Влияние процессов фазообразования на фотоэлектрические свойства поликристаллических пленок селенида свинца

Поликристаллические пленки полупроводниковых соединений AIV — BVI интенсивно исследуются в связи со значительным расширением области использования оптоэлектронных датчиков на их основе в аппаратуре различного функционального назначения. Область приложений таких ИК-систем включает экологический мониторинг, газовый анализ взрывоопасных, токсичных и пожароопасных сред, контроль состава углеводородсодержащих жидкостей, контроль предельно допустимых концентраций газов в промышленных и бытовых помещениях, системы сигнализации утечки метана или пропан-бутановой смеси в жилых помещениях, системы технологического контроля при производстве полимерных материалов и т. д. Широкое применение приемников инфракрасного излучения обусловлено тем, что в области спектральной чувствительности материалов этого класса находятся полосы поглощения углеводородов CnHm, СО, СОг, полимерных материалов, бензолов, паров воды и т. п. Сдерживающим фактором в разработке и применении светоизлучающих и фотоприемных структур на основе соединении.

AIV Bvi являются известные проблемы технологии их получения, временной и температурной стабильности. Очевидно, что решение указанных проблем связано с более детальными комплексными исследованиями взаимосвязи технологических режимов синтеза структур с их физико-химическими, электрофизическими и фотоэлектрическими свойствами.

К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал, посвященный исследованию фоточувствительных свойств халькогенидов свинца. Однако данные носят достаточно противоречивый характер, что, как следствие, приводит к многообразию моделей фотопроводимости поликристаллических слоев на основе полупроводниковых соединений AIV — BVI.

На наш взгляд, неоднозначность сравнительного анализа экспериментальных данных может быть связана с отсутствием до последнего времени в распоряжении исследователей оборудования для проведения комплексных исследований, включающих как локальные методы исследования элементного и фазового состава структур, так и комплекс методик для изучения электрофизических и фотоэлектрических свойств пленок на всех этапах их синтеза. Необоснованным также представляется построение общих моделей фотопроводимости на основании экспериментальных данных, относящихся к слоям, синтезированным с использованием принципиально различных технологий — вакуумным нанесением и химическим осаждением.

Как следствие, к настоящему времени в литературе не сложилось устоявшегося мнения о механизмах формирования фоточувствительных структур, а также о роли технологических режимов синтеза, определяющих фоточувствительные свойства пленок. Очевидно, что оптимизация технологии, повышение эксплуатационных характеристик сенсоров требует создания единой физико-технологической модели формирования фоточувствительных слоев, учитывающей связь технологических режимов и свойств готовых структур.

Целью работы являлось проведение комплексных исследований тонких поликристаллических пленок селенида свинца на различных этапах их формирования для выявления взаимосвязи технологических режимов и свойств исходных материалов с электрофизическими и фотоэлектрическими характеристиками слоев, использующихся в качестве фотоприемных и излучающих структур.

Основные задачи, решаемые в диссертационной работе: 1. Разработка технологии синтеза тонких фоточувствительных поликристаллических слоев на основе селенида свинца методом термического вакуумного напыления.

2. Исследование процессов окисления и оптимизация параметров очувствляющего отжига поликристаллических слоев на основе селенида свинца в кислородосодержащей атмосфере.

3. Комплексное исследование физико-химических, электрофизических и фотоэлектрических свойств пленок на всех этапах их синтеза и очувствляющего отжига.

4. Исследование влияние процессов сорбции-десорбции на механизмы транспорта носителей заряда и фотоэлектрические свойства структур на основе селенида свинца.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые проведено комплексное исследование физико-химических электрофизических и фотоэлектрических свойств тонких поликристаллических пленок на основе селенида свинца на всех этапах синтеза фоточувствительных структур.

2. Экспериментально выделены две характерные температурные области качественного изменения физико-химических и электрофизических свойств пленок. Показано, что электрофизические свойства слоев, отожженных при 400 °C, определяются процессом формирования поверхностного слоя оксида свинца, образующегося за счет диффузии к границе раздела металлической компоненты. В области температур ~600°С, формирование фоточувствительных свойств слоев связано с интенсивными процессами окисления материала, сопровождающимися массопереносом с участием паровой фазы, укрупнением размеров кристаллитов и образованием гетерофазной системы (PbSe-PbOi-55-PbSe) со средним размером зерна 0,6 мкм.

3. Экспериментально установлено, что процессы сорбции-десорбции кислорода и кислородосодержащих комплексов на оксидную фазу определяют тип, величину проводимости и фоточувствительность слоев и носят обратимый характер.

