Фізичні процеси в гетеропереходах на основі шаруватих кристалів халькогенідів галію, індію та олова

фотоплеохроїзму в досліджуваних ГП власний оксид-p-InSe.

У шостому розділі досліджено вплив Х- та гамма-випромінювань на фотоелектричні параметри ГП GaSe-InSe, p-n-InSe, оксид-p-InSe. Джерелом Х-випромінювання слугувала рентгенівська трубка зі срібним катодом ( = 0,056 нм; hн = 22 кеВ). Середня доза рентгенівського потоку становила 0,5 Р/год, а загальний час експонування зразків t_e - 160 годин. Опромінення г-квантами проводилося за нормальних умов стаціонарного радіаційного поля, створюваного в закритій циліндричній порожнині, що володіла концентрично встановленими джерелами ⁶⁰Со (Е = 1,25 МеВ). Максимальна тривалість опромінення сягала один місяць, а повна акумульована доза г-випромінювання змінювалась у межах 10-300 Р. Вплив високоенергетичного опромінення на властивості ГП оцінювали шляхом порівняння їх до і після опромінення, а також після одно- та двотижневої витримки зразків. Досліджувалися ВАХ, спектральні залежності фотоструму та фотоелектричні параметри ГП.

Після Х- та -опромінення спостерігається зміна експоненційної залежності струму від напруги і, як наслідок, механізмів протікання струму через потенціальний бар'єр. Виявлені зміни не залежать від енергії квантів опромінення і найвідчутніше проявляються при незначних дозах, до 10 Р. Зі збільшенням дози опромінення до 300 Р властивості ВАХ ГП практично ідентичні. Різні ГП по-різному реагують на радіаційний вплив, що демонструє рис. 13. У ГП GaSe-InSe після опромінення коефіцієнт випрямлення зменшується, а в ГП p-n-InSe та оксид-p-InSe, навпаки, - зростає. Аналогічна поведінка ВАХ має місце і для випадку опромінення -квантами. Витримка ГП протягом 1-, 2 тижнів засвідчила, що коефіцієнт випрямлення зазнає незначних змін і після опромінення. Це вказує на те, що в кристалах існує градієнт радіаційних дефектів і повернення до рівноважного стану займає тривалий час.

Спектри квантової ефективності фотоструму ГП до опромінення виявляють, у більшості випадків, тонку структуру на краю власного поглинання світла, яка пов'язується з утворенням екситонів. Ця структура при малих дозах D 10 Р реєструється, а при збільшенні до 300 Р - повністю руйнується. Зникнення тонкої структури спектра фоточутливості може пов'язуватися зі зростанням густини радіаційних дефектів.

Динаміка змін фотоелектричних параметрів досліджуваних ГП в умовах Х-опромінення представлена в табл. 2. Як видно, фотоелектричні параметри

Таблиця 2

Фотоелектричні параметри ГП до і після Х-опромінення деяких ГП зростають, а у випадку GaSe-InSe - зменшуються

Зміна діодного коефіцієнта ВАХ n свідчить про ріст тунельно-рекомбінаційної складової в механізмі протікання струму через бар'єр. Наприклад, якщо у неопромінених зразках оксид-p-InSe переважає дифузійно-рекомбінаційний струм (n 1,4), то після опромінення зростає частка тунельно-рекомбінаційного струму через ГП, а, відповідно, при часі експозиції t_е = 40, 80, 120 і 160 годин, діодний коефіцієнт ВАХ набуває значення n 2; 2,4; 2,9 і 3,0 (зразок № 1). Таке зростання тунельно-рекомбінаційного струму свідчить про зростання густини поверхневих станів на гетеромежі. Відповідно до цього спостерігаються зміни і в спектрах квантової ефективності фотоструму ГП зменшенням його в короткохвильовій частині.

Вплив характеристичного Х-випромінювання на властивості ГП проявляється у зростанні напруги холостого ходу U_xx та струму короткого замикання I_кз для p-n-InSe та оксид-р-InSe і незначного спаду цих параметрів у випадку GaSe-InSe. Отримані результати обговорюються в рамках електростатичної моделі утворення радіаційних дефектів у кристалі. Зростання величини контактної різниці потенціалів можна пояснити на основі змін електрофізичних параметрів під дією радіації, що впливають на положення рівнів Фермі у відповідних напівпровідниках.

Результати тестувань зразків, опромінених -квантами, свідчать, що також спостерігається чітка тенденція до їх поліпшення у випадку ГП p-n-InSe та оксид-р-InSe. Максимальна величина зростання U_xx складала 30 %, а J_кз - 1700 %, що ілюструє табл. 3.

Спостережувані під впливом високоенергетичного опромінення зміни характеристик ГП у бік поліпшення свідчать про стабільність зонної структури матеріалів і реакцію рівня Фермі на зміну концентрації утворених кристалічних дефектів. Поліпшення і стабілізація фотоелектричних параметрів ГП p-n-InSe, оксид-р-InSe свідчать про можливість їхнього використання в умовах

Таблиця 3

Фотоелектричні параметри ГП до і після г-радіації

*Фотоелектричні параметри ГП, виміряні в режимі насичення.

підвищеної радіації. Отримані результати дозволяють використовувати радіаційний вплив для оптимізації фотоелектричних параметрів ГП.

