Содержание к диссертации
Введение
1. Газочувствительные и фоточувствительные пол и кристаллические структуры на основе халькогенидов и оксидов элементов (обзор литературы)
1.1. Физико-химические свойства халькогенидов свинца 10
1.2. Модельные представления о контактных явлениях на границе «металл-полупроводник» и границах зерен
1.3. Физико-химические свойства S11O2 32
1.4. Электрические свойства диоксида олова 35
1.5. Физические основы работы адсорбционных
газочувствительных датчиков на основе диоксида олова
1.6. Выводы 51
2. Основные методы и методики и исследования полупроводниковых структур
2.1. Измерения газочувствительности слоев Sn02, полученных путем окисления на воздухе
2.2. Методика измерения толщины слоев 54
2.3. Методика проведения фазового анализа и исследования
2.4. Методика измерения эффекта Холла 58
2.5. Методика измерения коэффициента термо-ЭДС ^0
2.6. Методика измерения фотоэлектрических и вольт-амперных характеристик
2.7. Методика анализа топологии поверхности методом ^ атомно- силовой микроскопии
2.8. Исследование структур методом низкочастотного ^. структурного внутреннего трения
2.9. Выводы 68
3. Получение и исследования газочувствительных слоев диоксида олова с управляемым значением и полярностью аналитического отклика
З.І.Особенности получения газочувствительных слоевдиоксида олова с управляемым значением аналитического отклика
3.2. Анализ газочувствительных слоев диоксида олова 72
3.3. Модель формирования аналитического отклика 78
3.4. Анализ влияния отжига в динамическом вакууме на 0,
ol свойства диоксида олова
3.5. Технология изготовления газового датчика на основе с-Sn02 87
3.6. Эксплуатационные характеристики газового датчика 92
3.7. Выводы 93
4. Влияние состояния границы раздела металл-халькогенидов свинца на фотоэлектрические свойства барьерных структур
4.1. Методика формирования структур металлполупроводник
4.2. Влияние состояния поверхности на вольт-амперные и фотоэлектрические характеристики структур In/РЬТе и In/PbSe
4.2.1. Вольт-амперные характеристики контактов In- QQ РЬТе УУ
4.2.2. Фотоэлектрические характеристики структур . «і In/PbTe и In/PbSe
4.3. Особенности границы раздела In/и-РЬТе и построение модели работы структуры
4.3.1. Определение параметров вольт-амперных характеристик
4.3.2. Расчет физических параметров, характеризующих границу раздела
4.3.3. Особенности вольт-амперных характеристик, обусловленные наличием инверсного слоя
4.3.4. Анализ механизмов токопротекания через контакт In/PbTe
4.4. Обнаружительная способность структур In/PbTe 120
4.5. Выводы 125
5. Получение и анализ наноструктурированных слоев алькогенида свинца
5.1. Физико-технологические особенности получения слоев 127
5.2. Термодинамический анализ процесса образования собственных оксидов РЬТе и SnTe при термическом окислении
5.3. Сравнение методик для характеризации наноструктуированных фоточувствительных слоев селенида свинца 138
5.4. Исследование поверхности поликристаллических слоев селенида свинца методом туннельной микроскопии
5.5. Исследование топологии поверхности методом атомно-силовои микроскопии слоев
5.6. Исследование слоев РЬТе(С1) методом низкочастотного структурного внутреннего трения
5.7. Сканирующая электронная микроскопия , пол и кристаллических слоев халькогенидов свинца
5.8. Выводы 155
Заключение 156
Литература
- Модельные представления о контактных явлениях на границе «металл-полупроводник» и границах зерен
- Методика проведения фазового анализа и исследования
- Модель формирования аналитического отклика
- Вольт-амперные характеристики контактов In- QQ РЬТе
Введение к работе
Поликристаллические оксиды и халькогениды элементов 4 группы являются традиционными материалами для газочувствительных сенсоров (диоксид олова) и фотоприемников ИК-диапазона (халькогениды свинца)
В настоящее время проводятся шггенсивные разработки по получению сенсорных устройств нового поколения на основе наноструктуированных материалов. Уменьшение размеров зерен приводит к возрастанию роли поверхности и межзеренных границ. Возникают принципиально новые свойства материалов, обусловленные так называемыми критическими размерами.
