Диссертация (Морфология и электрофизические свойства фоточувствительных слоев на основе PbS), страница 12

Черная линия представляет собой спектр до внесения вкамеру спирта. После внесения с течением времени сигнал Q-DLTSувеличивался (красная, синяя, розовая и зеленая линии). С течением времениэтанол испарялся, и в камере возрастала концентрация паров, возрасталочисло реагирующих с молекулами спирта поверхностных состояний. Сразупосле того, как из камеры был изъят этанол, сигнал Q-DLTS резкоуменьшился практически до своего обычного состояния.Рисунок 4.8 – Q-DLTS спектр с парами этанола в камереКак известно, уже при температурах ~ 300°С и выше молекулярныйкислород хемосорбируется на поверхности в заряженной форме O2 .При внесении в измерительную камеру этанола и отрицательнозаряженный кислород вступают в реакцииСН3СН2OH → С2Н4(адс) + H2OС2Н4(адс) + 3O2–(адс) = 2СO2 + 2H2O +3e–.79В результате образуются свободные электроны, рекомбинирующие сосновными носителями – дырками.Таким образом, подтверждается тот факт, что обнаруженный пик вспектре Q-DLTS связан со слабосвязанным (физически адсорбированным)кислородом в КСП.4.1.3.

Результаты исследования СПМШ ФЧСПосле отбраковки элементов по сопротивлению типичные ФЧС,относящиеся к категории высокоомных (767 кОм и 2 МОм) и низкоомных(356 и 324 кОм) были смонтированы во временные корпуса (рисунок 3.4). Уэтих ФЧС на установке, описанной в главе 2, измерялись спектры плотностимощности шума (СПМШ).На рисунке 4.9 представлены типичные СПМШ для ФЧС, полученныххимическимифизическимметодами.Наприведенныхрисункахпредставлены спектры, измеренные при различных напряжения смещения нацепочке, состоящей из исследуемого фоторезистора и нагрузки. Значениянагрузочного сопротивления (Rн) и темнового сопротивления ФЧС (Rт)указаны над графиками.Сплошная черная линия показывает уровень теплового шума ДжонсонаНайквиста, рассчитанное по формуле R  RФР  RН  RФР  RН  – эквивалентноесопротивлениеФРинагрузки.Эталинияфактическиопределяетдостоверный частотный интервал СПМШ.80Rd = 767 к-10Rl = 1 МU = 3; 9; 27 VRl = 2 МRd = 2 М-81010-910-1110U = 1.5; 7.5; 17; 27 V-1010-12-11U /f, V /Hz101021022-132U /f, V /Hz10-14-1210-1310-1410-1510-1510-1610-1610-1710-1710111010010001000010100100000100010000f, Hzf, Hz41000002АN17-49б)а)Rн = 300 кОмRT = 356 кОмRн = 300 кОмRT = 324 кОм-1110-910U = 1.5, 6, 13.5, 30 В-1210-1010U = 1.5, 6, 13.5, 30 В-11-1310U /f, В /Гц-1222U /Df, В /Гц10-142210-151010-1310-1410-1510-1610-1610-1710-1710110100вираж100010000f, Гц100000№2-18101в)10ФС-2АН1001000f, Гц10000100000№562г)Рисунок 4.9 – СПМШ типичных химических (а, в) и физических (б, г) ФЧС [85.

89]Вид полученных СПМШ подобен приведенному на рисунке 1.12.Достоверный участок определения шума простирается от 1 до 100 Гц: далееидет «завал» характеристики за счет RC-цепочки. Значение теплового шумахорошо определяется на рисунке 4.1,в в диапазоне 20-1200 Гц при малыхсмещениях, при увеличении смещения растет компонента ГРШ и шума типа1/ f  , что согласуется с выражением (1.23).В связи с тем, что зависимость от напряжения смещения у обоих шумоводинакова,выбратьучастокспреобладаниемгенерационно-рекомбинационного шума (ГРШ) (где, как сказано в главе 1, удельнаяобнаружительнаяспособностьФЧСмаксимальна)достаточнопроблематично: при определенных условиях и только у химическиосажденных структур можно обнаружить характеристики с преобладанием81ГРШ (рисунок 4.9 а,в).

Дальнейшие исследования будут направлены наизучение причин такой связи между ГРШ и технологией изготовления ФЧС.оНеобходимо отметить, что при нагреве до 500-600 С СПМШ химическиосажденных структур приобретает вид, характерный для физическинапыленных структур (рисунок 4.10), где представлены СПМШ низкоомного(а) и высокоомного (б) образцов.Rн = 300 кОмRT = 115 кОм-910-1010-1010U = 1.5, 4.5, 13.5, 30 В-1110U = 1.5, 4.5, 13.5, 30 В-11U /f, В /Гц10-12210-13-1210-131021022U /f, В /ГцRн = 1,5 МОмRT = 1,4 МОм-910-1410-1510-1610-1410-1510-1610-17-171010110ФР-3АН100100010000f, Гц100000110100ФР-3АН№511000f, Гц10000№58100000аРисунок 4.10 – СПМШ типичных химических и физических ФЧС послевысокотемпературной обработкиб4.1.4.

