Влияние ионизирующих излучений на физические свойства фотоприемников на основе монокристаллов теллурида галлия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

р г б ад

1 1 МАР И9&

институт «ьОточ.ПРКТРОНИКИ АКАДЕМИИ НАУК АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

На правах рукописи

ОРУДЖЕВА СЕВИНДЖ АЛИ кызы

УДК 621.315.592

ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОТОПРИЕМНИКОВ НА ОСНОВЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТЕЛЛУРИДА ГАЛЛИЯ

01.04.01—Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Б А К У — 1 3 9 3

Работа выполнена в Институте Фотоэлектроники АН Азербайджанской Республики.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор ИСАЕВ Ф. К-кандидат технических наук, ст. и. с. АСКЕРОВ К. А.

доктор физико-математических наук, профессор АЛИЕВ С. А. до кто,: физико-математических наук, профессор СЕИДЛИ Г. СВедущая организация: Бакинский государственный Университет им. М. А. Расулзаде, г. Баку.

часов на заседании Специализированного совета (Д.004.25.01) по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Институте Фотоэлектроники АН Азербайджанской Республики по адресу: 370141, ул. Ф. Агаева, 555 квартал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Фотоэлектроники АН Азербайджанской Республики.

Официальные оппоненты:

Защита состоится «

1996 г. в

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совет доктор физико-математическ наук, прсфессор

НУРИЕВ И. Р.

Общая характеристика работы

Актуальность - темы.Среди большого количества работ, посвященных исследованию свойств полупроводниковых соединений типа А ВУ1 и их твердых растворов, практически отсутствуют разработки фотоприемников на их основе' и исследования по создействию ионизирующих излучений на эти материалы. Разработка новых видов ф^топриемников, стойких к воздействию ионизирущих излуче:~ш различного вида и предназначенных для ближней ИК области спектра является одной из ' важных задач, стоящих перед современной наукой. Изготовление ра-диационно-стойких фоюприемншсов'в своей основе опирается на улучшение радиационных характеристик используемая материалов. В связи с этим одинаково важными являются как изучения влияния ионизирующего излучения на фоторезисторы и фотодиоды, тан и углубленные физические исследования процессов, происходящих в полупроводниковых материалах и структурах при радиационных воздействиях..Монокристаллы ОссТв- имеют большую перспективу исполозования их для создания радиационно-стойких источников и приемников ближнего ПК-излучения. В связи с этим представляет болыдуи актуальность и практический интерес разработки технологии и создания фотоприемников на основз теллурида галлия, исследование образования и распределения радиационных дефектов и влияния их на изменение свойств кристаллов & также изучение радиационной -стойкости

фотоприемников на их основа,

Целью .диссертационной работн яллялась разработка! физических основ изготовления фотоприемникоз на основе слоистого теллурида галлия и экспериментальное исследование влнгннц иекизирукщих. излучений различного вида на электрофизический и фотоэлектрические свойства монокристп-тоз теллурида' гг-~г;[я к фотоприемииков на их основе.

Для достижения поотавленной цели} ^

-получены совершенные однородные монокристаллы (та-/к- » -разработаны физические осноьы 'изготовления фотодиодов на основе теллурида' галлия;

-исследованы общие закономерности изменения электрических и фотоэлектрических _ свойств монокристаллов теллурида галлия при облучении импульсными гамма-квантами, электронами о анергией 3 и 25 МэВ* и импульсными гамма-нзйтронами}

-исследовано влияние ионизирующих излучений на аниэатррпию электро-

физических Свойств теллурида галлия;

- проведены сравнения влияния разных ионизирующих частиц на изменение свойств теллурида галлия, изучены термическая стабильность, образование и распределение радиационных дефектов;

- получены качественные данные по радиационной стойкости фоторезисторов и фотодиодов на основе теллурида галлия,

Научная новизна, В диссертационной работе впервые решены следующие задачи:

- разработаны физические основы конструирования и технологии изготовления фотодиодов на основе слоистого полупроводника теллурида галлия, предназначенных для ближней ИК-огёласти спектра с максимумом спектральной характеристики при X =0,85 мкм с улучшенными значениями монохроматической и вольт-ваттной .фоточувствительности по сравнению с существующими аналогами;

- установлены механизмы образования и распределения радиационных дефектов в слоистых кристаллах теллурида галлия, связанные с изменением анизотропии их свойств при воздействии ионизирующих излучений;

- в монокристаллах теллурида галлия определены параметры уровней, на которые оказывает влияние облучение: мелкие и глубокие акцепторы и доноры. Установлены тершческая стабильность дефектов и энергия активации отжга облученных образцов. Показано, что при всех случаях облучения ионизирующими излучениями поверхностные эффекты не играет заметной роли;

- предложена модель", .объясняющая изменение свойств указанных полупроводников.при воздействии ионизирующего излучения: высоко-онергетические облучения низкими и средними дозш,:л в этих материалах создают дефекты'акцепторного типа с неоднородным, слоистил распределением, чередующихся высокоомных и ниакоомних слоев с. различными соотношениями меаду концентрациями электронов и дырок, т.е. фактически происходит образование новой высокоомной прослойки, увеличивающей энергетические барьеры, -существующие между слоями.

