Розробка радіаційностійких фотодіодів на основі шаруватих структур селенідів індію та галію

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

УДК 621.315.592; 621.382.232

Розробка радіаційностійких фотодіодів на основі шаруватих структур селенідів індію та галію

05.27.01 - твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Сидор Оксана Анатоліївна

Чернівці 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Чернівецькому відділенні Інституту проблем матеріалознавства імені І.М.Францевича Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Ковалюк Захар Дмитрович, Чернівецьке відділення Інституту проблем матеріалознавства імені І.М.Францевича Національної академії наук України, керівник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Готра Зенон Юрійович, Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електронних приладів

кандидат технічних наук, Рюхтін В'ячеслав Васильович, ВАТ “ЦКБ Ритм”, перший заступник директора з наукової роботи

Захист відбудеться “19” лютого 2009 р. о 15⁰⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 76.051.09 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (58012, м.Чернівці, вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий “17” січня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Шпатар П.М.

фотоелектричний фотодіод напівпровідник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток атомної енергетики, широке застосування високоенергетичного випромінювання в науці і техніці, різноманітних технологічних процесах, медицині потребує пошуку радіаційно-стійких матеріалів та розробки електронного устаткування, здатного працювати при високих рівнях радіації. Так, у процесі виготовлення напівпровідникові прилади піддаються дії Х-випромінювання, потоків електронів, іонів, а у промислових ядерних установках - нейтронного і -опромінень. Використання традиційних речовин твердотільної електроніки (кремній, арсенід галію, германій) та діелектричних шарів їх власних окислів засвідчує проблему радіаційної стабільності приладів з цими компонентами. Під впливом радіації у них виникають структурні дефекти і робота електронних пристроїв зазнає збою. Ось чому пошук радіаційно-стійких матеріалів, дослідження поведінки електронних приладів на їх основі при дії високоенергетичного випромінювання різного типу (-кванти, електронне, нейтронне і т.п.), процесів утворення дефектів в них та їх подальшої кінетики є актуальним науково-технічним завданням.

Одними із таких перспективних матеріалів є анізотропні кристали групи А^ІІІВ^VI з шаруватою структурою (далі шаруваті кристали), зокрема селеніди індію та галію. Наявність слабкого ван-дер-ваальсового зв'язку між їх шарами дозволяє легко отримувати напівпровідникові підкладинки з атомарно-гладкою поверхнею, що у поєднанні з простими технологіями (термічне окислення, ван-дер-ваальсовий контакт гомо- і гетерошарів, хімічний піроліз) дає можливість створювати поверхнево-бар'єрні діоди, р-n-гомо- та гетеропереходи. Це з практичної точки зору робить селеніди індію та галію перспективними сполуками для створення якісно нових напівпровідникових приладів, придатних для фотоелектроніки.

У класичних напівпровідниках питання радіаційної стійкості вирішується шляхом впровадження в кристал додаткових домішок. Їх концентрація повинна бути порівняльною із кількістю радіаційних дефектів, щоб не спричиняти істотних змін параметрів після опромінення кристалів. Натомість, шаруваті кристали в силу своєї природи володіють великою кількістю власних дефектів (до 10¹⁸ см^-3), з якими пов'язують політипізм та одномірну структурну невпорядкованість. Цей факт є відправним для застосування InSe та GaSe в умовах великодозових радіаційних навантажень.

Дослідження радіаційних ефектів у фотодіодах (ФД) на основі шаруватих кристалів А^ІІІВ^VI важливі з практичної точки зору для прогнозування радіаційної стійкості та часу безвідмовного напрацювання фотоперетворювачів в умовах дії різних іонізуючих випромінювань. Водночас число праць, присвячених поведінці приладів на основі InSe та GaSe під дією високоенергетичного випромінювання, вкрай обмежене, а самі дослідження проводилися тільки на бар'єрах Шотткі. Тому для детального вивчення впливу різного роду проникаючих випромінювань на InSe(GaSe)-фотодіоди актуальними є комплексні дослідження зміни їх електричних та фотоелектричних характеристик у широкому діапазоні дозових навантажень. Зауважимо, що більшість даних по деградації параметрів напівпровідників, отримана в інтервалі флюенсів, вищих 10¹² - 10¹³ см^-2. У той же час, часто напівпровідникові структури піддаються дії малих інтенсивностей і потоків частинок, де спостерігаються зовсім інші ефекти. Тому необхідно дослідити і початкові ефекти опромінення ФД на основі шаруватих кристалів з метою визначення та деталізації механізмів процесів, що при цьому відбуваються.

У даній дисертації викладені вище питання розглядаються на прикладі InSe- та GaSe-фотодіодів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота тісно пов'язана з планами науково-дослідницьких робіт Чернівецького відділення Інституту проблем матеріалознавства НАН України, зокрема з темою 0104U006143 “Розробка технології радіаційно стійких напівпровідникових матеріалів для інфрачервоної оптоелектроніки та спінтроніки”, яка виконувалась за постановою Бюро ВФТПМ Президії НАН України № 8 від 13.05.2004 р., з темою 0106U009492 “Розробка нових напівпровідникових матеріалів на основі шаруватих кристалів та дослідження їх радіаційної стійкості в умовах ядерних випромінювань” за договором № К-490 по проекту Державної програми відповідно до постанови Кабінету Міністрів України № 1165 від 08.09.04, та розпорядження Бюро Президії НАН України № 202 від 05.04.2006р., з темою 0107U008435 “Розробка сенсорів на основі радіаційно-стійких гетеропереходів із шаруватих структур для детекторів ядерних випромінювань” за договором № К-1-335 від 01.06.2007 р. по проекту Державної програми відповідно до постанови Кабінету Міністрів України № 1165 від 08.09.04, розпорядження Бюро Президії НАН України № 691 від 14.10.2004 р. та № 178 від 21.03.2007 р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка фотоелектричних пристроїв широкого спектрального діапазону (0,2 - 1,0 мкм) на основі шаруватих селенідів індію та галію і вивчення впливу різних видів радіації на їх електричні та фотоелектричні параметри.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

Створення ФД на основі шаруватих селенідів індію та галію з застосуванням технологій ван-дер-ваальсового контакту гомо- і гетерошарів, термічного окислення, хімічного піролізу, лазерного опромінення.

