ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК СУЛЬФИДА СВИНЦА С РАЗЛИЧНЫМ ПОТЕНЦИАЛЬНЫМ РЕЛЬЕФОМ ЗОН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Инфракрасная техника в последние годы стала мощным инструментом научных исследований и получила широкое распространение во многих практических приложениях. Своим прогрессом она обязана появлению новых материалов, чувствительных в ИК-области спектра, и технологий их изготовления. В первую очередь это относится к тонкопленочным технологиям и многослойным полупроводниковым структурам. Приборы инфракрасной техники, использующие эти материалы в качестве активных элементов, служат для регистрации и преобразования излучения ИК-диапазона в аналоговые или цифровые сигналы, легко поддающиеся компьютерной обработке. Реализованная в подобных устройствах обратная связь превращает их в удобные элементы управления различными техническими системами и механизмами. С физикой и технологией тонких полупроводниковых пленок связаны достижения и перспективы развития микроэлектроники, оптики, приборостроения, оптоэлектроники.

Одно из достойных мест в ряду узкозонных полупроводников, используемых для создания на их основе тонкопленочных детекторов, занимает сульфид свинца. Детекторы на их основе работают в спектральном интервале 0,6-3 мкм и интервале температур 77-350 К в зависимости от предъявляемых требований и особенностей их применения. В список наиболее распространенных областей применения ИК-фотоприемников на основе сульфида свинца (PbS) входят звездные, спектрографические датчики, медицинские, исследовательские инструменты, сортирующие, счетные, контролирующие приборы, регистраторы пламени, системы определения положения тепловых источников, управление ракетами, следящие системы, исследования в области летательных аппаратов, измерение мощности в лазерных системах.

Большинство вышеперечисленных практических приложений ИК-фотоприемников сопряжено с использованием для преобразования информационных сигналов сложных электрических схем. В связи с этим дальнейшим шагом в развитии и усовершенствовании указанных ИК-фотоприемников является создание такой технологии, в процессе которой электрические схемы усиления, коммутации и обработки сигналов и ИК-фоточувствительная пленка были бы совмещены на единой подложке, например, кремнии. Сначала на кремнии при помощи фотолитографии формируются все необходимые электрические схемы, а затем в предусмотренном месте сверху наносится ИК-фоточувствительная пленка. Наличие такой технологии открывает принципиально новые возможности для использования ИК-фотоприемников в различных областях науки и техники и отвечает всем необходимым практическим требованиям современного уровня.

Актуальность темы.

В связи с вышеизложенным, в физике и технике узкозонных полупроводников актуальными являются следующие задачи:

С научной точки зрения интересной представляется задача по определению механизма токопереноса и фоточувствительности пленок, нанесенных на кремниевые подложки. Это обусловлено тем, что на кремниевые подложки необходимо наносить пленки с различным потенциальным рельефом зон. В литературе же рассмотрены механизмы токопереноса и фоточувствительности только для пленок сульфида свинца с ярко выраженным потенциальным рельефом зон.

С технической точки зрения важной задачей является создание технологии нанесения фоточувствительных в ИК области спектра пленок на кремниевую подложку, содержащую электрические схемы усиления, коммутации и обработки информационных сигналов. Основными требованиями, предъявляемыми к таким структурам, являются высокая фоточувствительность, хорошая технологичность, легкая совместимость с внешними электрическими цепями коммутации и обработки сигнала, и, не в последнюю очередь, дешевизна изготовления.

Тема диссертации связана с планом научно-исследовательских работ НИИ физики ОГУ и выполнялась в соответствии с темой (номер госрегистрации 01974017680) «Влияние технологии получения и внешних факторов на свойства и механизм фотопроводимости поликристаллических пленок халькогенидов свинца» с 1997 г. по настоящее время, а также договора о научно-техническом сотрудничестве между НИИ физики ОГУ и Конструкторско-технологическим институтом прикладной микроэлектроники СО РАН (г. Новосибирск). Согласно этому договору, изготовление кремниевых подложек со схемами коммутации и нанесение на них пленок сульфида свинца методом химического осаждения осуществлялось в лаборатории КТИПМ СО РАН.