4. Предложена модель фотопроводимости тонких поликристаллических пленок селенида свинца, прошедших высокотемпературный очувствляющий отжиг, основанная на представлениях об образовании гетерофазной системы с определенными объемными свойствами материала зерен, разделенных потенциальными барьерами оксидных прослоек, наличие которых определяет дырочный характер проводимости полупроводниковых слоев.

5. Экспериментально установлена корреляция между свойствами испаряемого материала и фотоэлектрическими свойствами синтезируемых слоев. Максимальная фоточувствительность наблюдается при использовании шихты селенида свинца, легированного хлором с концентрацией 0,75 ат. % и избытком селена с соотношением компонентов, характерным для материала с ярко выраженным эффектом самокомпенсации.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты, позволяют продвинуться в понимании процессов проводимости и фотопроводимости тонких поликристаллических слоев на основе селенида свинца, и могут быть использованы для оптимизации технологических процессов получения фоточувствительных и излучающих структур, повышения их эксплуатационных характеристик, временной и температурной стабильности.

В работе выдвигаются следующие научные положения:

1. Высокотемпературный отжиг поликристаллических слоев на основе PbSe в кис л ородосо держащей среде характеризуется двумя, различными по механизмам фазообразования областями. В первой области доминируют процессы диффузии избыточного свинца к поверхности пленки с образованием оксидной фазы. Во второй — интенсифицируются процессы масс-переноса, приводящие к укрупнению зерен с образованием гетерогенной структуры с оксидными прослойками между кристаллитами. 8.

2. Фотопроводимость поликристаллических слоев селенида свинца, полученных методом термического испарения в вакууме зависит от состава исходного материала. Максимальная фоточувствительность наблюдается при использовании PbSe, легированного хлором (0,75 ат. %) с избытком селена и соотношением компонентов, характерным для материала с ярко выраженным эффектом самокомпенсации.

3. Процессы сорбции-десорбции кислорода и кислородосодержагцих комплексов на поверхность оксидной фазы в тонких поликристаллических пленках PbSe ответственны за формирование на поверхности системы акцепторных уровней, которые вносят доминирующий вклад в формирование электрофизических свойств фоторезистивных слоев, определяя механизмы транспорта носителей заряда, тип проводимости и фоточувствительность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Разработана технология формирования фоточувствительных резистивных структур на основе селенида свинца, методом вакуумного термического испарения с последующим отжигом в кислородосодержащей среде.

2. Проведены комплексные исследования физико-химических, электрофизических и фотоэлектрических свойств тонких поликристаллических пленок на основе селенида свинца на различных этапах формирования структур.

3. Впервые с использованием электронной Оже-спектроскопии, рентгеновского фазового анализа и дифференциального термогравиметрического анализа показано существенное различие в механизмах окисления и фазообразования в области температур 400−600 С.

4. В относительно низкотемпературной области наблюдается формирование пленки оксида свинца на поверхности слоя за счет диффузии свинца через растущий слой окисла. В более высокотемпературной области процессы фазообразования определяются интенсивным массопереносом, укрупнением размеров кристаллитов с образованием гетерофазной системы (PbSe-PbO-PbSe) со средним размером зерна 0,6 мкм.

5. Проведено исследование электрофизических свойств фоточувствительных пленок селенида свинца в широком интервале температур. Показано, что темновая проводимость носит активационный характер с энергией активации на высокотемпературном участке 0,14 эВ. В области азотных температур транспорт носителей заряда с характерной энергией активации 20 мэВ определяется прыжковой проводимостью в оксидном слое.

6. Сформированные фоточувствительные слои характеризуются нелинейными ВАХ, что на наш взгляд связано с надбарьерной эмиссией носителей заряда.

7. Показано, что понижение температуры приводит к уменьшению фотопроводимости, а рост фоточувствительности осуществляется за счет роста темнового сопротивления.

8. Установлено, что температурная зависимость времени спада фотопроводимости носит немонотонный характер, что обусловлено перезарядкой уровней прилипания с изменением температуры.

9. Впервые экспериментально установлено, что процессы сорбции-десорбции кислорода и кислородосодержащих комплексов на оскидную фазу определяют тип, величину проводимости и фоточувствительность слоев и носят обратимый характер.

10. Анализ совокупности экспериментальных данных позволяет утверждать, что наличие оксидных барьеров обеспечивает дырочный транспорт в гетерофазных пленках, полученных из материала, легированного хлором с концентрацией 0,75 ат%, с составом, близким к точке полной компенсации.

11. На основе поликристаллических пленок селенида свинца, прошедших соответствующую температурную обработку созданы экспериментальные образцы импульсных люминесцентных излучателей и спектрально согласованных фоторезисторов ИК-диапазона.