Розробка технологічних принципів створення фоточутливих гомопереходів на основі p-InSeCd імпульсним лазерним випромінюванням.

Дослідження електричних і спектральних характеристик, механізмів протікання струму через потенціальні бар'єри ФД на основі шаруватих напівпровідників.

Застосування радіаційно-технологічних процесів, а саме “надмалих” доз (до 300 Р) Х- та -випромінювання для отримання структурно-рівноважних систем і покращення параметрів InSe-фотодіодів.

Вивчення закономірностей впливу високоенергетичного випромінювання (Х-промені, -кванти, електрони, нейтрони) на електричні і фотоелектричні параметри ФД на основі шаруватих селенідів індію, галію та дефектну систему цих напівпровідників.

Об'єкт дослідження - ФД різного типу на основі моноселенідів індію та галію; напівпровідники InSe, GaSe, в т.ч. леговані.

Предмет дослідження - вплив високоенергетичного випромінювання на параметри InSe(GaSe)-фотодіодів, напівпровідники селеніди індію та галію. Вплив лазерного випромінювання на шаруватий напівпровідник p-InSeCd.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети використовували наступні методи дослідження:

1. Гальваномагнітні (вимірювання ефекту Холла та електропровідності).

2. Електричні (вольт-амперні (ВАХ), вольт-фарадні характеристики (ВФХ), імпедансна спектроскопія).

3. Фотоелектричні (спектри фотовідгуку, вольт-ватні і ампер-ватні монохроматичні чутливості, навантажувальні характеристики).

4. Рентгеноструктурний аналіз.

5. Комбінаційне розсіювання світла (КРС).

6. Теоретичні моделі, що використовувалися для аналізу експериментальних результатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше виявлено “ефект малих доз” радіації у InSe-фотодіодах як при опроміненні Х-променями ( = 0,056 нм, Е = 22 кеВ, D 80 Р), так і -квантами ⁶⁰Сo (Е = 1,33 МеВ, D 300 Р). Ефект полягав у позитивній зміні параметрів ФД: збільшенні фоточутливості, покращенні коефіцієнта випрямлення, зростанні струму короткого замикання J_кз і напруги холостого ходу U_хх. Якісно пояснено природу змін структурно-домішково-деформаційним впорядкуванням гомо- чи гетеромежі досліджуваних ФД.

2. Вперше досліджено вплив опромінення гальмівними -квантами (Е_еф = 3 МеВ) та високоенергетичними електронами (Е = 12 МеВ) у широкому діапазоні доз (0,14 - 140 кГр для - і 3,3 - 330 кГр для електронного опромінення) на електричні та фотоелектричні параметри ФД n-InSe-p-InSe, власний оксид-p-InSe та p-GaSe-n-InSe. Вплив радіації зводився до виникнення простих точкових дефектів вакансійного типу. При цьому спостерігалося поліпшення всіх електричних та фотоелектричних параметрів ФД, і тільки для максимальних доз і параметра J_кз зафіксовано незначне зменшення.

3. Вперше вивчено вплив реакторного нейтронного опромінення (Е_еф = 1 МеВ) флюенсами 110¹⁴-510¹⁵ см^-2 на ФД In₂O₃:Sn-p-GaSe, р-InSe-n-InSe. На основі спектральних залежностей фотоструму, дослідження механізмів проходження струму через p-n-переходи встановлено, що опромінення призводить до утворення як точкових радіаційних дефектів, так і кластерів, які рівномірно розподілені по об'єму напівпровідника і є ефективними центрами рекомбінації. В області малих флюенсів (10¹¹ - 10¹³ см^-2) гамма-нейтронного опромінення ФД власний оксид-р-InSe, р-InSe-n-InSe спостерігається позитивна тенденція по зростанню напруги холостого ходу, покращенню ВАХ, збереженню спектрального контуру фоточутливості при незначному зменшенні струму короткого замикання.

4. Згідно даних рентгеноструктурного аналізу і КРС встановлено, що -, електронне та нейтронне опромінення не призводять до змін кристалографічної структури та значної модифікації параметрів граток кристалів А^ІІІВ^VI, що свідчить про збереження їх структурної досконалості.

5. Вперше представлено результати по лазерному опроміненню монокристалічного селеніду індію. Обраховано теоретично і встановлено експериментально значення порогової густини енергії лазерного випромінювання ( = 1,06 мкм, ф = 2 мс), при якій починається плавлення поверхні InSe. Визначено поріг руйнування шаруватого кристалу. Встановлено, при яких густинах енергій лазерного випромінювання відбувається інверсія типу провідності приповерхневої області p-InSe.

6. Розроблено метод формування ФД n-p-InSe лазерним опроміненням та проведено їх комплексне дослідження. Вперше запропоновано модель формування p-n-переходу в шаруватому напівпровіднику селеніді індію під дією лазерного опромінення.

Практичне значення одержаних результатів:

Запропоновано технологію суттєвого покращення параметрів ФД на основі шаруватих напівпровідників р-n-InSe та власний оксид-p-InSe, що полягає у опроміненні “надмалими” дозами ( 300 Р) проникаючої радіації.

Дослідження радіаційних ефектів у шаруватих кристалах InSe і GaSe та ФД на їх основі важливі для прогнозування стійкості і термінів роботи фотоперетворювачів в умовах дії іонізуючих випромінювань різного типу. Одержані результати можуть виявитися корисними в інтерпретації основних механізмів радіаційного дефектоутворення і моделей радіаційних пошкоджень в інших шаруватих напівпровідниках.