У кристалах InSe, утворені радіаційні дефекти мають акцепторне походження, що випливає із поведінки ВАХ відповідних ГП. У матеріалах n-типу провідності це приводить до більшої самокомпенсації домішок і до зростання питомого опору, а в матеріалах p-типу, навпаки, до його зменшення. Тому в ГП GaSe-n-InSe і оксид-p-InSe спостерігаються протилежні тенденції щодо залежностей ВАХ до і після опромінення.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі представлені результати досліджень гетеропереходів з сильно неузгодженими кристалічними ґратками на основі анізотропних напівпровідників. Показано, що високі фотоелектричні та діодні властивості гетеропереходів забезпечуються слабким ван-дер-ваальсівським зв'язком компонент на гетеромежі або використанням при формуванні гетеропереходів власних оксидів кристалів. Розширенню функціональних можливостей фотоелектричних властивостей гетеропереходів сприяють наноструктуризація поверхні в тандемних системах наноструктурована плівка-гетероперехід та використання тунельно-прозорих шарів діелектриків в якості буфера гетеропереходів. Високий плеохроїзм шаруватих кристалів і можливість кристалографічно орієнтувати площину p-n-переходу дозволили провести дослідження явища природного фотоплеохроїзму в гетеропереходах. Установлено, що покращення фотоелектричних параметрів гетеропереходів має місце при малих дозах високоенергетичного електромагнітного опромінення, а стабілізація їх параметрів - при високих.

1. Методами ван-дер-ваальсівського контакту (а), термічного окислення

підкладок на повітрі (б), пульверизації та піролізу (в) і сплавлення з

рекристалізацією (г) були виготовлені такі ГП: а: GaSe-InSe, GaTe-InSe, n- InSe-p-InSe, SnS₂-InSe, SnS_2-хSe_x-InSe, GaSe-In₄Se₃; б: In₂O₃(власний оксид)- InSe, In₂O₃(власний оксид)-In₄Se₃; в: ITO-Ga₂O₃-GaTe, ITO-Ga₂O₃-GaSe; г:

GaSe-InSe (рекристалізований). Метод (б) для шаруватих кристалів селенідів індію використаний автором уперше. У процесі формування гетеропереходів установлено присутність на гетеромежі тонкого прошарку власного оксиду у випадку (в), що володіє діелектричними властивостями і в межах десятків нанометрів є тунельно-прозорим для носіїв заряду.

2. Виявлено, що топологія неокислених і окислених поверхонь шаруватих кристалів GaSe, InSe, SnS₂ відмінна від гладкої площини. За допомогою наноскопічного аналізу встановлено, що рельєф поверхонь нагадує самоорганізований ансамбль наноголок, зорієнтованих перпендикулярно до поверхні. Їх щільність сягає величини 2-410¹⁰ см^-2, а розміри - 50-60 нм в основі та 0,5-20 нм висоти і залежать від умов окислення. Якісно показано, що кінетика формування наноголок визначається процесами початкового зародження молекул оксиду та їх кластеризації під впливом поверхневих механічних напруг.

3. Наноструктуризація поверхні власних оксидів шаруватих кристалів дозволила вперше реалізувати нові тандемні системи наноструктурована плівка-гетероперехід, у яких наноструктурована плівка ефективно впливає на напрям поширення світла в анізотропному базовому матеріалі, аналогічно до дифрагуючого елемента, завдяки розмірним оптичним ефектам. На прикладі тандемної системи In₂O₃(наноструктурований власний оксид)-InSe показано, що фотовідгук таких систем істотно залежить від висоти наноголок і відрізняється як величиною довгохвильового зсуву краю смуги фоточутливості, так і інтенсивністю екситонних піків. Для поверхні з найбільшою висотою наноголок оксиду спостерігається гігантський екситонний пік при кімнатній температурі з найбільшим довгохвильовим зсувом. Врахування впливу наноструктиризації поверхні на поширення світла в кристалі з високим оптичним плеохроїзмом уперше дозволило пояснити: а) високотемпературний екситонний характер спектрів поглинання, фоточутливості шаруватих кристалів та гетеропереходів на їх основі; б) товщинну залежність інтенсивності екситонної смуги та довгохвильовий зсув екситонних смуг в спектрах поглинання; в) зростання квантового виходу фотолюмінесценції кристалів.

4. Зіставлення результатів електрооптичних вимірювань плівок власних оксидів кристалів InSe і In₄Se₃ з аналогічними вимірюваннями для плівок ITO, одержаних хімічним піролізом, дозволило виявити їх схожість, що опосередковано вказує на хімічну природу оксидних плівок кристалів, яка відповідає сполуці In₂O₃. Власні оксиди селенідів індію володіють високою провідністю та прозорістю, що дозволило вперше їх застосувати для виготовлення гетеропереходів. У спектрі оптичного поглинання оксидних плівок спостерігається значна крутизна довгохвильового краю, що свідчить про близькість їх структури до кристалічної, а ніж до полікристалічної. Установлено, що концентрація основних носіїв заряду в плівках власних оксидів носить вироджений характер. Це випливає із дослідження ВАХ гетеропереходів власний оксид-InSe (з локалізацією p-n-переходу паралельно осі С), власний оксид-In₄Se₃ та ITO (вироджений)-GaTe, які притаманні не інжекційним діодам на неосновних носіях заряду, а діодам на основних носіях, як у випадку бар'єрів Шотткі, з тією різницею, що роль металу в них відіграє сильно вироджений власний оксид.