Установлено, что изменение фотсчувствительнооти фотоприемников на основе теллурида галлия при воздействии ионизирующего излучения различного вида носит одинаковый характер: при малых флюенсах облучения фоточувствительность увеличивается, а большие флюенсы приводят к уменьшению фоточуесмительшо-тя. Доказано, что изменение фоточувствите&ности связано, главны« стразом, с изменением време-

•телей заряда. Определена однородность полученных монокристаллов с помощью меченых атомов ^

ни жизни основных носителей заряда.

Получены данные о радиационной стойкости фотоприемников. Определено их среднее значение времени потери работоспособности при воздействии имитирующих факторов ядерного взрыва.

Практическая значимость работы. Некоторые усовершенствования, введенные нами в метод медленного охлаждения при постоянном температурном градиенте, позволяют получить более совершенные монокристаллы теллурида галлия с высокой подвижностью основных носи-

Разработаны физические основы конструирования и технологии изготовления фотодиодов на основе теллурида галлия с улучаенньми фотоэлектрическими патаметрами, предназначенных для ближней ИК-области спектра с мкм, удовлетворяющих современным

требованиям электронной техники, а также стойких к воздействию ионизирующего излучения. Установлены механизмы образования и распределения радиационных дефектов п теллурида галлия. Выяснены причины деградации фотоэлектрических свойств фотодиодов на основе теллурида галлия.

Получены данные о радиационной стойкости фотоприемников, необходимые для работы их в условия* повышенной радиации. Разработан метод дистанционном измерения параметров фотоприемииков на влияние внешних воздействующих факторов.

Основные.положения, выносимые на защиту:

1. Эизические основы конструирования и технологии изготовления фотодиодных структур на основе теллурида галлия на область спектра ^=0,85 мкм при комнатной температуре со сравнительно повышенный фотоэлектрическими параметра1.«, стойких к воздействия ионизирующих излучений,

2.Механизмы образования и распределения радиационных дефектов» связанные о увеличением анизотропии свойств теллурида галлия в результата воздействия ионизирующих излучений.

3. $яаичесаая модель, объясняющая изменение свойств теллурида галлия в результате воздействия ионизирующих излучений: высокоэнергетические облучения низкими и средними флюенвами в материалах фоточувствительных элементов фотодиодов создают дефекты акцепторного гип'а с однородным, слоистим распределением чередующихся

высокоомных и 'низкоомных слоев с различными соотношениями между концентрациями электронов и дырок, т.е. фактически при этом происходит образование новой высокоомной прослойки, увеличивающей энергетические барьеры, существующие между слоями.

4. Изменение фоточувствйтельности фотоприемников на основе теллурида галлия в результате воздействия ионизирующего излучения обусловлено в основном изменением времени жизни основных носителей заряда.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах Института Фотоэлектроники Академии наук Азербайджанской Республики, на Х1У и ХУ Всесоюзных . научно-технических совещаниях и семинарах по вопросам обеспечения " радиационных стойкостей эле.ктрорадиоизделий элементов и. материалов при воздействии ионизирующих излучений (Москва,1992 г.), на Республиканской научной конференции "Флзика-93" (Баку).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на"119 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав и заключения. В работе 34 рисунка и I таблица. Список цитируемой литературы включает 103 работы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель, научная новизна, практическая ценность проделанной работы, приведены сановные положения, выносимые на защиту и кратко излонено основное содержание диссертационной работы.

В первой главе приведены методика выралдавания и контроля однородности исследуемых образцов, характеристика источников облучения, экспериментальные схемы и методы определения характеристических параметров. .

Здесь изложена также предложенное нами усовершенствование получения совершенных монокристаллов теллурида галлия методом медленного охлаждения при постоянном температурном.градиенте в сочетании с отсутствием свободного объема в ампулах.

Методом авторадксграфик контролировалась однородность монокристаллических образцов теллурида галлия. В качестве радиоактивного изотопа применялся .

Получение импульсного гамма-излучения осуществлялось на мощном генераторе гамма излучения,. нейтронные ишульсы были получены на импульсном реакторе. Непрерывное гамма-облучение исследуемых об-

рацов проводилось на стандартной гамма-установке.

При импульсном гамма-нейтронном облучении образцы располога-лись вокруг активной зоны в экспериментальном канале в зависимости от требуемого интегрального ' потока.' Величина флюенсов нейтронов с \7/ 0,1 МэВ определялась с точностью * 30%,

В качестве источника электронов использовался линейный ускоритель с анергиями Еэ=3 и ¡25 МэВ, Ширина энергетического спектра составляла 1055,

Измерение коэффициента Холла проводилось методом переменного тока. В этом случае магнитное поле и ток через образец изменялись с различными частотами.

- В' процессе облучения измерения параметров проводились дистанционно, на специально разработанной наш установке. Измерение спектральных характеристик фотопраемников проводилось по стандартной методике с помощью монохроматора Г^ЦР—4.

Во второй главе изложены физические основы технологии изготовления фотодиодных структур на основе слоистого полупроводника (гсь!с и результаты исследования их физических свойств.

Для получения электронно-дырочных переходов были использованы методы сплавления и диффузии компенсирующего элемента. Монокристаллы теллурида галлия имеют р-тип проводимости при комнатной температуре. Поэтому для создания р-п переходов нами выбрано олово, являющееся донором (компенсирующим элементом) для теллурида галлия.