Результати проведених досліджень поглиблюють розуміння фізичних механізмів, що визначають технічні характеристики фоточутливих структур на основі селенідів індію та галію: діодний фактор, коефіцієнт випрямлення, напруга холостого ходу, струм короткого замикання, спектральний розподіл фотовідгуку, струмові і вольтові чутливості та інші. Одержані в дисертації результати можуть бути застосовані при розробці та виробництві конкурентоспроможних радіаційно-стійких ФД для різних ділянок спектрального діапазону чи нового класу детекторів високоенергетичного випромінювання.

Відсутність значних змін параметрів InSe(GaSe)-фотодіодів при максимальних флюенсах опромінення дозволяє рекомендувати їх для роботи при великодозових радіаційних навантаженнях. Показана висока радіаційна стійкість ФД власний оксид-p-InSe та р-InSe-n-InSe.

Розроблено фізико-технологічний підхід до створення ФД на основі шаруватого напівпровідника InSe лазерним опроміненням. Гомопереходи n-p-InSe характеризуються розширеним діапазоном фоточутливості (від ультрафіолетового до ближнього інфрачервоного) і можуть бути використані як фотоприймачі та перетворювачі сонячної енергії.

Встановлено технологічні умови (вид металу, метод обробки поверхні напівпровідникової підкладинки, температура та тривалість процесу) формування омічних контактів до шаруватих напівпровідників InSe і GaSe.

Особистий внесок здобувача. В усіх наукових роботах, опублікованих у співавторстві, дисертант безпосередньо брав участь у постановці задач та написанні наукових статей. Автору належить суттєва роль в обробці, аналізі, інтерпретації результатів досліджень. Формулювання основних висновків робіт зроблені автором або самостійно, або разом із співавторами опублікованих праць. Крім того, здобувач провів усі технологічні роботи по виготовленню експериментальних зразків ФД [1, 4, 9-12, 14, 15, 17-20], дослідив електричні (ВАХ, ВФХ, навантажувальні характеристики) [1, 3, 4, 6-12, 14, 15, 17-20] та фотоелектричні властивості [1, 3-12, 14, 15, 17-20] діодних структур на основі InSe і GaSe. У роботах [1, 4, 11, 14] дисертант встановив експериментально значення густини енергії лазерного випромінювання, при якій починається плавлення поверхні шаруватого напівпровідника, експериментально підібрав режими створення ФД та визначив поріг руйнування досліджуваного кристала. Роботи [2, 13, 16] виконані автором одноосібно.

Апробація дисертаційної роботи. Основні результати досліджень, викладені в дисертаційній роботі, доповідались й обговорювались на: наукових семінарах Чернівецького відділення ІПМ НАН України; ІІ Українській науковій конференції з фізики напівпровідників УНКФН-2 (Чернівці-Вижниця, 2004); International Conference оn Materials Science аnd Condensed Matter Physics (Chisinau, Moldova, 2004, 2006); European Material Research Society Spring Meeting E-MRS 2005, 2008 (Strasbourg, France, 2005, 2008); Конференції молодих вчених і аспірантів Інституту електронної фізики НАН України ІЕФ-2005, ІЕФ-2007 (Ужгород, 2005, 2007); Міжнародній конференції “Современное материаловедение: Достижения и проблемы” MMS-2005 (Київ, 2005); Всеукраїнській конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2006 (Львів, 2006); 2-ій Міжнародній науково-технічній конференції „Сенсорна електроніка та мікросистемні технології” (Одеса, 2006); Міжнародній конференції “HighMatTech 2007” (Київ, 2007); 9-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии” СИЭТ-2008 (Одеса, 2008); 5^th International сonference ”Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization” МЕЕ-2008 (Yalta, 2008).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 20 робіт, із них 8 - статті у фахових наукових журналах, 2 - статті у Наукових вісниках Чернівецького та Ужгородського університетів і 10 - тези доповідей регіональних і міжнародних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел, що містить 246 найменувань. Загальний обсяг роботи складає 189 сторінок і містить 76 рисунків та 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан наукової проблеми, обґрунтовано необхідність проведення досліджень і відзначено актуальність вибраної теми дисертаційної роботи та її зв'язок з науковими програмами, які виконувалися в Чернівецькому відділенні Інституту проблем матеріалознавства НАН України; сформульовані мета і задачі досліджень; відзначена наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення; наведено дані про апробацію роботи, публікації, особистий внесок дисертанта та зміст розділів дисертації.

У першому розділі подано аналітичний огляд літератури за темою дисертації. Приводяться дані щодо структурних, електричних, оптичних та фотоелектричних властивостей кристалів селенідів індію та галію, що будуть використовуватися в подальшому для аналізу і пояснення експериментальних результатів. Розглянуто різні типи InSe- і GaSe-фотоперетворювачів та їх властивості. Найбільшу увагу приділено питанням впливу високоенергетичного випромінювання на селеніди індію, галію та діодні структури на їх основі.

Зазначено, що більшість робіт по даній тематиці обмежується тільки аналізом спектральних характеристик опромінених шаруватих кристалів InSe та GaSe, а публікації щодо дії радіації на селенід індію р-типу провідності взагалі відсутні. Відмічена незадовільна ситуація з дослідженням впливу проникаючого випромінювання на характеристики ФД на основі кристалів з шаруватою структурою, що сфокусовано тільки на одному типі InSe(GaSe)-фотоперетворювачів - бар'єрах Шотткі. До цього часу залишаються відсутніми комплексні дослідження механізмів формування електричних та фотоелектричних характеристик ФД на основі кристалів з шаруватою структурою, мало вивченими є процеси утворення радіаційних дефектів, вплив останніх на технічні та експлуатаційні характеристики, що не дозволяє прогнозувати поведінку діодів в умовах підвищеної радіації та виробляти рекомендації про покращення їх радіаційної стійкості. На основі проведеного аналізу формуються мета та основні задачі досліджень.

