Формирование и свойства границ раздела фоточувствительных структур на основе пленок халькогенидов свинца тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

/ч Л к Л V / Г\ *> Г \ /

/ ' ^ V' / / V

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет

(ЛЭТИ)

На правах рукописи

Бондоков Роберт Цветанов

ФОРМИРОВАНИЕ И СВОЙСТВА ГРАНИЦ РАЗДЕЛА ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК

ХАЛЬКОГЕНИДОВ СВИНЦА

Специальность: 01.04Л 0 - Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук ( уг/л.-

/

Научный руководитель -Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации доктор технических наук, профессор Ю. М. Таиров

Научный консультант -кандидат технических наук, с.н.с. И» В. Саунин

Санкт-Петербург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...,.,...,............................................................................ 6

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ПЛЕНОК ХАЛЬ-

КОГЕНИДОВ СВИНЦА ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЛЫ............ 12

1.1. Физико-химические и электрофизические свойства халькогенидов свинца................................................................ 12

1.1.1. Физико-химические характеристики......................... 12

1.1.2. Электрофизические характеристики......................... 19

1.2. Выращивание тонких пленок халькогенидов свинца газофазными методами......................................,................... 25

1.2.1. Метод горячей стенки,.....,,,,,,....,.,.,.....................,,,., 26

1.2.2. Метод мгновенного испарения................................ 31

1.2.3. Выбор материала подложек и методика приготовления исходной шихты.............................................. 34

1.3. Влияние технологических условий выращивания на структурное совершенство и электрофизические характеристики пленок халькогенидов свинца,.36

Выводы............................................................................................. 43

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ, ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛЕНОК РЬБ, РЬ8е, РЬТе И ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ...,............................... 44

2.1. Методика проведения фазового анализа и исследования структурного совершенства пленок халькогенидов свинца. 44

2.2. М етодика измерения эффекта Холла.................................. 46

2.2.1. Метод ЭДС Холла..................................................... 46

2.2.2. Метод Ван дер Пау.................................................... 49

2.3. Методика измерения коэффициента термо-ЭДС................ 50

2.4. Методика измерения фотоэлектрических и вольт-

амперных характеристик ................................................... 52

Выводы............................................................................................. 54

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ НА ГЕ-ТЕРОГРАНИЦЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ДВУХСЛОЙНЫХ СТРУКТУР РЬТе/РЬ8.................................. 55

3.1. Современное состояние вопросов, связанных с применением гетер о стр уктур на основе халькогенидов свинца...... 57

3/1. К Особенности электронных свойств сверхрешеток и

структур с многократными квантовыми ямами на основе узкозонных полупроводников................................57

3.1.2. Исследования многослойных структур с квантово-размерными эффектами на основе соединений А'уВ'/! 60

3.1.3. Применение гетероструктур для создания И К - фотоприемников и излучателей..........................................................67

3.2. Расчет минизонного спектра сверхрешетки РЬТе/РЬБ методом огибающей функции................................................ 70

3.3. Выращивание двухслойных структур РЬТе/РЬБ методом горячей стенки. Профили распределения компонентов в гетероструктурах................................................................ 79

3.4. Исследования электрофизических характеристик двухслойных структур РЬТе/РЬБ*.............................................. 82

Выводы.......................................................................................................91

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА МЕТАЛЛ - ХАЛЬКОГЕНИД СВИНЦА НА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БАРЬЕРНЫХ СТРУКТУР..................................................................... 93

4.1. Современное состояние вопросов по структурам металл -

полупроводник на основе пленок халькогенцдов свинца.. 94

4.1.1. Кратка я классификация контактов металлг-полупроводник.......................................................... 94

4.1.2. Электрические и фотоэлектрические характеристики структур металл-полупроводник......................... 97

4.2. Методика формирования структур металл-полупроводник 109

4.3. Влияние состояния поверхности на вольт-амперные и фотоэлектрические характеристики структур 1п/РЬТе и In/PbSe...,........................................................................... П2

4.3.1. Вольт-амперные характеристики контактов 1п-РЬТе 112

4.3.2. Фотоэлектрические характеристики структур

In/PbTe и In/PbSe......................................................... 114

4.4. Особенности границы раздела in/>i-PbTe и построение модели работы структуры........................................................ 117

4.4.1. Определение параметров вольт-амперных характеристик........................................................................ 117

