Диссертация (Методы управления фотоэлектрическими параметрами фоторезисторов на основе PbS для импульсных оптикоэлектронных систем)

1ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиМИРОШНИКОВ БОРИС НИКОЛАЕВИЧМЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИФОТОРЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ PbS ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМСпециальности 01.04.10 – Физика полупроводников,ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Доктор технических наук, профессорПопов Анатолий ИгоревичМосква 20162ОГЛАВЛЕНИЕОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ............................................................. 61.

ФОТОРЕЗИСТИВНЫЕ СЛОИ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА СВИНЦА ИПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ ................................................................................. 111.1. Развитие фоторезисторов на основе халькогенидов свинца ................. 111.2 Электрофизические свойства сульфида свинца....................................... 141.3 Технология изготовления фоточувствительных элементов ................... 201.3.1 Химический метод с низкотемпературной обработкой .................... 211.3.2 Высокотемпературные технологии ..................................................... 251.3.3. Монокристаллические и эпитаксиальные слои ................................ 281.4.

Основные параметры и характеристики фоторезисторов на основе PbS291.4.1. Время релаксации и время жизни носителей тока ........................... 391.5. Фоторезисторы на основе халькогенидов свинца .................................. 411.6. Постановка задачи...................................................................................... 432 Методы исследования фоточувствительных слоев и фоторезистов на основесульфида свинца ......................................................................................................

452.1 Исследование фотоэлектрических параметров........................................ 452.1.1 Установки для измерения фотоэлектрических параметров.............. 452.1.2 Установка для исследования релаксации фотопроводимости ......... 472.1.3 Установка для исследования спектральной плотности мощности шумафотоприемников ................................................................................................

502.2 Установка для исследования спектральных характеристик ................... 512.3. Исследования методами электронной, ионной и сканирующей зондовоймикроскопии ...................................................................................................... 522.3.1 Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопии ............. 522.3.2 Растровая электронная и ионная микроскопия .................................. 5432.3.3 Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).........................

572.4 Рентгенофотоэлектронная и оже спектроскопия фоточувствительных слоев............................................................................................................................. 603ТЕХНОЛОГИИ,РЕЖИМЫИЗГОТОВЛЕНИЯИКОНСТРУКЦИИИССЛЕДУЕМЫХ ФОТОРЕЗИСТОРОВ .............................................................. 623.1 Вакуумные фоторезисторы ........................................................................

653.2 Физические фоторезисторы с высокотемпературным нагревом ........... 673.3. Химические фоторезисторы с низкотемпературным отжигом ............. 693.4 Химические фоторезисторы с высокотемпературным отжигом ........... 704. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СЛОЕВСУЛЬФИДА СВИНЦА ........................................................................................... 714.1 Фотоэлектрические параметры приборов ................................................ 714.2 Время релаксации фотопроводимости и ее связь с другими параметрами............................................................................................................................. 774.3 Исследование спектральных характеристик фоторезисторов................ 844.4 Исследование шума фоторезисторов, изготовленных различнымитехнологиями .....................................................................................................

864.4.1 СПМШ химических фоторезисторов .................................................. 874.4.2 СПМШ физических фоторезисторов .................................................. 934.4.3 СПМШ вакуумных фоторезисторов ................................................... 97Выводы по главе ............................................................................................. 995 МОРФОЛОГИЯ И ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХЭЛЕМЕНТОВ ........................................................................................................ 1015.1.

Физические фоточувствительные элементы ......................................... 1015.2. Химические фоточувствительные элементы ........................................ 10745.3 Исследование фоточувствительных элементов с помощьюпросвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения ......... 1125.4 Исследование состава ФЧЭ с помощью рентгеновской фотоэлектроннойспектроскопии и оже-электронной спектроскопии ..................................... 1155.5. Обсуждение результатов ......................................................................... 118Выводы по главе ........................................................................................... 1196.УПРАВЛЕНИЕФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИПАРАМЕТРАМИФОТОРЕЗИСТОРОВ ............................................................................................

1216.1 Влияния повышенной температуры на параметры ФЧЭ .............. 1226.1.1 Температурная зависимость темнового сопротивления ФЧЭ 1226.2 Исследование влияния паров воды на параметры ФЧЭ ................ 1286.2.1 Исследование влияния паров воды в процессе «очувствления»1286.2.2 Исследование влияния влажности в период хранения ФЧЭ ... 1296.3 Исследование влияния дополнительной термообработки напараметры ФЧЭ ............................................................................................

1316.4 Исследование влияния газовой атмосферы в период хранения напараметры ФЧЭ ............................................................................................ 1336.4.1 Влияние воздуха на параметры вакуумных фоторезисторов .. 1346.4.2 Временные характеристики релаксации ФЧЭ ........................... 1346.4.3 Влияние обезгаживания на СПМШ ФЧЭ .................................... 1366.5 Динамика параметров ФЧЭ в результате внешних воздействий . 1376.6 Исследование влияния дополнительной пленки из халькогенидогостекла на параметры ФЧЭ ..........................................................................

