2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение....................................................... 6
Глава 1. Влияние степени неоднородности структуры на сс электро-
физические и фотоэлектрические характеристики.
Аналитический обзор........................................... 13
1.1. Неоднородность поликристаллических фоторсзисторов 13
1.2. Модели, описывающие неоднородные структуры в приближении
фиксированной или подвижной неоднородности...................
................................................................. 17
1.3. Определение неоднородности полупроводниковой структуры 110
частотным характеристикам сс импеданса 21
1.4. Структура и характеристики поликристаллических гетерофазных
слоев С<18-РЬ8 в сравнении с СбБ-СбБе......................... 27
1.4.1. Твердые растворы на основе СбБ-СёБс и СсІЯ-РЬБ................ 27
1.4.2. Процессы, приводящие к деградации полупроводников тина Сб$
под воздействием внешних факторов............................. 32
1.4.3. Увеличение деірадационной стойкости поликристаллических
слоев типа СбБ................................................ 38
1.4.4. Увеличение фоточувствительности поликристаллических слоев
типа СбЯ...................................................... 45
1.5. Фотоемкостные эффекты на структурах, содержащих
фотопроводящие неоднородные слои.............................. 49
1.6. Выводы по главе 1............................................. 53
Глава 2. Особенности электрофизических и фотоэлектрических
характеристик поликристаллических фоторсзисторов типа СсІЯ. проявляющиеся при добавлении РЬБ.............................. 55
з
2.1. Технология получения поликристаллических пленок Ст^Бе-..* и
іиіенок ограниченных твердых растворов СсІ8х8еі.х-РЬ8. 55
2.2. Рснтгеноструктурный анаша поликристатлическнх пленок
СМЗхБеьх-РЬБ..................................................... 56
2.3. Особенности статических характеристик поликристаллических
пленок С<і$х8еі.х-РЬ8............................................ 59
2.3.1. Методика измерения ВАХ, ЛАХ, спектральных
характеристик и коэффициента световой нестабильности.... 59
2.3.2. Методика облучения поликристаллических пленок
и Сб$х5еі.х-РЬ8 электронами средних энергий 61
2.3.3. Исследование ВАХ, ЛАХ и спектральных характеристик поликристаллических пленок Сс18ч8е|.х и Сс18х8е).х-РЬ8 до и
после электронного облучения..................................... 62
2.3.4. Исследование ВАХ, ЛАХ и спектральных характеристик
поликристаллических пленок С<18х8еі.х-РЬ8 до и после приложения постоянного электрического поля высокой напряженности.................................................... 74
2.4. Исследование динамических характеристик поликристаллических
пленок СбБхБеих и Сб8х8еі.х-РЬ8 на деградационную стойкость.
............................................................... 79
2.4.1. Методика измерения зависимости фотоответа от частоты
модулированного освещения и определения времен фотоот вета. .
................................................................. 79
2.4.2. Зависимость фотоответа от частоты модулированного
освещения до и после облучения электронами донороговых энергий.......................................................... 80
2.5. Обсуждение результатов............................................ 82
2.6. Выводы по главе 2................................................. 91
4
Глава 3. Поверхностный фотоемкостный эффект (ФЕЭ) на структурах с
фотопроводящими пленками................................. 94
3.1. Изменение степени неоднородности при 8- и (1- ФЕЭ......... 94
3.2. Физическое и математическое моделирование 8- ФЕЭ 99
3.3. Зависимость люкс - фарадных , спектральных и частотных
характеристик ПЧФК от соответствующих характеристик фоточувствительного слоя....................................... 103
3.4. Характеристики ПЧФК' с пленками СйЗхБеих- РЬЯ в качестве
фоточувствительного слоя. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимое! ей................................ 113
3.5. Расширение функциональных возможностей ПЧФК на основе
пленок CdS.4Se1.x-PbЯ за счет второго гребенчатого электрода.... ................................................................... 119
3.6. Основные результаты и выводы по главе 3......................... 124
Глава 4. Исследование степени неоднородности полупроводниковых
структур с использованием частотных зависимостей импеданса. . 126
4.1. Методика расчета степени неоднородности полупроводниковых
структур по частотным зависимостям мнимой и действительной частей импеданса в приближении фиксированной неоднородности................................................. 128
4.2. Определение диапазона концентраций, имеющих место в
исследуемом образце............................................ 134
4.3. Учет перераспределения концентрации в образце под действием
электрического поля............................................ 137
4.4. Методы решения систем уравнений, имеющих неустойчивое
решение........................................................ 143
4.5. Методика измерения частотных зависимостей мнимой и
5
действительной частей импеданса................................ 146
4.6. Исследование степени неоднородности различных
фотопроводяших структур по описанной методике.................. 148
4.7. Выводы по главе 4.............................................. 157
Заключение................................................. 158
Список литературы.......................................... 162
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Возникающие в последнее время задачи, связанные с развитием полупроводниковой электроники, не могут быть решены только при помощи классических элементарных полупроводников. И с этой целью проводятся интенсивные исследования других, болсс сложных по химическому составу полупроводниковых материалов - бинарных и тройных полупроводниковых соединении [1,2]. Они обладают новым по сравнению с элементарными полупроводниками сочетанием характеристик, что позволяет не только улучшить параметры существующих приборов, но и создавать новые приборы с расширенными функциональными возможностями.
