Введение к работе
Актуальность проблемы. К числу элементов систем преобразования, ре-истрации и обработки оптической информации, позволяющих выполнять іперации в реальном масштабе времени, относятся пространственно-(ременные модуляторы света (ПВМС), выполненные на основе электро-, аку-гго- и магнитооптических эффектов в различных материалах. Особое место :реди этих устройств занимают ПВМС, выполненные на основе фоторефрак-гивных кристаллов типа силленита, обладающих фоточувствительностью и шектрооптическим эффектом Поккельса, например, практически важных мо-гокристаллов BiuSiOjo, Bi12Ge02o, Віі2ТЮ2о.
На основе этих кристаллов разработаны твердотельные преобразователи «ображения типа ПРОМ, ПРИЗ. В основе работы таких преобразователей ле-кит фотовозбуждение электронов, которые захватываются на ловушки, образуя іространственньїй заряд. От локальной напряженности электрического поля, издаваемого этими зарядами в объеме кристалла, зависят его оптические ха-эактеристики.
Большое влияние на свойства кристаллов оказывают связи между атомами з элементарной ячейке и их изменения под действием различных технологиче-:ких обработок следующего характера:
активное воздействие с целью изменения оптических характеристик кристаллов (легирование, термическая обработка, радиационное облучение и т.д.);
пассивные воздействия, связанные с изготовлением различного рода функциональных слоев, механической обработкой в процессе создания ПВМС.
Эти воздействия приводят к возникновению разнообразных дефектов кристаллического строения, которые способствуют появлению в запрещенной зоне кристаллов широкого спектра энергетических уровней ловушек и центров рекомбинации с различной концентрацией. Все это приводит к сложным физическим процессам в нелегированных материалах и резкому их изменению в образцах, подвергнутых различным обработкам. Температурная зависимость фототока является интегральной характеристикой, отражающей влияние изменения параметров центров захвата и рекомбинационных процессов в кристаллах.
В связи с этим возникает необходимость детального исследования влияния параметров центров захвата на оптические и фотоэлектрические характеристики кристаллов. Наиболее важным методом такого исследования является моделирование влияния параметров центров захвата для прогнозирования фотоэлектрических свойств кристаллов. Практически изменение параметров центров захвата достигается применением различных технологических обработок.
Цель работы. Основной целью данной работы является численное моделирование влияния параметров центров захвата на температурную зависимость фототока, механизм электронных переходов и экспериментальные исследования кристаллов со структурой силленита, подвергнутых легированию.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка алгоритма и программы решения плохо обусловленных систем нелинейных уравнений, описывающих процессы электронных переходов в кристаллах типа силленита;
моделирование влияния параметров центров захвата на электронные переходы и температурную зависимость фототока в кристаллах со структурой силленита;
создание экспериментальных методик и установок для получения и исследования свойств функциональных слоев на кристаллах со структурой силленита;
исследование параметров центров захвата, температурной зависимости фототока и рекомбинационных процессов в нелегированных кристаллах;
исследование влияния легирования на параметры центров захвата, характер температурной зависимости фототока и рекомбинационные процессы, установление связи между параметрами центров захвата, механизмом рекомбинации и величиной тока в кристаллах.
Методы исследования. Моделирование влияния параметров центров захвата на температурную зависимость фототока и электронные переходы базируется на численных методах решения систем нелинейных уравнений. В экспериментальных исследованиях использовались методики термостимулирован-ных токов (ТСТ), температурной зависимости стационарного фототока, метод магнетронно-ионного изготовления функциональных слоев на кристаллах силленита, метод четырехзондового измерения электросопротивления тонких пленок, а также оригинальные методики для определения диэлектрических и оптических свойств конструктивных покрытий. Все исследования и расчеты проводились с использованием средств вычислительной техники.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Экспериментальная установка для магнетронно-ионного нанесения
функциональных покрытий на кристаллы со структурой силленита.
-
Алгоритм решения плохо обусловленной системы нелинейных уравнений, описывающих электронные переходы для четырехуровневой модели центров (два уровня захвата, два - рекомбинации).
-
Температурное гашение фототока для четырехуровневой модели определяется либо открытием двух каналов рекомбинации, либо сменой канала рекомбинации, а окончание процесса гашения происходит в момент равенства концентраций дырок на уровнях рекомбинации.
-
Увеличение абсолютного значения фототока в кристаллах достигается за счет уменьшения захвата электронов глубокими ловушками и усилением контроля мелкими ловушками электронных переходов на рекомбинационные уровни, а его уменьшение - за счет преобладания рекомбинационных процессов над процессами термогенерации.
-
Введение Zn, Р, V во все кристаллы типа силленита приводит к значительному повышению фототока при комнатной температуре по сравнению с нелегированными материалами, что вызвано увеличением концентрации центров медленной рекомбинации и их электронного заполнения.
Научная новизна.
-
Приведены конструктивные особенности и требования к установке маг-нетронно-ионного напыления, необходимые для получения качественных функциональных слоев на кристаллах со структурой силленита.
-
Разработаны методики и изготовлены оригинальные конструкции установок для контроля электрофизических свойств функциональных слоев.
-
Разработан алгоритм, позволяющий создать пакет программ для решения плохо обусловленных систем нелинейных уравнений, описывающих электронные переходы в кристаллах со структурой силленита в стационарном случае для четырехуровневой модели (два уровня захвата, два - рекомбинации).
-
Методом моделирования исследовано влияние параметров центров захвата на температурную зависимость фототока и механизм электронных переходов в кристаллах типа силленита.
Достоверность результатов исследований обусловлена корректностью и взаимопроверяемостью различных методик. Результаты экспериментальных исследований согласуются с приведенными в данной работе расчетными данными и результатами экспериментальных работ, выполненных другими авторами. Полученные экспериментальные и теоретические зависимости подтверждают предположения, сделанные в работах других авторов, и не противоречат современным представлениям о фотоэлектрических явлениях в высокоомных фоточувствительных материалах со сложной энергетической структурой запрещенной зоны, технологических особенностях получения тонкопленочных слоев методом магнетронно-ионного распыления материалов.
Практическая ценность работы определяется следующим:
конструктивные особенности установки магнетронно-ионного нанесения тонких слоев обеспечивают повторяемость свойств получаемых пленок и позволяют ее применение в различных технологических процессах микроэлектроники;
приведенные методики определения электрических и оптических свойств тонких пленок позволят оперативно оценивать качество тонкопленочных структур;
результаты моделирования электронных переходов и температурной зависимости фототока определяют направления для целенаправленного влияния на фотоэлектрические свойства кристаллов со структурой силленита;
применение легирования приводит к изменению параметров центров захвата по сравнению с нелегированными материалами;
легирование Zn кристаллов со структурой силленита позволяет получать фоторегистрирующие среды с высокой фоточувствительностью в области видимого спектра и рабочими температурами до 300 К.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 4-ой научно-технической конференции «Вакуумные покрытия - 87» (Юрмала, 1987 год), Всесоюзном совещании «Пленочные термоэлектрические преобразователи и устройства на их основе» (Москва, 1988 год), республиканских научно-технических конференциях «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 1989 год, 1991 год, 1994 год, 1997 год, 1998 год), научно-технических конфе-
ренциях «Вакуумная наука и техника» (Гурзуф, 1994 год, 1995 год), на II Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика» (Зеленоград, 1997 год), на III международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 1997 год) и региональной конференции «Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района» (Воронеж, 1997 год).
Публикации.
Результаты исследований, представленные в диссертации, опубликованы в 19 работах.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 159 страниц, содержит 49 рисунков и 4 таблицы, 144 наименования цитируемой литературы.
