Автореферат (Методы управления фотоэлектрическими параметрами фоторезисторов на основе PbS для импульсных оптикоэлектронных систем), страница 3

Черновцы, Украина). Четвертый раздел посвящен результатам исследования основных фотоэлектрических параметров ФР, указанных в разделе 3 и отличающихся методами их изготовления. Все эти ФР— изделия частного применения, созданные для конкретных ОЭС и отличаются размерами, в том числе толщиной фоточувствительного слоя, прозрачносью входных окон, режимов электропитания, селекцией излучения, В работе вводятся приведенные параметры, рассчитанные на единицу напряжения питания ((У ), при низкой частоте модуляции излучения и единичных линейных размерах ФЧЭ (см ). При этом мы руководствовались обобщенной концентрационной моделью, предложенной Р. Петрнцем 141, в которой вольтовая чувствительность о, пропорциональна отношению времени жизни основных носителей заряда (т), или иначе постоянной времени релаксации фотопроводимости ФР, отнесенного к концентрации свободных носителей заряда (р): г '~а р.

(1+ в-г')Л (1+ о1г') Соответственно, удельная обнаружнтельная способность ФР (В* с,(г/р) для случая генерационно-рекомбинационных шумов. Учитывая общность рассмотренных задач в любых ОЭС, конкурентными могут быть только те технологии, которые обеспечивают получение приемлемых, высоких значений О, Известно, что Я, не является паспортным параметром ФР и может варьироваться за счет напряжения смещения (1 и т.п.

Наблюдаемая близость максимальных и средних значений чувствительности (Я,,„и Я,в, рисунок 1) у ФР, изготовленных по разным технологиям не связана с условиями отбора в техпроцессе и является характерной особенностью всех серийных ФР. 0 9 см /Вт и и 0 60 100 150 200 250 т, мкс Рисунок 1 -Распределение значений приведенной чувствительности ФР по значениям времени релаксации Соотношение Я„и т, входящие в (1), редко рассматривается в литературе. В настоящей работе возможные их связи у ФР„изготовленных по различным технологиям было изучено на большом числе ФР.

Было установлено, что вне зависимости от технологии (при условии ее соответствия регламенту) 5, „. постоянно в широком диапазоне т от 100 мкс и выше. Дополнительные исследования нетипичных ФЧЭ, отбракованных в процессе производства, прежде всего по низким значениям Я„и высоким значениям темпового сопротивления Я показали, что распределение этих нетипичных ФЧЭ в координатах Я, = ф) могут соответствовать Я, =соля~ г и даже 5, =сопряг г" . Это не противоречит зависимостям, наблюдавшимся на монокристаллах в работах Мосса [51 и Барышева 161. Исходя из этих распределений, можно предположить, что имеют места два механизма релаксации (рекомбинации носителей) — в случае малых значений т (до 10 —:20 мкс) оже-рекомбинация, а вслучае т=(70-:100) мкс — рекомбинация через уровни.

При этом происходит интенсивный 10 захват неосновных носителей заряда (электронов), создаваемых термической и оптической генерацией, на эти уровни, что приводит к возрастанию времени жизни дырок и их концентрации. Рассматривая все типы ФР из РЬБ для ОЭС можно отметить: ° ФР, изготовляемые низкотемпературными методами, с т>100 мкс, как правило, обладают преобладающим генерационно-рекомбинационным шумом (ГРШ), но «избыточные» шумы со спектром 1//' не исключаются, они маскируются ГРШ и при ~300-500 мкс частотные характеристики ГРШ и «избыточных» шумов близки„ ° у ФР, изготовленных по высокотемпературным методикам, ГРШ наблюдается редко, т.к. их трудно выделить, они отчетливо заметны на ФР с малыми значениями т.

Коэффициент С в частотной характеристике избыточного шума У'- сС 1«,(~'", возможно, коррелирует с размерами микрокристаллов структуры ФР. Коэффициент а обычно близок к единице. В питом разделе рассматривается морфология структуры слоев ФЧЭ. которые можно разделить на две группы: 1. Осажденных из пересыщенных РЬЯ слабощелочных водных растворов на частично покрытую матрице й частиц гидрооки си свинца кристаллограф ически чуждую РЬЯ диэлектрическую поверхность. В процессе кристаллизации в слой РЬЯ происходит сополимиризация оксидов свинца. 2.

Самокристаллизация в открытой воздушной среде при температуре свыше 850 К разнообразных поликристаллических слоев с частичной взаимной ориентацией. Вариантами ее являются процессы при «вакуумной» технологии, в которой из-за низкого давления кислорода этот процесс остается незавершенным. Скорость и полнота самокристаллизации слоя зависит от состояния поверхностной структуры рекристаллизуемого слоя. Показано, что для компенсации примесей, нарушающих стехиометрию структур, достаточно небольшого количества кислорода (после вскрытия вакуумных приборов, приведшего к резкому обогащению слоев кислородом из атмосферы, фиксируется только 3.5 атомарных процента кислорода).

Показано, что микроструктура ФЧЭ, изготовленных по разным технологиям (низкотемпературным, высокотемпературным, в том числе «вакуумным») отличаются (рисунки 2-4), однако не наблюдается никакой общей системы «прослоек», а в «бескислородных» ФЧЭ прослойки отсутствуют. Слоистая структура физических слоев и плотный слой ланаркита (РЬО РЬ80~) на его поверхности препятствует перенасьпцению самой пленки избыточным кислородом (рисунок 1). При нарушении целостности пленки ланаркита на поверхности физических ФЧЭ кислород проникает значительно глубже в пленку.