Фоточувствительность наблюдается только в нанокомпозиционных материалах, в которых в процессе сенсибилизации образуются собственные оксидные фазы, формирующие туннельно прозрачные межзеренные барьеры с высотой, зависящей от плотности поверхностных состояний концеїгграции носителей заряда и адсорбции газовых молекул из окружающей среды.
Таким образом работа приборов на основе как широкозонных металлооксидов (SnQ, и др.), так и узкозонных халькогенидов свинца с широкозонными межзеренными прослойками в значительной степени определяется процессами адсорбции-десорбции. До настоящего времени многие вопросы о механизмах газочувствительности и фоточувствительности остаются дискуссионными, многочисленные модельные представления противоречат друг другу.
Некорректность многих предложенных моделей связана с игнорированием многовариантности решения задач обеспечения газочувствительности и фоточувствительности и отсутствием развитых методик прямого анализа состава и свойств на поверхности анализируемых объектов. Из выше изложенного следует, что тема диссертационной работы, посвященная получению и анализу наноструктурированных композиционных слоев на основе халькогенидов и оксидов элементов IV группы для газочувствительных и фоточувствительных сенсоров нового поколения, является актуальной и представляет научный и практический интерес.
Целью данной диссертационной работы: являлась разработка комплекса методик для диагностики паноструктурировшшых объектов, развитие модельных представлений о механизме формирования сенсорных свойств и разработка новых приборов с более высокими техническими характеристиками (селективность, чувствительность, стабильность)
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработаны физические основы получения новых датчиков на основе газочувствительных слоев диоксида олова, обеспечивающих управление величиной и знаком аналитического сигнала при воздействии газов. Проведены экспериментальные исследования, реализующие эти данные.
Развиты модельные представления об изменении аналитического сигнала в газочувствительных слоях в зависимости от размеров зерен и концентрации носителей заряда Разработана методика получеїшя слоев диоксида олова в условиях нщкого вакуума, позволяющая варьировать величиной и знаком аналитического отклика при воздействии паров изобугилового спирта.
Методами атомно-силовой микроскопии, электронной микроскопии, рентгеновского дифракциошюго анализа и методом внугреннего трения изучены особенности образования микро и нановьщелений в поликристаллических слоях халькогенидов свинца, легированных хлором и висмутом.
Установлены закономерности изменения состава промежуточных оксидных фаз в пленках оксида свинца.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Развиты модельные представления о газочувствительности металлооксидных пленок, обеспечивающих возможность целенаправленного управления газочувствительными свойствами, путем выбора параметров структур.
Получены макетные сенсорные образцы SnQ с разнополярным сигналом при воздействии парами изобутилового спирта, что предствляет интерес для схемотехнического решения по созданию приборов с высокой селективностью на данный детектируемый газ.
7 Разработаны технологические приемы варьирования составом оксидных фаз в
поликристаллических слоях халькогенидов свинца и комплекс методик для
эффективного контроля процессов изготовления фоточувствительных датчиков.
Полученные результаты по этой части диссертационной работы внедрены в ОАО
«РНИИ Электронстандарт».
Научные положения выносимые на защиту:
1. Получение диоксида олова методом термического вакуумного напыления олова
с последующими режимами, низкотемпературного (483К) и высокотемпературного
отжига(898К), обеспечивает управление значением и знаком газочувствительности
путем вариации концентрации легирующей примеси,
2. Предложенная модель механизмов формирования газочувствительности,
основанная на представлениях энергетического положения адсорбционных центров
молекул газа-реагента относительно положения уровня Ферми в объеме зерна, адекватно
описывает механизмы формирования аналитического отклика во всех видах сенсорных
структур, в том числе и с «аномальным» знаком изменения сопротивления при
воздействии газа-реагента, а также удовлетюрительно согласуется с экспериментально
установленными временными характеристиками восстановления сопротивления датчика
после воздействия газа-реагента.
Термообработка в динамическом вакууме в течение 30 минут при 773К является эффективным технологическим приемом для повышения газочувствительности и газочувствительных свойств после деградации.