Из монокрястаплическ}1Х слитков теллурида галлия с помощь» . лезвия препарировались тонкие слои толщиной 100+150 мкм перпендикулярно оси "С" кристалла. Эти слои далее нарезались на части : с определенными размерами, определяемыми дальнейшим назначение,! будущих фоточузстр-тельных элементов. Элементы распаивались на площадки корпусов, предварительно металлизированных индием в целях получения нижнего омического контакта, заеор между которым составлял 0,2 мм. Распайку элементов на корпус производили помещением корпусов с элементами в специальных кассетах в водородную печь. Температуру печи постепенно поднимали до 250-ЗС0°С и в течение б ищут производили распайку чувствительного элемента на площадку корпусов. Затем корпуса извлекали из печи, охлаждали, переносили на монтажный стол для размещения оловянного шарика на центр элементен распайки контактов ?еряокомпрессньм способом на

выводы корпусов. Оловянные шарики получали электролитическим спооо-бом осаждения олова на концы никелевых проволочек. Диаметр шариков примерно равен 0,02-0,05 мм. После вышеуказанных операщй корпуса погружали в специальных кассетах в водородную печь с температурой наргрева 500-550°С и ввдеряивали 15-25 минут при заданной температуре. После извлечения из печи кассеты с корпусами резко охлаждали под струей воды до комнатной температуры. Полученные структуры передавали для измерения их параметров.

Полученные фотодиоды, на основе (таЩ обладают выпрямляющими свойствами. Коэффициент выпрямления в отдельных случаях достигает К = КГ^ при(У «1,5-2,0 В. Плотность тока на прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) фотодиодов при низких напряжениях определялась выражением:'— , где З3 - плот-

ность тока насыщения, I/ - прилсркенноо напряжение, В - коэффициент качества р-п перехода. - '

Из кривых ВАХ рассчитаны величины" коэффциента качества, которые для полученных фотодиодов близки и меняются в интервале 1*5 при комнатной температуре. Э?и данные Свидетельствуют о том, что механизм протекания тока через р-п переход определяемся генерацион-но-рекомбинационными процессами в объеме и на поверхности перехода.

Разработанные нами фотодиоды на основе слоистого теллурида галлия обладают повышенными фотоэлектрическими параметрами по сравнению с параметрами фотодиодов, имеющих фоточувотвительный элемент с традиционными р-п переходами в объеме полупроводника и работающих также в диапазоне спектра 0,45+1,1 мкм. Фотодиоды

-р — Ол^е. , чувствительны в области спектра 0,45-1,1 мкм с максимумом Хт**"®»^ мки*

Показало, что зная исходные овойства монокристаллического теллурида галлия, можно изготовить фотодиода с заданными фотоэлектрическими параметрами. Токовая чувствительность таких фотодиодов при максимуме спектральной характеристики составляет 0,3-1,5 А/Вт, а величина вольт-ваттной чувствительности меняется в интервале (0,1-3,4)Ю4В/ВТ.

Такие фотоприемники на основе теллурида галлия открывают большие возможности для использования.их а системах, работающих в видимой и ближней инфракрасной областях спектра.

В теот^еЙ глав? работы приведены сведения об образовании ра-

диационных дефектов в слоистых полупроводниках и влиянии ионизирующих излучений на их физические свойства. На основе приведенного обзора показано, что к началу настоящих исследований в литературе практически отсутствовали данные о влиянии ионизирующих излучений на электрофизические свойства слоистого полупроводника теллурида галлия.

В этой главе работы также излагаются результаты влияния ионизирующих излучений различного в'ида ча анизотропию электрофизических свойств теллурида галлия. Измерения температурных зависимостей коэффициента Холла и ¡-дельного сопротивления до и после облучения различными видами ионизирующих излучений проводились в двух кристаллографических направлениях монокристаллов теллурида галлия- в интервала температур 80*300 К,

При воздействии гамма-квантов в интервале доз 10+10°Р в монокристалле теллурида галлия дефекты о энергией ионизации

+0,18 эВ под действием излучения отаигаются, но с ростом дозы появляется доминирующий- уровень с энергией ионизации £у+0,53 эВ, который обусловлен перестройкой радиационных дефектов. При этом подвижность носителей тока после облучения в области низких температур (80-180 К)' растет. Эта зависимость посла больших флюенсов становится более сильной. Такая сильная зависимость подвизнооти обусловлена вознивнолением в образцах дефектных барьеров при облучении гакна-квантами, а при температурах вше 180 К она определяется увеличением сечения рассеивания носителей тока дефектами"при их йохпзации. Результаты исследования влияния электронного облучения с энергией 3 МзВ на коэффициента Холла и удельное сопротивление монокрлстлдлоа теллурида галл« г показывают, что при тс^яратурэ 170 8 и кйтанается расхождение кривых, а вьпиа 170 К наклон крчтж соответствует акцепторным уровням о энергией ионизация £^+0,4 ъВ . Посла облучения флюенсом 20 уменьшается концентрация основных носителей за-

ряда и образуются низкотемпературные мелкие уровни. Облучение на приводит к изменению типа проводимости. Лишь наблюдается некоторая компенсация акцепторов дефектами радиационного происхождения.'

