Введение к работе
Актуальность тема. Анализ физико-химических свойств материалов, используемых для изготовления чувствительных элементов газоанализаторов, исследование их электрофизических и структурных свойств позволяет разработать методы расчета на базе основных физических явлений, Практическая реализация расчетных методик позволяет прогнозировать характеристики изготавливаемых датчиков и оптимизировать их параметры. Анализ работы газоанализаторов различного типа показал, что в качестве чувствительных элементов целесообразно использовать полупроводниковые структури.
Исходя из имеющихся разработок, представляется перспективным использование чувствительных структур на основе материалов РЬТе, PbS. и SnO^. Промышленный выпуск детекторов на основе указанных материалов в нашей стране отсутствует.
Расчетные методики по теории полупроводниковых пленок ка основе РЬТе и PbS, позволявшие формировать структуры с оптимальними параметрами,, на 'представлены в литературе.
Поэтому разработка методики теоретического расчета параметров чувствительных структ" на основе РЬТе и PbS и технологии формирования полупроводниковых структур на-основе РЬТе-, PbS и SnOz, является весьма актуальной задачей.
Для построения на основе этих материалов полупроводниковых датчиков, разработанных и представленных в данной диссертационной работе, использовались дза принципа дейстзия: связь меаду величинами оптических сигналов определенной длины золнн, прошедших через среду при наличии, и отсутствии в ней анализируемого газа; изменение электропроводности материала под действием анализируемого газа.
В первом случае основу построения .газоанализатора составляла оп-топара, включаючая источник и приемник излучения. Аналитическая длина волны оптического сигнала выбиралась в области максимума оптического поглощения анализируемых газов и в диапазонах длин волн, соответствующих "окнак прозрачности", атмосферы, а именно, в инфракрасной области спектра от. 2 до 5 ыкм. Одним из основных требований к датчику - близкая к комнатной рабочая температура - определило в^бор приемника излучения на данном диапазоне длин волн: фотодиод на основе РЬТе и PbS.
Второй - основан на процессах окислительно-зосстановительной реакции, в результате которых происходит изменение сопротивления в, зависимости от концентрации адсорбированного газа или компонента га-
зовой смеси. Наиболее перспективный материалом для чувствительного слоя таких датчиков является полупроводниковые пленки SnOi( так как они обладает высокой химической стабильностью, механической прочностью; термостойкостью и высокой адгезией к подлоікам.
Цель настоящей работы - разработка методики расчета параметров р-п структур на основе РЬТе и PbS. и ее применение для оптимизации технологически* условий при вырацивании тонких полупроводниковых пленок на основе РЬТз, PbS и формировании структур на основе РЬТе. PbS и SnO/ для создания гаэоаналитичвеких датчиков.
Задачи работы:
-
Теоретический расчет оптимальных параметров р-n структур на основе РЬТе и PbS в вироком'температурном диапазоне для прогнозирования характеристик фотодиодов на их основе.
-
Исследование термодинамических условий роста эпитаксиальных пленок РЬТе.и PbS, разработка метода получения р-n структур на основе РЬТе и PbS, выращенных на подложках из кремния с буферными слоями.
-
Исследование условий формирования р-n структур на основе РЬТе и PbS, для изготовления фотовольтаических приемников работающих при комнатной температуре.
-
Разработка методики получения пленок SnO., и исследование их электрофизических и структурных свойств.
-
Разработка методики изготовления датчиков проводящего типа в тонкопленочном исполнений, на основе пленок SnO».
Новыми научными результатами, представленными в работе, являются;
1. Теоретический расчет основных параметров р-n переходов на основе РЬТе и PbS в вироком диапазоне рабочих температур, в результате которого определены основные составляющие тока.протекапцего через р-п -переход; расчеты вольт-амперных и спектральных характеристик для различных параметров р-n переходов на основе РЬТе и PbS в вироком диапазоне температур и выбор оптимальных параметров фотодиодных структур. -
' 2. Методика формирования р-n структур на основе PbS методом "го-, рячей стенки".
Метод "горячей стенки" позволяет выращивать образцы в термодинамически контролируемых условиях с воспроизводимыми параметрами. Особенность метода - перенос вещества от источника к подло«ке осуществляется в пространстве, ограниченном стенками испарительной кварцевой ампулы. Испарение вещества происходит в условиях, близких к равновесным, что предотвращает конденсацию испаряемого вещества на стенках
ампулы. Изменение состава пера над поверхностью растущей пленки позволяет управлять концентрацией носителей заряда в образце.
3. Методика формирования р-n структур на основе РЬТе и PbS на подлоіках из кремния с буферний слоем.
4; Исследование электрофизических и структурных свойств пленок РЬТе и PbS, выраценных на подложках из кремния с буферными слоями.
5. Методика формирования р-п-структур на основе РЬТе и PbS с наи-лучвими характеристиками на основе результатов сравнения эксперимент тальных и расчетных значений параметров р-n перехода . Показана возможность использования этих структур в фотоприемниках, работавших при комнатной температуре.
Экспериментальные результаты, .полученные в данной работе, подтвердили возможность применения допущений теории полупроводниковых пленок непосредственно к материалам РЬТе и PbS.
Практическая ценность работы состоит в возможности внедрения датчиков на основа РЬТе, PbS и SnOr в промьиленности. Оотодиоды на основе пленок РЬТе и PbS работают при комнатной температуре, что открывает вирокие возможности применения таких фотодиодов.
Особый интерес с технико-экономической точки зрения представляет выращивание фоточувствительных структур на основе РЬТе и PdS на под-ложках из кремния с буферным слоем. Такой монолитный подход дает возможность выполнить соединения датчиков на одной и той же кремниевой подложке, что позволяет избеяать большого числа гибридных соединений.
Представленные в данной работе' теоретически рассчитанные парамет-' ры р-n структур на основе РЬТе и PbS позволяют получать р-n структури , с оптимальными параметрами путем изменения технологических режимов в процессе роста полупроводниковой пленки*
Результаты разработки, проведенной на ряде-основ и допущений теории полупроводниковых пленок, подтвердили возможность использования данного расчетного аппарата для оптимизации параметров р-n переходов на основе РЬТе и PbS и характеристик приборов данного типа.
На базе созданных р-n структур на основе РЬТе и PbS, выращенных на подложках из кремния с оуферним слоем, разработана методика, формирования многозлементннх линеек фотодиодных структур.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:
-
50-я научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов института.(Санкт-Петербург, 1993),
-
Всесоюзная конференция "Состояние и пути развития производства
полупроводниковых приборов некогерентного излучения и их применение в народном хозяйстве". (Севастополь,1S92).
3. Всесоюзный семинар "Физико-хиыич«ские свойства многокомпонентна полупроводниковых систем. Эксперимент и моделирование". (Одесса, 1990}. '.
Основное содер&ание диссертации изложено в 5 публикациях в виде статей и тезисов докладов'. , '
Объем работы, Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка; литературы. Изложена на 169 страницах мавинописного текста, 'включая 33 рисунка, 2 таблицы, список литературы, состояний из 109 наименований отечественных и зарубежных авторов. ' ,
Все эксперименты и представленные результаты выполнены автором. Обсуждение и интерпретации результатов и выводов совместно с автором проводил научный руководитель.