Введение к работе
Актуальность темы Практический интерес к классу полупроводниковых единений АШВМ стимулировал проведение значительного количества работ по учению их электрофизических, галъваномагнитных, фотоэлектрических и ряда іугих свойств. Однако, практически отсутствуют работы, посвящишые зработкам фотоприемников на основе этих материалов и исследованиям по здействию ионизирующих излучений на физические свойства кристаллов единений АШВЧ и преобразователей на их основе.
Разработка новых видов фотоприемников, стойких к воздействию низирующих излучений различного вида и предназначенных для видимой и ижней ЙК области спектра, является одной из важных задач современной науки, іготовление радиационно стойких фотоприемников в своей основе опирается на вышение радиационных характеристик используемых материалов. В связи с им важным является и изучение влияния ионизирующего излучения на вические явления, происходящие в полупроводниковых материалах и руктурах.
Полупроводниковые соединения типа A%w - имеют слоистую структуру, в торой атомы внутри слоев связаны ковалентными, а между слоями, в основном, ;н-дер-Ваальсовскими силами с некоторой долей ионной составляющей. Среди ких соединений селенид галлия, селенид индия и теллурид галлия обладают дом особенностей, представляющих интерес, а именно: значительной фоточув-вительностью в видимой и ближней ИК области спектра, годолюминесценцией и электролюминесценцией, наличием индуцированного лучения при возбуждении быстрыми электронами, эффектом переключения на нтакте с металлом и т.д. Перечисленные особенности указывают на болышую рспективность использования этих материалов для создания приемников димого и ближнего ИК излучения. В связи с этим большой практический терес представляют разработки технологии и изготовления фотоприемников на нове слоистых, полупроводников, исследование образования и распределения циационных дефектов, влияние их на изменение свойств слоистого кристалла, а оке изучение радиационной стойкости фотоприемников на их основе.
Целью диссертационной работы является разработка физических основ здания радиационно - стойких фотоприемников на основе слоистых пупроводниковых соединений GaSe, InSe, GaTe и термоэлектрических надителей (ТЭО) на основе твердых растворов ВІ2Тез,установление сономерностей влияния ионизирующих излучений различного вида на :ктрические и фотоэлектрические свойства указанных материалов и фото-иемников на их основе, а также выявление механизмов их радиационной
стойкости.
Для решения поставленной задачи: разработаны физические основы изготовления радиационно-стойю фотоприемников на основе слоистых полупроводников и термоохладителей і основе твердых растворов систем Bt2Tej-Sb2Te3 и Bi2Te3- Bi2Se3;
- получены однородные монокристаллы GaSe, InSe и GaTe;
- исследованы температурные зависимости коэффициентов диффузии и
растворимости примесей,принадлежащих к различным группам периодической
системы элементов в соединениях GaSe, InSe GaTe
- исследованы закономерности изменения электрических и фотоэлектричесю
свойств селенида галлия, селенида индия и теллурида галлия при облучеш
ионизирующими излучениями различного вида;
изучены термическая стабильность, образование и распределение радиацвдннъ дефектов кристаллов в указанных соединениях;
исследованы влияния ионизирующих излучений на термоэлектрические свойсп кристаллов твердых растворов систем Bi2Te3-Sb2Te3 и Bi2Te3-Bi2Se3 и термобатарс на их основе ;
получены систематизированные данные по радиационной стойкост фоторезисторов и фотодиодов на основе слоистых полупроводников.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
- разработаны физические основы создания радиационно-стойких фотодиодов і
основе слоистых полупроводников селенида галлия, селенида индия и теллури;
галлия, предназначенных для видимой и ближней ИК области спектра
максимумом спектральной характеристики при Хщ^ 0,63 мкм, Хщю. = 0,95 мкм Ха
= 0,85 мкм соответственно, с повышенными значениями монохроматической
вольт-ватгаой фоточувствительности по сравнению С существующими аналогам]
Изготовлены и исследованы их экспериментальные образцы.
