Инфракрасные фотографические процессы на тонких слоях полупроводников с использованием эффектов комбинированного возбуждения Туланов, Вахаб Туланович

Введение к работе

Актуальность темы. Нз протяжении последних двух десятилетии научные направления, связанные с изучением инфракрасной (ИК) оо'ласти спектра фотографическкми методами,развивались быстрыми темпгмиЛаяой большой интерес к изучению ИК области спектра стимулирован, в первую очередь, развитием таких важных направлений в науке, как ИК лазерная техника,ИК гологра&кя, современная ИК спектроскопия,астрономия, оборонная промышленность и т.д.

Кроме того отличие коэффициентов отражения,преломления и поглощения различных веществ в ИК области спектра позволяет обнаруааеть на ИК фотографии невидимые в обычных условиях деталі, следы, трещины и неоднородности в материалах, что позволяет использовать ИК фотографии а криминалистике, медицине,искусствоведении, промышленной дефектоскопии и многих других важных объектах народного хозяйства.

Однако,к сожалению, красная граница чувствительности существующее к настоящему времени прямых и косвенных методов ИК фотографии, а тагае необычных, в том числе, Сессеребряішх фотопроцессов по ряду причин не превышает I мкм.

Длинноволновый предел чувствительности _Q высокоразвитой,'.галогэ-нидосеребряной классической фотографам также ограничен длиной волны 1,3 мкм, что составляет незначительную часть ИК области спектра. Дальнейшее продвижение красной границы чувствительности в более длинноволновую область спектра наталкивается на ряд принципиальных трудностей, связанных с вуалирущим, т.о. разрушающим действием фо~ повой тепловой радиации.

Попытки по преодолению длинноволнового предела чувствительности фотографических процессов, удовлетворяющих какому-нибудь практическому требованию, до настоящего времени к особому успеху не принесли. Поэтому перед научной фотографией стоялч задаче поиска новых путей, новых физических решений для построения длинноволнового фотографического процесса, обеспечивающего получения ИК изображений в ближней v сред2іей ИК областа спектра в реальных условиях фотографической съемк;:

Одним из возможных путей решения этой задачи является приликг: управления фотографической чувствительностью [11. Сущность этого принципа заключается в том, что фотографическую съемку в ycroivjfx patr'OEeciioro фонового излучения могут обесточить таки? системі, v которых чувствительность системы вклпчзетоя только на время &клтк>-

тп/овапил, тем самш своди к минимуму время.в течение которого могл про исходить вуалирование .фотоматериала под действием фоновой тепло вон радиации.

В основу данной диссертационной - работы положена идея использования некоторых необычных (специфических) свойств галогенидо! серебра при создании на их основе многослойных КК полупроводшжовы фотографических систем с управляемой чувствительностью, а именно:

Регистрация медленных электронов плазмы газового разряда па пиленными слоями галогенидов серебра.

Фоторегистрация потенциального рельефа т.е. запись изменєни чувствительности фотоэмульсии и напыленных слоев галогенидо] серебра под действием импульсного электрического поля.

Фотографическая запись теплового поля,созданного при лазерноі экспозиции (тепловая сенсибилизация).

Целью данной диссертационной работы являлось изучение физических основ происходящих явлении длинноволнового фотографического процесса с использованием эффектов комбинированного возбуздэпия на тон-ких слоях полупроводников.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следуЮЩИі зад-ичк:

1. Получение и всестороннее ксследованке физию - химических 1 сенситометрических сеойств тонких слоев (0,01-2 МЮ.') гало гекидов серебра, применяемых в качестве загтисыващей среда ! ИК полупроводниковых фотографических системах.

2. Исследование необратимых физических процессов, обусловенны ксй'.бишфованнььііі (сватовыми,тєплсееми и электрическими) воз Суждениями тонких слоев AgHal.

3. Измерение электрических, фотоэлектрических и вольтфарадны. характеристик кремния, легированного золотом,марганцем и се роїї в условиях высокотемпературной диффузии и разработка н. га основе фотоприемников для ИК фотосистем.

4. Исследование физических процессов формирования ИК изображен в многослойных полупроводниковых фотографических системах і фотоприемняками из кремния і; записывающей средой на основі тонких слоев галогенидов серебра.