5. Уперше для гетеропереходів p-n-InSe, SnS₂-InSe експериментально виявлено утворення області просторового заряду в одному із напівпровідників ГП за рахунок появи в рівноважних умовах інверсійного шару на гетеромежі. Така ситуація можлива за умови, коли дифузійний потенціал гетеропереходу близький або перевищує половину величини забороненої зони напівпровідника. Для вказаних ГП, у яких гетеромежа і збіднена область просторово розділені, прямі гілки ВАХ описуються експоненційною залежністю, характерною для ідеальних діодів.

6. Побудовано енергетичні зонні діаграми досліджуваних гетеропереходів на основі визначення потенціального бар'єра з вимірювань ВФХ і ВАХ, глибини залягання рівня Фермі у відповідних напівпровідниках за значеннями концентрації основних носіїв заряду та даних про зонні параметри. У випадку гетероконтакту вироджений оксид-напівпровідник значна величина виродженої зони ( 0,6 еВ) дозволяє реалізувати гетеропереходи з властивостями бар'єрів Шотткі та інжекційні гетеропереходи на неосновних носіях заряду в залежності від величини потенціального бар'єру, який або сприяє електронним переходам у вироджену зону, або їх забороняє.

7. Виявлено, що механізми протікання струму через потенціальні бар'єри різних гетеропереходів визначаються: а) типом носіїв заряду (основні, неосновні); б) величиною потенціального бар'єра; в) присутністю тунельно-прозорого діелектрика. У випадку а) реалізовано гетеропереходи з ВАХ, властивою бар'єрам Шотткі, а також гетеропереходам на неосновних носіях. У випадку б) для широкої області просторового заряду отримано ділянки прямої гілки ВАХ, що відповідають дифузійному, рекомбінаційному та тунельно-рекомбінаційному механізмам протікання струму одночасно. У випадку в) показник експоненційної залежності ВАХ зменшується залежно від збільшення товщини діелектрика, а для прямих напруг, що відповідають ситуації плоских зон, ВАХ описується тунелюванням носіїв через діелектрик.

8. Установлена кореляція між температурно-часовими факторами формування гетеропереходу власний оксид-селенід індію та величиною його потенціального бар'єра. Вона зводиться до контролю величини тунельно-рекомбінаційного струму гетеропереходу: чим вища густина цих струмів, тим менша величина бар'єра. Короткочасне окислення підкладки, на відміну від довготривалого, при одній і тій же температурі приводить до менших густин тунельно-рекомбінаційних струмів. З іншого боку, при однаковій тривалості окислення ці струми вищі при більших температурах. Різні струми гетеропереходу свідчать про особливості формування оксиду на поверхні кристалу: у вигляді суцільної плівки чи у формі кластерів. Тому у ГП з несформованою структурою плівки механічні напруги на гетеромежі менші, а відповідно і менша густина струмів. Виявлена кореляція дозволяє оптимізувати фотоелектричні параметри гетеропереходів при різних температурно-часових факторах їх виготовлення.

9. Спектральні смуги фотовідгуку досліджених гетеропереходів визначаються: а) ширинами заборонених зон контактуючих напівпровідників; б) розташуванням області просторового заряду відносно гетеромежі: на боці фронтального чи тильного напівпровідника; в) розміщенням площини p-n-переходу відносно кристалографічної осі анізотропного кристала; г) типом гетеропереходу: гетероперехід з властивостями діода Шотткі чи звичайний гетероперехід; д) способом і конфігурацією освітлення ГП (поляризоване чи природне світло, фронтальна чи тильна конфігурація); е) ефективністю збирання фотоносіїв p-n-переходом. Особливістю спектрів фотовідгуку є присутність на їх довгохвильовому краю екситонних ліній. Уперше, вдалося пояснити їх появу при високих кімнатних температурах - на основі анізотропного характеру екситонного поглинання в шаруватих кристалах і особливостей взаємодії світла з наноструктурованою поверхнею.

10. Уперше виготовлено фототранзистор на основі симетричного гетеропереходу оксид-InSe-оксид. Значне підсилення фотоструму у фототранзисторі має місце лише для товщин вихідних зразків, які порівняльні з дифузійною довжиною неосновних носіїв заряду в p-InSe. Виміряно транзисторні характеристики і виявлено ефект переключення транзистора із високоомного в низькоомний стан при певних напругах і засвітках. Чим вищий рівень освітлення, тим менша напруга такого переходу і, навпаки. Таке переключення викликано як перекриттям області генерації фотоносіїв (1/ 10 мкм, - коефіцієнт поглинання світла) з областями просторового заряду як емітерного, так і колекторного переходів фототранзистора при певних прикладених напругах, так і перерозподілом спаду напруги між p-n-переходами при різних рівнях засвітки.