Цель работы.

Цель данной работы состоит в следующем:

1.                 Изучение механизмов токопереноса и фоточувствительности пленок сульфида свинца с различным потенциальным рельефом зон и влияния технологических факторов на эти механизмы.

2.                 Создание технологии нанесения фоточувствительных пленок сульфида свинца на кремниевую подложку со схемами коммутации сигналов и исследование их структуры.

Научная новизна.

1.                 Впервые экспериментально установлены отличительные особенности токопереноса и фоточувствительности в пленках сульфида свинца с различным потенциальным рельефом зон и выявлены причины, ответственные за эти отличия (содержание оксидных фаз, определяющие параметры потенциальных барьеров для носителей тока). Так, например, отличительной особенностью пленок со слабо выраженным потенциальным рельефом зон является увеличение высоты дрейфовых барьеров с повышением температуры и надбарьерный механизм токопереноса. В пленках же с ярко выраженным потенциальным рельефом зон - различие в высотах дрейфовых и рекомбинационных барьеров и наличие сравнимого с надбарьерным туннельного механизма токопереноса не только для дырок, но и для электронов.

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

3.                 Впервые для нанесения фоточувствительных пленок сульфида свинца использовали метод пульверизации, позволивший создавать пленки, обладающие отличительными для этого метода свойствами (надбарьерным механизмом токопереноса, малым временем релаксации фотовозбуждения, оптимальным размером кристаллитов, отсутствием необходимости термообработки для очувствления фотопроводимости, и др.).

4.                 Впервые с учетом физических свойств пленок сульфида свинца (наличия участка отрицательной дифференциальной фотопроводимости, нелинейности ВАХ и др.) проведен анализ тепловых режимов работы неохлаждаемых фотоприемных устройств ИК-излучения на их основе и даны рекомендации по выбору режимов работы, обеспечивающих оптимальную фоточувствительность пленок.

Практическое значение полученных результатов

1.                 Усовершенствован метод химического осаждения пленок сульфида свинца путем выяснения влияния окислителя на механизм фотопроводимости таких пленок.

2.                 Впервые создан датчик ИК-излучения на основе пленок сульфида свинца с использованием для их получения метода пульверизации и отличающихся, в связи с этим, низкой инерционностью.

3.                 Установлены режимы работы неохлаждаемых фотоприемных устройств ИК-излучения на основе пленок сульфида свинца, при которых эти устройства обладают оптимальными характеристиками. Решена и обратная задача. По заданному режиму работы фотоприемного устройства выработаны критерии отбора пленок, для которых устройство будет обладать оптимальными характеристиками.

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

Апробация результатов диссертации.

Результаты, полученные в диссертации, представлялись на V Международном съезде по химическим сенсорам в Риме, IV и V Международных конференциях по физике и технологии тонких пленок, Ивано-Франковск, III Международной конференции "Материаловедение и свойства материалов для инфракрасной микроэлектроники", Ужгород, XI Научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", Москва, журнале "Неорганические материалы", РАН, в «Оптическом журнале», в выпуске «Фотоэлектроника», в специальном выпуске SPIE Proceedings, на Международной научно-практической конференции "Экология городов и рекреационных зон", на Международной научно-практической конференции "Вода и здоровье - 98". Имеется свидетельство о научно техническом достижении.

Публикации.

Результаты, приведенные в диссертации, были опубликованы в пяти научных статьях в журналах и сборниках, включенных в реестр ВАК Украины, в двух Трудах международных конференций, шести тезисах конференций и одном свидетельстве о научно-техническом достижении, всего 14 публикаций.

          Структура дисертации.