У другому розділі описана технологія вирощування шаруватих кристалів InSe та GaSe. Наведено особливості методик та технологій створення різних типів ФД. Особлива увага приділена розробці технології формування омічних контактів до напівпровідників InSe та GaSe. Описано основні експериментальні методики й установки, що використовувались у роботі для дослідження ВАХ, ВФХ та фотоелектричних вимірів.

Вперше представлено технологію створення фоточутливих гомопереходів n-p-InSe методом лазерного опромінення. Крім того, розглянуто особливості взаємодії лазерного променя з напівпровідниками та створення з його допомогою напівпровідникових бар'єрів.

Для опромінення селеніду індію застосовувався серійний лазер на склі з неодимом типу ГОС-301, що працював у режимі вільної генерації і випромінював на довжині хвилі = 1,06 мкм при характерній тривалості імпульсу 10^-3 с. Порогова густина енергії лазерного випромінювання, що викликала візуально спостережуване випаровування матеріалу з поверхні шаруватого напівпровідника складала, 10 Дж/см². Наступна серія експериментів показала, що у діапазоні 12 - 22 Дж/см² відбувається рівномірне плавлення поверхні шаруватого напівпровідника. Морфологія поверхні погіршувалася зі зростанням енергії. Збільшення густини енергії лазерного випромінювання понад 25 Дж/см² викликало руйнування підкладинок селеніду індію.

На основі досліджень ВАХ діодів, створених лазерним променем з густиною енергії 7 - 22 Дж/см², показано, що утворення р-n-переходу має місце навіть при енергії, недостатній для розплаву поверхні шаруватого напівпровідника (Е 10 Дж/см²), однак найкращими характеристиками володіли ФД, отримані при густині 12 Дж/см² (табл. 1). На рисунку 1,а приведені температурні зміни прямих віток ВАХ даних ФД. Аналіз експериментальних даних приводить до висновку, що механізм струмопереносу в досліджуваному інтервалі не є однаковим. В області низьких температур (236 - 257 К) діодний коефіцієнт n 2,7 - 2,8 і домінуючим є тунелювання. При близьких до кімнатної температурах n набуває значення 2,1 - 2,3, що характерно для протікання генераційно-рекомбінаційних процесів в області просторового заряду. Для Т 328 К проходження струму поступово набирає надбар'єрний характер.

Характерною особливістю спектральної залежності фотовідгуку (рис. 1,б) ФД n-p-InSe є відсутність короткохвильового спаду. Більш того, фоточутливість у високоенергетичній області спектра істотно перевищує крайову, що можна пов'язати з малою концентрацію рекомбінаційних центрів на поверхні.

Таблиця 1

Порівняльні характеристики ФД n-p-InSe, створених лазерним опроміненням

Примітка. Дані отримані усередненням по п'ятьох зразках для кожної з енергій лазерного променя. Тут К_вип - коефіцієнт випрямлення, R_п - послідовний опір

Відмітною рисою створених лазерною технологією p-n-переходів на основі шаруватого напівпровідника InSe є їх стабільність: не було виявлено істотних змін фотоелектричних параметрів упродовж 6 місяців після їх виготовлення (див. вставку до рис. 1,б). Нами зафіксовано довготривалу релаксацію (упродовж 20 діб) параметра U_хх, однак його відносна зміна U_хх для різних зразків складала не більше 4 - 6 %.

Крім того, у даному розділі розглянуто особливості, що визначають поглинання лазерного випромінювання в селеніді індію, та запропоновано модель формування p-n-переходу в р-InSe при лазерному опроміненні.

У третьому розділі досліджено вплив “надмалих” доз ( 300 Р) Х- та -опромінення на InSe-фотодіоди, виготовлені за різними технологіями: посадкою на оптичний контакт, термічним окисленням та лазерним опроміненням напівпровідника; проведено дослідження радіаційної стійкості ФД на основі селенідів індію та галію при дії гальмівних -квантів у широкому діапазоні доз (0,14 - 140 кГр) та розглянуто особливості дефектоутворення.

Х-опромінення зразків здійснювалося на установці типу ДРОН-3. Джерелом служила рентгенівська трубка із срібним катодом ( = 0,056 нм, Е = 22 кеВ). Експозиційна доза (20 - 80 Р) набиралася у залежності від тривалості опромінення. Опромінення -квантами з енергією Е = 1,33 МеВ проводилося за допомогою джерела неперервної дії - ізотопу кобальту ⁶⁰Сo в інтервалі доз 10 -300 Р. Опромінення гальмівними г-квантами проводилося на прискорювачі КУТ-10 ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”. Густина потоку г-квантів дорівнювала 1,610¹¹ г/см²с для фотонів в інтервалі енергій 0,5 - 11,5 МеВ при максимумі 3 МеВ. Доза опромінення накопичувалася в одних і тих же зразках і склала 0,14 - 140 кГр.

Х-опромінення та г-кванти ⁶⁰Со покращували основні параметри InSe-фотодіодів: зростали U_хх, J_кз і коефіцієнт випрямлення К_вип (табл. 2). Відмітимо стабільність фактору неідеальності n ВАХ з опроміненням, а отже і незмінність механізмів струмопроходження.