4.4.2. Расчет физических параметров, характеризующих границу раздела,...................................................................121

4.4.3. Особенности вольт-амперных характеристик, обусловленные наличием инверсного слоя .................... 127

4.4.4. Анализ механизмов токопротекания через контакт In/PbTe....................................................................... 130

4.5. Модель работы структуры In/PbTe. Построение качественной энергетической диаграммы........................,.,,,..,,.,,.. 133

4.6. Обнаружительная способность структур In/PbTe................. 143

Выводы.........................................................................................,,., 148

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР

НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ХАЛЬКОГЕНИДОВ СВИНЦА............................. 151

5.1. Природа фоторезистовнгого эффекта в пленках на основе халькогенидов свинца........................................................ 154

5.1.1. Использование явления самокомпенсации электрически активных примесей в РЬХ для полутения вы-сокоомных образцов..,,.„„„.,„.,„„„„.,„...........,......... 156

5.1.2. Активапионный характер параметров фото чувствительности поликристаллических образцов. Модель Неустроева-Осипова.......................................... 159

5.1.3. Взаимодействие поверхностей и границ раздела пленок с окружающей средой.................................... 164

5.2. Кинетика окисления на воздухе пленок халькогенидов свинца...............................................................................................169

5.3. Закономерности окисления пленок РЬЗе и РЬТе в контролируемых условиях.............................................................................174

5.3.1. Методика проведения контролируемого отжига пленок халькогенидов свинца...................................................174

5.3.2. Кинетика окисления пленок РЬ8е и РЬТе в контролируемых условиях,. 177

5.4. Получение приемников и излучателей ИК-света на основе окисленных поликриталлических слоев нелегированного РЬБ....................................184

5.5. Получение фоторезистивных пленок теллурида свинца

без сенсибилизирующего отжига....................................... 188

5.6. Модель фото чувствительности поликристаллических пленок РЬТе как результат взаимодействия их поверхности с окружающей средой.............................................................195

Выводы............................................................................................. 203

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................... 206

ЛИТЕРАТУРА................................................................................. 209

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время большое внимание в полупроводниковом приборостроении уделяется разработке систем контроля окружающей среды, особенно систем анализа газового состава атмосферы. Одним из возможных путей решения указанных задач является создание оптоэлек-тронных датчиков, работающих в инфракрасной (ИК) области спектра. При этом, изготавливая источник и приемник излучения на определенную длину волны, на которой наблюдается полоса поглощения какого-либо газа, можно создавать приборы, обеспечивающие селективное определение содержания анализируемого газа в атмосфере. Рассматриваемые приборы являются с одной стороны более высокочувствительными и существенно более селективными по сравнению, например, с адсорб-ционно-полупроводниковыми газовыми датчиками резистивного типа, а с другой стороны, более дорогостоящими. Высокая стоимость существующих систем во многом определяется необходимостью обеспечения работоспособности И К-оптоэлектронных приборов применяя принудительное охлаждение. Поэтому особо актуальной является задача повышения рабочей температуры вплоть до комнатной.

Базовыми материалами для изготовления оптоэлектронных приборов на диапазон 2ч-5 мкм являются бинарные халькогениды свинца, в частности сульфид, селен ид и теллурид свинца. Следует отметить, что до настоящего времени не создано фотовольтаических приемников излучения, работающих при комнатной температуре и чувствительных на длинах волн более 4 мкм. Фоторезистивные приемники излучения на указанные рабочие температуры изготовлены только на легированных, поликристаллических пленках селенида свинца, подвергнутых сложной технологической процедуре многоступенчатого температурного отжига в атмосфере кислорода. Механизм появления высокой фоточувствительности в таких пленках полностью не определен и, по-видимому, в первую

очередь связан с особенностями в состоянии поверхности зерен поликристалла при их окислении и с контактными явлениями на границах раздела зерен. Выявление основных закономерностей в характере окисления поликристаллических пленок различных халькогенидов свинца, установление влияния предыстории получения материала на фотоэлектрические параметры образцов и построение модели фоточувствительности рассматриваемых приборов позволит обоснованно выбирать технологические режимы получения и окисления пленки, прог нозировать свойства, получаемых образцов, и, в конечном итоге, расширить диапазон их использования в длинноволновую область спектра, за счет применения пленок твердых растворов халькогенидов свинца-олова,

В качестве фотовольта и ческих приемников излучения, работающих при температурах близких к комнатной возможно использовать сверхрешетки на основе различных композиций хшшсогенидных материалов, а также барьеры металл-полупроводник. Необходимо отметить, что в этих структурах также существенную роль оказывает состояние границы раздела. Кроме того, в случае гетероструктур необходим учет взаимодиффузии собственных компонентов и собственных дефектов в при контактных областях и образование дислокации несоответствия на гетеро-грзнице.