Соединения Л2В(' (типа Сс1Б) являются перспективными материалами для создания целого класса полупроводниковых приборов для оптоэлектроники. Гак, например, средства визуализации изображения (экраны кинескопов, вакуумные люминесцентные индикаторы) не обходятся без использования указанных соединений. Благодаря использованию поликристаллических слоев указанных соединений, для которых существует сравнительно простая технология изготовления твердых растворов с неограниченным и ограниченным диапазонами взаимной растворимости, возможно получать фотоприемники, которые по спектральным характеристикам подходят к широкой гамме излучателей, работающих в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра.
Но использование в микро- и оптоэлекгронике широкозонных полупроводников группы А2 В6 наталкивается на две основные проблемы: малое быстродействие [3,4] и деградация под влиянием внешних воздействий (5,6), что существенно сужает круг их применения
В связи с вышесказанным, исследование поликристаллических слоев на основе ограниченных твердых растворов А В^-А^В6 представляется'актуальным, поскольку позволяет существенно уменьшить проявления таких недостатков полу-
7
проводниковых соединений типа А2В6, как быстрая светоутомляемость и деградация [7], не влияя существенным образом на положение собственного максимума спектральной чувствительности исходного вещества.
Исследование различных структур на основе этих пленок дает возможность изучения свойств пленок в проявлениях различных эффектов. Одним из таких эффектов является малоизученная разновидность фотоемкостного эффекта (ФЕЭ) -8-ФЕЭ, то есть изменение емкости структуры при освещении за счет изменения эффективной площади элекфодов
Изучаемые полупроводники являются неоднородными структурами уже в силу своей поликристаллнчности. Вкрапления РЬ8 можно рассматривать как специфическую неоднородность, приводящую к появлению новых свойств поликри-сталлических пленок типа СбБ. Неоднородное освещение и другие внешние воздействия могут приводить к изменению степени неоднородности полупроводника и проявлению на этом фоне новых свойств и эффектов (в том числе нелинейных). В связи с этим, изучение степени неоднородности полупроводников, се изменение при внешних воздействиях, а также объяснение новых свойств поликристалличе-ских пленок типа Сс15-РЬ8 с учетом роли компоненты близкой но составу к РЬ8 как специфической неоднородности (узкозонной фазы в широкозонной матрице) представляется интересным и актуальным.
Цель работы: Исследование влияния добавок РЬ8 на фотопроводимость и фотоемкостный эффект в пленочных поликрнсталлических образцах Сб8х8е|.х под воздействием внешних факторов (освещение, электронное облучение и электрическое поле) и установление корреляции со степенью их неоднородности.
Для достижения цели решались следующие задачи:
- исследовались люкс-амперные (ЛАХ), волы-амперные (ВАХ), спектральные и температурные зависимости сопротивления и емкости поликристалличе-ских пленочных структур Сс^Ве^х и С(18х8с1.х-РЬ8 до и после электронного облучения и воздействия электрического поля высокой напряженности;
8
- исследовались частотные (модулированный белый свет и переменное напряжение) характеристики пленок Осі^еі* и Сс^Ясьх-РЬЯ;
- уточнялась эквивалентная схема поверхностно-чувствительного фотоконденсатора (ПЧФК), с помощью которой изучался Я-ФЕЭ и проводился расчет, учитывающий влияние параметров ((югопроводящей пленки на характеристики ПЧФК.