Таблиця 2

Деякі параметри InSe-фотодіодів до і після Х-опромінення

Форма спектрів фотовідгуку ФД до і після впливу низькодозової радіації (рис. 2) залишається практично незмінною - досліджені дози опромінення приводять тільки до зростання абсолютних значень фотоструму. Звертає на себе увагу наявність екситонного піка на довгохвильовому краю залежності (h) ФД n-InSe-p-InSe, отриманих методом посадки на оптичний контакт. Високі значення екситонної фотопровідності зазвичай пов'язують зі структурною досконалістю шаруватих кристалів та відсутністю неконтрольованих домішок, преципітатів, скупчень дислокацій на поверхні шарів (планарних дефектів) і т.п., які приводять до зменшення часу життя фотозбуджених носіїв заряду і екситонів. Сам факт прояву екситонного піка свідчить про відсутність яких-небудь помітних порушень структури селеніду індію і збереження досконалості гомопереходів після впливу Х-променів чи -квантів.

Приведено якісне пояснення природи ефектів, що спостерігаються при опроміненні ФД на основі шаруватих кристалів “надмалими” дозами радіації. Показано, що основним чинником ініційованих радіацією процесів є відмінності в щільності і характері іонізації при опроміненні Х-променями та -квантами; неоднакове вихідне структурне упорядкування границі розділу для різних типів InSe-фотодіодів; присутність у підкладинках шаруватих напівпровідників механічних напруг, спричинених пластичною деформацією; вихідна нерівноважність та наступна релаксація характеристик шаруватих кристалів.

У даному розділі представлено результати вивчення електричних і фотоелектричних характеристик ФД на основі селенідів індію та галію після опромінення гальмівними -квантами (табл. 3). Загалом, в умовах радіаційного впливу ФД демонструють високу стійкість: зростання показника n є мінімальним, а величина К_вип та всі фотоелектричні параметри покращуються (див. табл. 3). Це доводить, що кількість внесених радіаційних дефектів набагато менша за густину власних дефектів у шаруватих кристалах.

Порівняння спектрів фотовідгуку ФД не показало суттєвих змін з опроміненням енергетичного положення спектрів чи їх форми, що свідчило про відсутність деструктивного впливу на границю р-n-переходу проникаючої радіації. Так, область спектральної чутливості суттєво не змінювалася (див. табл. 3). Спостерігалося тільки зростання абсолютних значень фотоструму. Іншими словами, дія -квантів позначалася в рівній мірі як на об'ємному, так і приповерхневому поглинанні. Відповідно збільшувалася величина монохроматичної ампер-ватної чутливості S_I (див. табл. 3). Відмітимо, що на кривих фотовідгуку в області енергій фотонів h менших, ніж енергія зон-зонних переходів у InSe (E 1,24 еВ), для мінімальної дози опромінення спостерігалося значне зростання фотоструму, який формується за участю переходів екситонів, а при вищих дозах проявляється екситонний пік. Це свідчить про зростання ступеня впорядкованості пакування шарів (“заліковування” власних структурних дефектів), що приводить до підвищення фоточутливості діодів. У той же час, використані дози -радіації були критичними для параметрів традиційних кремнієвих фотодетекторів та викликали їх сильну деградацію (див. табл. 3). Так, фоточутливість Si-діода при максимальній дозі опромінення зменшувалася на 90 %, InSe-фотодіоди демонстрували зростання величини S_I на 30 %. Це ж стосується параметрів U_xx та J_кз.

Стверджується, що відповідальними за взаємодію гальмівних -квантів з досліджуваними об'єктами є комптон-ефект та утворення пар електрон - позитрон. Спостерігалося виникнення точкових дефектів вакансійного типу в умовах надпорогового опромінення. У кристалах InSe і GaSe такими є вакансії атомів металу та халькогена.

Таблиця 3

Деякі параметри ФД до і після опромінення гальмівними -квантами

Проведене ініціювання рентгенограм та спектрів КРС селенідів індію та галію показало незначний вплив -опромінення на зміну вакансійної і домішкової підсистем, збереження їх енергетичних спектрів і структурної досконалості.

У четвертому розділі досліджено вплив високоенергетичних електронів на електричні і фотоелектричні властивості ФД p-InSe-n-InSe, власний оксид-p-InSe та p-GaSe-n-InSe, виготовлених з застосуванням технологій посадки на оптичний контакт та термічного окислення.

Опромінення зразків проводилося на лінійному прискорювачі ЛУЭ-10 ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” електронами з енергією 12 МеВ. Густина потоку електронів складала 1,010¹³ ел/см²с. Доза опромінення накопичувалася в одних і тих же зразках і склала 3,3 - 330 кГр.

Прямі вітки ВАХ опромінених ФД приведено на рис. 3. Спостерігається неістотна зміна експоненціальної залежності струму від напруги і, як наслідок, механізмів струмопереносу через потенціальний бар'єр. Значення коефіцієнта n для досліджуваних ФД вказують на існування надбар'єрного механізму проходження струму. При опроміненні прямі струми, величина яких визначається квазінейтральними областями діодів, збільшуються для меншої дози і зменшуються для більшої. Це вказує на зміну величини послідовного опору ФД, що можна пов'язати з поведінкою провідності матеріалу при опромінюванні.

Для обернених віток ВАХ ФД характерна степенева залежність струму від напруги J U^m, що властиво струмам, обмеженим просторовим зарядом. Показник степеня m послідовно набував значень від 1 до 3. Також спостерігалася незначна зміна польової залежності обернених струмів, пов'язана із зміною послідовного опору підкладки.

Із зростанням дози електронного опромінення спостерігалося збільшення та послідуюче зменшення величини фотовідгуку (рис. 4), що зумовлено появою разом з випромінювальними також і безвипромінювальних центрів рекомбінації і збільшенням ролі безвипромінювальних переходів або процесів Оже для ФД, опромінених максимальною дозою. Таким чином, після дози 3,3 кГр збільшення струмової фоточутливості S_I склало 5 % при послідуючому падінні на 12 - 14%.

Поведінка довгохвильового краю фотовідгуку досліджуваних ФД викликана інтенсифікацією дисоціації екситонів на утворених радіаційних дефектах та може бути пояснена аналогічно -опроміненню.