144Выводы по разделу ..................................................................................... 147ВЫВОДЫ ............................................................................................................ 150СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ ................................................ 1525ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................... 154Приложение 1 .....................................................................................................

175Приложение 2 ..................................................................................................... 186Приложение 3 ..................................................................................................... 197Приложение 4 ..................................................................................................... 199Приложение 5 ..................................................................................................... 204Приложение 6 ..................................................................................................... 205Приложение 7 .....................................................................................................

2066ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Бинарные полупроводниковые соединения группы А4В6 сталииспользоваться в радиотехнике с начала 40-х гг. XX века для оптико-электронных систем(ОЭС), применяемых для обнаружения и автосопровождения точечных источников излучениямалой интенсивности.Фоторезисторы (ФР) на основе PbS являются первыми и наиболее употребляемымифотоприемниками этого класса, производимыми в массовом масштабе. Они применяются всистемахобнаруженияисамонаведения,дальнометрии,радиационнойпирометрии,астрокоррекции, для наблюдения из космоса, передачи информации по закрытым линиям связи,в противопожарных и охранных системах, детекторах локального перегрева и т.д.В настоящее время описано более десятка технологических процессов, позволяющихпроизводить указанные ФР с высокими параметрами.

Все они могут быть разделены на 2группы: изготовляемые при температуре до 373 К (низкотемпературные) и высокотемпературные, т.е. предусматривающие на одной из технологической стадиикратковременный (до 30 минут) нагрев структуры свыше 800 К в воздушной атмосфере.Несмотря на высокую отработанность серийных технологий изготовления этих приборовостаютсянерешеннымипроблемысозданиятонкой(1-2мкм)однороднойпленкиполупроводника с минимальной концентрацией свободных носителей (желательно получениерmin =(1÷3)∙1015 см-3 при Т=300 К) и адаптации ФР по частотам, предъявляемых в используемойОЭС.Степень разработанности темы исследования.

Проблемам разработки фоторезисторовна основе PbS посвящено большое количество работ, частично представленные в спискелитературы, но большей частью носящие закрытый характер в силу применения этихфотоприемников и недоступных автору. Несмотря на это, данная работа претендует напринципиально новый подход к тематике: рассмотрению фоточувствительных элементов(ФЧЭ) в их взаимодействии с окружающей средой и использование этого взаимодействия дляоптимизации параметров ФР.Цель диссертации – оптимизация и стабилизация параметров ФР на основе PbS дляконкретных ОЭС, созданных для обнаружения точечных источников ИК излучения малойинтенсивности.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:71.Выявление(чувствительностьювзаимнойS0исвязиудельноймеждуосновнымиобнаружительнойпараметрамиспособностьюD* )ФРифеноменологическими параметрами твердого тела, в первую очередь – концентрациейосновных носителей и время жизни свободных носителей заряда.2.Выявление методов повышения рабочей частоты фоторезисторов путем сниженияих постоянной времени релаксации фотопроводимости (τ) при минимизации концентрациисвободных электронов в уже сформированной структуре ФЧЭ.Научная новизна работы1.На основе комплексного анализа значительного числа ФР, выпускаемыхпромышленностью для импульсных ОЭС, создана модель, позволяющая выявить однозначнуюсвязь между параметрами ФР и характеристиками полупроводникового материала, при этомпоказано, что концентрация носителей определяется не только концентрацией вводимыхглубоких ловушек химически связанного кислорода (кислородосодержащих примесей – КСП),приводящих к образованию свободных дырок (р1), но и концентрацией свободных дырок (р2),образованных в результате «прилипания» электронов на мелких ловушках, созданныхфизическиадсорбированнымирадикаламикислорода(кислородосодержащихлетучихсоединений – КСЛС).2.Впервыераскрытфизико-химическиймеханизмуправленияосновнымипараметрами ФЧЭ на основе PbS, заключающийся в регулировании концентрации свободныхносителей заряда (р2) путем управления концентрацией кислородосодержащих примесей –КСЛС.3.Впервые введено понятие кислородосодержащие летучие соединения (КСЛС).4.Впервые установлено, что эффекты изменения времени релаксации τ (временижизни свободных носителей заряда) при дегазации ФЧЭ, связаны с формированием в материале(на поверхности кристаллитов) продуктов разложения гидроокиси свинца PbOH2 .5.Впервые показано, что при малых значениях времени жизни носителейчувствительностьпропорциональнавременижизниносителей32( SU 0 ~ с  при τ до 50÷70 мкс или даже SU 0 ~ с  при τ до 10 мкс).