Результаты исследования спектральной характеристики ФЧССпектральные характеристики ФЧС снимались на установке, описаннойв подразделе 2.1.4. В связи с тем, что временные корпуса не содержаликаких-либо дополнительных фильтров, характеристики имели высокийкоэффициент использования излучения (рисунок 4.11).Для слоев, полученных физическим напылением с последующимпрогревом до 800 К, типичные спектральные характеристики (рисунок 4.11,а)имеют один максимум вблизи 2,5 мкм и «красную границу» (λ″) вблизи 3,1мкм, соответствующей ширине запрещенной зоны PbS. Для типичныххимическиосажденныхслоевспектральныехарактеристикиимеютнесколько максимумов и положение λ″ около 2,7 мкм.8210010080806060%40402020001ф2ф0,911,11,21,31,41,51,61,71,81,922,12,22,32,42,52,93,10,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3мкм3ф2.12а100808060%4060%40202000мкм0,911,11,21,31,41,51,61,71,81,922,12,22,32,42,52,93,1100вмкм19.12мкм0,911,11,21,31,41,51,61,71,81,922,12,22,32,42,52,93,1%бгРисунок 4.11 – Спектральные характеристики физически напыленных (а)и химически осажденных (б, в, г) ФЧС [89 - 92]Морфология типичного ФЧС данного класса представлена на рисунке4.24,в; ФЧС, спектральная характеристика которого представлена на рисунке4.11,в, обладает высоким сопротивлением (2,1 МОм), ФЧС, спектральнаяхарактеристика которого представлена на рисунке 4.11,в относится к группеэлементов, морфология которых представлена на рисунке 4.26.

Наконец,спектральная характеристика ФЧС, представленная на рисунке 4.11,готносится к элементам, морфология которых представлена на рисунке 4.25.«Голубой» сдвиг (сдвиг в коротковолновую область) λ″ у химическиосажденныхслоевможнообъяснитьнесколькимипричинами.ТакСоминский М.С. в [93] объяснял его неоптимальностью толщины ФЧС,отмечая, что при уменьшении толщины полупроводникового слоя максимумчувствительности несколько смещается в сторону коротких длин волн и,наоборот, с увеличением толщины слоя этот максимум смещается в сторонудлинных волн, что связывается с глубиной поглощения излучения при83разнойдлиневолны(спектральнойзависимостьюкоэффициентапоглощения). Более глубокий анализ относящейся к химически осажденнымслоям был дан в работе [48].Анализ полученных результатов и сопоставление их с литературнымиисточникамидаетхарактеристикавозможностьфизическихпредположить,ФЧСчтосоответствуетспектральнаяспектральнойхарактеристике неокисленного PbS [48]. Фотопроводимость увеличиваетсяблагодаря разделению носителей на центрах захвата, вызванных вариациямипотенциала, и, следовательно, время жизни носителей заряда можетуменьшиться с увеличением энергии возбуждения фотона.

Это в своюочередь приводит к уменьшению чувствительности в коротковолновойобласти. Можно сказать, что спектр отклика неокисленного материалаблизок к характеристикам для скомпенсированного материала при высокихуровнях легирования. Однако нижний порог энергии не меньше, чем шириназапрещенной зоны PbS, который предполагается при высоких уровняхлегирования из-за “хвостов” зон.

Такое несоответствие дает основаниепредположить, что ширина запрещенной зоны материала увеличилась подвлиянием кислорода. Предполагается [48], что пленка является системойPbSO,котораяимеетширинузапрещеннойзоны,являющуюсяинтерполяцией между PbS и PbO.СпектральнаяхарактеристикахимическихФЧСснесколькимимаксимумами намного интереснее. Сдвиг длинноволновой границы обычносвязывается с встраиванием кислорода в кристаллическую решетку PbS: вэтомслучаешириназапрещеннойзоныдолжнаувеличиватьсяи,соответственно, длинноволновая граница уменьшаться.Однако существуют и другие объяснения.

Так в работе [48] делаетсяпредположение, что из-за произвольного распределения примесей в ФЧСвозможно возможны локальные изменения потенциала, что может привести кпоявлению “хвостов” локализованных состояний в запрещенной зоне и к84уменьшению пороговой энергии поглощения. Увеличение толщины прослоекмежду кристаллитами может привести к уменьшению подвижности иувеличению времени релаксации фотопроводимости.Можнопредположитьчто[94],возможнаещеоднапричинакоротковолнового сдвига – проявление эффекта Мосса-Бурштейна: зернаструктуры пленки представляют собой полупроводник n-типа, на нихадсорбируются кислородосодержащие молекулы – «связанный» (химическиадсорбированный) и «обратимый» (физически адсорбированный) кислород,создающийповерхностныесостоянияакцепторноготипа,которыеопределяют дырочную проводимость всей пленки.

Если поверхностныйпотенциал достаточно высок внутри кристаллита может накапливатьсязначительное количество электронов, благодаря чему ширина запрещеннойзоны PbS как бы увеличивается, сдвигая край собственного поглощения вкоротковолновую часть спектра. Коэффициент поглощения с учетом этогоэффекта можно получить, умножая коэффициент поглощения для чистогообразца на фактор [71]:**1  mdnmdpF  h  Eg 1exp ,**1mmkTdndp1(4.4)**где F – уровень Ферми, отсчитываемый от дна зоны проводимости, mdn, mdp–эффективные массы плотности состояний электронов и дырок.4.2 Исследование морфологии поверхности фоточувствительныхслоевИсследованию распределения кислорода по ФЧС на основе PbS былипосвящены работы, проводимые в различные годы [44, 77, 95], при этом ещев 1956 г.