11. У гетеропереході GaTe-InSe з тунельно-прозорим діелектриком на гетеромежі виявлено ефект внутрішнього зростання фото-ерс. Він має місце при високих освітленностях ГП, коли реалізується ситуація плоских зон, а додаткові переходи фотоносіїв між енергетичними рівнями при збільшенні інтенсивності освітлення дозволені завдяки тому, що існують розриви зон і носії можуть займати вільні нижче розташовані рівні. При цьому додаткова фото-ерс спадає на діелектрику. Уперше пояснено ефект підсилення фотоструму в гетеропереході ITO-Ga₂O₃-GaTe, ITO-Ga₂O₃-GaSe з тунельно-прозорим діелектриком Ga₂O₃. Він реалізується за умов, коли перенос струму в гетеропереходах здійснюється основними носіями заряду. У нерівноважних умовах глибокого збіднення та освітлення гетеропереходу з тунельним діелектриком фотострум неосновних носіїв заряду спричинює зростання потоку основних носіїв заряду, що приводить до його підсилення. Тунельно-прозорий діелектрик на основі власного оксиду, що формується на гетеромежі гетеропереходу, дозволив спостерігати спадну ділянку прямої гілки ВАХ у випадку гетеропереходу ITO-Ga₂O₃-GaTe. Вона появляється при зміні механізмів протікання струму через бар'єр: від струму основних носіїв заряду до струму неосновних носіїв заряду.

12. Уперше виготовлені гетеропереходи із площиною локалізації p-n-переходу, паралельною кристалографічній осі С: ITO-GaSe, власний оксид-InSe, що дозволило спостерігати явище фотоплеохроїзму не на фотоопорах із шаруватих кристалів GaSe і InSe, а в гетеропереходах на основі цих напівпровідників. Досягнуто рекордних для анізотропних матеріалів значень коефіцієнт фотоплеохроїзму P, що перевищують 90 %, для довжини випромінювання гелій-неонового лазера ( = 632,8 нм). Даний результат отримано завдяки використанню при формуванні ГП підкладок з природною поверхнею, яка отримувалась в процесі роз'єднання блоків спеціально вирощених блочних кристалів. Установлено, що на величину P істотно впливає обробка поверхні кристалів, підкладки з яких спеціально вирізуються. Коефіцієнт фотоплеохроїзму при цьому зменшується майже наполовину. Максимальні його значення для хімічно оброблених поверхонь становлять, відповідно, 65 і 40 % для гетеропереходів ITO-GaSe та власний оксид-InSe. Причиною зменшення P є ефекти розсіювання світла обробленими поверхнями.

13. Визначено, що кутові залежності фотоструму гетеропереходів, чутливих до поляризації світла, строго підкоряються закону Малюса, а коефіцієнт фотоплеохроїзму виміряно для всього спектру їх чутливості. Показано, що для гетеропереходу ITO-GaSe P завжди додатний в усьому спектральному діапазоні 1,9-3,1 еВ. Його максимум припадає на довжину хвилі 0,61 мкм. Для гетеропереходу власний оксид-InSe поведінка P в спектральному діапазоні 1,1 - 1,6 еВ інша і відрізняється зміною його знаку з додатного на від'ємний при зменшенні довжини хвилі. Максимум P спостерігається для довжин хвиль, що дорівнюють 1,04 мкм, а нульову позначку коефіцієнт фотоплеохроїзму набуває при л = 1,0 мкм. При зменшенні довжини хвилі P стає від'ємним і монотонно зростає по абсолютній величині у всій дослідженій спектральній області, досягаючи значень 30% при л = 0,81 мкм. Зазначені особливості пояснюються оптичним плеохроїзмом шаруватих кристалів та різним коефіцієнтом збирання фотоносіїв ГП при двох поляризаціях освітлення.

14. Уперше досліджена температурна динаміка спектрів поляризаційної чутливості кристалів InSe. Зареєстровано різну температурну залежність зсуву довгохвильового краю фотоструму для двох орієнтацій поляризації: Е||С та ЕС. Оцінка середньої величини цього зсуву при фіксованому значенні фотоструму складає для двох випадків освітлення відповідно: ДE_||/ДT = - 4,810^-4 і ДE/ДT = - 1,710^-4 еВ/К. При зниженні температури, неоднакове температурне зміщення краю в спектрі фотоструму приводить до зменшення P в досліджуваних гетеропереходах власний оксид-p-InSe.

15. Вплив Х-, гамма-випромінювань на фотоелектричні параметри гетеропереходів p-n-InSe, оксид-p-InSe проявляється в їх поліпшенні: зростають напруга холостого ходу і струм короткого замикання. Зміни в фотоелектричних характеристиках гетеропереходів відбуваються вже при незначних дозах опромінення. Причина таких змін випливає з особливостей шаруватих кристалів: в них висока концентрація власних структурних дефектів ( 10¹⁷ см^-3), а електрична провідность має компенсаційний характер. Під впливом радіації порушується рівноважний баланс домішок різного типу провідності та їх перекомпенсація. Крім того із електричних характеристик досліджених гетеропереходів випливає, що новоутворені радіаційні дефекти мають акцепторну природу. Зміна концентрації дефектів впливає на глибину залягання рівня Фермі у відповідних напівпровідниках, що слугує основою змін контактної різниці потенціалів. Стабілізація фотоелектричних параметрів гетеропереходів відбувається при збільшенні дози опромінення. Вона вказує на складний характер нерівноважних радіаційних процесів в шаруватих кристалах. Радіаційний вплив може використовуватися для оптимізації фотоелектричних параметрів гетеропереходів, а самі гетеропереходи - слугувати основою приладів, що застосовуються в умовах підвищеної радіації.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Manasson V.A., Kovalyuk Z.D., Drapak S.I., Katerinchuk V.N. Polarisation-sensitive photodiode for the 632,8 nm spectral region // Electron. Lett. - 1990. - Vol. 26, № 10. - P. 664.

