Диссертация (Морфология и электрофизические свойства фоточувствительных слоев на основе PbS), страница 13

Петриц Р. [54] утверждал, что кислород сосредоточен наповерхности пленок и в межкристаллитных прослойках, а в объемкристаллитов не проникает. В отмеченных более поздних работах на основе85Оже-электронногомикроанализабылоисследованопространственноераспределение кислорода в фоточувствительных поликристаллическихпленках PbS.

В работах, посвященных обсуждению этих результатов,утверждалось, что межкристаллические прослойки ввиду их малой толщинысчитаются туннельнопрозрачными, однако в [48] делается предположение,что химически осажденные структуры можно «переокислить».В связи с вышеизложенным, актуальность работы, связывающейпараметры фотоприемников со структурой ФЧС становится очевидной.Как было сказано в литературном обзоре, отражение от поверхностивоздух/пленка в ФЧС на основе PbS составляло всего 20 вместо 37%,поэтому мы предположили, что ответ на этот вопрос лежит в структуреповерхности пленки.После проведения исследования электрофизических свойств ФЧС былиотобраны 6 элементов с высокими значениями удельной обнаружительнойспособности (D*>1010 Вт-1∙см∙Гц½) – по три образца, изготовленные пофизической и химической технологиям.4.2.1.

Применение сканирующей зондовой микроскопииСтруктура поверхности исследовалась с помощью сканирующихзондовых микроскопов NteGRA Prima и Solver PRO-M производства ЗАО«NT-MDT», описанных в разделе 2.3.Следует отметить, что в настоящем разделе представлены лишьтипичные изображения сканов.На исследуемых образцах первоначально делались обзорные сканы сотносительно больших площадей, как правило, размерами 30 – 50 мкм вплоскости образца и 4 – 5 мкм по вертикали. Примеры обзорных скановфоточувствительных слоев, полученных методами физического напыления ихимического осаждения приведены на рисунке 4.12. Затем на обзорныхсканах выбирались «места наибольшего интереса» и с этих участков86делались сканы участков поверхности с большим разрешением (как правило,1 х 1 х (0,4 – 0,04 мкм).Нарисунке4.13приведенысканыфоточувствительногослоя,полученного методом физического напыления до его очувствления (т.е. довысокотемпературной термообработки), а на рисунке 4.14 – послетермообработки.

При этом на рисунках 4.14,а представлено двухмерноеизображение, а на рисунках 4.14,б – трехмерное.Как видно из рисунков, поверхность пленок очень развитая, поэтомуименно зондовые исследования оптимальны с точки зрения исследованияморфологии поверхности, так как они позволяют не только качественно, но иколичественно оценить размеры различных деталей структуры. На рисунке4.15 в качестве примера приведены профили поверхности в различныхобластях скана, изображенного на рисунке 4.14 (ФЧС полученныйфизическим методом после термообработки).87абРисунок 4.12 – Поверхности ФЧС, полученных химическим (а) и физическим (б)осаждением [81, 96]88.абРисунок 4.13 – Двухмерное (а) и трехмерное (б) изображение поверхности ФЧС,полученного физическим методом (до термообработки) [92, 94, 96, 97]89абРисунок 4.14 – Поверхность ФЧС, полученного физическим методом послетермообработки [97]90Рисунок 4.15 – Профили поверхности ФЧС, изображенной на рисунке 4.14.Как видно из рисунка, высота деталей структуры достигает 40 – 60 нм.Сравнимизображенияповерхностифоточувствительныхслоев,полученных методами химического осаждения и физического напыления.Поверхность слоя, полученного химическим осаждением, состоит из гладкихокруглых образований (зерен) с размерами в плоскости пленки до 300 нм ивысотой до 100 - 200 нм (рисунок 4.16).91Рисунок 4.16 – Сканповерхности ФЧС,полученногохимическим осаждением[94, 97]У ФЧС, полученных методом физического осаждения, размеры деталейрельефа того же порядка (рисунок 4.13), хотя максимальные размерыобразований в плоскости пленки несколько больше (до 500 нм) по сравнениюс химическими слоями.

Основное отличие морфологии заключается в том,что у физических слоев данные образования имеют четко выраженные грании правильную кристаллографическую форму.Высокотемпературный отжиг (при 550-620 оС в атмосфере воздуха)«физических» ФЧС приводит к эрозии граней кристаллитов и картинаповерхности (рисунок 4.14) приближается по виду к морфологии ФЧС,полученных химическим осаждением.Атомно-силовая микроскопия позволяет получить изображение мелкихдеталей поверхности. Так у части образцов «физического» PbS приисследовании обнаружилось наличие мелких структур на поверхностикристаллитов (рисунок 4.17).92Рисунок 4.17 – Морфология поверхности образца, полученного физическимосаждением с высокотемпературным нагревом [94, 97]На рисунке 4.18 представлены сканы морфологии кристаллита,полученные в бесконтактной моде (рисунок 4.18,а), в контактной моде(рисунок 4.18,б) и в режиме сигнала LF (Lateral Force, изменениеторсионного изгиба кантилевера), который подчеркивает особенностирельефа (рисунок 4.18,в).Средний размер выпуклостей составляет 40-60 нм, высота 3-5 нм.Учитывая, что типичное значение радиуса закругления острия зондасоставляет10нм,толатеральныеразмерымогутбытьнемногозавышенными.