Диссертация состоит из вступления, пяти глав, выводов и списка использованной литературы. Полный объем диссертации составляет 133 страницы, в том числе 86 страниц основного текста, 31 рисунок, библиографический перечень из 112 наименований, включая собственные публикации автора и отдельный список собственных публикаций автора.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

          Во вступлении обоснована актуальность темы, обозначена цель работы, определена ее научная новизна и указана практическая ценность.

          Первая глава диссертации посвящена рассмотрению и анализу литературных данных и основных положений известных моделей токопереноса и фоточувствительности поликристаллических полупроводниковых пленок сульфида свинца. Рассмотрены физические механизмы, объясняющие особенности токопереноса и фоточувствительности в рамках каждой из этих моделей. Подробно рассмотрены модели электростатического потенциального барьера (§1.1), продольного p-n перехода (§1.2) и модель Мотта (§1.3).

          Во второй главе поставлена задача получения фоточувствительных пленок сульфида свинца на кремниевых подложках с уже имеющимися на них схемами коммутации и обработки информационных сигналов. Из анализа существующих способов получения фоточувствительных пленок сульфида свинца ("физические" и "химические" слои) выявлено, что наибольшими преимуществами для решения поставленной задачи обладает способ получения пленок методом химического осаждения из раствора (§2.1). Кроме этого, нами предложена также технология нанесения пленок сульфида свинца на кремниевые подложки со схемами коммутации и обработки сигнала методом пульверизации растворов (§2.2). Для каждой из указанных технологий установлены составы ванн и режимы для получения фоточувствительных пленок сульфида свинца с наилучшими характеристиками. Обнаружено, что оптимальные по своей фоточувствительности пленки сульфида свинца, полученные методом химического осаждения из раствора, имеют плохую адгезию к кремнию. Поэтому предложено проводить химическое осаждение в два этапа: вначале наносить не фоточувствительный слой сульфида свинца (подслой), имеющий хорошую адгезию к кремнию, а на него - фоточувствительный слой сульфида свинца, имеющий хорошую адгезию к подслою. При использовании для нанесения пленок метода пульверизации эти два цикла объединены в единый технологический процесс. В результате готовый образец имеет структуру, показанную на рис.1.

 Рис.1. Схема образца, полученного методом химического осаждения.

В третьей главе описываются результаты исследований фазового состава и структуры пленок сульфида свинца, изготовленных методами химического осаждения и пульверизации.

В §3.1 приведены результаты рентгенографического анализа фазового состава пленок. Пленки сульфида свинца измерялись на рентгеновском дифрактометре "ДРОН-3М" в медном излучении на длине волны λ=1.542 Å (k_hkl), с фокусировкой по Брэггу - Брентано, с использованием графитового монохроматора. Съемка производилась с вращением при использовании гониометрической приставки ГП-13.

Исследования фазового состава пленок сульфида свинца, полученных методом химического осаждения показали, что в них, помимо сульфида свинца, обнаруживаются и оксидные фазы типа PbO, PbSO₄ и PbO∙PbSO₄. В пленках, приготовленных по методу пульверизации, содержание оксидных фаз не превышает ≈5% и интенсивность линий, характерных для них, сравнима с уровнем фона. Содержание оксидных фаз в пленках, изготовленных методом химического осаждения, увеличивается после длительного отжига пленок на воздухе при температурах более 100 ˚С. Такая же термообработка, проведенная и для пленок сульфида свинца, изготовленных методом пульверизации, показала, что даже семичасовый отжиг при температуре около 100ºС не приводит к дополнительному появлению оксидных фаз, процентное содержание которых в пленке превысило бы величину погрешности измерений (или фона). Установлено также, что после отжига в кристаллитах происходят структурные изменения (о чем можно судить по увеличению характерных для PbS максимумов на рентгенограммах).