2. Катеринчук В.Н., Ковалюк М.З. Вольт-фарадные характеристики диодных структур с инверсионным слоем на гетерогранице // Письма в ЖТФ. - 1991. - Т. 17, № 22. - С. 51-53.

3. Катеринчук В.Н., Ковалюк М.З. P-n гомогенные InSe-фотодиоды // Физ. и техн. полупров. - 1991. - Т. 25, № 5. - С. 954-957.

4. Katerinchuk V.N., Kovalyuk M.Z. InSe p-n homojunction diodes // Phys. stat. sol. (a). - 1992. - Vol. 133, № 1. - P. K45-K48.

5. Катеринчук В.Н., Ковалюк М.З. Гетеропереходы из InSe, сформированные термическим окислением кристаллической подложки // Письма в ЖТФ. - 1992. - Т. 18, № 12. - С. 70-72.

6. Катеринчук В.М., Ковалюк М.З. Вплив інверсійного шару на електричні властивості гетеропереходу n-SnS₂-p-InSe // Укр. фіз. ж. - 1993. - Т. 38, № 2. - С. 259-262.

7. Катеринчук В.Н., Ковалюк М.З., Огородник А.Д., Жирко Ю.И. Фоточувствительные гетероструктуры собственный оксид - p-In₄Se₃ // Физ. и техн. полупров. - 1994. - Т. 28, № 7. - С. 1208-1210.

8. Katerinchuk V.N., Kovalyuk M.Z., Ogorodnik A.D. Photosensitive oxide-p-In₄Se₃ heterostructures // Phys. stat. sol. (a). - 1995. - Vol. 148, № 1. - P. K75-K76.

9. Катеринчук В.Н., Ковалюк М.З., Огородник А.Д. Гетероструктуры на основе селенидов индия // Неорг. матер. - 1996. - Т. 32, № 8. - С. 937-940.

10. Katerinchuk V.N., Kovalyuk M.Z. Photoelectric properties of n-SnS₂-p-InSe heterojunction // J. Adv. Mater. - 1997. - Vol. 4, № 1. - P. 40-43.

11. Катеринчук В.Н., Ковалюк М.З. Фотоплеохроизм диодных структур оксид-p-InSe // Письма в ЖТФ. - 1997. - Т. 23, № 10. - С. 1-3.

12. Катеринчук В.Н., Ковалюк З.Д., Заслонкин А.В. Влияние режимов формирования собственного оксида на свойства гетеропереходов оксид-p-InSe // Письма в ЖТФ. - 1999. Т. 25, № 13. - C. 34-36.

13. Катеринчук В.Н., Ковалюк М.З. Гетеропереходы на основе GaTe // Письма в ЖТФ. - 1999. - Т. 25, № 2. - C. 29-33.

14. Катеринчук В.Н., Ковалюк З.Д., Каминский В.М. Гетеропереходы p-GaSe-n-рекристаллизированный InSe // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26, № 2. - C. 19-22.

15. Катеринчук В.М., Ковалюк З.Д., Товарніцький М.В. Гетероперехід GaSe-InSe із властивостями структур напівпровідник-тонкий діелектрик-напівпровідник // Укр. фіз. ж. - 2000. - Т. 45, № 1. - С. 87-91.

16. Катеринчук В.Н., Ковалюк З.Д., Нетяга В.В., Беца Т.В. Гетеропереходы n-SnSSe-p-InSe // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26, № 17. - С. 6-10.

17. Kovalyuk Z.D., Katerinchuk V.N., Betsa T.V. Photoresponse spectral investigations for anisotropic semiconductor InSe // Opt. Mater. - 2001. - Vol. 17. - P. 279-281.

18. Катеринчук В.Н., Ковалюк З.Д., Беца Т.В., Каминский В.М., Нетяга В.В. Гетеропереходы оксид-p-InSe на ориентированной (110) подложке кристалла // Письма в ЖТФ. - 2001. - Т. 27, № 10. - С. 62-66.

19. Катеринчук В.Н., Ковалюк З.Д., Нетяга В.В., Беца Т.В. Гетеропереходы на основе слоистых полупроводников SnS_1,9Se_0,1 и GaSe<Cd> // Неорг. матер. - 2001. - Т. 37, № 4. - С. 415-417.

20. Katerynchuk V.M., Kovalyuk M.Z., Tovarnitsky M.V. Photoresponse spectra of intrinsic oxide-p-InSe heterojunctions // J. Optoelectr. Adv. Mater. - 2003. - Vol. 5, № 4. - P. 853-857.