Методики на основе метода (сканирующей туннельной микроскопии, локальной туннельной спектроскопии и внутреннего трения) позволяют осуществлять анализ образования межзеренных диэлектрических прослоек, определять их толщину и энергетические параметры (ширину запрещенной зоны), а также оценивать состав нановыделений, образующихся в процессе сегрегации на поверхности зерен. Эта информация обеспечивает оптимизацию температурно-временных режимов для получения фоточувствительных слоев.
Апробация работы:
Материалы диссертационной работы докладывались на:
II Международной конференции «Аморфные и микрокристаллические полупроводники» С.-Петербург, ФТИ РАН 2000 г.
Девятой международной конференции « Физика диэлектриков» (Дюлектрики-2000), С.-Петербург, РПГУ имАИГерцена, 2000 г.
18 Совещании по температуроустойчивым функциональным покрытиям. Тула, ТПУ им. Л.Н. Толстого 2001 г.
Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов» (ФПП-2002). РПГУ им. А.И. Герцена С.-Петербург, 2002 г.
I, 2, 5 Всероссийских молодежных научных конференциях по физике
полупроводников и полупроводниковой опто- и нанозлектронике, С.-Петербург.
СПбГПУ, 1998-2003 гг.;
2,3,4,5,6,7 Научных молодежных школах по твердотельной электронике. С.-Петербург,СП6ТЭТУ (ЛЭТИ) в 1999-2004гг.
Всероссийской конференции «Функциональные материалы и структуры для сенсорных устройств» Москва, 1999 г.
а также на научно-технических конференциях проф-преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) и научно-технических семинарах в ИХС РАН, РГПУ им. А. И. Герцена и др.
Публикации:
Результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах, из них 2 научные статьи и тезисы к 17 докладам международных, всероссийских научно-технических конференциях, семинарах и школах.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 171 страницах, и включает 54 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 144 наименований. В первой главе приведен литературный обзор по теме диссертации. Во второй главе рассмотрены основные методы и методики, использованные при исследованиях по теме диссертации.
9 В третьей главе представлены результаты по получению и исследованию
апектрофизических свойств и газочувствительности слоев диоксида олова, а также
сведения по применению их для газовых сенсоров.
В четвертой главе изучены вопросы механизмов токопротекания в структурах In/PbTe и
перспектива создания на их основе фотоприемников ИК-излучения, работающих при
комнатной температуре.
В пятой главе особое внимание уделяется перспективному направлению - получению
фотоприемпых и излучающих приборов на базе наноструктурированных
поликристаллических слоев PbSe. Разработан комплекс методик, позволяющий
контролировать основные процессы, ответственные за фоточувствительность и
излучающие свойства разработанных структур.
Модельные представления о контактных явлениях на границе «металл-полупроводник» и границах зерен
В целях увеличения диапазона регистрируемого ИК-излучения в сторону больших длин волн интерес представляет использование другого бинарного соединения типа ААВ6 - селенид свинца. Влияние состояния поверхности, а именно плотность поверхностных состояний и взаимодействие с кислородом изучались в [15]. Слои PbSe выращивались на подложках BaF2 методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Исследования параметров фотопроводимости (ее величина и временные характеристики) позволило авторам сформулировать вывод о том, что при плотности поверхностных состояний порядка 1013 см"2 осуществляется пиннинг уровня Ферми на поверхности и захват неравновесных носителей на поверхностные состояния. Поверхностные состояния отделены от зонных потенциальными барьерами (рис.1.7 а, б). Частично заполненные поверхностные уровни обозначены буквами А и D для акцепторных и донорных состояний, соответственно. На (рис. 1.7 в) показана энергетическая диаграмма слоя п-типа проводимости, легированного в результате диффузии кислорода в приповерхностную область. Кислород диффундировал в процессе отжига образцов при температуре 200 С в течение 2 ч. При этом наблюдается увеличение ППС и рост сигнала фотоответа, измеренного в температурном диапазоне 4,2 - 200 К. Природа поверхностных состояний в данной работе связывается с избытком Se на поверхности эпитаксиального слоя и его нескомпенсированными валентными связями. Влияние Ог на увеличение ППС проявляется в окислении свинца и обогащение поверхности селеном..