При формировании структур металл -пол у проводи ик окисление поверхности полупроводника (особенно в случае использования пленок теллурида свинца) может приводить к образованию тонких слоев диэлектрика на границе раздела и к образованию областей" с инверсным типом электропроводности вблизи нее. В конечном итоге формируется сложная многослойная структура, трактовка характеристик которой в рамках традиционной структуры Шоттжи не возможна.

Целью работы являлось исследование процессов, протекающих на границе раздела, при формировании различных типов фоточувствитель-ных структур на основе пленок халькогенидов свинца.

Основные задачи, решаемые в дигссертацигояной" работе;

I. Разработка методики формирования гетерострухтур РЬБ/РЬТе. Экспериментальный и теоретический анализ характеристик гетерограницы двухслойной структуры РЬТе/РЬЗ.

2. Разработка технологии формирования барьерных структур металл -халькогенид свинца, обеспечивающей получение различных характеристик границы раздела. Построение модели барьера металл - полупроводник и оценка в рамках этой модели параметров структуры, определяющих ее вольт-амперные и спектральные характеристики (высота барьера, толщина промежуточного оксидного слоя, плотность поверхностных состояний, вид спектральной характеристики),

3. Теоретическое рассмотрение вольт-амперной характеристики структуры металл - халькогенид свинца и определение вклада различных механизмов протекания тока в общий ток через барьер. Построение схематической энергетической диаграммы барьера металл- халькогенид свинца.

4. Определение общих закономерностей в кинетике окисления легированных и нелегированных поликристаллических и эпитакеиалышх пленок халькогенидов свинца, выращенных на различных типов подложек, разными технологическими способами,

5. Исследование фоторезистивного эффекта в пленках халькогенидов свинца и определение зависимостей величины чувствительности и времен фотоответа от параметров проведения технологического процесса и

свойств пленок.

6. Разработка модельных представлений процессов, протекающих на

границах зерен поликристаллических пленок и приводящим к появлению в них фоточгувствительяостйг при комнатной температуре. Нау чная новизна работы состоит в следующем;

1. Г!роведено комплексное исследование вольт-амперных и фотоэлектрических характеристик структур металл (висмут, индий, свинец) -полупроводник (теллурид свинца, селен ид свинца) с различными толщи-

нами окисленного слоя на границе раздела. Определены высоты барьеров, коэффициенты идеальности ВАХ и плотности поверхностных состояний на границе раздела. Установлены зависимости этих параметров от толщины окисленного слоя. Выполнена оценка толщины образующегося диэлектрического слоя, которая для структур различного типа варьируется от 40 до 80 им.

2. Установлены механизмы протекания тока через структуру металл - жалькогенид свинца. Показано, что ток через барьер определяется эмиссией электронов из полупроводника в металл. При этом преобладающий вклад вносит термоэмиссия носи гелей. Существенное значение при определении общего тока через структуру играет также инжекния дырок из инверсного сдоя р--типа электропроводности в пленку теляури-да свинца я-тина. Представлена трактовка наблюдаемых в настоящей работе и известных из литературы особенностей вольт-амперных характеристик, а именно, увеличение высоты потенциального барьера с ростом толщины окисленного слоя, нелинейная зависимость 1п</ от приложенного напряжения, отсутствие насыщения в обратных ветвях вольт-амперных характеристик, практическое отсутствие зависимости вида ВАХ от материала металлического контакта и т.д. Построена энергетическая модель контакта металл - халькогенид свинца.

3. Изучена кинетика окисления пленок халькогенидов свинца в замкнутой системе в широком диапазоне температур. Проведено комплексный анализ хода кинетических кривых (зависимость сопротивления пленки от времени отжига) для мо нокристал л ически х и п ол и кр металл и -ческих пленок различной толщины и зернистости. Выявлены общие закономерности в характере окисления пленок различных халькогенидных материалов связанные с тем, что итоговый процесс окисления состоит из двух составляющих: - легирования пленки кислородом и образование на поверхности зерен пол и кристалл и ческо й пленки оксидных фаз сложного состава. Соотношение скоростей указанных процессов в общем случае и

определяет вид кинетической кривой, а именно, является ли она монотонно возрастающей или характеризуется наличием экстремумов.