- разработаны физические основы создания радиационно-стойких фотодиодов і
основе селенида индия с термоэлектрическими микроохладителями
температурой охлаждения -260К, обладающими повышенным
фотоэлектрическими параметрами для области спектра 0,5-1,1 мкм
максимумом Ятах=0,95 мкм;
определены зависимости коэффициентов диффузии и растворимое! различных примесей от температуры в кристаллах слоистых соединени селенида галлия,селенида индия и теллурида галлия и установлен механиз миграции диффундирующих примесей, необходимых при технологи изготовления барьерных структур;
- в монокристаллах селенида галлия, селенида индия и теллурида галли определены схемы уровней мелких и глубоких акцепторов и доноро!
возникающих при их облучении ионизирующим излучением различного вида;
при воздействии ионизирующего излучения установлены энергии активации отжига дефектов и температурный интервал, в котором проявляется их термическая стабильность. Показано, что во всех случаях облучения ионизирующим излучением поверхностные эффекты не играют заметной роли;
установлены закономерности влияния ионизирующих излучений на термоэлектрические свойства кристаллов твердых растворов систем ВіУГез-SbjTes, Bi2Te3-Bi2Se3 (ТЭМ) термоэлектрических охладителей (ТЭО) на их основе на область температуры 223 -г228 К. Показано, что результаты воздействия ионизирующих излучений различного вида на физические свойства термоэлектрических материалов и охладителей зависят от состава и структуры материала, вида и флюенса облучения и удовлетворительно объясняются образованием и взаимодействием в них вакансионных, междоузельных и антиструктурных дефектов. Увеличение и стабилизация термоэлектрической эффективности ТЭО при облучении ионизирующими излучениями обусловлены изменением сопротивления коммутационного переходного контакта. Определен температурный интервал стабильности радиационных дефектов в ТЭМ и ТЭО;
показано, что высокоэнергетическое облучение низкими и средними флюенсами в монокристаллах GaSe, InSe и GaTe создает в них дефекты акцепторного типа, приводящие к образованию высокоомной прослойки, увеличивающей энергетические барьеры между слоями;
установлено, что изменение фоточувствительносги фотоприемников на основе селенида галлия, селенида индия и теллурида галлия при воздействии ионизирующим излучением различного вида имеет одинаковый характер: при малых флюенсах облучения фоточувствителъность увеличивается, а большие флюенсы приводят к уменьшению фоточувствительности. Показано, что изменение фоточувствительности фотоприемников при облучении обусловлено, главным образом, изменением времени жизни основных носителей заряда;
- получены данные о радиационной стойкости фотоприемников на основе
слоистых полупроводников. Определено их среднее значение времени
потери работоспособности при воздействии имитирующих факторов
ядерного взрыва.
Научная и практическая ценность работы Основная научная ценность ібота состоит в том, что исследованиями влияния ионизирующих излучений ізличного вида на слоистые полупроводники, установлены механизмы іразования и распределения радиационных дефектов и уровней дефектов,их
термическая стабильность, а также механизмы диффузии примесей, используемі при разработки радиационно-стойких фотоприемников на их основе.
Практическая ценность полученных результатов состоит в разработ конструкции и технологии изготовления радиационно-стойких фотодиодов основе селенида галлия, селенида индия и теллурида галлия о высокю фотоэлектрическими параметрами, предназначенных для видимой и ближн области спектра (0,45*1,1 мкм), удовлетворяющими современным требовани) электронной техники и стойкими к воздействию ионизирующего излучения.
Некоторые усовершенствования, введенные нами в метод медленно охлаждения при постоянном температурном градиенте, позволяют получить бол совершенные мнокристаллы исследуемых соединений с высокой подвижносп основных носителей заряда.
Разработаны и изготовлены несколько вариантов ТЭО на оптимальні температурные уровни для фотоприемников.
В результате исследования влияния ионизирующих излучений на слоисті материалы, созданы детекторы ионизирующих излучений. Разработаї оригинальные методики испытаний фотоприеников и фотоприемных устройств процессе непосредственного воздействия ионизирующего излучения.