Таким образом видно, что до настоящего времени не существует достаточно сведений о влиянии состояния поверхности на свойства и характеристики структур металл-полупроводник на основе халькогенидов свинца.
Можно выделить два основных подхода к рассмотрению процессов происходящих на границе раздела этих структур. К первому можно отнести те работы, в которых авторы склонны рассматривать преимущественное влияние металла (его работа выхода) и соответстенно образование инверсной области выпрямляющего барьера [16, 25]
Вторая группа работ характерна тем, что в них рассматривается совместное влияние образования новых фаз на границе раздела в результате химических реакций и появление промежуточного диэлектрического слоя, наращиваемого путем окисления поверхности [27, 28].
С другой стороны инверсный слой может образовываться и в результате диффузии кислорода (как для PbSe [15]), причем для РЬТе в силу большей электроотрицательности теллура это может происходить и при комнатной температуре [29].
Таким образом к настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных по характеристикам барьеров металл-халькогенид свинца, что позволило эффективно использовать такие структуры для детектирования инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 2 - 5.5мкм.
Теоретическая интерпретация полученных рзультатов, в общем случае, сводится либо к предположению, что формирование барьера определяется разностью работы выхода металла и электронного сродства полупроводника, либо к тому, что все свойства контакта зависят от образования новых фаз на границе раздела и диэлектрического слоя между полупроводником и металлом. При этом подробного анализа вида вольт-амперных характеристик и механизмов протекания тока через рассматриваемые структуры не проводилось.
Таким образом, поликристаллические фоточувствительные структуры, представляют из себя сложную комбинацию последовательно включенных диэлектрических и полупроводниковых слоев, образованных в результате окисления и диффузии. Поэтому при анализе полученных результатов необходимо учитывать технологические особенности формирования конкретной структуры, различия в электроотрицательности исследуемых халькогенидных материалов и влияние адсорбции.
Технологические методы позволяют в некоторой степени варьировать размером зерен путем изменения температуры выращивания (подложки). В методе горячей стенки для этого можно изменять также и скорость роста.
Кроме контакта металл-полупроводник важной характеристикой при разработке фоточувствительных структур является состояние границы радела кристаллитов.
Методика проведения фазового анализа и исследования
Толщина слоев селенида свинца и диоксида олова измерялась на интерферометре МИИ-4 и эллипсометрическим методом (при толщине слоев порядка 0,1 мкм). Принцип действия МИИ-4 основан на явлении интерференции света. Для получения двух систем волн способных интерферировать, пользуются разделением пучка лучей, исходящих из одной точки источника света, на два пучка. В микроинтерферометре МИИ-4 в качестве разделяющей системы используется плоскопараллельная пластина, имеющая полупрозрачное светоделительное покрытие. Половину падающего на нее света пластинка отражает, половину пропускает, вследствие чего образуется две системы волн, способных интерферировать. В результате интерференции двух систем волн в фокальной плоскости окуляра наблюдаются интерференционные полосы.
Для измерения толщины слоев на поверхности пленки проводилась небольшая царапина, глубина которой соответствовала толщине слоя.
На границе такой царапины наблюдалось смещение интерференционных полос (эти полосы должны быть установлены перпендикулярно границе царапины), которое оценивалось с помощью винтового окулярного микрометра МОВ-1-5\
Предел точности измерений для МИИ-4 соответствует 0,2мкм. Высота царапины (толщина слоя) оценивалась по следующей формуле: h = (AB)/(AC)-0,27, где АВ - величина смещения полос, АС - расстояние между двумя интерференционными полосами. Рассчитывая толщину слоя по данной формуле, получаем эту величину в мкм.
Метод эллипсометрии применяется для неразрушающего измерения толщины сильно поглощающих свет пленок, в частности полупроводниковых пленок на диэлектрических подложках при работе в видимой или ближней инфракрасной области спектра.