21. Kovalyuk Z.D., Katerynchuk V.M., Savchuk A.I., Sydor O.M. Intrinsic conductive oxide-p-InSe solar cells // Mater. Sci. Engin. B. - 2004. - Vol. 109, № 1-3. - P. 252-255.

22. Катеринчук В.Н., Ковалюк З.Д. Получение гетероструктур окисел-p-InSe с улучшенными фотоэлектрическими характеристиками // Физ. и техн. полупров. - 2004. - Т. 38, № 4. - С. 417-421.

23. Ковалюк З.Д., Катеринчук В.Н. Полупроводниковые гетеропереходы оксид-InSe(GaSe) для фотоэлектрических анализаторов поляризованного излучения // Техн. и констр. в электрон. аппаратуре. - 2004. - № 3. - С. 7-9.

24. Ковалюк З.Д., Катеринчук В.Н., Политанская О.А., Сидор О.Н., Хомяк В.В. Влияние гамма-облучения на свойства InSe-фотодиодов // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т. 31, № 9. - С. 1-5.

25. Kovalyuk Z.D., Katerynchuk V.M., Sydor O.M. Photoelectrical properties of heterojunctions connected with van-der-Waals forces // J. Optoelect. Adv. Mater. - 2005. - Vol. 7, № 2. - P. 903-906.

26. Kovalyuk Z.D., Katerynchuk V.M., Mintyanskii I.V., Savchuk A.I., Sydor O.M. г-Radiation influence on the photoelectrical properties of oxide-p-InSe heterostructure // Mater. Sci. Engin. B. - 2005. - Vol. 118, № 1-3. - P. 147-149.

27. Ковалюк 3.Д., Катеринчук В.Н., Сидор О.Н. Исследование фотоэлектрических свойств симметричной гетероструктуры “окисел - InSe - окисел” // Техн. и констр. в электрон. аппаратуре. - 2005. - № 1 (55). - С. 38-40.

28. Ковалюк З.Д., Катеринчук В.Н., Политанская О.А., Сидор О.Н. Влияние -облучения на фотоэлектрические параметры InSe-гетероструктур // Техн. констр. в электрон. аппаратуре. - 2005. - № 5 (55). - С. 47-48.

29. Катеринчук В. Н., Ковалюк М. З. Фотоэлектрические параметры гетеропереходов SnS_2-хSe_х - InSe (0х1) // Техн. и констр. в электрон. аппаратуре. - 2006. - № 2 (62). - С. 41-42.

30. Ковалюк З.Д., Политанская О.А., Катеринчук В.Н., Раранский Н.Д. Характеристики гетеропереходов окисел-p-InSe в условиях рентгеновского облучения // Физ. и техн. полупров. - 2006. - Т. 40, № 8. - С. 940-943.

31. Kovalyuk Z.D., Katerynchuk V.M., Politanska O.A., Sydor O.M., Savchuk A.I., Raransky M.D., Palamaryk M.Yu. Change of built-in-potential in heterostructures induced by X-ray irradiation // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B: Beam Interactions with Materials and Atoms. - 2006. - Vol. 246, № 1. - P. 118-121.

32. Katerynchuk V.M., Kovalyuk M.Z., Tovarnitskii M.V. Photoemission spectra of indium selenide // Semicond. Phys., Quantum Electr. Optoelectr. - 2006. - Vol. 9, № 4. - P. 36-39.

33. Катеринчук В.Н., Ковалюк М.З., Литвин О.С. Поверхностные нанообразования при окислении слоистых кристаллов SnS₂ // Техн. и констр. в электрон. аппаратуре. - 2007. - № 3(69). - С. 41-42.

34. Ковалюк З.Д., Литовченко П.Г., Политанская О.А., Сидор О.Н., Катеринчук В.Н., Ластовецкий В.Ф., Литовченко О.П., Дубовой В.К., Поливцев Л.А. Влияние нейтронного облучения на фотоэлектрические параметры структур ITO-GaSe // Физ. и техн. полупров. - 2007. - Т. 41, № 5. - С. 570-574.

35. Ковалюк З.Д., Сидор О.Н., Катеринчук В.Н., Нетяга В.В. Исследование изотипных фоточувствительных гетероструктур (собственный окисел)-n-InSe, полученных длительным термическим окислением // Физ. и техн. полупров. - 2007. - Т. 41, № 9. - С. 1074-1077.

36. Бахтинов А.П., Ковалюк З.Д., Сидор О.Н., Катеринчук В.Н., Литвин О.С. Формирование нанообразований на поверхности слоистого полупроводника InSe в процессе термического окисления // Физ. тв. тела. - 2007. - Т. 49, № 8. - С. 1497-1503.

37. Ковалюк З.Д., Катеринчук В.Н., Нетяга В.В., Заслонкин А.В. Гетеропереход на основе кристалла FeIn₂Se₄, полученного методом Бриджмена // Техн. и констр. в электрон. аппаратуре. - 2007. - № 5(71). - С. 43-45.

38. Katerynchuk V.M., Kovalyuk M.Z., Tovarnitskii M.V. Radiative recombination in InSe layered crystal // J. Optoelect. Adv. Mater. - 2007. - Vol. 9, № 5. - P. 1310-1313.

АНОТАЦІЯ

Катеринчук В.М. Фізичні процеси в гетеропереходах на основі шаруватих кристалів халькогенідів галію, індію та олова. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2008.

