технологические вопросы изготовления полупроводниковых пленок с аномально высокими фотонапряжениями

Номер подложки	Т°С подложки	Вакуум, мм.рт.ст.	Угол напыления	V, В
V', В
8	30	10^-4	45	400	1000
12	150	10^-4	40	600	3000
18	150	10^-4	45	750	3500
29	150	10^-4	40	1000	4900
46	180	10^-4	45	1200	6200
79	200	5·10^-5	40	850	2600
94	250	5·10^-5	45	780	2480

(V, V' фотонапряжения при комнатной и азотной температурах).

В отдельных образцах фотонапряжение доходило до значений 10000 вольт. Нам удалось получить фотонапряжение при температуре подложки 50°С (см. табл. 1.11). Высоковольтное фотонапряжение отмечено при осаждении теллурида кадмия от 30÷350°С и углах молекулярного пучка 10°÷60° (при углах от 10° и 60° возникает незначительное фотонапряжение).
Пленки CdSe. Методика изготовления АФН-пленок CdSe описана в /83, 84/. По методу /84/ (так считают авторы) можно получить АФН-пленку теллурида селена, генерирующую высоковольтное фотонапряжение, достигающее значения 5000 В.
Однако по этой методике расходуется очень много материала, так как вес материалов, используемых для получения АФН-пленок, составляет 10÷15 % от его веса.
Для получения простым методом эффективных АФН-пленок и изучения фотомагнитных свойств были изготовлены селенид кадмиевые пленки. Порошкообразный кадмий селен испарялся в вакууме 10^-4 мм.рт.ст. из алундового тигеля. Угол между направлением молекулярного пучка и нормалью к подложке варьировался в пределах 30÷60°. В отличие от других авторов нам удалось получить фотонапряжение в широких пределах температур (40÷300°С). Приведем табл. 1.12 для нескольких образцов (В=3·10⁵ лк.)
Таблица 1.12

Номер образца	Вакуум мм.рт.ст.	θ° угол напыления	V, В
4	10^-4	45	100
10	10^-4	40	150
14	5·10^-5	40	200
18	2·10^-5	45	550
21	10^-5	40	300
38	10^-4	45	110

§ 5. АФН-эффект на базе материалов А^III В^V и As₂ Se₃ /3, 16/
Пленки GaAs. Для выяснения природы АФН-эффекта и сопоставления зависимости угловых диаграмм и графиков деформации для пленок GaAs с другими АФН-пленками были изготовлены АФН-пленки арсенида галлия. Впервые АФН-эффект наблюдался автором работы /85/в пленках GaAs.
Монокристаллический GaAs n-типа возгонялся из тигеля при температуре 700÷800°С, вакуум в процессе напыления поддерживался около 5·10^-5 мм.рт.ст. Максимальное фотонапряжение возникало при углах напыления θ=45°÷60°, температура была 30÷150°С.
Приведем табл. 1.13 для некоторых АФН-пленок GaAs /63/.
Таблица 1.13

Т, под °С	30	50	75	100	150
V, В	200	250	200	300	500

В работе /86/тоже получены АФН-пленки GaAs, причем Ga и As испарялись из двух тигелей. Тигель, содержащий Ga, был наклонен к подложке. Испарение производилось при давлении ~10^-6 мм.рт.ст., максимальное фотонапряжение доходило до 5В. В работе /85/получены АФН-пленки GaAs, где фотонапряжение возникало около 300В.