Облучение образцов Gzble. электронами о энергией 25 МэВ также не вызывает изменения типа проводимости» но сильно компенсирует дырочную проводимость и делаем их практически изоляторами при низких темперйЛ'эфах, Подвижность основных носителей тока после об-

лучения такжё имеет сильную температурную зависимость, обусловленную, возможно, результатом изменения типа рассеяния на заряженных примесях и на колебаниях решетки при высоких температурах.

Для подробного изучения роли радиационных дефектов в изменении электрических свойств теллурида галлия до и после облучения гамма-квантами и электронами с энергией 25 МэВ проводилось измерение эффекта Холла в другом кристаллографическом направлении кристалла, т.е. холловские зонды располагались параллельно оси "С", а ток и магнитное поле были направлены перпендикулярно главной оптической оси."С", При измерении удельного сопротивления в направлении главной оси "С, ток. протекал параллельно осч "С". Монокристаллические образцы теллурида галлия с концентрацией дырок при .комнатной температуре, облучались

гамма-квантами дозой IQ,IQT> и электронами с энергией 25 МэВ флюенсом 10^см~*\

До и посла облучения измерялись температурные зависимости коэффициента Холла и удельного сопротивления в интервале температур 60-300 К.

С ростом до?ы гамма-квантов коэффициен? Холла резко возрастает во всем исследованном интервале 'температур. По-видимому, резко меняется разностная концентрация - Д^ , при дозе 10^ концентрация - Лр резко падает от исходного значения б^-Ю^см"3 до 6,5'Ю^сы**®. Одновременно с ростом дозы гамма-квантов монотонно уменьшается концентрация глубоких акцепторных •уровней с энергией ионизации i^.+0 .4Q эВ, присутствующих в исходном материале. Концентрация этих центров не мажет быть определена непосредственно из зависимости » так как ПР;1 йом~ натиой температуре кривые нэ входят "на полку", однако, энергию ионизации можно определить из наклона температурных зависимостей коэффициента Холла.

Подвижность дырок в теллураде галлия в параллельном направлении оси Т." эрдрненцяально возрастает с температурой по за-конуjUn к й с , а вше 150 К подвижность уменьшается. Поскольку СаЛе. имеет слоистую структуру и слои расположены на сравнительно больших расстояниях друг of друга, подвижность носителей тока в данном направлении должна экспоненциально расти' с температурой. Это связано с тем обстоятельством, что носители зардца доЛжны перекаливать из одного слоя в другой, дреодо-

левая энергетический барьер. Тогда частота перескоков должна определяться множителем Больцмана где л£ энергетический барьер между слоями. Из зависимости Ам, от 10 /Т для высоты межслойного энергетического барьера в теллуриде галлия найдено значение 0,1 эВ, а рассчитанное значение Д£ после облучения. гамма-квантами дозой ю' и 10®Р оказалось равный (0,П+0,14)/. эВ, Отсюда следует, что облучение увеличивает высоту энергетических барьеров, существующих между с.:оями.

Таким образом, полученные нами данные указывают на возможную неоднородность в распределении радиационных дефектов в теллуриде галлия и предпочтительно их образование в межслойных промежутках.

При электронном облучении с энергией 25 МэВ в направлении оси "С" в сущности происходит то же, что и при облучении гамма-квантами в направлении, перпендикулярном оси "С" кристалла: А^ -/)/

при облучении флоенсом Юсм"^ падает, как в случае гаг.:ма-облучения. По-видимому, концентрация и уменьшается из-за образования нейтральных комплексов доноров и акцепторов с первичными радиационными дефектами. Скорость образования комплексов тем больше, чем больше концентрация акцепторов, и тем меньше, чем меньше концентрация доноров, В образцах с высокой или низкой концентрация уменьшается быстрее, чем М й - М падает, Концентрация глубоких акцепторов о уровнем около ^,+0,40 эВ, по-видимому, уменьшается, ¡а поджшость основных носителей носит такой же характер, что и й случав гамма-облучения. При флю-енсе электронов-10 снТ уменьшение наблюдается а низкотемпературной и высокотемпературной областях. Раюстгатакиоз значение дляд£до и' после облучения также совпадем со облучении гамма-

квантами. Если сравнить 8 двух кристаллографических направлениях отношение значений , 0 к^ до И после облучения гамма-квантами и электронами с энергией 25 МзВ флюенсом 20 см , то видно что отношение значений параметров 2Х и^Л- в параллельном направлений оси "С" намного прэвьшазт- аналогичных данных в перпендикулярном направлении.

Такая большая разница в различных кристаллографических направлениях и рост Подвижности дырок, по-видимому, связаны с анизотропией свойств теллурида галлия, т.е. облучение изменяет Еысоту энергетических'барьеров, существующих между слоями. Эти факты непосредственна подтверждают предположение о том, что ра-

диационные дефекты, созданные облучением, накапливаются именно в межслойных промежутках^ Облучение приводит к направленности распределения примесей в аллуриде галлия и вдоль слоев и перпендикулярно к нему. Наши предположения подтверждаются также влиянием отжига на значение , Результаты изохронного отжига показали, что в отожженных образцах значение высоты энергетических барьеров восстанавливается до исходной величины.