У дисертації представлені результати досліджень різних типів гетеропереходів (ГП) на основі напівпровідників із шаруватою кристалічною будовою (GaSe, GaTe, InSe, SnS₂ і інші), що вирізняються радіаційною стійкістю. Показано, що усунення впливу неузгодженості кристалічних ґраток на діодні властивості ГП може бути досягнено шляхом застосування на гетеромежі ван-дер-ваальсівського зв'язку двох напівпровідників або ж їх власних оксидів. Установлено, що фотоелектричні параметри ГП можуть бути істотно змінені завдяки використанню тандемних систем наноструктурована плівка-ГП. В ГП з високим значенням потенціального бар'єра виявлено присутність інверсійного шару за рівноважних умов. Показано, що існування в ГП значних розривів енергетичних зон і наявність тунельного діелектрика на гетеромежі можуть ефективно бути використані для реалізації явищ внутрішнього зростання фото-ерс, внутрішнього підсилення фотоструму, одержання спадної ділянки на прямій гілці вольт-амперної характеристики (ВАХ), аналогічної до ВАХ тунельних діодів. В ГП вироджений напівпровідник (ITO, власні оксиди InSe та In₄Se₃)-шаруватий кристал, залежно від висоти бар'єра, виявлені властивості, характерні як для інжекційних діодів на неосновних носіях заряду, так і для діодів Шотткі на основних носіях. Металева провідність власного оксиду InSe та можливість сколювати кристалічні підкладки мікронної товщини дозволили сформувати фотогетеротранзистор з тонкою базою, що вирізняється простою технологією виготовлення. Локалізація площини p-n-переходу відносно різних кристалографічних осей анізотропних кристалів дозволила сформувати ГП, фоточутливі до поляризованого світла. Встановлено закономірності, пов'язані з впливом високоенергетичної радіаціїї (Х-, -промені) на властивості ГП: поліпшення їх фотоелектричних параметрів відбувається при невисоких дозах опромінення, а стабілізація цих параметрів - при більш високих.

Ключові слова: селенід галію, телурид галію, селеніди індію, дихалькогеніди олова, оксид галію, оксид індію, оксид олова, шаруватий кристал, власні оксиди, гетероперехід, бар'єр Шотткі, фототранзистор, тунельний діелектрик, фотоелектричні властивості, люмінесцентні властивості, наноскопічні властивості, фотоплеохроїзм, радіаційна стійкість.

Катеринчук В.Н. Физические процессы в гетеропереходах на основе слоистых кристаллов халькогенидов галлия, индия и олова. - Рукопись. Диссертация на соискание научной степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2008.

В диссертации представлены результаты исследований различных типов гетеропереходов (ГП) на основе полупроводников со слоистым кристаллическим строением (GaSe, GaTe, InSe, SnS₂ и другие), отличающихся радиационной стойкостью. Показано, что устранение влияния несоответствия кристаллических решеток на диодные свойства ГП может быть достигнуто путем применения на гетерогранице ван-дер-ваальсовской связи двух полупроводников или же их собственных оксидов. Для ГП с ван-дер-ваальсовской связью p-n-InSe, SnS₂-InSe экспериментально обнаружено образование области пространственного заряда в одном из полупроводников ГП за счет появления в равновесных условиях инверсионного слоя на гетерогранице. Подобные ГП отличаются высокими фотоэлектрическими параметрами, а сам инверсионный слой может служить аналогом канала в полевых транзисторах с низким напряжением управления.

Обнаружено, что собственные оксиды кристаллов, сформированные на воздухе при относительно невысоких температурах, обладают поверхностными нанообразованиями. Для разных слоистых кристаллов наноструктуризация поверхности похожа. Она имеет вид плотной совокупности наноигл, ориентированных перпендикулярно к поверхности. Наноструктуризация поверхности собственных оксидов слоистых кристаллов позволила впервые реализовать новые тандемные системы наноструктурированная пленка-ГП, у которых наноструктурированная пленка эффективно влияет на направление распространения света в базовом материале в результате размерных оптических эффектов. Вследствие этого в анизотропных кристаллах с высоким оптическим плеохроизмом можно изменять коэффициент поглощения света за счет роста наноигл оксида различной высоты и таким образом влиять на собирание фотоносителей p-n-переходом. На примере тандемной системы In₂O₃(наноструктурированный собственный оксид)-InSe показано, что фотоответ таких систем существенно зависит от высоты наноигл и отличается как величиной длинноволнового смещения края полосы фоточувствительности, так и интенсивностью экситонных пиков.

Сопоставление результатов электрооптических измерений свойств пленок ITO, полученных химическим пиролизом, со свойствами пленок собственных оксидов селенидов индия InSe и In₄Se₃ показало, что они похожи. Следовательно, химическая природа этих оксидов соответствует In₂O₃. Высокая проводимость и прозрачность собственных оксидов позволила впервые использовать их в качестве одной из активных компонент ГП. Более того, обнаружено, что концентрация основных носителей заряда в пленках собственных оксидов носит вырожденный характер. Этот вывод следует из исследования ВАХ различных ГП: собственный оксид-InSe (с локализацией p-n-перехода параллельно оси С), собственный оксид-In₄Se₃ и ITO (вырожденный)-GaTe. Полученные ВАХ этих ГП характеризуются зависимостью, присущей не инжекционным диодам на неосновных носителях заряда, а диодам на основных носителях, как в случае барьеров Шоттки. Такие характеристики возможны только в одном случае, когда собственный оксид обладает значительной величиной вырожденной зоны, а электронные переходы из полупроводника в оксид осуществляются на свободные уровни этой зоны. Оценка величины вырождения составляет 0,6 еВ.

