E, де ц₀ - висота бар'єра гетеропереходу, ДF₀ - енергетична глибина залягання рівня Фермі у квазінейтральній області. Величина постійної В₀ згідно різних джерел лежить в інтервалі 1.77--2.5. Мотт і Дэвис з геометричних міркувань одержали B₀=1.65. Це значення прийняте і в даній роботі.

Показано, що провідність, обумовлена носіями, що рухаються по локалізованих станах визначається не тільки власно провідністю ОПЗ, але й швидкістю їхньої рекомбінації на гетеромежі.

Беручи до уваги обмеження струму процесами туннельно-стрибкового струмопереносу в ОПЗ і рекомбінації на гетеромежі, ВАХ можна одержати з рішення системи рівнянь:

(5)

де

(6)

(7)

Тут U_у і G_у - падіння прикладеної до зразка напруги в ОПЗ і її провідність, U_r і G_r - падіння напруги на гетеромежі і її ефективна провідність, у_r і N_r - перетин захоплення центрів рекомбінації на гетеромежі і їх поверхнева концентрація, щ - ширина ОПЗ, U - напруга, прикладена до гетеропереходу. З виражень (5)-(7) слідує, що при рішенні ззадачі про струмопереніс уздовж рівня Фермі особливе значення має визначення його справжнього ходу в межах контактної області. У даній роботі враховується, що зміна енергії, яка відповідає рівню Фермі dF(х), з координатою х буде пропорційна опору в даній точці х або обернено пропорційна питомої провідності у(х). Сама функція F (х) пропорційна повному опору частини ОПЗ від 0 до х; або обернено пропорційна повній провідності G_у(х) тієї ж ділянки ОПЗ. Приймаючи F (0)=eU_r і, отже, F (щ)=eU, одержимо

(8)

Точний хід рівня Фермі в межах забороненої зони напівпровідника визначається виразом (8) і формою потенціального бар'єра ц(х)

(9)

Хід потенціального бар'єра ц(х) залежить тільки від поданого зсуву eU, а також від величини ДF₀ і виражається відомою квадратичною формулою

(10)

Використовуючи (8) і (10), з (9) одержимо вираження для E_F(x), необхідне для обчислення точного ходу рівня Фермі при розрахунку ВАХ по системі (5). Неважко бачити, що E_F(x), що входить під знаком інтеграла в (6), і G_у(х) самоузгоджені. Таким чином, для визначення G_у(щ) необхідно вирішити інтегральне рівняння (6), загальний вид якого

(11)

Відомо, що таке нелінійне інтегральне рівняння Вольтерра II роду має єдине рішення. Це рішення залежить від U_у і U_r як від параметрів, тому необхідно для заданої напруги U знайти таке значення при якому рішення рівняння (6) задовольняло б системі (5), що потребує багаторазового рішення (6) при різних U_у. Рішення інтегрального рівняння (6) проводилося методом простих ітерацій, причому в якості початкового наближення приймалася функція U_у(U=0), тому що при U=0 F(x)?0 і E_F(x)=ц(х). Такий вибір початкового наближення дозволив одержати швидке сходження при порівняно невеликому числі ітерацій.

У роботі розглянуто два типових випадки.

1. Швидкість рекомбінації на границі розподілу настільки велика, що струм, що протікає через гетероперехід, нею не обмежується (тобто в (5) N_rу_r ?). У цьому випадку U_r=0, U_у= U і струм визначається тільки процесами переносу в ОПЗ:

J = G_уU. (12)

Рішення такої задачі зводиться до визначення G_у з інтегрального рівняння (6) при заданих U. При рішенні приймалося Т=300 К, ц₀=1.0 еВ, ДF₀=0.1 еВ, v_ph=10¹² с^-1, f=1.5* 10^-3, N₀=10²¹ см^-3.еВ^-1.

На рис. 4а наведений розрахований для цього випадку хід рівня Фермі в бар'єрній області при різних зсувах. Вся прикладена до гетеропереходу напруга падає в межах ОПЗ, і рівень Фермі проходить там всю енергетичну відстань від 0 до еU, будучи істотно нелінійною функцією координати х. Розрахована вольтамперна характеристика для струму, обмеженого тільки областю просторового заряду, наведена на рис. 5 (крива 1). Для неї характерні високий коефіцієнт неідеальності (з=4.4), малий коефіцієнт випрямлення й малий диференціальний опір при U=0. Нелінійність ВАХ визначається зміною траєкторії перетинання рівнем Фермі забороненої зони напівпровідника в ОПЗ при різних напругах. Такі ВАХ часто спостерігаються експериментально в тонкоплівкових гетеропереходних структурах.

Рис. 4. Залежність функції ц(х) (суцільні криві) і ходу рівня Фермі (штрихпунктирні) від прикладеної до ГП напруги.

а - випадок необмеженої швидкості поверхневої рекомбінації; б - випадок обмеженої швидкості поверхневої рекомбінації.

2. Швидкість поверхневої рекомбінації обмежена, і цей процес також вносить обмеження в струм що протікає через гетероперехід. У цьому випадку U_r?0, U=U_у+U_r і струм визначається з рішення системи (5). Розрахований для кінцевої швидкості поверхневої рекомбінації

(N_r=2·10¹²см^-2, у_r= 10^-15 см²) хід рівня Фермі наведено на рис. 4, б. Видно, що при малих зсувах переважає падіння напруги біля межі розподілу, а зі зростанням U перерозподіл падінь напруг зміщується на користь ОПЗ (Uу). Як показують розрахунки, з ростом U_r зростання G_r майже експоненциально, що обумовлює зменшення впливу поверхневої рекомбінації на струм, що протікає, при великих зсувах.

