технологические вопросы изготовления полупроводниковых пленок с аномально высокими фотонапряжениями

Введение.
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК С АНОМАЛЬНО ВЫСОКИМИ ФОТОНАПРЯЖЕНИЯМИ
§ 1. Основы изготовления полупроводниковых

IV. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С МИКРО-P-N-ПЕРЕХОДАМИ И ЭФФЕКТ КЕЛДЫША-ФРАНЦА В АФН-ПЛЕНКАХ.

§ I. Основы фотоэлектретного состояния в тонких

V. ОБРАЗОВАНИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОЗРАЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ И Ф0Т0РЕЗИСТИВНЫХ ПЛЕНОК.

§ I. Пленочные фоторезисторы продольного типа на базе материалов А^II В^VI (Обзор)
§ 2. Прозрачные проводящие контакты из SnO₂ и СdO
§ 3. Пленочные фоторезисторы продольного типа из материалов А^II В^VI
§ 4. Экспериментальное снятие электрофизических характеристик пленочных фоторезисторов и их обсуждение
VI. НЕКОТОРЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР
§ I. Тонкопленочные приборы в полупроводниковой технике и новые принципы создания оптоэлектронных приборов
§ 2. Оптоэлектронный трансформатор напряжений
§ 3. Пленочный ФМЭ-датчик магнитного поля
§ 4. Элемент памяти на основе АФН-пленок
§ 5. Пленочные рентгенометрические и γ –датчики излучений
§ б. Пленочные люксметры на основе АФН-пленки и фоторезистора
§ 7. Приспособление к электрометру СГ-2М
§ 8. Пленочный анализатор
§ 9. Угломер и датчик перемещений на основе АФН-пленки и фоторезистора
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные выводы
Литература

ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени выполнены исследования электрически оптических и фотоэлектрических явлений в тонких полупроводниковых слоях, разработаны тонкопленочные фоторезисторы, фотоэлементы, фотодиоды, различные датчики, заложены теоретические основы анализа и синтеза различных пленочных систем.