В §3.2 приведены результаты исследования структуры пленок сульфида свинца методом электронной микроскопии с использованием просвечивающего электронного микроскопа ЭМВ-100 ЛМ. Известно, что для пленок сульфида свинца существует оптимальный размер кристаллитов, при котором их фоточувствительность максимальна (0.1-0.2∙10^-6 м.). Получить пленки с оптимальным размером кристаллитов можно либо в результате тщательной отработки технологии приготовления, либо дополнительными обработками (например, отжигом в кислородсодержащей атмосфере).

Поэтому исследование структуры пленок сульфида свинца с целью определения размеров кристаллитов является неизбежным условием для оптимизации параметров пленок. Установлено, что пленки, полученные методом пульверизации, имеют размеры кристаллитов, близкие к оптимальным, и дальнейшей термообработки не требуют. В пленках же, полученных методом химического осаждения, размеры кристаллитов несколько меньше оптимальных. С целью увеличения размеров кристаллитов и доведения их до оптимальных проводилась термообработка таких пленок на воздухе при различных температурах и продолжительностях отжига. Анализ отожженных пленок сульфида свинца, полученных методом химического осаждения, показал, что с увеличением продолжительности отжига размеры кристаллитов увеличиваются и достигают оптимальных, что улучшает их фотоэлектрические свойства и чувствительность ИК-датчиков на их основе.

В §3.3 указаны основные недостатки метода электронной микроскопии (такие, как трудоемкость, продолжительность, дороговизна и, главное, разрушение исследуемых образцов, что делает невозможным их дальнейшее исследование) для быстрой диагностики качества приготовляемых образцов пленок. Поэтому весьма важной задачей является нахождение неразрушающего оперативного метода определения размеров кристаллитов пленки. В качестве такого экспресс-метода контроля получаемых пленок впервые предложено использовать метод корреляционной спектроскопии. Измерения размеров кристаллитов этим методом образцов пленок сульфида свинца, полученных по разным технологиям и подвергнутых отжигу различной длительности при различных температурах, показали хорошее совпадение с результатами исследований при помощи электронной микроскопии. Таким образом, показана эффективность использования метода корреляционной спектроскопии в качестве экспресс-метода для достоверного определения характерных размеров кристаллитов, образующих пленку, без длительных и разрушающих образцы исследований при помощи электронного микроскопа.

          В четвертой главе исследуются электрические и фотоэлектрические свойства пленок сульфида свинца с различным содержанием оксидных фаз, ответственных за формирование потенциального рельефа зон для носителей заряда в таких пленках.

          В §4.1 определяется тип проводимости пленок с различным содержанием оксидных фаз. Показано, что по мере увеличения содержания оксидных фаз проводимость пленок изменяется от n-типа к p-типу. Если же слои с различным типом проводимости нанести один на другой, то типы проводимостей в пленках сохраняются, а в процессе эксплуатации или термообработки таких структур происходит смещение пленки с n-типом проводимости к p-типу.

          В §4.2 и §4.3 обоснован выбор контактов для фоточувствительной пленки сульфида свинца, приводится методика исследования и схема установки для электрических и фотоэлектрических измерений.

          В §4.4 приведены температурные зависимости темнового тока и фототока в пленках сульфида свинца с различным содержанием оксидных фаз.

          Показано, что в пленках с низким содержанием оксидных фаз наблюдается сложная температурная зависимость темнового тока I_d(T) с энергией активации, в свою очередь зависящей от температуры. Анализ такой зависимости I_d(T), выполненный в §4.6.1, показал, что существенным моментом в объяснении возрастания энергии активации может явиться предположение об увеличении высот потенциальных барьеров на границах кристаллитов с ростом температуры. Это может произойти, по крайней мере, по двум причинам: если имеет место нарушение условия детального равновесия между межзеренной границей и зоной проводимости, при котором захват электронов на межкристаллитные поверхностные уровни превосходит их эмиссию, или если появляется туннельный ток, приводящий к зарядке межкристаллитных поверхностных состояний.