Таким образом, по этим результатам нельзя говорить ореальной форме выпуклостей. Но порядок величин остается на уровнедесятков нанометров.93абвРисунок 4.18 – Сканы поверхности «физического» ФЧС, полученные вбесконтактной моде (а), в контактной моде (б) и в режиме сигнала LF [92, 94]Из вышеприведенных изображений поверхностей фоточувствительныхслоев «физического» PbS следует, что даже при одном и том же методеполучения пленок морфология поверхности сильно различается у разныхпленок.В настоящей работе были также проведены исследования скановповерхностифоточувствительныхслоевполученныевОООИсследовательский центр Уралсемикондактор и любезно предоставленныенам г.

Мухамадьяровым Равилем Давлетовичем. Данные образцы, былиполучены химическим методом и имеют, по заявлению производителя, малоеколичество кислорода. Указанные сканы представлены на рисунках 4.19 и4.20.942D-изображение3D-изображениеРисунок 4.19 – Морфология «бескислородных» ФЧС (ООО Исследовательский центрУралсемикондактор), первая сторона952D-изображение3D-изображениеРисунок 4.20 – Морфология «бескислородных» ФЧС (ООО Исследовательский центрУралсемикондактор), вторая сторонаАнализ полученных сканов показал, что отличительной особенностьюповерхности этих образцов является большое количество мелких включений,свойственных исследованным выше «физическим» образцам (рисунок 4.17).Недостатком метода сканирующей зондовой микроскопии в случаеобразцов, исследуемых в настоящей работе, является не всегда достаточнаяглубина резкости изображения.

В результате этого в некоторых случаях96трудно определить, является рассматриваемый объект усеченной пирамидойилипараллелепипедом.Существеннобóльшуюглубинурезкостиобеспечивает растровая микроскопия.4.2.2. Применение растровой электронной и ионной микроскопиидля исследования свойств ФЧСКак было отмечено в главе 1, в НИУ МЭИ уже были начатыисследования морфологии поверхности ФЧС на основе PbS с помощьюрастровогомикроскопаРЭМBS-300.Однаковнастоящейработеисследования были проведены на более современном оборудовании(растровом электронном микроскопе Tescan Vega и электронно-ионноммикроскопе VION FEI (Plasma-Fib) Nova 600 NanoLab с приставкойBRUKER), что позволило получить новые результаты.С помощью указанного оборудования исследовалась морфологияповерхности трех групп образцов: физически напыленных, по технологии описанной в главе 3, ФЧС:высокоомных (2,8 Мом) и низкоомных (60 Ком), химическиосажденныхФЧС,изготовленныхпотехнологииописанной в главе 3, ФЧС,окислителей,полученныехимическимпредоставленныег.осаждениембезМухамадьяровымпримененияР.Д.(ОООИсследовательский центр Уралсемикондактор).В связис тем, что былополученозначительное количествоизображений, в настоящем разделе приведены лишь наиболее типичные.

Нарисунке 4.21 представлены изображения поверхности высокоомного ФЧС,полученного физическим напылением, при различном увеличении. Как виднона рисунке, наряду с кристаллитами размером до 1 мкм, имеются болеекрупные включения размером до 5 мкм.97абвРисунок 4.21 – Морфология поверхности высокоомных «физических» ФЧС [89]На рисунке 4.22 представлена морфология поверхности низкоомногоФЧС, полученного физическим напылением, при различном увеличении.абРисунок 4.22 – Морфология поверхности низкоомных «физических» ФЧС [89]У образца, поверхность которого изображена на рисунке 4.22,б, крупныхвключений не наблюдается, но при этом хорошо видны трещины наповерхности. Наличие трещин представляется весьма важным и эти образцыбыли дополнительно исследованы с помощью просвечивающего микроскопа(см.

раздел 4.4).Для электронномикроскопического исследования структуры по толщинеслоя методом прецизионного ионного травления были изготовленыпоперечные срезы пленок. На рисунке 4.23 показаны изображения срезапленок «физических» образов, полученных при разных режимах отжигапосле осаждения: постепенный нагрев (рисунок 4.23,а), резкий нагрев до 600оС (рисунки 4.23,б и в), а так же для сравнения представлен неотожженныйобразец (рисунок 4.23 г).98Напряжение 5кВ, ток пучкаэлектронов 50пА,увеличение 25000хPbSа)ПодложкаНапряжение 30кВ, токпучка электронов 24пА,увеличение 20000хPbSПодложкаб)Напряжение 5кВ, токпучка электронов 50пА,увеличение 35000хPbSв)ПодложкаНапряжение 5кВ, токпучка электронов 50пА,увеличение 35000хPbSг)ПодложкаРисунок 4.23 – Изображение среза пленок PbS «физических» ФЧС [98]99Во всех случаях пленка состоит из зерен (кристаллитов) с размеромпорядка 0.7-0.3 мкм.

Толщина пленки составляет около 1.5 мкм. По толщинепленки обычно укладывается два ряда зерен, однако если они достаточномелкие (от 0.3мкм), их может быть до 5 рядов.Как видно из рисунка, ФЧС, изготовленные физическим напылением,изначально состоят из кристаллитов с четко выраженными гранями. Однаков результате термообработок происходит сглаживание граней кристаллитов.Полученные данные полностью согласуются с результатами исследования«физических» ФЧС методами сканирующей зондовой микроскопии (см.раздел 4.2.1).абРисунок 4.24 – Морфология поверхностиФЧС, полученного химическимосаждением [91]в100Перейдем к рассмотрению ФЧС, изготовленных методом химическогоосаждения.