- исследовалась степень неоднородности полупроводника при различных механизмах возникновения ФЕЭ (8- и б-ФЕЭ)
- определялось влияние неоднородности исследуемых структур на их характеристики и по частотной характеристике мнимой или действительной частей импеданса определялась доля участков с различной концентрацией носителей заряда;
Научная новизна:
• установлено, что добавка РЬ8 приводит к “отрицательной” фотоутомляемости пленочных фоторезисторов типа С(1$, то есть коэффициент световой нестабильности становился меньше единицы;
• обнаружено изменение наклона люкс-омных характеристик пленочного резистора СсіЗхБе I -х-РЬ.$ при приложении постоянного напряжения в плоскости пленки, причем, впервые установлено, что сопротивление зависит от величины постоянною напряжения не одинаково при разных освещенностях и эта зависимость имеет минимум;
• впервые на пленках указанного состава обнаружен «эффект малых доз» при облучении элекгронами допороговых энергий, то есть после электронного воздействия увеличивался фототок во всем исследуемом диапазоне освещенностей;
• установлено, что добавка РЬЯ существенно увеличивают деградационную стойкость пленочных фоторезисторов типа СсВ к приложению постоянного электрического поля высокой напряженности;
9
• обнаружено, что динамические характеристики образцов Об^Бе^-РЬЯ, снятые при облучении модулированным светом не обнаруживают стойкости к электронному облучению, а, напротив, изменяются после электронного облучения более сильно, чем у образцов без добавления РЬЯ, что позволяет нам сделать предположение о разной реакции времен жизни и фотоответа на электронное облучение.
• предложено объяснение особенностей характеристик пленок СбБ-РЬБ, основанное на предположении о возможности отвлечения носителей заряда и дефектов в узкозонную фазу;
• уточнена эквивалентная схема Г1ЧФК. отражающая принцип действия, основанный на Б-ФЕЭ, и позволяющая по характеристикам фоточувствительного слоя определить зависимости емкости 11ЧФК (а, следовательно, и в-ФЕЭ) от различных внешних воздействий (спектральный состав и интенсивность освещения, температура, электрическое напряжение);
• проведен расчет степени неоднородности по концентрации полупроводниковой пленки типа СбБ с помощью частотных зависимостей действительной или мнимой частей импеданса;
• показано, что 8- и сЦизмснсние емкости за счет изменения эффективной толщины диэлектрика) фотоемкостным эффектам соответствует различное изменение степени неоднородности структуры с ростом освещенности (при 8-ФЕЭ степень неоднородности увеличивается, а при (1-ФЕЭ уменьшается);
Достоверность полученных результатов обусловлена применением в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, корректностью применения общепризнанных методик, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, соответствием результатов расчета экспериментальным исследованиям
Практическая значимость.
10
1. Исследованные в работе пленки CdSxSei.x-PbS обладают повышенной радиационной стойкостью и "отрицательной” фотоутомляемостью, то есп, на основе этих пленок возможны разработки приборов с более стабильными фотоэлектрическими параметрами, работающих в условиях повышенного радиационного фона.
2. Показана возможность использования ПЧФК в качестве фотоконденсатора с управляемыми постоянным напряжением крутизной люкс-фарадной характеристики и рабочим диапазоном освещенностей (диапазон, в котором емкость меняется от минимального до максимального значения). При этом не уменьшается коэффициент перекрытия по емкости. Кроме того, ІІЧФК выгодно отличается от фотоконденсатора на р-п-переходе тем, что имеет более устойчивые характеристики и большее напряжение пробоя.