          С повышением процентного содержания оксидных фаз на температурной зависимости I_d(T) появляется экспоненциальный участок темнового тока, который целиком определяет характер температурного поведения проводимости пленок с высоким содержанием оксидных фаз. Указанная зависимость хорошо коррелирует с холловскими измерениями знака основных носителей тока (§4.1). Такая корреляция свидетельствует о том, что экспоненциальный участок зависимости темновой проводимости связан с образованием инверсионных каналов в приповерхностной области кристаллитов с p-типом проводимости.

          В образцах с малой концентрацией оксидных фаз фотопроводимость практически отсутствует, и начинает появляться, когда происходит инверсия знака основных носителей тока и возникает p-n-переход в приповерхностной области кристаллитов, что и является причиной появления фоточувствительности, благодаря пространственному разделению на нем фотоносителей. Температурная зависимость фототока в таких фоточувствительных образцах характеризуется слабой активацией фототока в области низких температур и гашением при температурах, превышающих 230 К. Для выяснения причины такого изменения фототока проводили изучение величины дрейфовой подвижности и постоянной времени спада фототока, которые показывают, что активация фототока объясняется более сильным активационным возрастанием подвижности носителей по сравнению с уменьшением времени их жизни. Обнаружено также смещение температурного максимума фототока в область более высоких температур при увеличении содержания оксидных фаз.

          Анализ приведенных выше результатов свидетельствует, что величина концентрации оксидных фаз в пленках сульфида свинца определяет процесс формирования в них различных по величине рекомбинационных и дрейфовых барьеров, которые, в свою очередь, определяют величину темновой проводимости и фотопроводимости пленки, а также их поведение при изменении температуры.

          Неодинаковый потенциальный рельеф зон должен оказывать влияние и на ВАХ образцов при темновом токе и фототоке. Выяснению этого посвящен §4.5.

          Обнаружено, что с изменением содержания оксидных фаз в пленках наблюдается отличия и в ВАХ темнового тока и фототока.

          Для образцов с малым содержанием оксидных фаз ВАХ темнового тока I_d(U), измеренные при температуре T~200 К, обнаруживает слабую сверхлинейность при уровнях приложенного напряжения свыше 75 В. Степень отклонения зависимости I_d(U) от линейности возрастает с повышением температуры измерений, а точка перехода незначительно смещается в область меньших напряжений.

          На ВАХ фототока I_f(U) для таких пленок при напряжениях U>U_п и температурах измерений свыше 200 К наблюдается участок отрицательной дифференциальной проводимости (ОДП), на котором увеличение приложенного напряжения вызывает уменьшение величины протекающего фототока. В области же напряжений U<U_п зависимость I_f(U) подчиняется закону Ома. Анализ полученных зависимостей I_f(U) показывает, что появление ОДП соответствует участку температурного гашения фототока, а повышение температуры измерений приводит к смещению точки начала области ОДП в сторону меньших напряжений. Следует также отметить, что вид кривых I_f(U) не зависит от мощности возбуждающего света.

          Характерной особенностью образцов с высоким содержанием оксидных фаз является нелинейность ВАХ I_d(U), которая наступает при уровнях приложенного напряжения свыше 45 В, и при этом напряжение, соответствующее переходу к сверхлинейности ВАХ, практически не зависит от температуры.

          На ВАХ фототока I_f(U) наблюдается участок ОДП, начало которого совпадает с переходом к сверхлинейной зависимости I_d(U) и также не зависит от температуры измерений. Следует отметить тот факт, что на участке ОДП по мере увеличения приложенного к образцам напряжения наблюдается значительное повышение уровня шума и уменьшение величины времени жизни носителей заряда, определяемой по спаду кривой релаксации фототока.