Если это происходит во время нагрева (при 870 К), на поверхности кристаллитов образуются соединения РЬЯНО~ и РЬО РЫО4 (химически связанные КСП), если при комнатной температуре (во время хранения), кислород может физически адсорбироваться на поверхности кристаллитов, образуя акцепторные уровни захвата (прилипания). 11 Рисунок 3 — Микрофотографии сечения химического ФЧЭ Рисунок 2-Микрофотографии сечения физического ФЧЭ У химически осажденных Фь1Э (рисунок 3) возможно как равномерное распределение кислорода, так и скопление кислорода у подложки. Можно предположить, что разница в распределении кислорода закладывается уже на стадии зарождения самой пленки: стадии осаждения РЬБ предшествует осажден не соединения РЬ~ОН), образующее регулярность структуры, расстояние между будущими кристаллитами, а, следовательно, и Рисунок 4 — Микрофотографии физического Фг1Э размеры самих кристаллитов.

Температура проведения процесса, состав раствора, влияют на скорость роста кристаллитов, что может привести к «замуровыванию» кислородосодержащих слоев на границе раздела ФЧЭ-подложка. Возможно, на разброс чувствительности ЛЯ„влияет и различие в поглощении излучения, которое может меняться, особенно в спектральной области 2,6 —:3,2 мк при изменении концентрации активатора сразу после изготовления. в растворе. «Вакуумные» ФЧЭ (рисунок 4) имеют самый рыхлый и толстый слой, который сохраняет свои параметры только в вакууме.

Однако все характеристики этих ФР наиболее стабильны во времени, поэтому эти ФР использовались в метрологии, причем их параметры стабилизируются 12 Наряду с химически связанным кислородом (КСП) возможно наличие физически адсорбированного кислорода (кислородосодержащих летучих соединений — КСЛС, т.е. радикалов О,, получаемых при высокотемпературном отжиге структур, и ОН ), однако концентрацию этих соединений нельзя определить прямыми исследованиями. Эти соединения являются акцепторами и способны захватывать электроны (создают локальные энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника), благодаря чему время жизни фотогенерированных дырок возрастает.

В разделе шесть изложены установленные в работе принципы регулирования фотоэлектрических параметров промышленных ФР. Предположено, что эти принципы не зависят от технологических методов, и что исходными для всех технологий являются полупроводниковые структуры (кристаллиты) с электронной проводимостью, на которые каким-либо образом воздействуют молекулы кислорода и его производные. Молекулы (радикалы) кислорода проникают в объем кристаллитов формируемой пленки, создают акцепторный уровень, контролирующий свободные электроны, уменьшая проводимость и даже создавая избыточную концентрацию носителей заряда — дырок (р1). Этот процесс происходит либо в воздушной атмосфере при Т>500 К вЂ” «необратимый кислород» согласно 171, либо при комнатной температуре за счет введения активатора в раствор 121, часто в виде натриевых сернистых солей.

Контроль за компенсацией носителей заряда осложнен тем, что формируемая пленка РЬЯ содержит окисные фазы свинца. Влияние подобных «присадок» можно минимизировать технологически в высокотемпературных методах, но практически невозможно в большинстве низкотемпературных методов. Следует учитывать необратимость этого процесса — атомы кислорода из объема кристаллитов не удаляются. Предельньпи, желательным является условие полной компенсации, что при Т=ЗОО К соответствует р=(1 —:5) 10 см, что практически недостижимо, При приближении к этому 15 -3 условию Я очень высоко (свыше 2 —:5 Мом), значения т должно быть порядка 10 мкс 15, 61, что затрудняет их использование в реальных ОЭС. Упомянутые «присадки» в виде адсорбированных поверхностью кристаллитов слоя кислородных радикалов (КСЛС)„предположительно О, и ОИ, позволяют увеличивать т, создавая «уровни прилипания» для захвата свободных электронов.

При этом за счет роста т, возрастает Я„и 17*, при этом возрастает и концентрация свободных носителей заряда, так как их парные электроны захвачены на уровни прилипания. Концентрация свободных носителей, создаваемых за счет влияния уровней прилипания можно обозначить как рз. В этом случае 5„ (2) р +р~ Если р,' г, ь(2+3).10" (оже-рекомбинация, согласно 161), то определение р, =1 (г) потребовало большого объема работ, как в части статистических расчетов. так и целенаправленных технологических воздействий.

Нестойкие соединения (КСЛС), образованные на поверхности кристаллитов и вносящие существенный вклад в концентрацию 13 Рз, способны разлагаться при слабом нагреве, особенно при низком окружающем давлении воздуха, поэтому этим изменениям сопутствует изменение параметров ФР, носящий обратимый характер. При низкотемпературных технологиях кислородосодержащие соединения формируются в основном в объеме кристаллитов и лишь частично на поверхности. Такие структуры трудно видоизменять даже интенсивным внешним воздействием. Применяемые воздействия — нагрев, давление окружающего газа — приводили к одинаковому виду изменений 1рисунки 5 и 6), но их эффективность определяется особенностями технологии, 6О Я ея ~Э 4О о У я я' (~ Ю 1Ь Ю,ж За 0 60 1ОО 160 200 26О ЗОО 310 а„,„< с.

Вт ~см °, мкс Рисунок 5 — Изменение параметров ФЧЭ при Рисунок 6 — Динамика изменения значений кратковременном нагреве в различных времени релаксации и чувствительности газовых средах ФЧЭ, прошедших нагрев в вакууме Набольшие изменения зафиксированы у низкоомных ФЧЭ, полученных высокотемпературными способами, с трещинами в слое ланаркита на поверхности.