Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие полупроводниковой техники, расширение сферы ее использования и создание принципиально новых видов приборов и устройств вызывает постоянную потребность в соединениях, обладающих необходимым сочетанием электрических, поляризационных и фотоэлектрических параметров. Компоненты оксидной системы РЬ-0 на протяжении уже нескольких десятилетий применяются в качестве базового материала для изготовления фоторезисторов, фотовольтаических ячеек солнечных элементов, а также являются объектом исследования в ведущих отечественных и зарубежных лабораториях в качестве модельных соединений для изучения структурных переходов, процессов дефектообразования и сегнетоэлектрических явлений.
Объект исследования. Среди компонентов окисносвинцового ряда можно выделить свинцовый сурик или ортоплюмбат свинца (ОС) РЬзС>4, который относится к широкозонным фотопроводникам (ширина запрещенной зоны АЕ « 2.0 эВ), является высокоомным (удельное сопротивление /7=10 - 10 Ом-см) и характеризуется широким спектром локальных состояний [1]. Указанные особенности обуславливают возможность применения оксида РЬзС>4 для формирования электретной структуры, создания носителей оптической информации, элементов фотонных технологий и радиоэлектроники. Вместе с тем, ОС отличает стабильность фазового состава, которая обеспечивает устойчивость свойств этого соединения с течением времени, а также их независимость от внешних воздействий.
Характерной особенностью высокоомных полупроводников является их поляризация при наложении внешнего электрического поля. Поляризационные и зарядовые процессы лежат в основе функционирования большинства приборов полупроводниковой опто- и радиоэлектроники, определяя их важнейшие эксплуатационные характеристики. В последние годы интенсивно исследуются механизмы переноса зарядов в твердых телах, которые характеризуются малой подвижностью носителей заряда (НЗ), высокой концентрацией и квазинепрерывным распределением локализованных состояний в запрещенной зоне, что приближает их по энергетической структуре к неупорядоченным полупроводникам.
Исследование релаксационных электронных процессов является одним из основных методов получения информации о механизмах зарядообразования и установления природы деградации полупроводниковых материалов и приборов на их основе под действием внешнего электрического поля. Проведенные ранее исследования [2] показывают, что перенос НЗ в оксиде РЬз04 сопровождается протеканием значительных поляризационных процессов в темноте и при световом возбуждении, оказывающих влияние на инерционные свойства электронных приборов, формируемых на основе этого материала. В то же время процессы электрической релаксации, а также
механизмы электропереноса в переменном электрическом поле низкой частоты в ОС являются практически не изученными. В идейном плане исследование диэлектрической релаксации и фотоиндуцированных явлений в поликристаллических слоях РЬзС>4 соответствует направлению поиска новых материалов в современной опто- и радиоэлектронике. Таким образом, определение основных закономерностей и природы электрической релаксации в ОС является одной из актуальных задач исследования.
На основании изложенного формулируются цель и задачи работы.
Цель работы. Установление закономерностей и механизмов электрической релаксации в фотопроводящих поликристаллических слоях РЬз04 в области низких и инфранизких частот.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
Провести аналитический обзор данных научно-технической литературы по исследованию процессов поляризации, фотополяризации, переноса заряда в высокоомных полупроводниках и особенностей структурных и физических свойств фотопроводника РЬз04.
С применением экспериментальных методов диэлектрической спектроскопии исследовать релаксационные процессы и установить специфические закономерности поведения диэлектрических характеристик поликристаллических слоев ортоплюмбата свинца.
Методом токовой спектроскопии изучить кинетику изотермической диэлектрической поляризации и процессы формирования пространственного заряда в металлоксидной структуре РЬз04.
На основе комплексного исследования процессов диэлектрической релаксации выявить характерные особенности электротранспорта в слоях РЬз04 со связующим веществом в низко- и инфранизкочастотных электрических ПОЛЯХ.
5. Исследовать фотоиндуцированные поляризационные явления в
ортоплюмбате свинца при варьировании внешних факторов влияния.
Научная новизна. В отличие от предшествующих работ, в которых изучались проводимость и фотопроводимость в постоянном электрическом поле, оптические и структурные свойства высокоомного полупроводника РЬ304, в настоящей работе впервые:
Проведены исследования диэлектрических свойств на образцах поликристаллической металлооксидной структуры РЬз04 и выявлен релаксационный характер низкочастотной дисперсии диэлектрических параметров.