Таким образом, начиная о малых интегральных флюенсов облучения увеличивается анизотропия кристалла. По-видимому, с этим же фактом связаны рост и кругий наклон в температурной зависимости подвижности, Для доказательства вышесказанных предположений нами проводились исследования изменения темновых сопротивлений образцов теллурида галлия в двух кристаллографических направлениях в • процессе гамма-облечения и'электронного облучения с энергией б МэВ. На основании исследования изменения темно'вого сопротивления ( ) образцов теллурида галлия в процессе гамма-облучения и электронного облучения в перпендикулярном и параллельном к оси "С" направлениях показано, что кратность изменения темнового сопротивления йр образцов теллурида галлия, имеющих контакты перпендикулярно слоям в несколько раз меньше, чем образцов, имеющих контакты 'вдоль Слоев, Восстановление.^, таких образцов при комнатной температуре гакже отличается. Таким образом, полученные результаты хорошо согласуются с предположением о том, что с ростом дозы облучения дефекты в основном накапливаются в макслой-ных промежутках, т.е. увеличивается анизотропия кристалла в результате . облучения.

Вое эти фа-.ты не могут найти простого объяснения на основе привычных представлебий. Как нем кажется, непротиворечивое толкование экспериментальные результаты по радиационному облучению слоистых полупроводников могут получить в рамках следующей модели: выеокоэнергетические облучения низкими и средними флюен-сами в монокристалле теллурида галлия создают дефекты акцепторного типа с неоднородным, слоистым распределением, в результате чего мы имеем ситуацию, когда по крайней мере четыре группы носителей участвуют в формировании электропроводности и эффекта Холла: чередующиеся высокоомные и ниэкоомкыз слои с различными соотношениями между концентрациями. Елшгтроиов и дырок, которые можно, эапараддедиц хсщрвские и.токовнэ кэнтакты (именно в такой reo-

метрии проводились измерения) для упрощенной интерпретации пересчитать в два параллельных сопротивления. Первая смена знака, низкотемпературная, происходит без особой связи с температурным , ходом электропроводности. Вероятно, если <!н нам удалось бы измерить температурные зависимости еде Холла и проводимости. при более высоких температурах, мы обнаружили бы ещё одну'смену знака коэффициента 'Холла и соответствующе ей изменения проводимости.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованию „влияния ' ионизирующих излучений различного вида на фотоэлектрические свойства фотоприемников на основе теллурида галлий. Приведены результаты .-.эучения причин изменений фоточувствительности- фотодиодов в результате воздействия на них ионизирующих излучений. Там же изложены итоги исследований по работоспособности фотодиодов на основе теллурида галлия и прсцоссо облучения ишульсными гамма-квантами и импульсньм нейтронным потоком,

Вольтамперные и спектральные характеристики фотоприемни'ов изучались до и посче облучения различного вида ионизирующими излучениями. При этом контролировались величины монохроматической и воль^-ваттной чувствительности и кривые релаксации фото-" тока фотодиодов. В процессе лмпуиьсными гамма и импульсного нейтронного облучения определялись времена потери работоспособности фотодиодов на основе теллурида галлия.

Для изготовления фотодиодоа на основе теллурида галлия использовались монокристалличёскиэ образцы со следующими исход-, нкми параметрами: концентрата основных носителей заряда

см"**; Подвижность носителей заряда¿к =40*600 см^/В'С; удельное сопротивление^ »10+10^ Ом-см при комнатной температуре. Исследуемые фотодиоды изготавливались с помощью вплавленйя олова на свежесколотую поверхность тонких слоев теллурида галлия толщиной 100-5С0 мкм в водородной печи с тестера-турой нагрева 450+550°С ;; выдержкой минут при заданной

температуре.

До и пос/е облучения интегральными дозами галма-квантов 10°, 10®,. 10 , 10® Р измерялись спектральное распределение чувстви- -.тельноити, напряжение сигнала и напряжение иу,;а, а так~е контролировались изменения"кривых релаксации фототока. Спектральные характеристики фотодиодов измерялись сразу после облучечи,. л о

стандартной методике с помощью ыонохроматора ЩР-4 при Hanj тхении смещения на фотодиоде, равном i 3 В.

После флюенса гамма-квантов 10® и Ю^Р фоточувствительность в коротковолновой области несколько увеличивается, а в длинноволновой области спектра, практически изменение не наблюдается. При этом не обнаружено смещение основного максимума'спектральных характеристик, Следующий флюенс 10®" гамма-квантов приводит-к уменьшению фоточувствительности по всему плато спектра.

Рассчитанное значение токовой чувствительности исследуемых фотодиодов в максимуме спектральной характеристики со с. .шляет примерно 0,3+0,6 А/Вт, а величина вольт-ваттной чувствительности равна (1,5+2,5) «Ю^В/Вт.

Результе ^ы облучений показывают, что максимальное, изменение монохроматической и вольт-ваттной чувствительности наблюдается после флюенса гамма-квантов Потом до флюенса практически не изменяется монохроматическая чувствительность, а вольт-ваттная чувствительность несколько уменьшается.