Аналіз рентгенограм (табл. 4) та спектрів КРС показав несуттєві якісні відмінності між опроміненими і вихідними зразками. У зв'язку з цим, а також враховуючи незначні зміни ВАХ і спектрів фотовідгуку опромінених ФД, зроблено висновок про недостатню величину енергії і дози електронного випромінювання для істотного перетворення власної дефектної структури шаруватих напівпровідників.

Таблиця 4

Зміна параметрів гратки а, с для неопромінених і опромінених електронами шаруватих кристалів

У п'ятому розділі висвітлено результати впливу опромінення реакторними нейтронами на характеристики ФД р-InSe-n-InSe, In₂O₃:Sn-р-GaSе та змішаного потоку гамма-нейтронів на параметри ФД р-InSe-n-InSe і власний оксид-p-InSe.

Опромінення напівпровідникових зразків здійснювалося на прискорювачі КУТ-30 ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” змішаним потоком нейтронів з Е_еф = 8 МеВ та -квантів. Флюенси Ф склали: 1,5?10¹¹ н/см² при -дозі 93?Гр; 1,1?10¹² н/см² при -дозі 680 Гр і 1,2?10¹³ н/см² при -дозі 7,4 кГр. Більші флюенси (1?10¹⁴ - 5?10¹⁵ н/см²) нейтронного опромінення з Е_еф = 1 МеВ були отримані в реакторі ВВР-М ІЯД НАН України.

Аналіз ВАХ дав можливість встановити, що для неопромінених ФД струм через потенціальний бар'єр складався з дифузійної та рекомбінаційної компонент. Показано, що опромінення ФД у діапазоні флюенсів 10¹¹ - 10¹³ н/см² залишало діодний коефіцієнт n незмінним (табл. 5), покращувало параметри К_вип, U_хх і тільки максимальні флюенси 1?10¹⁵ - 5?10¹⁵ н/см² приводили до росту n, падіння U_хх та J_кз. Причиною цього є додаткове дефектоутворення, спричинене радіацією. Також встановлено, що суттєвий внесок у зменшення послідовного опору ФД In2O3:Sn-р-GaSе дає структурна деградація плівки виродженого напівпровідника.

Таблиця 5

Деякі параметри ФД до і після опромінення гамма-нейтронами

Встановлено, що навіть для максимальних значень флюенса спектральний контур фотовідгуку не змінюється і зберігає всі його деталі. При опроміненні зареєстровано збереження інтенсивності екситонного піка для ФД власний оксид-p-InSe, незначне його зменшення для ФД In₂O₃:Sn-р-GaSе та навіть його появу для ФД р-InSe-n-InSe. Це свідчить про збереження структурної досконалості шаруватих кристалів на тлі внесених радіаційних дефектів. Водночас, використані флюенси нейтронного опромінення є суттєвими для параметрів кремнієвих ФД, викликаючи їх сильну деградацію (див. табл. 5).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Розроблено технологічний і дешевий метод виготовлення ФД n-p-InSe лазерним опроміненням, які характеризуються діапазоном фоточутливості від ультрафіолетового до ближнього інфрачервоного випромінювання, та проведено їх комплексне дослідження. При цьому обраховано теоретично та встановлено експериментально значення густини енергії випромінювання неодимового лазера (=1,06 мкм, ф=2 мс), при яких починається плавлення поверхні p-InSe (10 Дж/см²) і відбувається інверсія типу провідності приповерхневої області (7 - 22 Дж/см²); визначено поріг руйнування шаруватих кристалів (25 Дж/см²); запропоновано модель формування p-n-

переходу в селеніді індію під дією лазерного опромінення.

2. Вперше зафіксовано “ефект малих доз” при г- (Е = 1,33 МеВ, D 300 Р) та Х-опроміненні (Е = 22 кеВ, D 80 Р) ФД власний оксид-p-InSe та n-InSe-р-InSe. Він полягав у позитивній зміні параметрів ФД: збільшенні фоточутливості, покращенні коефіцієнта випрямлення, зростанні струму короткого замикання J_кз і напруги холостого ходу U_хх. Якісно пояснено природу цих ефектів на основі структурно-домішково-деформаційного впорядкування гомо- чи гетеромежі. Запропоновано технологію суттєвого покращення параметрів ФД на основі шаруватих напівпровідників шляхом опромінення “надмалими” дозами ( 300 Р) проникаючої радіації.

3. Вперше досліджено вплив опромінення гальмівними г-квантами (Е_еф = 3 МеВ) у діапазоні 0,14 - 140 кГр на ФД p-InSe-n-InSe, власний оксид-p-InSe та p-GaSe-n-InSe. При цьому спостерігалося поліпшення електричних та фотоелектричних параметрів ФД, і тільки для максимальних доз зафіксовано незначне зменшення параметра J_кз.

4. Досліджено дію високоенергетичного (Е = 12 МеВ) електронного опромінення дозами 3,3 - 330 кГр на ФД p-InSe-n-InSe, власний оксид-p-InSe та p-GaSe-n-InSe. Аналогічно г-квантам, вплив такого опромінення зводився до виникнення простих точкових дефектів вакансійного типу. Встановлено, що для мінімальної дози відбувається покращення електричних і фотоелектричних параметрів ФД, а для максимальної - незначні зниження струму короткого замикання і спад фоточутливості.

5. Вперше вивчено вплив реакторного нейтронного опромінення (Е_еф = 1 МеВ) флюенсами 110¹⁴ - 510¹⁵ см^-2 на ФД In₂O₃:Sn-р-GaSе, р-InSe-n-InSe. В області малих флюенсів (10¹¹ - 10¹³ см^-2) гамма-нейтронного опромінення ФД власний оксид-р-InSe та р-InSe-n-InSe спостерігається тенденція по зростанню напруги холостого ходу, покращенню ВАХ при незначному зменшенні струму короткого замикання. Встановлено, що навіть для максимальних значень флюенса спектральний контур фотовідгуку не змінюється і зберігає всі його деталі. Показано, що опромінення призводить до утворення як точкових радіаційних дефектів, так і кластерів, які рівномірно розподілені в об'ємі напівпровідника і є ефективними центрами рекомбінації.