Установлены закономерности изотермической релаксации заряда, связанные с инфранизкочастотными поляризационными процессами в поликристаллических слоях ортоплюмбата свинца.
В рамках модели прыжкового механизма переноса носителей заряда по глубоким центрам захвата в запрещенной зоне определены - плотность локализованных состояний, частотный фактор, энергия активации и
другие параметры, контролирующие процессы электрической релаксации. 4. Изучены низкочастотные процессы диэлектрической релаксации в ортоплюмбате свинца в условиях фотовозбуждения. Основные положения, выносимые на защиту:
Температурно-частотная зависимость дисперсии диэлектрических параметров в высокоомном фотопроводнике РЬзС>4 определяется межслойной поляризацией Максвелла-Вагнера, обусловленной естественной неупорядоченностью исследуемых образцов.
Процессы релаксационной поляризации в поликристаллических слоях ортоплюмбата свинца в области инфранизких частот отвечают модели прыжкового переноса носителей заряда по локализованным состояниям в запрещенной зоне.
Релаксация фото диэлектрического отклика в слоях РЬзС>4 определяется влиянием пространственного заряда локализованных носителей и электронов проводимости.
Кинетика изменения составляющих комплексной диэлектрической проницаемости при наложении и снятии светового возбуждения характеризуется долговременной релаксацией, обусловленной глубокими локальными состояниями в слоях ортоплюмбата свинца. Теоретическая значимость работы.
Результаты экспериментального исследования процессов электрической релаксации в области низких частот в темновом и световом режимах измерения, а также детальный анализ механизмов переноса НЗ на переменном токе в высокоомном полупроводнике РЬзС>4, вносят существенный вклад в развитие теоретических основ физики неупорядоченных сред.
Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований процессов релаксации диэлектрической поляризации и фотоиндуцированных явлений в области НЧ и ИНЧ в поликристаллическом РЬзС>4, могут быть полезны при разработке, изготовлении и контроле электрофизических характеристик устройств твердотельной электроники.
На базе экспериментальных установок, разработанных в ходе выполнения диссертационной работы, реализуется научная практика студентов факультета физики РГПУ им. А.И. Герцена при выполнении ими дипломных и магистерских исследований в рамках учебных программ по направлению «Физика конденсированного состояния».
Комплексные исследования процессов электрической релаксации в ОС являются важным и необходимым этапом изучения свойств высокоомных фотопроводников и оптимизации характеристик элементов опто- и радиоэлектроники. Полученные на сравнительно простом по химическому составу соединении результаты исследований релаксационных явлений в переменном электрическом поле могут оказаться полезными при изучении других, более сложных по структуре, полупроводников и разработке новых
методик изучения материалов с естественной структурной неупорядоченностью.
Сочетание таких свойств, как долговременная диэлектрическая релаксация и фоточувствительность в видимой области спектра способствует практическому использованию высокоомного фотопроводника РЬзС>4 в качестве базовых структур для производства элементов оптоэлектроники и формирования сред - носителей оптической информации.
Связь темы с планом научных работ. Диссертационная работа являлась частью научных исследований научно-исследовательской лаборатории физики неупорядоченных систем и проводилась в рамках госбюджетной тематики РГПУ им. А.И. Герцена (заказ-наряд Министерства образования и науки РФ №1.11.99Д «Исследование электронных процессов в фотопроводниках с различной степенью структурной неупорядоченности»).
Достоверность и научная обоснованность результатов и выводов диссертации обеспечивается: корректной формулировкой направлений исследования и их физической обоснованностью, адекватностью используемых методик поставленным задачам, сопоставлением с имеющимися данными научно-технической литературы по проблеме исследования, применением для интерпретации полученных результатов современных модельных представлений, достаточным объемом экспериментальных данных и их воспроизводимостью.
Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах: IV Международной конференции «Диэлектрического общества» и IX Международной конференции «Диэлектрические и сопутствующие явления» (Познань, Польша, 2006 г.), VIII и IX международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Ульяновск, 2006, 2007 г.г.); Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (Москва, 2006 г.), IX Международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 2007 г.), XXII Международной конференции по аморфным и нанокристаллическим полупроводникам (Колорадо, США, 2007 г.) и научных семинарах кафедры физической электроники Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. В работе 128 страниц сквозной нумерации, 52 рисунка, 6 таблиц, список литературы включает 100 наименований.