С целью изучения причины изменения фотоэлектрических пара-метррв при воздействии гамма-квантами снимались кривые релаксации фотопроводимости при возбузденуи лазером,

До облучения в фотодиодах на основе теллурида галлия 'релаксация фотопроводимости носит сложный характер и описывается суммой двух экспонент: "копоткой" со временем спада около о мкс и "длинной" с характеристическим временем около 120 мкс, После облучения гамма-квантами флюенсом Ю Р, характер релаксации не изменяется, но времена "короткого" и особенно, "длинного" спада увеличивается. С ростом флюенса тама-квантов до 10% наблюдается уменьшение "длинного" времени спада до 40 мкс и "короткого- - до 3,2 икс. Из данного результата следует, что не наблюдается корреляция между изменением времени релаксации фотопроводиыооти и изменением фоточувствительности облученных фотодиодов. Изменение времени аиэни - это один из основных факторов, ответственных ьа-нэменением фоточувствительности облученных фотодиодов, Отсюда следует точное согласие рассчмеа с экспериментом. Кроме того, необходимо отметить, что введение радиационных дефектов а кристалл фоточувствительного эла.энта фотодиода (в частности, впадение вакансий галлия) может1 приводить к росту числа центров рекомбинации для электронов, а следовательно, и х росту вре.'.сни -лизни ды-

рок. Рост времени жизни с учетом больших коэффициентов поглощения в коротковолновой области спектра тэллурида галлия может привести к существенному изменению фототока в указанной области спектра, что и наблюдается в эксперименте, Уменьшение фоточувствительности модет быть обусловлено резким падением времени речаксации фототока, вызванным образованием большого количества радиационных дефектов в чежслойных промежутках. •

. Измерение в процессе облучения проводились на импульсной гамма-установке и гамма-нейтронном реакторе с помощью специально разработанных для дистанционных автоматизированных измерений параметров фотодиодов.

3 прогессе измерения на импульсной гамма-установке и на импульсном реакторе фиксировались осциллограммы' по регистрации изменения напряжения сигнала Ц^ и напряжения шума по двум каналам с двух фотодиодов для испытания образцов одновременно. По восстановленным значен!!гм ££ и' определялось время потери (или время восстановления) работоспособности фотодиодов. На импульсной гамма-установке при длительности импульса

=10,3-10,9 не определяемое по изменению значения при' мощности р в1,7'10^ Р/с время'восстановления работоспасэЗ-' ности фэто^ода составляет 1,1 с, а по изменении значения

14 при мощности Р • =3,03-10*® Р/с определяемое 0,05 о.

В результате изй!ерений ка импульсном реакторе по вснГстанов-леннш значения:.! и ^¡Ь на^Дены следующие величины для времени потери работоспособности''фотодиодов: при флюенсе нейтронов 3 = 3,08.10 см~*% С'"^? ЬЗ с,, определяемое по восстановлзн-

т 7* ("(Г • т у

ночу значению , а по восстановленному значению при

флаенсе нейтронов 3 = 3 35' Ю^^см"^, 0,01 с.

Таким образом, с.учетом результатов'^оводимьк исследований установлено, что среднее значение времени потери работооюсоо-ности фотодиодов на основе теллурида галлия в условиях импульсного гамма облучения и импульсного нейтронного облучения составляет ^^ 1,3 с (определено по восстановленному зн-ччен.1;о ) а по восстановленному значению определяемое ^^ 0 >05 с при су-.-ыарном флленсе нейтронов 3=6,39'10 см" и максимальной дащноста гачма-излучькия Р =4,15-10^ Р/с.

' Найденные, значения времени потери работоспособности по значения;.: напряжения сигнала и шума сильно отличаются друг дру-

га. Поэтому Считаем неправильным определять время потери работоспособности фотодиодов только лишь по одному значению напряжения сигнала или шума.

Через б-П суток после облучения этих же фотодиодов на них онималось спектральное распределение чувствительности. Чувствительность фотодиодов на основе теллурида галлия до оЗлучения проявляется в области спектра 0,45-1,I мкм с максимумом длины волны Д =0,85к1Тосле облучения фотодиодов их чувствительность-

та*

увеличивается и максимум ее сдвигается в длинноволновую оодасть спектра. Токовая чувствительность таких фотодиодов в максимуме спектральной характеристики составляет примерно 0,55 А/Вт, а величина вольт-ваттное чувствительности равна 2,1»10^ В/Вт.

По нашему мнению, увеличение фоточувствительности фотодиодов в результате воздействия ионизирующих излучений связано со . специфическими особенностями слоистой структуры теллурида галлия, Однако оледует отметить, что при облучении гамма-квантами наблюдается увеличение подвижности основных носителей тока. Поскольку подвижность основных носителей тока прям- пропорциональна времени релаксации, не исключена возможность вклада последней на увеличение фоточувствительности фотодиодов. .' -Для выяснения роли поверхностных аффектов в изменении фото-чучствит^льнооти фотодиодов, фоточувствительные слои последних помещались в различные среды (вакуум, кислород,инертный газ). При этом' в процессе после воздействия ионизирующих излучений контролировались изменения темновых токов и фоточувствительности фотодиодов. Показано,, чтр характер изменения контролируемых параметров фотодиодов на основе теллурида.галлия не зависит от природы среды.

Установлено, что ряд изменений электрических свойств теллурида галлия и фотодиодов на его основе при облучении частицами высоких энергий, связан со специфической особенностью кристаллической структуры слоистых.материалов. Выше показали, что роль поверхностных эффектов незначительна, поэтому изменение параметров образцов при облучении, по всей вероятности, обусловлено взаимодействием радиационных дефектов, возникающих.е кристаллических йлоях и -ежслойных промежутках.