Однако развитие пленочной электроники требует наиболее полной разработки технических и теоретических основ полупроводниковых пленок и создания новых чувствительных приборов.
В последнее время изучены новые эффекты (АФН, АФМН). Эффект аномально больших фотонапряжений (АФН-эффект), впервые обнаруженный в 1946 году Старкиевичем, Сосновским и Симпсоном /1,2/на тонких слоях сульфида свинца, в последующие годы стал объектом многих исследований.
Практические аспекты АФН-эффекта связаны прежде всего с возможностью прямой генерации светом высоких напряжений без создания в оптоэлектронных схемах каскадов промежуточного усиления. Научный интерес вызывает его аномальный характер, возможность генерации фотонапряжений, превышающих ширину запрещенной зоны полупроводника. Изучены оптические, электрические и фотоэлектрические характеристики ряда полупроводниковых пленок, обладающих АФН-эффектом. Разработаны преобразователи изображения в потенциальный рельеф, оптоэлектронный трансформатор напряжений /3,4/и т.п.
Таким образом, в области описанных явлений накоплен значительный экспериментальный и теоретический материал. Однако для создания фундаментальных основ АФН-эффекта и наиболее полной разработки технических задач для современной полупроводник новой техники требовалось расширение класса материалов, обладающих АФН, АФМН и фотоэлектротных эффектов с целью поучения электрофизических свойств пленок и выявления на их осно по основных закономерностей фотомагнитных, фотоэлоктротных и других явлений; изучение поведения неравновесных носителей заряда в различных условиях и разработка эффективных пленочных приборов. Настоящая работа посвящена решению таких актуальных проблем.
Из вышеизложенного следует, что работа посвящена одной из наиболее актуальных проблем комплексному изучению различных фотоэлектрических явлений в ряде полупроводниковых пленочных структур.
Исследование ранее известных полупроводниковых АФН-пленок таких, как CdТе, GaAs, Si и Ga приводило к разработке новых аспектов механизма возникновения АФН-эффекта, обобщению результатов по АФН -эффекту и установлению возникновения АФН-эффекта в новых полупроводниковых соединенияхInAs, As₂Se₃, Bi₂Te₃+Bi₂Se₃, Bi₂Te₃+Sb₂Te₃.
В настоящее время мало изучены аморфные структуры полупроводниковых соединений. Поэтому установление АФН-эффекта в аморфных пленках InAs, As₂Se₃, Bi₂Te₃+Bi₂Se₃, Bi₂Te₃+Sb₂Te₃ имеет важное значение как для теории, так и в практическом отношении. Кроме этого разработки и исследования АФН, АФМН-пленок из халькогенидных соединений с узкой запрещенной зоной дают возможность создания датчиков, чувствительных к ИК области спектр.
В работе установлено наличие аномально высокого фотонапряжения в некоторых полупроводниковых пленках и объяснена природа АФН-эффекта исследованных пленок. На основе влияния механических напряжений на свойства АФН-эффекта, разработан метод определения механизма АФН-эффекта.
Предложен новый теоретический критерий и разработан прямой экспериментальный метод определения микромеханизма АФН -эффекта в полупроводниковых пленках на основе зависимости V_АФН(λ) и ϰ(λ).
Установлено возникновение АФМН-эффект в АФН-плеиках СdSe, Bi₂Te₃+Bi₂Se₃, Bi₂Te₃+Sb₂Te₃, объяснены основные закономерности V_ФЭН и рассчитаны микропараметры этих пленок.
На основе развитых теоретических представлений, анализирован, а затем экспериментально обнаружен фотоэлектреткый эффект нового типа в АФН-пленках CdTe:Ag и определены физические процессы в исследованных пленках.
В результате проведенных фундаментальных исследований созданы принципиально новые пленочные приборы оптоэлектронное запоминающее устройство, пленочный анализатор, датчики γ и рентгеновских излучений, устройство угловых поворотов и перемещена и т.п.
Таким образом, в работе обобщены результаты исследований (фотоэлектрических, оптических, электрических, фотомагнитных, поляризационных и др. свойств ряда полупроводниковых пленочных структур), проведенных автором (при непосредственном его участии или под его руководством) в лаборатории Ферганского педагогического и Ферганского политехнического институтов.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Обобщение основы АФН-эффекта в полупроводниковых пленках, установление и выяснение механизма аномально высоких фотонапряжений в мало изученных аморфных соединениях и полупроводниках с узкой запрещенной зоной.
2. Определение на основе эффекта АФМН микропараметров пленок, установление АФМН в новых планках, выяснение его основных закономерностей и создание принципов разработки низкоомных ФМЭдатчиков, чувствительных к ИК лучам.
3. Установление фотоэлектретного состояния в АФН-пленках с целью получения фотоэлектретов нового типа, формирующихся без внешнего поля.
4. Перспективы применения АФН, АФМН и фотоэлетретных эффектов оптоэлектронике для создания на основе полученных в работе результатов эффективных датчиков ИК лучей видимого, рентгеновского, у -из лучений и др., которые применены в ряде пленочных приборов нового типа, используемых в производстве для измерения магнитных полей, определения качества жидкости и т.п.
Работа состоит из шести глав и заключения.
Первая глава содержит результаты разностороннего анализа технологии изготовления полупроводниковых пленок, исследованных в работе, а также технологических процессов. Описываются новые методы. Показано, что наиболее благоприятные параметры (величина чувствительности, стабильность электрофизических свойств и т.п.) можно выявить регулировкой технологических факторов, что АФН-эффект не специфичен для какого-либо определенного класса веществ и может быть получен на любом полупроводниковом материале. Разработана оригинальная методика получения АФН-пленок теллурида кадмия, арсенида галлия, селенида кадмия, сульфида свинца, селенида мышьяка, арсенида индия и некоторых халькогенидных соединений с узкой запрещенной зоной, причем, на арсениде индия, селениде мышьяка и халькогенидных соединениях АФН-эффект обнаружен впервые.
Разработки и исследование АФН-пленок из халькогенидных соединений с узкой запрещенной зоной дало возможность создания датчиков, чувствительных к ИК области спектра.
Во второй главе приводятся краткие сведения об электрофизических свойствах некоторых полупроводниковых пленочных структур
к