Нами для получения АФН-пленок GaAs использован кристаллический материал n-типа. Испарение производилось в вакууме 10^-4 мм.рт.ст. при температуре тигеля 700÷800°С. Температура подложки варьировала в пределах от комнатной до 200°С. В пленках GaAs фотонапряжение со временем падало. Для сохранения первоначального значения, генерируемого фотонапряжения поверхность образца попытались покрывать прозрачным диэлектрическим лаком MБK-1 и пленкой SiO. Пленки SiO на поверхности АФН-пленок GaAs осаждались путем термического испарения при вакууме 5·10^-5 мм.рт.ст. Покрытие оказалось удачным, получены удовлетворительные результаты.
Приведем табл. 1.14 для нескольких АФН-пленок GaAs, где приведены фотонапряжения при комнатной температуре. При температуре жидкого азота фотонапряжение доходило до значения 1000 В.
Таблица 1.14

Номера образцов	VАФН, В	R, Ом
2	40	5·10^11
6	80	6·10^11
9	160	2·10^12
45	500	6·10^12
48	360	4·10^12

Пленки As₂Se₃ и InAs. Для расширения класса полупроводниковых материалов, обладающих высоковольтным фотонапряжением, нами получены АФН-пленки As₂Se₃ и InAs. Кристаллический материал As₂Se₃ возгонялся в вакууме 10^-4 мм.рт.ст. из алундового тигеля. Подложкой служило стекло размером 1,5х1,0 см. При нормальном испарении исходного материала на подложку пленка As₂Se₃ не обладала АФН-эффектом. Замечено, что максимальное фотонапряжение наблюдается при углах ~40°.
Аналогичным методом изготовлены АФН-пленки из InAs, оптимальная толщина пленок InAs и As₂Se₃ ~0,1 мкм.
Приведем некоторые параметры АФН-пленок этих соединений, измеренных при комнатной температуре табл. 1.15, (В=3·10⁵ лк)
Таблица 1.16

Номер пленки	Тип материала	V, В	R, Ом
3	As2Se3	150	1·10^12
5	As2Se3	100	1·10^12
13	As2Se3	95	8·10^11
17	InAs	10	5·10^10
19	InAs	15	4·10^10
28	InAs	35	7·10^11

В пленках As₂Se₃, InAs при освещении со стороны подложки, также возникает высоковольтное фотонапряжение, однако фотонапряжения, возникающие при тыловом освещении, были всегда больше, чем с фронта. Это, по-видимому, объясняется тем, что активный слой расположен вблизи фронтальной поверхности пленки и когда часть света достигает активного слоя, фотонапряжение увеличивается.