' Спектральное реюпредедение фотопроводимости в СххТе. в новолновой облает^ ( Д ^0,85 мкм) спектра определяется, а

основном, спектральным распределением коэффициента поглощения.. Несмотря на то, что с ростом энергии кванта коэффициент поглощения такие растет, фототок в данной области ввиду малого времени жизни носителей, образовавшихся в поверхностных слоях образцов, уменьшается. Поскольку, как наблюдалось, после облучения состояние поверхности не играет роли " изменении фототека, то малое время жизни носителей, дающих вкггд в фотопроводимость, может облусловлено их диффузией вглубь образца. Если при малых дооах облучения происходит относительное.увеличение степени модуляции межслойных энергетических барьеров, то время жизни носителей,определяющих фотопроводимости может увеличиваться (в направлении оси "С").

Результаты исследования воздействий импульсных гамма-излучений и импульсных нейтронов показывают, что фотоприенники -на основе монокристаллов теллурида галлия могут быть использованы в системах,-работающих в видимой и'ближней ИК областях спектра .в условиях повышенной радаацци.

основные вывода .

1. Разработаны физические основы конструирования и техн-зло-, гии изготовления фотодиодов "а основа теллурида .галлия на область спектра 0,45-1,1 мкм с максимумом ^ =0,65 мкм при комнатной температуре со значительно улучшенным фотоэлектрическими параметрами. Токовая чувствительность таких фотодиодов при • максимуме спектральной характеристики составляет примерно в интервале 0,3-1,5 Д/Вт/а величина поль?-гоя-?по!5 чувствительности меняется в интервале (1,0-3,4)»1(р В/В?ь

2. Установлена, им'шсскоеиврге^йч'зсшю облучения низкини * и средними флюенсака а глтэря&лах фтеочуэстЕИяеяьннх элементов фотодиодов создают дефектй акцепторного ткпа с неоднородным, слоистым распределением чередующихся высокоодоых и шзкоолннх слоев с различными соотношения^ меядуконцентрациями электронов и дырок. ЗактиЧеокй при этом происходит образование новой высокоомной прослойки, увеличивающей энергетические барьери, существующие'между слоями, что вероятно является.причиной зна- ^ чительного Изменения электрофизических параметров фэточувстви-тельных элементов фотодиодов при всех видах облучения. ■

3. ВьйвАено, что при всех видах облучения ионизирующими из-

*

лучениями поверхностные явления не играют заметной роли в-¿изменении электрофизических и фотоэлектрических параметров фоточув-•ствительных элементов фотодиодов.

4, Показано, что изменение электрофизических свойств теллурида галлия в результате воздействия ионизирующих излучений связало с увеличением анизотропии кристалла, т.е. образованием и распределением радиационных дефектов в межслойн'.гх apoi¡акутках теллурида галлия.

5. Установлено, что дефекты с мелкими уровнями с энергией ионизации /^.+0,18 эВ под воздействием гамма-квантов отжигаются, но при этом появляется доминирующий уровень о энергией^ ионизации^ + 0,53 эБ, который, по-видимому, обусловлен перестройкой радиационных дефектов.

6. На основании исследования влияния ионизирующих излучзнл.Ч • на фотоэлектрические параметры фотоприемников на основе теллурида галлия установлено, что изменение чувствительности фоточув- . ствительных элементов фотодиодов при воздействии ионизирующих излучений различного вида носит одинаковьй характер: при мальх флюенсах облучения фоточувствительность увеличивается, а больше флюенаи приводят к уменьшению фоточувствительности. Показано, что такоз изменение фоточувствительности связано', главннч . образом, с иамзиением-времени жизни основных носителей заряда.

7, Установлено, что ореднее значение времени потери работоспособности фотодиодов на основе теллурида галлия в условиях импульсного гамма-обЛучения и импульсного нейтронного облучения составляет: 1,0 с по .восстановлению [¿Г, и ^Z =0,05 с по восстановлению \JU при суммарном флюенсе нейтрона

ф =6,39-Ю^см и максимальной мощности дозы гамма излучения Н^«4,5.1010 Р/с. ■

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. О^удкева С.А., Аскеров К.А., Исаев Й.К. Фотодиод с термоэлектрическим охладителем на основе теллурида галлпя//'.'а-териали Республиканской Научной конференции "4изика-93", г.Баку, 1993, с. И, 2'. Орудчсева С.А., Аскеров К,А., Исаев Ф.К. Действие ионизир^о-щих излучений на свойства фогодаохсв из теллурида гаплия//'1а-

геряалы Республиканской Научной конференции п2изика-93", г.Баку, 1993, с.96.

3. Орудаева С.А., Аскеров К.А,, Исаев <5.К. Влияние ионизирующих , излучений на работоспособность фотодиодов на основе"теллурида галлия//Журнал "Зизика" И2АН Азерб.Республики. Я 3. 1995г.,

с. 80-84'.

4. Орудяева С.А., Аскеров К.А., Исаев З.К. Методика испытаний фотоприемных устройств в процессе воздействия ионизирующего излучения/Дурная "Сизика" МАЯ Азерб.Республики, В 3rf,. 1995 г с. 24-30.