При наличии на границе сред с диэлектрическими проницаемостями є0 и Zj однородного слоя пленки толщиной d с диэлектрической проницаемостыо є] основное уравнение эллипсометрии выражается формулой: tg фе ІД = [(r0ip+ гі2Рехр(-2іб))/(1 + г01ргі2рехр(-2іб)] ([(1 + oisri2sexp(-2i5))/(r0ls+r12pexp(-2i8)]
Для поглощающих поверхностных пленок sl /г - nl ікі, где кі — коэффициент поглощения материала пленки, 6 становится комплексной величиной, и зависимости ф и Д от толщины пленки перестают быть периодическими.
Зависимости Д = A(d) и ф = ц (й) приобретают характер, квазипериодических функций с квазипериодом d0. Наиболее важным свойством зависимостей p(d) и A(d) при постоянстве всех остальных параметров системы является то, что для поглощающей пленки всегда имеет место взаимнооднозначное соответствие между толщиной пленки и значениями ф и Д.
Исследование кристаллической структуры проводили методами рентгеновской дифрактометрии на дифрактометре ДРОН-2,0М. Как правило, измерения велись с использованием Си -излучения. Точность оценки угла составляла 0,001. Погрешность, влияющую на результаты измерения периода идентичности от значения брэгговского угла, рассчитывали по формуле: Да/а = ± ctgO-Дб.
Суммарная погрешность в определении периода идентичности не превышала ±0,00004 нм. Наиболее существенный вклад в ошибку определения периода идентичности вносят горизонтальная и вертикальная дивергенции рентгеновских лучей и точность установки относительного положения счетчиков и столика с образцом. Влияние горизонтальной и вертикальной дивергенций уменьшается введением перед рентгеновской трубкой и счетчиком специальных щелей. Контроль точности положения счетчика и столика с образцом, а также правильность юстировки гониометра осуществляли перед каждым циклом измерений путем определения периода идентичности эталонного образца.
Модель формирования аналитического отклика
Необходимо отметить, что возможны два типа равновесия в модели переноса заряда в системе адсорбат-адсорбент, обусловленные либо полным переходом хемосорбированных частиц в заряженную форму, что имеет место в случае достаточно малях концентраций адчастиц, характеризующихся к тому же большой величиной сродства к электрону по сравнению с работой выхода полупроводника (в случае адсорбции акцепторов) или малой величиной потенциала ионизации (при адсорбции доноров), либо выравниванием уровня Ферми адсорбента с энергетическим уровнем хемосорбированных частиц, что возможно при достаточно больших концентрациях последних. На рисунке 3.7 показано влияние хемосорбции акцепторных частиц на величину поверхностного изгиба зон [95]. Евак
Влияние хемосорбции акцепторных частиц на величину поверхностного изгиба зон ( о-величина доадсорбированного загиба зон) a: i -соответствует полному заполнению уровней акцепторов , концентрация которых NB недостаточна для выравнивания Е fa и EF; % & соответствует выравниванию EF и Е На таких образцах адсорбированный газ, образующий в обычных условиях акцепторный уровень может проявлять необычный характер. Например, вакуумное нанесения слоев олова с последующим окислением приводит к образованию пол и кристаллических структур с относительно крупными размерами зерен. Соотношение площади поверхности и объема зерен значительно меньше, чем в наноструктурированных образцах. Для всех описанных типов концентрация адсорбированных молекул кислорода недостаточна для выравнивания положения уровня Ферми в объеме зерна с энергетическим положением акцепторного уровня адсорбированного кислорода. Поэтому уровень EF Ферми полупроводнике может изменять свое положение относительно уровня Ег соответствующего адсорбированным молекулам газа-реагента (рис. 3.8). При Ег EF газ-реагент играет донорную роль, увеличивая проводимость образца n-типа (тип 1). При Ег Ер роль газа-реагента акцепторная (тип 2). При EF Ег газ-реагент практически электрически нейтрален (тип 3). При этом аналитический отклик имеет минимальное значение, близкое к нулю. ЕВЙК X L ч_ Л? 3 \ ] 1\ с \\ Чї г ЕЛ V ЧЪ г bpj Рис.3.8 Изменение уровня Ферми EF в полупроводнике относительно газа реагента
С увеличением температуры смещение уровня EF в направлении к середине ширины запрещенной зоны приводит к увеличению сигнала и донорному типу 1.