          Необходимо подчеркнуть, что наблюдаемые особенности ВАХ I_d(U) и I_f(U) для пленок с высоким содержанием оксидных фаз сохранялись и в условиях, исключающих термический разогрев пленок, когда измерения проводились непосредственно в жидком азоте. Для образцов с низким содержанием оксидных фаз в этом случае ВАХ I_d(U) и I_f(U) были линейными во всем исследованном интервале прикладываемых напряжений (до 100 В).

          Наблюдаемые особенности ВАХ I_d(U) и I_f(U) для пленок с низким содержанием окислителя, как показано в §5.1, могут быть объяснены моделью, учитывающей джоулев разогрев пленок при протекании тока. В этом случае начало области ОДП наблюдается в диапазоне температур, в котором дополнительный джоулев разогрев приводит к температурному гашению фотопроводимости.

          В случае образцов с высоким содержанием оксидных фаз наиболее вероятной причиной вышеописанного поведения ВАХ I_d(U) и I_f(U) , на наш взгляд, является туннелирование электронов сквозь межкристаллитные барьеры. При превышении туннельным электронным током омического дырочного ВАХ I_d(U) переходит на сверхлинейный участок, а на кривой I_f(U), вследствие увеличения темпа рекомбинации, появляется участок ОДП. Теоретические расчеты, выполненные в §4.6.2 с учетом этого, показали хорошее соответствие с экспериментальными данными.

Пятая глава посвящена исследованию особенностей режимов работы неохлаждаемых фотоприемных устройств на основе пленок сульфида свинца. Необходимость такого исследования вызвана тем, что, как показано в предыдущей главе, в пленках сульфида свинца (а, следовательно, и в фотоприемных устройствах на их основе) наблюдается уменьшение сигнала за счет эффекта термополевого гашения фототока. Этот эффект наблюдается при повышении температуры пленки, что может происходить во время работы неохлаждаемой многоэлементной фотоприемной матрицы в результате выделения Ленц-Джоулева тепла. Таким образом, тепловой режим работы узкозонных фотоприемных устройств с оптимальными характеристиками имеет ограничения, которые требуют анализа и количественной оценки.

В §5.1 такой анализ проведен для фотоприемного устройства на основе пленки сульфида свинца, полученной методом пульверизации раствора. Показано, что при определенных условиях протекание тока в фоточувствительных слоях такого устройства приводит к выделению Ленц-Джоулева тепла, способного произвести дополнительный разогрев пленки, приводящий к гашению фототока. Проведенные расчеты позволили определить режимы и условия, при которых датчик работает с максимальной фоточувствительностью. Кроме этого, такие расчеты дали возможность прогнозировать параметры фоторезисторов на этапе их изготовления для работы в заданном рабочем режиме с оптимальной фоточувствительностью.

В §5.2 анализ тепловых режимов работы проведен для матричных модулей на основе халькогенидов свинца в двух режимах работы: режиме постоянного включения всех фоторезистивных элементов и схем коммутации, усиления и считывания сигнала и режиме поэлементного опроса, при котором схемы обработки информации, сформированные на кремниевой подложке, включены постоянно, а фоторезистивный элемент включается лишь на время съема с него информации.

Показано, что в обоих режимах в зависимости от условий работы реальных матричных модулей, фоточувствительность матричных приемников излучения может как увеличиваться, так и уменьшаться, приводя к ухудшению эффективности работы этих структур.

В результате теоретических расчетов получены формулы, позволяющие для обоих режимов определить оптимальные и граничные условия работы реальных матричных структур, а также оценить, какое количество теплоты необходимо отводить для оптимальной работы модуля.

В §5.3 обсуждается возможность применения датчиков ИК - излучения в радиационной экологии.

ВЫВОДЫ

1.  Для формирования на поверхности кремниевой подложки со схемами коммутации фоточувствительного слоя сульфида свинца использован метод химического осаждения, который применялся в два этапа, отличающихся различным содержанием окислителя в рабочих растворах.