5. Орудаева С.А., Исаев 5.К., Аскаров К,А. Влияние гамма-квантов на фотоэлектрические свойства фотодиодов на .основе теллурида галлия//Яурнал "¡Сизяка*.ИЭАН Азербайджанской Республики, № 4., 1995 г.', с. '

ОРУЧОВА СОТНЧ ЭЛИ гызы

ионлашйбш шшаэдн галлш тбллурид монокристаллары еоАСындА Ьаэдрланыыш ФотогеБУЛвдичиларин физики хдсие-лэринэ тэ"сет

X Y л А о е

* АЗлк дэфэ олараг галлиум теллу;.ид ыонокристаллары есасинда фото-Ьэсоаолыпншн ыаксшуму Jw^'^ ^ ÂÏB3H ве спектрин 0,45-1,1 пни облеогывда маг г au па pa ерунда палата билэн вэ jvKceK ишчи паракегрлбрэ калик фоюдиод гурулушларыиын ко негру кси,}£. вэ Ьазыр-ланма гехнолокизасышн физики есаолары ишлатшшдир.

Иыпуло ганыа-кЕангларынан, виараиси 3 вэ 25 МеВ олан елекгрон-ларын ве гаииа-ке^троц [¡тала mía сы ни н галлиун хеллурид. кояокрисгал-ларыьын елекгрофазикк пзраиегрлэрьше 1Э"сиринив комплекс 'гздгиги • натичэоиндэ bvajjöK едилишадф кы, иондзшдыричы италарин i&"ct:pn иле кесгэрилэл конокрималларан бир сира мссаларинин хв^и де-речэдэ дэ^ишиаси ащагыдакы киии йзаЬ олуна билер: (Зхксэк анеркилн ипгаланиа ашагы ce iwcfisïsu срха флг,)ейскэ GuTè. ^онокрпотларандэ аксешор гипли дейзкглар ¿арадыр. Бу дефакгяер Ыгзаелш!» ниобэгдЭ електрон ве «ушад консошераси janu, бир-бирини еваз еден ¿уксек оилу вэ'алчаг оьлу ла^лар кими па;}ла1шрдар{ факгйки олараг ла^лар араоында ие^д ольы акзрказт бар^ври _да1ю да арлыран jemi ¿тесак оилу гебегедер с*зле кал».р,

леоюрилшшдцр ки, öytyii нэп ионлаидорычы вг^ларын ï8"ci:pi; аа-ьаш галлиуц галлурид ыонокрималларыиыв иараиегрларти.н aajiiixs-сина криохалин оэтйийде кадвв прооволэрав ролу eternizaren з дерзче де аздыр, MïejjeH едилйишдир ки, ионяаидырычы алсал&р:л. sa"oiipii нэпшэсиндэ еорэнилэн шгыунзлерин. алекгрофившш хасселеринин до-jimuacu кристаяыа анизогропи^асыван aptuacu иле елагадардир.

tiYejjeH олуниушдур ки, иуалаиканын кичйк флуЗанолериндз фого-Ьзсоаокыг артар, бв^те фл^Занслврдэ адаланма иое фолойассаслыгин азальасына себоб олур. Бу да фоюдиодяарын фоюйэосас елаигнтлз-риндэ есас ¿yk даш^чыларынын jauawa итсддетинин де juuuscii клв баглыдыр.

Галлиун 1бллурид ьонокраотлары воаоында йваырлашш ве физики хасселерн ¡еедгиг cjiyi-jyu фотебуладкчилер jvKoeK радиаси^з aiepaHSHHÄe tesßnr олуншага Зарарыдцр. °

Orujova Sevinj Ali gizi

. EFFECT OF IONIZING IRRADIATION ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF PHOTO RECEIVERS ON THE BASE OF

r

GALLIUM TELLURIDE SINGLE CRYSTALS

ABSTRACT

The physical backgrounds of construction and technology ol production of photodiode structures on the base of gallium tellurWe single crystals for 0,45-1,1 jiin spectrum region with max=0>85 ^m at room temperature of improved photoelectric parameters have been developed for the first time.

As a result of complex investigation of influence cf tapulsiva gafflraa-guanta, electron irradiation of 3 and 25 MeV energy nnd impulsive gamma-neutron . irradiation on electrop-hysical parameters of gallium teîlurlde single crystals it is established that sinnificant changes in properties of photosensitive element under the effect of ionizing radiation may ba explained In the following manner: high-energy irradiations with low and middle fluences crenta in these materials the acceptor type defect evels with nonhomogeneous layered distribution of aiterating high and low-resistance layers with different relations between electron and hole concentrations.

It-is shown that under all types of effect of ionizing radiations the surface phenomena play unremarkable rote in the parameter change of gallium tcllurlde single crystals and photodiodes on their base.

It is establlsed that the changes in electrophysical properties of these samples by the influence of penetrating radiation is connected with the increase of crystal nnisotropy. It is rltrnvn that a photosensitivity increases' at low irradiation fineness and large fluences lead to decrease of photosensitivity related to change of lifetime of majority charge carriers in sensitive element of photodiodes.

Developed and investigated photodetectors on the base of gallium telluride singe crystals can be used for operation under high radiation conditions.