ГЛАВА П. Аномально высокое фотонапряжение в полупроводниковых пленках.
§ I. Фотоэлектрические свойства полупроводниковых АФН-пленок (обзор)
В работах, посвященных АФН-эффекту, обсуждается возникновение аномально высокого фотонапряжения в полупроводниковых пленках, но до сих пор нет единого мнения о природе микропроцессов в образцах.
Авторы /1, 2/наблюдаемую аномалию фотонапряжения связывали с существованием в пленке множества микро p-n-переходов. Предполагалось, что первоначально слой (модель строилась для пленок сульфида свинца) имеет n-тип проводимости, а в процессе окисления на воздухе частично превращается в p-тип. В такой цепочке p-n-p-n переходов и возникает аномальное фотонапряжение. Берлага с сотрудниками /49, 50/также поддерживал эту концепцию. На этом этапе исследования оставалось неясным, почему не происходит генерации фотонапряжений, на n-p-переходах, что должно компенсировать фотонапряжение p-n-переходов. Тауц /107/для объяснения АФН-эффекта предположил, что в p-n-р ... цепочке p-n-переходы (см.гл.П, рис.2.9) расположены к поверхности ближе n-p-nереходов в силу анизотропного поступления полупроводникового вещества на подложку. Возникающее при этом нескомпенсированное фотонапряжение может достигать сотен и тысяч вольт благодаря большому количеству микрофотоэлементов. Менее вероятна идея Раппопорта /108/о различном отношении длины диффузии к ширине потенциального барьера для p-n и n-р-переходов.
Прежде чем перейти к более детальному рассмотрению других работ /109, 110/, в которых АФН-эффект обсуждается с точки зрения p-n-переходной модели, необходимо дать общую картину по другим моделям.
Швабе /57/ при рассмотрении всей совокупности экспериментальных данных установил, что аномальное фотонапряжение является продуктом суммирования вдоль слоя фотодиффузионных демберовских микрофотонапряжений. В работах /58, 64/эта модель получила дальнейшее развитие.
В работе /76/ АФН-пленка представлялась в виде единичного фотоэлемента со сложным распределением ловушек. Считавшаяся до этой работы очевидной батарейная структура пленки была поставлена под сомнение. Однако при теоретическом рассмотрении этого вопроса в другой работе /77/ правильно признана батарейная структура и авторы признали свою ошибку.
Таким образом, в настоящее время имеются три модели АФН-пленки:
1) p-n-p-n ... переходная цепочка микрофотоэлементов;
2) батарея микрообластей, однородных по типу проводимости (демберовские фотоэлементы);
3) батарея микрофотоэлементов, в которых пространственный заряд локализован на неравномерно распределенных ловушках.
Экспериментальные результаты на различных этапах исследования АФН-эффекта объяснялись в рамках той или иной модели.
Как уже указывалось, модель, предложенная Старкиевичем и др., представляла собой батарею из микро-p-n-переходов. После Швабе, исследовавшего зависимость фотонапряжения от угла падения света, была обнаружена инверсия знака V_AФН (φ) при фронтальном освещении в пределах от 0 до 180°. Этот результат, полученный на пленках, не мог быть объяснен в рамках p-n-переходной модели и вполне естественно, что Швабе предложил модель, основанную на батарее, в которой микрофотонапряжение возникает благодаря эффекту Дембера.
Установлением таких зависимостей, как V_AФН от интенсивности света, температуры и т.д., нельзя однозначно выявить тот или иной механизм АФН-эффекта, полученный результат нельзя связывать с вкладом каждого микроэлемента, поэтому нужно проводить также эксперименты, которые для обоих механизмов приводили бы к диаметрально противоположным следствиям. По мнению Адировича с сотрудниками /111, 112/, которые развили идею Швабе, результаты исследования угловых диаграмм в белом и монохроматическом свете могут служить критерием для определения физической причины возникновения АФН-эффекта.
Если АФН-структура представляет собой батарею p-n-переходов, то, очевидно, что при фронтальной освещенности в пределах 0÷180° инверсия знака должна отсутствовать.
Если АФН-структура представляет собой батарею демберовских элементов, то в белом свете при фронтальном освещении в пределах 0÷180° знак фотонапрякения должен изменяться. Однако, как показано в работе /113/, возможен аномальный дембер-эффект. В этом случае знак дембер-эффекта не связан с направлением светового потока, а обусловлен различием скоростей поверхностной рекомбинации на различных гранях (см.рис.2.1). Поэтому при аномальном дембер-эффекте, также, как и при фотовольтаическом эффекте, на p-n-переходах не меняет знака при изменении угла падения света. Эта непредельность устраняется, если эксперимент проводить в монохроматическом свете /112/. При слабом поглощении падающего света (ϰdAФН (φ) в монохроматическом свете должна оставаться безинверсной (рис.2.3). Изложенные соображения легли в основу однозначного определения механизма АФН-эффекта с помощью исследования угловых зависимостей V_AФН (φ) в монохроматическом свете /112/.ˌ

Рис. 2.1. Распределение зарядов и поля в полупроводнике при нормальном (а) и аномальном (б) дембер-эффекте. Справа показаны координатные зависимости интенсивности света и концентраций фотоносителей, а такие направление диффузионных потоков, (в) превращение аномального дембер-эффекта в нормальный при переходе от освещения белым светом к монохроматическому освещению в коротковолновой области спектра.

Рис. 2.2. Зависимость V_AФН от угла освещения в пленок GaAs а, б-белый свет в-884 мкм; г-637 мкм.
INCLUDEPICTURE "media/image6.jpeg" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "media/image6.jpeg" \* MERGEFORMAT INCLUDEPICTURE "media/image6.jpeg" \* MERGEFORMAT
Рис. 2.3. Типичная зависимость V_AФН от угла освещения в пленках CdTe (d=0,38 мкм); 1-λ=800 мкм; 2-λ=720 мкм; 3-λ=619 мкм; 4-λ=534мкм; 5-λ=400 мкм