2.  На основе метода пульверизации предложен способ нанесения фоточувствительных пленок сульфида свинца на кремниевую подложку, позволяющий варьировать состав рабочих растворов в едином технологическом процессе.

3.  Установлено, что в пленках, приготовленных методом пульверизации, содержание оксидных фаз типа PbO, PbSO₄, PbO·PbSO₄, определяющих тип проводимости этих пленок, в процентном соотношении не превышает 5 %, и их содержание не возрастает при термической обработке пленок на воздухе.

4.  Показаны возможные пути доведения размеров кристаллитов, формирующих пленку, до оптимальных путем термического отжига пленок на воздухе. Предложен экспресс-метод неразрушающего контроля размеров кристаллитов в пленках с использованием корреляционной спектроскопии.

5.  Экспериментально установлено, что тип проводимости и потенциальный рельеф зон пленки сульфида свинца, приготовленной методом химического осаждения, определяется концентрацией окислителя в рабочих растворах. Выяснено, что в процессе эксплуатации структуры подслой n-типа проводимости и фоточувствительный слой р-типа проводимости, нанесенные на кремниевую подложку один на другой, происходит изменение типа проводимости подслоя.

6.  Установлено, что вид температурных зависимостей темнового тока и фототока в пленках сульфида свинца с различны потенциальным рельефом зон, определяется температурными зависимостями времени жизни и подвижности основных носителей тока. Их же температурные зависимости, в свою очередь, обусловлены наличием рекомбинационных и дрейфовых барьеров, высоты которых неодинаковы. Показано, что в пленках, в которых потенциальный рельеф зон слабо выражен (пленки с n-типом проводимости) высоты дрейфовых барьеров с повышением температуры увеличиваются.

7.  Показано, что участок отрицательной дифференциальной проводимости на ВАХ фототока и сверхлинейная зависимость ВАХ темнового тока в пленках с различным потенциальным рельефом зон обусловлены различными причинами. В пленках со слабо выраженным потенциальным рельефом зон особенности ВАХ связаны с выделением Ленц-Джоулева тепла в условиях температурного гашения фототока. В пленках же с ярко выраженным потенциальным рельефом зон эти особенности вызваны туннельными процессами в межкристаллитных прослойках. Причем туннелирование сквозь межкристаллитные барьеры имеет место не только для дырок, как в предлагаемых ранее моделях, но и для электронов.

8.  Выяснено, что в пленках с ярко выраженным потенциальным рельефом зон (пленки с p-типом проводимости), помимо надбарьерной имеет место и туннельная рекомбинация носителей заряда. Туннельная рекомбинация ответственна за участок отрицательной дифференциальной проводимости на ВАХ фототока.

9.  Разработан ИК-датчик на основе пленки сульфида свинца, приготовленной методом пульверизации и описана возможность его применения в радиационной экологии. Определены тепловые режимы работы и изменения фотоэлектрических характеристик таких датчиков в результате Ленц-Джоулева разогрева в процессе их эксплуатации без охлаждения. При этом выяснены оптимальные режимы их работы, для которых не наблюдаются термополевое гашение фототока, приводящего к потере чувствительности датчика.

10.     Проведен анализ двух тепловых режимов работы фотоприемной матрицы в зависимости от способа опроса ее 256 элементов (режиме постоянного включения всех фоторезистивных элементов и схем коммутации, усиления и считывания сигнала, и режиме поэлементного включения, при котором схемы обработки информации, сформированные на кремниевой подложке, включены постоянно, а фоторезистивный элемент включается лишь на время считывания с него информации). Даны рекомендации по выбору оптимальных условий работы неохлаждаемого матричного модуля из халькогенида свинца, выполненного по монолитной технологии на кремниевой подложке. Предлагаемая модель позволяет определить оптимальные и граничные условия работы реальных матричных структур на основе сульфида свинца, а также определить, какое количество теплоты нужно отводить для оптимальной работы модуля.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

АННОТАЦИЯ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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