3. Разработан и опробован метод определения по частотным зависимостям действительной и мнимой частей импеданса полупроводниковой пленки степени ее неоднородности по концентрации.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Добавление к широкозонному полупроводнику' (типа CdS) узкозонного (типа PbS), образующего с основным веществом (CdS) ограниченный ряд твердых растворов, приводит к:
• увеличению дсірадационной стойкости фотопроводника в статическом р жиме при облучении и приложении электрических полей и увеличению фототок после прекращения действия:
а) облучения белым светом (300 лк в течение 1 часа) - «отрицательная» ф тоутомляемость,
б) облучения электронами допороговых энергий (10-20 юВ, доза 10х -1 рад) - эффект «малых доз» для радиационно-стойких образцов,
в) электрического поля высокой напряженности (6.105 В/м);
11
• увеличению изменения фотоотклика при облучении модулированным б лым светом (с частотой модуляции до 3 кГц) после электронного облучения (10-2 кэВ, доза 108 -109 рад);
• появлению минимума на зависимости от освещенности (диапазон 0,1-1000 лк) относительного изменения сопротивления при приложении постоянною напряжения (напряженность электрического поля варьировалась в пределах
3,3 \07 - 6,7 104 В/м ).
Качественное объяснение полученных экспериментальных результатов дается на основе модели неоднородного гетерофазного полупроводника, учитывающей отвлечение носителей заряда и дефектов в узкозонную фазу.
2. Степень неоднородности монополярного полупроводника по концентрации равновесных и неравновесных носителей заряда, определяемая, например, из анализа экспериментальной частотной характеристики импеданса в области максимальной дисперсии, проведенного на основе решения уравнения для переменного тока монополярного полупроводника, учитывающего перераспределение концентрации свободных и связанных носителей заряда под действием электрического поля, по-разному проявляется в фотоемкостных эффектах:
• б-фотоемкостный эффект, основанный на уменьшении эффективной толщины ({ютопроводника, связан с уменьшением степени неоднородности по концентрации с ростом освещенности,
• Я-фотоемкостнын эффект, основанный на увеличении эффективной площади электродов, связан с увеличением степени неоднородности с ростом освещенности.
Апробации работы.
Основные результаты работы докладывались на научно-техническом семинаре “Математическое моделирование физических полей”(Саратов, 1988); на Всесоюзной научной конференции “Фотоэлектрические явления в полупроводниках“ (Ташкент, 1989); на II Всесоюзном тематическом семинаре «Обработка матерна-
12
лов для электронной техники» (Киев, 1989); на Международной конференции “Материаловедение алмазоподобных и халькогенидных нолупроводни-ков”(Украина, Черновцы, 1994), International School - Conference on physical problems in material science of semiconductors. (Chemivtsi, Ukraine, 1995); V Международной конф. по физике и технологии тонких пленок ( Ивано-Франковск, 1995); на Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного ириборос!роения" (Саратов, 1996), на Международной научно-технической конференции “Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах”(Ульяновск, 1997), на региональной научно-практической конференции "Состояние и проблемы развития эколого-экономнческой системы Саратовской области"( Саратов, 1997); на региональной научно-технической конференции "Волга-98” (Саратов, 1998), а также на научных семинарах кафедры физики полупроводников и кафедры физики твердого тела СГУ.
Личный вклад автора состоит в самостоятельном выполнении представленных в диссертации расчетов и экспериментальных исследований, а также в анализе полученных результатов. При использовании результатов других авторов или результатов, полученных в соавторстве, даются соответствующие ссылки на источник.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 научных работах (86-89, 91, 92,95,96,106-113, 120].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 174 стр., включая 36 рисунков, 1 таблицу. В списке использованных источников содержится 125 наименований.
13
Глава 1. Влияние степени неоднородности структуры на ее электрофизические и фотоэлектрические характеристики.
1.1. Неоднородность поликрнсталлических фо юре шпорой.
Одним из самых распространенных неоднородных полупроводников является поликристаллический (или аморфный ) полупроводник [8| Если полупроводник изготовлен из монокристалла, то наличие контактов и свободной поверхности также делает его неоднородным [9].
Многие фотопроводники исследуются и находят применение именно в поликристаллической форме (9,10]. Эго связано, во-первых, с тем, что не все, главным образом новые, полупроводниковые соединения, получены в виде монокристаллов, во-вторых, со сравнительной простотой и дешевизной технологии поликрнсталлических веществ.