5. Осуществление практической реализации нескольких варианта;

новых ИК полупроводниковых фотографических систем с управ ля^м»й чувствительностью.

- ь -

Научная новизна работы

6. Впервые предсказан и экспериментально обнаружен тер -мостимулировнный фотографичес к и й эф ф е к т.заклпчащмийся в увеличении оптической плотности почернения фотопленки, предварительно освойвкной при низкой температуре импульсом актикичного света с последующим нагревом в присутствии постоянного электрического поля.

7. Впервые обнаружен поляряочувствительпый эффект влияния импульсного электрического поля на чувствительность напыленных слоев галогенидов серебра.Эффект Оолее ярко проявляется при смещении фотоэлектронов на свободную от подложки поверхность слоев Aglllll.

8. Предложен метод управления поверхностного потенциала и микрокристаллах AgHal путем приложения к фотоэмульсии постоянного электрического поля,приводитего к перераспределению между уз элыгах ионов серебра и ж вакансий между поверхностными состояниями и областью объемного заряда, что способствует,в зависимости от полярности, увеличению или уменьшении величины поверхностного потенциала.

Величиной поверхностного потенциала на напыленных слоях AgHa] можно управлять либо изменением толщины в пределах ширины области объемного заряда, либо легированием их двухвалентными катионами, приводящими в соответствии с законом действуюдих масс к уменьшению высоты потенциального барьера.

4. Разработан новый способ регистрация ПК излучений im базе галогенидосеребряного материала, основанный' на явлении десорбции молекулы брома с поверхности слоев AgHal при его нагреве СО. і лазерным излучением, исключающей рекомбинациошше прцессы между фотоэлектронами и инжектированными дырками.

5. Впервые создана принципиально новая высокочувствительная (10~"дх/см²) и быстродействующая (ІО~⁷с) ИК. фотоірафичєская система' полупроводник - фотоэмульсия. Изучены основные законоке J", КОСТИ физических процессов формироЕакия ИК изображения в этой фотосистем». Установлено, что красная граница чувствительности,динамический диа-поэон, быстродействие, а также коэффицент передачи градации ИК изображений в основном зависят от переходных процессов в фотосистема, обусловленных свойствами полупроводникового фотоприемникя. ИлйДОНЫ способы повышения разрешающей способности системы путем использования фотоэмульсии без диэлектрического основания или низковольтной

потоицивлочуисгкитллмюй орады НО ОСНОВО иатілоишаї ОЛООЛг AjE^iVtl.

. G. Газвитч те"риа ичдуциров^г»нн"й примусной флсгір'ЛіОдим'УГ.У.

и л оэзарядки примесных центров полупроводников на основе двухуров-. иеъ й модели энергетического спектра в запрещенной зоне' в условиях мон-

Составлением и решением .для стационарного случая дифференциальных уравнений, описывающих процесс электронного обмена зоны проводимости с локальными энергетическими уровнями,выявлено,что постоянная подсветка в схеме слабозаполненного примесного уровня позволяет создать условие фоторегистрации 10,6 мкм излучения при температуре аидкого азота.

7. При экспериментальном исследовании индуцированной примесной фотопроводимости в Si впервые обнаружена фотопроводимость, в области 10,6 мкм, обусловленная заполнением верхнего (полностью ионизованного в равновесии) примесного уровня более коротковолновой подсветкой с hv

8. Установлены основные закономерности влияния компенсации донорных уровней Si акцепторами, созданными 7 - излучением, на 10,6'мкм фотопроводимость.Определено,что по мере увеличения степени компенсации уменьшается твиновая проводимость,приводящая к увеличе-чению кратности фотоответа, обусловленного 10,6 мкм световым воз-буздением, что связано с захватом электронов на акцепторные центры из зоны проводимости и донорнне уровни примесных атомов. Решением кинетического уравнения для двух энергии ионизации примесных уровней с учотом различней степени их компенсации, установлено,что в 10,6 мкм фотопроводимости участвую? не менее двух энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника.