Вольтамперна характеристика, що відповідає цьому випадку, наведена на рис. 5 (крива 2). Коефіцієнт випрямлення значно вище, і параметр неідеальності зменшується до 2.5.

Як видно з рис. 4, б, при негативних зсувах рівень Фермі проходить ближче до середини забороненої зони й перетинає локалізовані стани з меншою концентрацією й більшим ступенем локалізації. Зменшення в цих умовах імовірності тунельного переходу електронів між локалізованими станами і визначає малий зворотний струм гетеропереходу.

Рис. 5. Розрахункові ВАХ неідеального ГП для необмеженої (1) і обмеженої (2) швидкостей поверхневої рекомбінації

Криві, представлені на рис. 5, свідчать про те, що вольтамперні характеристики істотно різняться для випадків обмеженої і необмеженої швидкості рекомбінації на гетеромежі. Обоє ці випадки реалізуються для різних реальних гетеропереходів. Зменшення тунельно-рекомбінаційного струму за рахунок кінцевої швидкості рекомбінації на гетеромежі веде до зниження втрат і, отже, до поліпшення електрофізичних параметрів приладів.

Розглянутий тунельно-рекомбінаційний механізм струмопереносу дозволяє розраховувати вольтамперні характеристики неідеальних гетеропереходів з великою концентрацією локалізованих станів в ОПЗ, використовуючи мікропараметри гетеропереходу (у_r, N_r, N (Е) тощо) і не прибігаючи до введення феноменологічних констант.

Відзначимо, що в деяких випадках з різким затуханням функції N (Е) завдання спрощується і має аналітичне рішення. Однак у реальних умовах реалізуються більш складні ситуації, коли щільність локалізованих станів залежить не тільки від енергії, але й від відстані до гетеромежі. При деяких параметрах ГП локальна неомічність в області сильних полів може виявитися істотною. Послідовний облік цих особливостей у рамках пропонованого в справжній роботі методу розрахунку ВАХ дозволяє вирішити задачу про струмоперенос в неідеальній гетероструктурі.

У четвертому розділі наведені результати дослідження впливу освітлення на провідність неідеального гетеропереходу, виконані розрахунки ВАХ неідеального гетеропереходу в умовах освітлення.

Відомо, що в умовах освітлення форма потенціального бар'єра неідеального гетеропереходу істотно міняється за рахунок захоплення фотозбуджених носіїв на глибокі пасткові центри в ОПЗ такої структури. Це повинно впливати на тунельно-стрибкову провідність ОПЗ. Оскільки деякі неідеальні гетеропереходи можуть використовуватися в якості різних фотоелектричних приладів, то дослідження такого впливу при наявності зовнішнього зсуву (тобто залежності провідності неідеального гетеропереходу від ходу потенціалу в ОПЗ в умовах фотозбудження при наявності зовнішнього зсуву) представляється актуальним.

Показано, що в цьому випадку функція ц(х) істотно залежить від умов освітлення і визначається вираженням:

(13)

де . Тут k - постійна Больцмана, T - температура, N_D - концентрація донорних центрів, що визначають хід потенціального бар'єра в умовах відсутності освітлення. Параметр р₀, що входить в (13) являє собою концентрацію дірок, захоплених у квазінейтральній області (при x > щ), причому її можна визначити, знаючи характер розподілу цієї концентрації

(14)

і середнє значення нерівноважного заряду , захопленого на пастки в межах ОПЗ, яке може бути визначене по значенню фотоємності (С_L). Вимірявши ємність гетеропереходу у темряві (C_D) і його фотоємність C_L при різних інтенсивностях збуджуючого світла можна визначити відповідну кожної із цих ємностей ширину бар'єрної області просторового заряду (С_D,C_L), а значить і величини N_D і p_t(C_D,C_L). Оскільки величина середнього захопленого в ОПЗ нерівноважного заряду пов'язана з р(х) співвідношенням:

(15)

Визначивши p_t(C_D,C_L) з (15) з урахуванням (14) для кожного значення фотоємності С_L, а виходить, і для кожної величини інтенсивності збуджуючого світла можна обчислити відповідне значення вхідного параметра р₀, що входить в (13).

Тому ВАХ, обумовлена G_уL, буде визначатися, крім інших параметрів, також величиною фотоємності G_уL = G_уL(U,C_L).

При обчисленні вольт-амперної характеристики освітленого гетеропереходу спочатку, як і в розділі 3, було розглянуто граничний випадок, коли струм визначається тільки опором ОПЗ, тобто швидкість рекомбінації на границі розподілу настільки велика, що протікаючий через гетероперехід тунельно-рекомбінаційний струм нею не обмежується.

На рис. 6 наведені темнова ВАХ і вольтамперні характеристики, розраховані при різних значеннях фотоємності гетеропереходу, що відповідає різним рівням його освітленості. При чисельному рішенні задачі параметри приймалися рівними Т = 300 к, ц₀ = 1 еВ, ДF₀ = 0.1 еВ, N_D = 10¹⁵ см^-3 (відповідає C_D = 7.6 нФ або щ_D = 1 мкм). Відзначимо, що на рис. 6 показані тільки струми, пов'язані із провідністю гетеропереходу. Для зручності порівняння ВАХ у темряві з ВАХ, вимірюваними при освітленні, фотострум і фото-ЕРС, що генеровані гетеропереходом, не вводилися в розрахункову модель і, отже, всі криві проходять через точку U=0, j=0.

...