Свойства поликрнсталлических пленок определяются рядом специфических особенностей, связанных с наличием границ между кристаллитами и высокой плотностью других дефектов структуры [8]. Естественно ожидать, что свойства самих кристаллитов могут значительно отличаться от свойств межкристаллитных прослоек. Если кристаллитам можно приписать свойства, подобные объемным свойствам данного вещества, то в отношении межкристаллитных прослоек такой определенности нет, так как природа прослоек может быть самой различной: это могут быть и примеси, вышедшие из кристаллитов при их рекристаллизации, и посторонние соединения, образованные из компонентов основного материала и отдельных примесей, и выпаление одного из компонентов состава, и обедненные слои, вызванные захватом носителей поверхностными уровнями кристаллитов и г. д. Может даже реализоваться ситуация, когда прослойки будут определять полностью свойства поликристалличсского материала [8] Отсутствие полной ясности относительно природы межкристаллитных прослоек усугубляет сложность интерпретации результатов измерений.
14
В гетерофазных материалах к перечисленным дефектам добавляется наличие нескольких фаз (например, в поликристалличсской I етерофазной пленке ограниченного раствора С</5(90в<?с.%)-/3Л5(10вес%) могут существовать фазы узкозонного полупроводника РЬЯн широкозоного (т/5), что значительно влияет на физические свойства полупроводника. Кроме того, граница гетероперехода разделяет фазы вещества, отличающиеся по физическим свойствам, в связи с чем в ее окрестности содержится повышенная концентрация неравновесных дефектов структуры. Поэтому характер взаимодействия, к примеру, ионизирующего излучения с полупроводниками в этих условиях неоднозначен. В частности, ионизирующее излучение может стимулировать и процессы геттерирования дефектов границей раздела (111
У фоточувствительных материалов степень неоднородности структуры может меняться при засветке за счет перезарядки энергетических барьеров между кристаллитами, а также за счет прикоитактных явлений (образование слоя, обедненного основными носителями заряда в прнконтактной области при освещении ): при этом меняется характер вольт-амперных и люкс-амперных характеристик. Неоднородность освещения поверхности фоторезистора также увеличивает степень неоднородности материала.
Таким образом, наличие различных по природе неоднородностей существенным, а часто и определяющим образом влияет на фотоэлектрические свойства пленок, и изучение как причин (неоднородностей), так и следствий (новых функциональных возможностей ) представляется интересным и актуальным.
В связи с многообразием дефектов, перед изучением неоднородности структуры и состава пленок с помощью конкретных методов необходимо дать классификацию дефектов, чтобы при анализе результатов эксперимента очертить круг дефектов (неоднородностей), учитываемых нами. Условная классификация дефектов (по их размерам и физической природе) дана в [ 12]. Дефекты
15
подразделяют на объемные и поверхностные. Под поверхностными дефектами понимается наружная поверхность пленки и внутренняя поверхность (границы зерен и др.). Объемные дефекты делятся на микро- , макро- и промежуточных размеров.
К микродефектам относят дефекты атомных размеров: фонолы, точечные дефекты, нестехиометричность и дислокации. Точечные дефекты, например, возникают при облучении полупроводника электронами средних энергий и мы не можем их нс учитывать при обсуждении моделей деградационной стойкости полупроводника.
К дефектам промежуточных размеров относят обычно слоистость в распределении примесей ( шаг которой, как правило, находится в пределах 10-300 мкм), а также херринговские статически распределенные неоднородное!и [13] (то есть равномерно и изотропно распределенные по объему дефекты, размер которых значительно уступает размерам самого образца, но намного превышает размер характеристических длин, таких, как дебаевская длина, длина диффузионного смещения и др.). Слоистая неоднородность - очень распространенный вид неоднородности в полупроводниках [12], кроме того, слоистая неоднородность удобна для моделирования и, поэтому, рассмотрение неоднородного полупроводника в виде слоистой струкіурьі получило достаточно широкое рассмотрение [14].
К макродефскгам от носят дефекты относительно больших размеров (наличие чужеродной фазы, грубые нарушения однородности в распределении примесей, которые могут быть вызваны, в том числе, и внешним воздействием). Таким образом, макроскопические дефекты в полупроводниках можно подразделять на устойчивые (например, технологические) и неустойчивые, возникающие, например, под влиянием неравномерного освещения, нагрева.
Макродефекты, возникшие в результате технологического процесса в широкозонных полупроводниках Л2В6 (СбБ), изучались в работе (15].
- Київ+380960830922