Образцы 3 типа наиболее критичны к отжигу. Залечивание вакансий кислорода приводит к уменьшению концентрации n-типа, смещение уровня EF вниз, и соответственно к переходу реакции образцов, подобны типу 1.
Результаты влияния ацетона на слои диоксида олова, полученные золь гель методом, могут быть объяснены следующим образом.
Зависимость объясняется присутствием в образце зерен двух типов (мелких и крупных). При зарядке молекул кислорода мелкие зерна обедняются полностью, а крупные частично. Зерна первого типа дают классический вклад в поведение данной зависимости, то есть, со временем под воздействием паров ацетона сопротивление уменьшается. Наличие зерен второго типа приводит к аномальному ходу изменения сопротивления со временем - к увеличению. Суперпозиция объясняется следующим образом: кинетика процессов для мелких зерен на порядок превышает кинетику процессов в крупных зернах, поэтому в начальный момент времени преобладают процессы на мелких зернах. Таким образом, резкое уменьшение сопротивления сменяется его медленным ростом до значения больше первоначального. При включении продува происходит десорбция ацетона и адсорбция кислорода, что приводит к понижению сопротивления. Исходя из этого, можно сделать вывод, что при данной температуре газ ацетон для зерен первого типа является донором, а для зерен второго типа - акцептором.
Анализ влияния отжига в динамическом вакууме на свойства диоксида олова
Для газочувствительных датчиков при рассмотрении механизмов проводимости необходимо учитывать эффективную дебаевскую длину(Ьд) экранирования из-за влияния адсорбированных атомов газа. Наиболее перспективным является использование в этих целях теории перколяции.
На рис. 3.9 приведены результаты моделирования процессов осаждения слоя олова (рис 3.9 а), окисления его до образования проводящего стягивающего кластера и зерен диоксида олова (рис. 3.9 б) и выделения канала проводимости с учетом мертвых концов Шкловского-де Жена (рис. 3.9. в) [96]
Моделирование проводилось по процедуре Монте-Карло с учетом обратной функции. Как видно из рисунка, моделируемое значение сопротивления датчика под влиянием окружающей среды особенно сильно сказывается в местах наиболее узких переходов. Это влияние тем существеннее, чем ближе значение эффективной дебаевской длины к линейным размерам сечения контактов. В свою очередь значение Ьд тем больше, чем меньше концентрация носителей заряда, т.е. зависит от концентрации примесей и отклонения от стехиометрии.
Из вышеизложенного также следует, что использование электрофизических данных газочувствительных слоев для расчета концентрации собственных дефектов в рамках широко распространенных квазихимических моделей химии твердого тела не допустимо (в диапазоне температур, при которых проводимость зависит от адсорбента). С другой стороны, термический отжиг в вакууме может приводить к изменению отклонения от стехиометрии в объеме зерен, а также к десорбции адсорбированных газов. Это должно приводить к изменению газочувствительности. В связи с этим образцы газочувсвительных слоев диоксида олова, мы подвергали отжигу в динамическом вакууме (7,6-10" Па) при различных температурах [97].
Вольт-амперные характеристики контактов In- QQ РЬТе
Исследования ВАХ проводились на образцах, полученных по методике, описанной в предыдущем параграфе [99]. Для этого были отобраны типичные структуры, различающиеся временем выдержки на воздухе. Здесь и далее для них применяются индексы 1, 2 и 3, причем время выдержки на воздухе меняется от 15 мин до 1 месяца от структуры первого типа к структуре третьего типа. При комнатной температуре ВАХ имели вид прямой линии; дифференциальное сопротивление структур составило: R\ = 50 Ом, R2 = 70 Ом, і?з = 90 Ом. При температуре жидкого азота ВАХ для указанных трех типов структур показаны на (рис. 4.2).