9. На сеюве комбинированного ИК. освещения и электрического возбуждения полупроводников в сочетании с перезарядкой примесного уровня коротковолновой подсветкой впервые создан полупроводниковый преобразователь . ИК изображений ионизационного типа с управляемым спектральным диапазоном фоточувствителъно'ста (1,1-10 ккм) с-использованием фотоприемника из кремния, легированного серой. Экспериментально установлено, что амперваттная чувствительность фотосистемы в спектральном даэпозбне 10,6 мкм состоеляєт 2,310"* А/Вт, фотографическая чувствительность в пределах времени экспонирования " 10 -I0~^R с была не хухв Ю~⁴Дж/см².Разработанные фотоприемники из Sl позволяют реализовать время переходных процессов в системе на уровне 3-5-10^-8 с,что на порядок выше,чем у существующих систем.

Практическая значимость работы

1. Полученные поликристаллические слои AgBr могут использо
ваться как при непосредственном осуществлении ИК Литографического
процесса путем комбинированного светового возбуздения, так и при
реализации многослойной ИК фотографической системы в качестве ее
записывающей среды.

2. Разработанная теория на основе термостимулированного фотографического , эффекта может служить в качестве новой методики определения энергетического спектра примесных уровней в запрещенной зоне эмульсионных микрокристаллов.

З.Потенциалочувствительные и ионизационные ИК полупроводниковые фотографические системы могут использоваться при фотограричес-кой съемке различных объектов в спектральном диапазоне до !5 мхм (в зависимости от типа фотоприемников) с пороговой интенсивностью поступающей ИК информации - ІСГ⁶ Вт/см² и передачей градация изображения с разрешением 18 пар линий на мм.

Максимальная фоточувотвитольность прл сохранении закона взаи-мозаместкмости в пределах времени Ю^-3- 1« составляет 10~⁶Дя/см².

4. Фоторегистратор с большим динамическим диапозоном, разработанный на основе высококонтрастаой фотопленке, может использоваться как для записи ИК, голо граммы, так и для определения пространственно -временного распределения интенсивности COg лазерных излучений.

5. Все перечисленные выше ИК фотосистемы, включая 10,(3 мкм ИК преобразователя изображения ионизационного типа на основе фотопри-(энника Si,могут найти практическую реализацию в той или иной области ИК техники и способствовать развитию таких важных папранлений как ИК спектроскопия, ИК лазерная техника, ИК голография и т.д. Основное положения, виг.їиміде на защиту: . I.Новое фотографическое явление-^- е р и о с т и м у л и р о -ванный фотографический эффект, позволяющий получить ИК изоброжения с большой оптической ПЛОТНОСТЬ»! почернения (D--3) фотопленки в спектральном диапазоне излучения С0~~ лазера.

Физическая fjyrjiiocTb этого эффекта заключается в увеличении D пгг смещении к поверхности под действием электрического поля тор-:.;іічески освобожденных электронов иикрокристэллов AgKnl, предварительно зясвечешпіх собственным светом при низкой температуро.

2. Метод для определения энергетического спектра примеerr и

ап'ов в запрещенной зоне AgHal, основанный на резком увеличении D там интенсивном термическом выбросе электронов в зону -проводимости пр*. -овладении квазиуровня Ферми с энергией ионизации . примесных .

3. Механизм образования поверхностного потенциала в галогени-дах серебра и методы управления ого величиной, основанные на явлении эффекта поля в ионных кристаллах и законе действущих масс іфи введении.в AgHal двухвалентных катионов.

4. Основные физические закономерности формирования Ж изображения в ионизационных и потенциалочувствительных фотографических системах, с использованием фотоприамников го кремния и арсеница галлия, а также ' записывающих сред на основе тонких слоев галогенидов серебра, состоящие из переходных процессов в многослойных стуктурах и электронных процессов в ионных кристаллах.

5. Особенности влияния на 10,6 мкм фотопроводимость степени компенсации примесных уровней серы в кремнии акцепторами,созданными при облучении его 7^{-квантами}-

6. Физический механизм теплового очувствления (сенсибилизации) галогенидов серебра, являющийся основой создания регистратора 10,6 мкм лазерных излучений с большим динамическим диапозоном (L=500).

7. Новый способ регистрации 10,6 мкм излучений и материал для его осуществления, основанный на исключении рекомбинации фотоэлектронов с инжектированными дырками (молекулы брома) в напыленные слои галогенидов серебра.

8. Создание-нового малогабаритного ИК фотографического устройства, состоящего из газорязрядной ячейки с полупроводниковыми электродами, основанное на эффекте плазменной засветки (записи) теплового поля, созданного на фотоэмульсии при ее экспонировании 10,6 мкм лазерным излучением.