V

а также литературные данные о природе АФН-эффекта. Проведена дискуссия по методу определения физической природы полупроводниковых АФН-пленок и существующих критериев, позволяющих дискриминировать протекающие процессы, широкий комплекс исследований физических характеристик (вольтамперных, люксвольтовых, спектральных, температурных, частотно-фазовых и др.). АФН-пленок проведен в стационарном и динамическом режимах.
Показано, что при понижении температуры фотонапряжение и сопротивление АФН-пленок возрастают по одному и тому же закону. В частности, температурная зависимость V_АФН в пленках халькогенидного соединения обсуловлена не изменением фототока с температурой, а эффектами, приводящими к росту внеуреннего сопротивления АФН-пленок при охлаждении.
Предложен новый метод создания высоких механических напряжений в пленках, позволивший исследовать влияние больших продольных деформаций пленок на АФН-эффект. В пленках селенида кадмия и халькогенидных соединениях обнаружен фотовольтаический, а в остальных пленках фотодиффузионный механизм АФН-эффекта.
Предложен теоретический критерий, разработан прямой экспериментальный метод определения микромеханизма АФН-эффекта в полупроводниковых пленках на основе зависимости V_АФН(λ) и ϰ(λ).
Релаксационные свойства АФН-эффекта показали, что кинетика затухания фототока делится на два типа без инверсии фототока во времени и с инверсией. Инверсия фототока по времени объясняется совместным действием микро-p-n и n-p-переходов, лежащих на различной глубине и обладающих разными характеристическими временами релаксации.
Третья глава посвящена исследованию фотомагнитоэлектрического эффекта в полупроводниковых пленочных структурах. На основе развитых теоретических представлений и экспериментальных данных в пленках СdSe, Bi₂Te₃+Bi₂Se₃, Bi₂Te₃+Sb₂Te₃ выявлен эффект аномально больших фотомагнитных напряжений (АФМН), достигающий десятков и сотен вольт, что намного порядков превышает обычные значения фотомагнитных напряжений. Исследованы физические характеристики этого эффекта вплоть до освещенностей 300000 лк и магнитных полей ~ 25 кЭ. Развита теория ЛФМН-эффекта, позволившая связать основные характеристики с параметрами микропроцессов, протекающих в тонких пленках, и экспериментально определены эти микропараметры в исследованных образцах (число микроp-n-переходов, время жизни фотоносителей, их эффективная подвижность, длина диффузии, скорость поверхностной рекомбинации).
В четвертой главе рассматриваются результаты исследования фотоэлектретного состояния, создаваемого в АФН-пленках теллурида кадмия, активированного серебром.
Релаксационные явления в АФН-пленках, обусловленные носителями, локализованными на уровнях прилипания (при наличии в АФНпленках уровня прилипания) должны обладать, по существу, той же природой, что и релаксационные фотоэлектретные явления. Поэтому можно полагать, что на основе АФН-пленок с микро-p-n-переходами могут быть получены фотоэлектреты нового типа, формирующиеся без внешнего поляризующего поля /3,4/. Эта идея реализована нами в ведением примеси (серебра) в АФН-пленку теллурида кадмия.
Показано, что в структуре с микро-p-n-переходами фотоэлектрет может быть создан как при совместном действии света и поляризующего поля, так и без внешнего поля в результате одного лишь освещения.
Рассмотрена кинетика фотоэлектретного состояния АФН-пленок с микро-p-n-переходом, показана выполняемость основных закономерностей фотоэлентретных явлений и исследованных объектах. В АФНпленках теллурида кадмия при приложении поля к плеине (Е≥10³ В/см), обнаружен эффект Келдыша-Франца и рассмотрено изменение потенциальных барьеров в пленках.
В пятой главе в связи с созданием системы АФН-пленка-фоторезистор, рассмотрены фотоэлектрические свойства пленочных фоторезисторов на оазе материалов А^II В^VI. Выявлено, что в фоторезистивных структурах продольного и поперечного типов более эффективны соединения CdSe+CdS. Рассмотрены вопросы создания проводящих контактов из CdO и SnO₂ для фоторезистивных структур. Показано, что с помощью примесей CdO и SnO₂ и Sn к CdO можно изготовить прозрачные проводящие контакты с характеристиками, отвечающими требованиям современной пленочной электроники.
Шестая глава посвящена вопросам практического использования фотоэлектрических явлений в исследованных полупроводниковых пленках. Дан анализ методов создания малогабаритных, малоинерционных, дешевых приборов на основе АФН-пленок и системы АФН-пленка-фоторезистор. На основе АФН-пленок теллурида кадмия и селенида кадмия созданы оптоэлектронные трансформаторы напряжения, в которых коэффициент трансформации достигает 10÷15.
Результаты исследования показывают, что на базе этих пленок можно создать эффективный датчик напряженности магнитного поля, дающий возможность измерять магнитное поле от 100 до 25000 Э. Вследствие сравнительно низкого сопротивления АФН-пленок Bi₂Te₃+Bi₂Se₃, Bi₂Te₃+Sb₂Te₃ (10⁷÷10⁹) ФМЭ датчики магнитного поля могут работать без дополнительных усилительных систем, и они дают возможность продвинуться в ИК области спектра. На основе АФН-пленок созданы рентгенометрические и γ -датчики излучений.
На основе ОТН и фотоэлектретного элемента создано запоминающее устройство с управляющим напряжением 1÷5 В, временем записи (стирание) 10^-2÷10^-3 сек. Создан прибор "Пленочный анализатор" для анализа качества жидкости (углеводородистое ТУ 3800155-72). Испытание, проведенное на электроэрозионном копировально пришивочном станке мод. 4Г721М в лаборатории ОЭМО ЭНИМС, показало, что прибор имеет высокую чувствительность в широком диапазоне загрязненности жидкости. Использование данного прибора позволит повысить точность электроэрозионной обработки на 25-30%, т.е. ожидаемый годовой экономический эффект (для 1000 станков; составит 150000 рублей.
На основе АФН-пленок CdТе (из двух звеньев) создано устройство для сопоставительного анализа качества жидкости электроэрозионной обработки. Разработан угломер и датчики перемещений на основе АФН-пленок с чувствительностью ~ 0,2 В/град и ~10 В/мм. Все разработанные приборы малогабаритны, управляемы дешевы и работают автономно.
Результаты данной диссертационной работы докладывались на Всесоюзном симпозиуме по тонким пленкам (Новосибирск, 1967), Международном симпозиуме по фотоэлектретным явлениям (Киото, Япония, 1978), на конференции физиков Узбекистана (Ташкент, 1970), на Второй, Третьей и Четвертой конференциях физиков АН УзССР (1974, 1976, 1978гг), на семинарах ФТИ АН УзССР, ФерГПИ, ФерПИ, в 1978г в институте кристаллографии АН СССР и в школе-семинаре (Москва, ВДНХ, 1978г.).
Основные результаты диссертации изложены в работах /3-34, 104,128, 225/. Некоторые разработанные приборы переданы в производство.