6. Ініціювання рентгенограм і спектрів КРС InSe та GaSe показало незначний вплив -, електронного та нейтронного опромінень на вакансійну і домішкову підсистеми, несуттєві зміни параметрів граток шаруватих кристалів, збереження їх енергетичних спектрів і структурної досконалості. Зроблено висновок, що величини енергій і доз високоенергетичного випромінювання були недостатніми для істотного перетворення власної дефектної структури шаруватих напівпровідників.

7. Радіаційна стійкість InSe(GaSe)-фотодіодів набагато вища у порівнянні з кремнієвими ФД In₂O₃-SiO₂-n-Si та n-Si-р-Si, що дозволяє рекомендувати досліджувані об'єкти на основі шаруватих кристалів як радіаційно-стійкі фотоперетворювачі.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Ковалюк З.Д., Політанська (Cидор) О.А. Створення та дослідження p-n-переходів на p-InSeCd імпульсним лазерним опроміненням // Фізика і хімія твердого тіла. - 2005. - Т.6, №1. - С.146-148.

Політанська (Cидор) О.А. Вплив Х-опромінення на фотоелектричні параметри гетероструктур оксид-InSe // Науковий вісник Ужгородського університету. Серія фізика. - 2005. - Випуск 17. - С.38-42.

Ковалюк З.Д., Катеринчук В.Н., Политанская (Cидор) О.А., Сидор О.Н., Хомяк В.В. Исследование влияния гамма-облучения на гетеропереходы p-n-InSe // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т.31, №9. - С.1-5.

Ковалюк З.Д., Політанська (Cидор) О.А., Заслонкін А.В. Фотоелектричні властивості p-n-переходів на основі p-InSeCd, створених лазерним опроміненням // Науковий вісник Чернівецького національного університету. Фізика. Електроніка. - 2005. - Т.237. - С.69-71.

Ковалюк 3.Д., Катеринчук В.Н., Политанская (Cидор) О.А., Сидор О.Н. Оптимизация фотоэлектрических параметров InSe-гетероструктур гамма-облучением // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2005. - №5 (55). - С.47-48.

Ковалюк З.Д., Катеринчук В.Н., Политанская (Cидор) О.А., Раранский Н.Д. Характеристики гетеропереходов окисел-p-InSe в условиях рентгеновского облучения // ФТП. - 2006. - Т.40, №8. - С.940-943.

Kovalyuk Z.D., Katerynchuk V.M., Politanska (Sydor) O.A., Sydor O.M., Savchuk A.I., Raransky M.D., Palamaryk M.Yu. Change of heterostructures contact potential difference induced by X-ray irradiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics. B. - 2006. - Vol.246, No.1. - P.118-121.

Ковалюк З.Д., Литовченко П.Г., Политанская (Cидор) 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 ІТО - GaSe // ФТП. - 2007. - Т.41, №5. - С.570-574.

Ковалюк З.Д., Политанская (Cидор) О.А., Литовченко П.Г., Ластовецкий В.Ф., Литовченко О.П., Дубовой В.К., Поливцев Л.А.. Влияние нейтронного облучения на фотоэлектрические параметры структур p-n-InSe // Письма в ЖТФ. - 2007. - Т.33, №18. - С.14-22.

Ковалюк З.Д., Политанская (Cидор) О.А., Сидор О.Н., Маслюк В.Т. Электрические и фотоэлектрические характеристики структур на основе слоистых полупроводников InSe и GaSe при облучении электронами с энергией 12.5 МэВ // ФТП. - 2008. - Т.42, №11. - С.1321-1326.

Коvalyuk Z.D., Politanska (Sydor) О.А. Creating and investigation of p-InSe-based p-n-junctions by pulse laser irradiation // Abstracts of the 2nd international conference on materials science and condensed matter physics, - Chisinau, Moldova, September 21-26, 2004. - Р.145.

Катеринчук В.Н., Ковалюк З.Д., Политанская (Cидор) О.А., Сидор О.Н. ІnSe изотипный фотогетеротранзистор // Международная конференция “Современное материаловедение: Достижения и проблемы” MMS-2005, - Киев, 26-30 сентября, 2005. - С.451-452.

Політанська (Cидор) О.А. ІnSe фотогетеротранзистор, створений лазерним випромінюванням // Тезиси доповідей Всеукраїнської конференції студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРИКА-2006, - Львів, 15-17 травня, 2006. - С.49.

Ковалюк З.Д., Політанська (Cидор) О.А., Грицюк Б.М. Ізотипні та анізотипні гетеропереходи на InSe створені лазерним випромінюванням // Тези доповідей 2-ої Міжнародної науково-технічної конференції „Сенсорна електроніка та мікросистемні технології”, - Одеса, 26-30 червня, 2006. - С.222.

Коvalyuk Z.D., Politanska (Sydor) О.А., Maslyuk V.T. Radiative stability of InSe-diodes irradiated with fast electrons // Abstracts of the 3nd international conference on materials science and condensed matter physics, - Chisinau, Moldova, October 2-6, 2006. - Р.239.

Політанська (Cидор) О.А. Вплив іонізуючих випромінювань на електрофізичні властивості структур GaSe-InSe // Тезиси конференції молодих вчених і аспірантів Інституту електронної фізики НАН України ІЕФ-2007, - Ужгород, 14-19 травня, 2007. - С.175.

Максимчук И.Н., Ткаченко В.Г., Ковалюк З.Д., Политанская (Cидор) О.А., Дубинко В.В. Радиационно-стойкие сенсоры ядерных излучений на основе слоистых структур // Международная конференция “HighMatTech 2007”, - Киев, 15-19 октября, 2007. - С.346.