4. Установлены области на кинетической кривой окисления соответствующие появлению фоточувствительности в окисленных пленках. Показано, что при переходе от PhS к PbSe требуется меньшее время отжига для формирования фоточувствительных структур. В случае РЬТе фоточувствительные структуры могут формироваться без проведения сен си-билизиру ющего отжига, за счет взаимодействия поверхности зерен пленки с кислородом при комнатной температуре.

5, Обнаружены и исследованы эффекты долговременного нарастания и релаксации фотосигнала в фоторез и сти в н ы х структурах на основе ееленида и тешп

зависимости воеме.1

дни ох хмиз лёгиргТОщси арймбси» ох Давления окружающей срсды в процессе эксперимента и от напряжения смещения на структуре. Разра-

бохн-oä- модель, об'ъягсн я ю о q я .в ji с i i м с фохо ЧГ^оСХВ ИХ'СЛ Ъ г? ОСХИ М J. 10 л го -

ППАлагтггТ rrj ТТО-ПОЛТО ТГГГСГ ГТ ЛГТС} ГГО /Клпп/ллгхптго 7TQ АЛГТ^Пг'З nrrQiT fTQ

DL'C/mCnnDii'i /\ctfjtli\ j napatian hvi rl {^Зла/лО ^j»./ i üv/iл лш.1а? иСл^/оаллал ла kjkj

оазованик ловушек ззхввти, иия основных носителей зноялн ив иовепхно-

j^» V^r Ji «/Л. JU» JT JLJUJL V4i sJ Vfr-t Ss.AJ' А. M»- V VAA V JJAlA/i/X АД V/ VJI Л Л. W А VXJ. sj» Ш»*-^*1 ЖЛ.^Л^ К-4/ 11Ы' .Ii V/JW1 Vk//JiJI Л Ч/

сти зерен лоликристаллической пленки вследствие ее взаимодействия с

КИСЛ0Г)0Г50М-

~ ST " 1 1 ~ " '

1 § ТЪО ТГНГ*ТЯИТ£ьр>ТГ<Э1 ГВ- О- Е'й с'± ?! * Z Д £ - Г r.'lbAT'i Г; jQ Г* ¿i i: f i> * рь Я

j i рая i И IVMIOA ,xno.-inj5!iuvjo |;auvi dj jaiuJUM'mvi IS wjwyiwiilCi«.

} Doonof^AT^lTF i "^^^ГГЛ ¡ТЛ ГГГТУДЛЕТгЛ IJÜ'I'/Ti! ! ihAnifnnrtnOiTiliT /Клт'л ITT/ D ЛТ

I. i (i.ljj|1wvi|(l!"!l IWAhuJlUl И 'lU ft П ü. fVIV ■ уДй! !| Ч»| / »f **! j 'EKi П n Я t|;» Г » / ! « V • "

вительных структур различных типов, а именно, гетеропереходов PbTe/PbS, структур металл - халькогенид свинца (PbSe, РЬТе), фоторезисты вных структур на основе поликристаллических, легированных пленок

А 4Т5-6

? f 1Г|ПАТТАГ?АГГА UT/"^ /КАТЛ?! А 1ТГ T^Q ГХГГрЛГ/Т^а ТТ-П rfö S if llff Ь- Г/ rj»> ТТТ/ГГ05" ГГТ?Т ГГ Q АА_

I w.t v л и ? ши i ившш I ал iCvr^nv »дрл^шпИлл гилУ тч^плл ла %J%s~

нове барьерной структуры In/PbTe с толщиной окисленного слоя на границе раздела 70 нм. обеспечивают режим работы фотонриемника ограниченный фоновым излучением. Величина обнаружительной способно-

<тггж тт-пту r\TiA-ai 'rt'OAT^yyiriiann 1 '"Э 1 fVl: )• г* Г^тт 1 fl*. Йт^- S

um nun ^.нАнй. a^/i i »if ыуд4*! -U." ^jl* л

3. Впервые показана возможность с использованием пленок теллу-рида свинца изготовить фоторезистивные приемники излучения на диапазон длин в