Получены и систематизированы данные о радиационной стойкое фотоприемников с предложениями путей повышения радиационной стойкости рекомендациями для их работы в условиях повышенной радиации. Результат исследований нашли применение в разработках ряда предприятий и внедрены производстве.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Физические основы конструирования и технологии изготовлен;
радиационно-стойких фотодиодных структур на основе селенида галлия, селени,
индия и теллурида галлия для области спектра 0,45*1,1 мкм с максимумами А^
=0,63 мкм Хаю - 0,95 мкм и Ащах= 0,85 мкм при комнатной температуре
повышенными фотоэлектрическими параметрами,стойкие к воздействи
ионизирующих излучений, а также термоэлектрический охладитель мощносп
1,7-4,0 Вт, холодопроизводителыюстыо 200*400 мВт на область температу{
223*228 К.
2. Конструкция и технологии изготовления фотодиодов с ТЭО с температурі
охлаждения ~260 К на основе селенида индия, предназначенных для ближней V
области спектра с максимумом спектральной характеристики Ятах=0,95 мкм <
значениями монохроматической фоточувствительности 0,3-6,0 А/Вт, вольт-ватпк
чувствительности (2,0-9,5)-104 В/Вт. Данные о радиационной стойкости и среди
значение времени потери работоспособности фотодиодов с ТЭО при воздействі
факторов имитирующих ядерный взрыв.
3. Механизмы диффузии и растворимости примесей:
В монокристаллах селенида галлия, селенида индия и теллурида галлия эфузия различных примесей, в зависимости от вида примесей, осуществляется кдоузельным или вакансионным механизмами, с учетом наличия межслойных енциальных барьеров и возможности скопления примесей между слоями. L Физическая модель, объясняющая изменение электрических и гоэлектрических свойств соединений GaSe, InSe, GaTe в результате действия ионизирующих излучений, і. Механизмы действия радиационных дефектов:
Радиационные дефекты не изменяют характер температурных зависимостей ктрофизических, термоэлектрических и тепловых свойств кристаллов твердых творов систем Ві2Тез-Ві28ез и термобатарей на их основе, а лишь изменяют ;ленные значения параметров. Изменение свойств исследуемых кристаллов в ультате воздействия ионизирующего облучения качественно хорошо уясняется образованием и взаимодействием в них вакансионных, кдоузельньгх и антиструктурных дефектов.
Увеличение и стабилизация термоэлектрической эффективности ТЭО при гучении ионизирующими излучениями обусловлены понижением и билизацией коммутационного переходного контактного сопротивления.
6. Механизмы влияния ионизирующих излучений на фотоэлектрические
шства фотоприемников:
Изменение фоточувствительности фотоприемников на основе слоистых гупро водников в результате воздействия ионизирующего излучения ^словлено, в основном, изменением времени жизни основных носителей заряда.
7. Технологии создания детекторов ионизирующего излучения на основе
:рдого раствора GaSo^-Se^s
8. Систематизированные данные о радиационной стойкости фотоприемников
основе слоистых полупроводников, их время потери работоспособности по
/м значениям напряжения сигнала и шума в процессе воздействия итирующих факторы ядерного взрыва, пути повышения радиационной )йкости исследуемых фотоприемников с рекомендациями для их работы в ювиях повышенной радиации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы нуждались и докладывались на семинарах НИИПФ (г.Москва), НИИ Приборов
Москва). Института Фотоэлекгроники АН Азербайджанской Республики, на [І, ХУ Всесоюзных научно-технических совещаниях и семинарах по вопросам гспечения радиационной стойкости электрорадиоизделий,элементов и гериалов при воздействии ионизирующих излучений и ядерного взрыва (г. >сква ЦНИИ Информации 1979, I960, 1985, 1986, 1987, 1989, 1990, 1998, 1999),
5-ой Республиканской конференции молодых ученых-физиков (г.Баку,май
1980), на 6-ой Республиканской школы молодых физиков (г. Ташкент июль 19 и на Республиканской научной конференции "Физика-93" ( г. Баку).
Публикации По теме диссертации опубликованы одна монография, научных статьи, в т.ч. получено 7 авторских свидетельств.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 2 страницах машинописного текста, состоит из введения, шести глав и основні выводов. В работе 128 рисунков и 20 таблиц. Список цитируемой литерату] включает 151 работ.