Металлическая проводимость собственного оксида InSe, с одной стороны, и возможность скалывания кристаллических подложек микронной толщины, - с другой, позволили сформировать фотогетеротранзистор с тонкой базой, отличающийся простой технологией изготовления. Показано, что существование в ГП значительных разрывов энергетических зон и присутствие туннельного диэлектрика на гетерогранице могут эффективно быть использованы для реализации явлений внутреннего возростания фото-эдс, внутреннего усиления фототока, получения убывающего участка прямой ветви ВАХ, аналогичного ВАХ туннельных диодов.

Локализация плоскости p-n-перехода относительно разных кристаллографических осей анизотропных кристаллов позволяет формировать ГП, фоточувствительные к поляризованному свету. В частности, достигнуто рекордных для анизотропных материалов значений коэффициента плеохроизма, превышающего 90 %, в ГП ITO-GaSe, собственный оксид-InSe. Показано, что на величину этого коэффициента существенно влияет качество поверхности граней кристалла, которые чувствительны к поляризации света. Обнаружено, что в ГП ITO-GaSe фотоплеохроизм положителен во всем спектральном диапазоне 1,9-3,1 еВ, а в ГП собственный оксид-InSe - коэффициент фотоплеохроизма меняет знак с положительного на отрицательный при длине волны излучения света 1,0 мкм для спектрального диапазона 1,1 - 1,6 еВ. Впервые исследована температурная динамика поляризационной чувствительности кристаллов InSe, из которой следует анизотропный характер сдвига длинноволнового края фотоответа при двух поляризациях освещения образцов относительно кристаллографической оси.

Улучшение фотоэлектрических параметров некоторых ГП реализовано путем использования невысоких доз высокоэнергетической радиации (Х-, гамма-лучи). Увеличение доз радиации приводит к стабилизации фотоэлектрических параметров ГП, что свидетельствует о возможности их использования в условиях повышенного радиационного фона.

Ключевые слова: селенид галлия, теллурид галлия, селениды индия, дихалькогениды олова, оксид галлия, оксид индия, оксид олова, слоистый кристалл, собственный оксид, гетеропереход, барьер Шоттки, фототранзистор, туннельный диэлектрик, фотоэлектрические свойства, люминесцентные свойства, наноскопические свойства, фотоплеохроизм, радиационная стойкость.

Katerynchuk V.M. Physical phenomena in heterojunctions based on layered crystals of gallium, indium, and tin chalcogenides. - Manuscript. Thesis for a Doctor's Sciences degree by speciality 01.04.10 - Physics of Semiconductors and Dielectrics. - The Yuriy Fed'kovych Chernivtsi National University, Chernivtsi, 2008.

In the dissertation the results are presented for investigations of various types of heterojunctions (HJs) on the basis of semiconductors with layered crystal structure (GaSe, GaTe, InSe, SnS₂, e.a.) which are characterized by radiation hardness It is shown that the elimination of the influence of the lattice mismatches on the HJs diode properties can be achieved by the application of Van der Waals chemical bond of the two semiconductors or their intrinsic oxides on the interface. It is established that the HJs photoelectrical parameters can be substantially transformed due to the use of the nanostructurized film-HJ tandem systems. In HJs with a high value of the potential barrier the presence of an inversion layer under equilibrium conditions is detected. It is shown that the existence of the significant energy band discontinuities and presence of the tunnel insulator on the interface can be effectively used for realization of the phenomena of internal increasing the photo-emf, internal multiplication of the photocurrent, obtaining the decreasing section of the direct branch of current-voltage characteristic similar to that of tunnel diodes. In the case of the degenerate semiconductor (ITO, InSe and In₄Se₃ intrinsic oxides) - layered crystal HJs, their properties are characteristic both for injection diodes on minority carriers and Shottky diodes on majority carriers depending on barrier height value. A metalic conductivity of InSe intrinsic oxide and the possibility to cleave crystal substrates several micron in thick allowed to create a photoheterotransistor with a thin base by means of a comparatively simple technology of manufacturing. The localization of the p-n-junction plane with respect to the different crystallographic axes of anisotropic crystals allowed to create HJs photosensitive to polarized light. Regularities related to the influence of a high-energy radiation (X-, -rays) on the HJs properties are established - improvement of their photoelectrical parameters occurrs at low dozes of irradiation and stabilization of those parameters - at higher ones.

Keywords: gallium selenide, gallium telluride, indium selenides, tin dichalcogenides, gallium oxide, indium oxide, tin oxide, layered crystal, intrinsic oxide, heterojunction, Schottky barrier, phototransistor, tunnel insulator, photoelectric properties, luminescence properties, nanoscopic properties, photopleochroism, radiation hardness.

Размещено на Allbest.ru