Kovalyuk Z.D., Politanska (Sydor) O.A., Tkachenko V.G., Maksymchuk I.N., Dubinko V.V., Savchuk A.I. Radiation hardness of photodiodes based on indium and gallium monoselenides under influence of -radiation // Abstracts of the European Material Research Society Spring Meeting 2008 E-MRS 2008, Symposium N, - Strasbourg, France, May 26 - 30, 2008. - Р.9.

Ковалюк З.Д., Политанская (Cидор) О.А., Сидор О.Н., Максимчук И.Н., Ткаченко В.Г., Дубинко В.И. Радиационная стойкость фотодиодов на основе моноселенидов индия и галлия при воздействии гамма-квантов // 9-я Международная научно-практическая конференция “Современные информационные и электронные технологии” СИЭТ-2008, - Одесса, 19 - 23 мая, 2008. - С.127.

Kovalyuk Z.D., Politanska (Sydor) O.A., Sydor O.M., Tkachenko V.G., Maksymchuk I.M., and Dubinko V.I. Change of properties of barrier structures based on layered crystals under influence of high-energy irradiation // 5^th International сonference ”Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization” МЕЕ-2008, - Yalta, September 22 - 26, 2008. - Р. 387.

АНОТАЦІЇ

Сидор О.А. Розробка радіаційно-стійких фотодіодів на основі шаруватих структур селенідів індію та галію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2009.

У роботі розроблено фізико-технологічні основи отримання лазерним випромінюванням фотодіодів (ФД) на основі p-InSe, досліджено їх характеристики, запропоновано модель формування p-n-переходу при лазерному опроміненні шаруватих кристалів. Вперше виявлено “ефект малих доз” при Х- та г-опроміненні ФД власний оксид-p-InSe і n-InSe-р-InSe, приведено якісне пояснення природи даного ефекту та запропоновано технологію покращення параметрів ФД на основі шаруватих кристалів низькодозовим (D 300 Р) опроміненням. Вперше досліджено вплив гальмівних -квантів (Е_еф = 3 МеВ, D = 0,14 - 140 кГр) та високоенергетичних електронів (Е = 12 МеВ, D = 3,3 - 330 кГр) на електричні та фотоелектричні характеристики InSe(GaSe) ФД. При цьому спостерігалося поліпшення параметрів ФД, а для максимальних доз - незначне зменшення деяких з них. Вплив радіації зводився до утворення точкових дефектів вакансійного типу. Вперше вивчено вплив гамма-нейтронного (Е_еф = 8 МеВ, Ф = 10¹¹ - 10¹³ см^-2) та реакторного нейтронного опромінення (Е_еф = 1 МеВ, Ф = 110¹⁴ - 510¹⁵ см^-2) на параметри InSe(GaSe) ФД. Показано, що радіація призводить до утворення як точкових дефектів, так і кластерів, що є ефективними центрами рекомбінації. Згідно даним рентгеноструктурного аналізу і спектрів комбінаційного розсіювання світла всі типи опромінення призводять до несуттєвих змін кристалографічної структури, вакансійної і домішкової підсистеми шаруватих кристалів.

Ключові слова: селенід індію, селенід галію, шаруватий кристал, фотодіод, вольт-амперна характеристика, фотоелектричні властивості, -кванти, електронне опромінення, нейтронне опромінення.

Сидор О.А. Разработка радиационно-стойких фотодиодов на основе слоистых структур селенидов индия и галлия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2009.

Работа посвящена разработке фотодиодов (ФД) на основе InSe и GaSe с применением набора технологий (ван-дер-ваальсового контакта гомо- и гетерослоев, термического окисления, химического пиролиза, лазерного облучения) и исследованию влияния различных видов высокоэнергетического облучения на диодные параметры и дефектную систему данных полупроводников.

Разработано физико-технологические основы получения излучением неодимового лазера ( = 1,06 мкм, ф = 2 мс) InSe-фотодиодов, которые характеризуются диапазоном фоточувствительности от ультрафиолетовой к ближней инфракрасной области. Исследовано их электрические и фотоэлектрические свойства. Теоретически рассчитано и экспериментально установлено значения плотности энергии лазерного излучения, при которых начинается плавление поверхности p-InSe (10 Дж/см²) и происходит инверсия типа проводимости приповерхностной области (7 - 22 Дж/см²); определено порог разрушения слоистого полупроводника (25 Дж/см²). Предложена модель формирования p-n-перехода в селениде индия под действием лазерного облучения.

Впервые зафиксирован “эффект малых доз” при г- (Е = 1,33 МэВ, D 300 Р) и рентгеновском облучении (Е = 22 кеВ, D 80 Р) ФД собственный оксид-p-InSe и n-InSe-р-InSe. Он заключался в положительном изменении диодных параметров: улучшении коэффициента выпрямления, увеличении фоточувствительности, тока короткого замыкания J_кз и напряжения холостого хода U_хх. Качественно объяснена природа эффекта на основе структурно-примесно-деформационного упорядочения гомо- или гетерограницы. Облучение “сверхмалыми” дозами (D 300 Р) проникающей радиации предложено как технологию существенного улучшения параметров ФД на основе слоистых полупроводников.

Впервые исследовано влияние облучения тормозными г-квантами (Е_эфф = 3 МэВ, D = 0,14 - 140 кГр) и высокоэнергетическими электронами (Е = 12 МэВ, D = 3,3 - 330 кГр) на электрические и фотоэлектрические характеристики ФД p-InSe-n-InSe, собственный оксид-p-InSe и p-GaSe-n-InSe. При этом наблюдалось улучшение параметров ФД, и только для максимальной дозы зафиксировано незначительное уменьшение величины J_кз. Влияние радиации сводилось к образованию простых точечных дефектов вакансионного типа.

Впервы...