Э. Физическая модель 10,6 мкм индуцированной примесной фото-лроводимоем в кремнии,легированном серой, зчклтащаяея в перезарядке ь.'рхнрго,ионизованного т> р.чнчовееии,примусного уроїши в усло-

' \'*Х ^1--'рОТКОЕОЛЬОШЙ ПОДСВеТКИ С ЭНерПЮП MJiiHTI-B 1UKE-/2.

10. основные„физические закономерности индуцированной при-

М'Х'"._П i;v Гі'ПрОБОДИМОСТИ В SbS>, ПОЗВОЛЯЮЩИЕ угїЧЧЛШТЬ КОррвЛЯЦИИ

y,i>-.:w.i чуі'стьитольностью и инерционностью ij».>"":i:'' і-однккз путем раз--^;іі:ч!і ;! с-.-'ГНін;: равновесного .'«полннсннн ;-:к'-;іьіі::л ;жергетичуских

ІІ. -I.v.-;i40i.i!j осН'.'Ьіі рьбогі: і'іК по -г- п;- ..../..-...воП фотогра-

фической системы и преоброзователя изображений ионизационного тана с управляемым спектральным диапозоном фоточувствителыюоти' (1+4,5; 4, 5 + 10 мкм), включающие в себя механизм токопрохождония и преобразования ПК изображения в многослойных полупроводниковых системах при их комбинированном возбуждении.

Личное участие автора в работах, результаты которых являются

основой диссертацие₀закличалось в постановке цели и задачи исследований, непосредственном осуществлении теоретических и экспериментальных исследований,обработке,обобщения и интерпретации получэнных результатов. Основная часть работы в том числе обобщащие положения, выводы и заключения выполнены лично автором.'В диссертации также использованы результаты иследований, выполненных под руководством автора аспирантом Оиябековым Х.Б.и при совместной работе с доктором физ.-мат. наук, проф. Зайнабидиновым 0.3., проф.. Парицкш Л.Г. и к.ф.м.н. Горлиным Г.Б. и др. .которым автор выражает искреннш признательность.

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников и диэлектриков Ташкентского гос.университета по теме "Инфракрасные (фотографические процессы на _< тонких слоях полупроводников с использованием эффектов комбинированного возбуждения",утвержденной на Ученном Совете факультета пр-л N 10 от 23 июня 1993 г.Отдельные результаты получены при совместной работе по договору о научно-техническом сотрудничестве с ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН по темам "Разработка и исследование средств пространственно-временной 'диагностики ИК лазерных излучений"(1985-1988),"Разработка и исследование фотоприемников для ИК преобразователей изображений ионизациопного типа"(198Э-ГЭ90 г.г.) . Апробация работы. Основные результаты докладывались и

обсуждались на следупдих международных и всесоюзных конференциях: Международный конгресс по фотографической науке (Германия, Дрезден, 1974), П-Всесовзная конференция та бессеребряным и необычным фотографическим процессам (Кишинев, 1975), Всесоюзная сессия по химии фотографических процессов, посвящ. 250-летию АН СССР(Одесса, 1974), II-Всвсоюзно'в совещание по глубоким уровням в полупроводниках (Ташкент, 1980), Всесоюзн.научн. конференция фармацевтов (Ташкент, инст.груд.хирургии, 1987) .Всесоюзная конференция по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1989), Международная .;. конференция по материалам аморфных и халхогенидных полупроподнйглв (Черновцы, 1994), Международная конференция по электронной еаэкг^о-

скопи і поверхности твердых тел (Ташкент, 1994), Международный конгрес." по теории полупроводников (Одесса, 1994), Международная конфЧ)енция "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков", Ташкент, 20-32 декабрь 1995 г., а также научные семинары Лаборатории неравновесных электронных процессов в полупроводниках ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН,кафедры физики полупроводников и диэлектриков ТашГУ и др.

Публикации.Основное содержание работы опубликовано в 49 печатных работах, в том же числе в 2 монографиях, получены 2 авторских свидетельства.

Структура и объем диссортации. Диссертация состоит из-^ведения,

семи глав и заключения. Объем диссертации составляет 301 страниц машинописного текста, 7 таблиц, и 112 рисунков, список цитируемой литературы состоит из 150 наименований.