Как видно из рисунка обратная ветвь характеристики не имеет участка насыщения. В принципе этот факт может обуславливаться двумя причинами. Во-первых, к такому поведению ВАХ может приводить наличие промежуточного диэлектрического слоя между полупроводником и металлом. Тогда, часть напряжения смещения будет падать на нем, что в свою очередь приведет к увеличению JQ- Появляющаяся таким образом зависимость высоты барьера от напряжения смещения видоизменяет ВАХ и при увеличении толщины промежуточного слоя приводит к появлению так называемых мягких обратных характеристик. В нашем случае возможно увеличение толщины диэлектрического слоя в результате окисления поверхности теллурида свинца, причем толщина может увеличиваться с увеличением времени выдержки на воздухе.
Во-вторых, образование приповерхностного р-п перехода вследствие диффузии кислорода модифицирует структуру In/PbTe в целом и она уже представляет собой структуру типа In/p-PbTe/w-PbTe. Тогда эффективная
Примечательно, что обе названные причины могут приводить одновременно к наблюдаемым ВАХ и следовательно к возникновению неопределенности при выборе обратной ветви ВАХ. Выделить вклад того или иного механизма образования барьера достаточно сложно и представляется невозможным без подробного анализа параметров характеризующих ВАХ, а также физических параметров, характеризующих поверхность РЬТе и ее взаимодействие с окружающей средой.
Измерение ВАХ для трех типов структур In/РЬТе при малых значениях напряжения смещения позволили определить дифференциальное сопротивление при нулевом напряжении смещения, которое затем использовалось при вычислении фотоэлектрических параметров структур.
Измерения фотоэлектрических характеристик проводились сразу после снятия вольт-амперных характеристик не вынимая образцы из криостата [100]. На рис. 4.3 а показаны спектральные зависимости чувствительности (фото-э.д.с.) для трех типов структур In/PbTe при температуре измерения 80 К. Из рисунка видно, что максимум фотоответа соответствует ширине запрещенной зоны теллурида свинца. Наблюдающееся изменение угла наклона в коротковолновой области спектра при переходе от структур типа 1 к структурам 3-го типа можно объяснить увеличением скорости поверхностной рекомбинации. Три типа структур сильно различались по абсолютному значению чувствительности. Так максимальное значение S\ при 4,83 мкм составило 1,3; 47; 256 В/Вт для структур типа 1,2 и 3, соответственно. На рис. 4.3 6) представлены спектральные характеристики фоточувствительности для структуры типа отн. ед. 0,8 при 80 К и при комнатной температуре. Из полученных данных можно утверждать, что полученные структуры пригодны для создания ИК-фотоприемников, работающих при термоэлектрическом охлаждении.
Спектральные зависимости сигнала фото-э.д.с. для контактов In/PbSe снимались в тех же условиях, что и для пленок РЬТе.. Эти характеристики представлены на (рис. 4.4). Как и для структур с теллуридом свинца максимум фоточувствительности определяется шириной запрещенной зоны селенида свинца при 80 К. Отличительной особенностью данных структур явилось меньшая скорость увеличения сигнала фото-э.д.с. с уменьшением температуры от комнатной до температуры жидкого азота [100]. Этот факт входит в противоречие с примерно одинаковым значением dE/dT для теллурида и селенида свинца. Другой особенностью является более быстрый спад фотоответа в коротковолновой области по сравнению со структурами In/РЬТе, что говорит о более высокой скорости поверхностной рекомбинации.
Определение параметров вольт-амперных характеристик
В соответствии с классификацией [21] основными параметрами ВАХ контактов металл-полупроводник являются высота барьера и коэффициент идеальности. Для нахождения этих величин мы воспользовались термоэмиссионной теорией Бете (диодной теорией) [102]. Ее применимость к структурам In/PbTe основывается на выполнении критерия Бете и будет обсуждаться ниже (п. 4.3.4). ВАХ в этом приближении записывается в виде [22]: J=JQexp(qU/kT -1), где JQ=A Тz ехр(- дф ъ/ кТ), А - постоянная Ричардсона для термоэмиссии. При этом, высота барьера может зависеть от напряжения смещения. Кроме того, даже для идеального контакта без промежуточного слоя на границе раздела высота барьера уменьшается из-за действия сил изображения. Это снижение высоты барьера на Д ры тоже зависит от приложенного напряжения.
