Влияние состояния межфазной поверхности на свойства гетероструктуры сульфид меди - соединение А2В6 при возбуждении ультрафиолетовым и бета-излучениями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.18 ВАК РФ

РГ6 од ¥

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ , „ ..ІНСТИТУТ ХІМІЇ ПОВЕРХНІ

Комащенко Олексій Валерійович

УДК 621.315.592, 621.384.2, 535.215

ВПЛИВ СТАНУ МІЖФАЗНОЇ ПОВЕРХНІ НА ВЛАСТИВОСТІ ГЕТЕРОСТРУКТУРИ СУЛЬФІД МІДІ - СПОЛУКА А2В6 ПРИ ЗБУДЖЕННІ УЛЬТРАФІОЛЕТОВИМ ТА БЕТА-ВИПРОМІНЮВАННЯМ

01.04.18 - фізика і хімія поверхні

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації1 на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

КИЇВ • 2000

Дисертацією с рукопис

Роботу виконано в Інституті хімії поверхні НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

Горбик Петро Петрович,

Інститут хімії поверхні НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор,

член кореспондент НАН України Нестеренко Борис Олексійович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України завідувач відділу

доктор фізико-математичних наук,

Федорус Олексій Григорович,

Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник

Провідна установа Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, радіофізичний факультет

- А _л££>

Захист відбудеться 2000 року о годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.210.01 в Інституті хімії поверхні НАН

України (0:022, м. Киів-22, проспект Науки, 31)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту хімії поверхні НАН України (03022, м. Київ-22, проспект Науки, 31)

Автореферат розісланий иіУ' »

року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої раді

ГІрнходько Г,П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Науково-технічний прогрес обумовлює необхідність зближення різних галузей природничих наук, зокрема фізики і хімії. Наслідком такої взаємодії є відкриття нових явищ (наприклад, високотемпературної надпровідності (ВТНП)), створення широкого ■ класу функціональних матеріалів, структурно-неоднорідних речовин і систем, що перспективні для розробки принципово нових приладів. Відмітимо деякі досягнення останніх років: аморфний і пористий кремній, речовини з фазовими переходами (провідник-ВТНП, діелектрих-суперіонік, метал-напівпровідник), напівпровідникові гетерострук-тури та низькорозмірні структури (надграткн, квантові ями і точки).

Вплив зовнішніх факторів (електромагнітне і корпускулярне випромінювання, електричне і магнітне поле, температура і тиск, газове оточення тощо) викликає зміну властивостей вказаних об’єктів, наприклад, електрофізичних характеристик або параметрів фазових переходів. Останнє обумовлює принципи дії функціональних систем різного типу.

Фундаментальні і прикладні дослідження гетерогенних структур з розвинутою активною поверхнею є сьогодні предметом наукового пошуку багатьох дослідницьких груп у різних країнах, які працюють, зокрема у галузі фізики і хімії поверхні. Теоретичною основою цього наукового напряму є уявлення про “ідеальний” гетероперехід з бездефектною міжфазною поверхнею між двома різними за хімічним складом матеріалами, властивості якого залежать від зовнішніх фізичних впливів. Експериментальна реалізація такого гетеропереходу являє собою складне завдання. Треба задовольнити умови сумісності кристалічної і зонної структури, теплових, електричних і кристалохімічних властивостей контактуючих матеріалів. Найбільш важливою серед перелічених є необхідність узгодженості їх кристалічних граток. Для узгодження параметрів гратки використано багатокомпонентні тверді розчини сполук. Вбудування перехідних прошарків змінного хімічного складу забезпечило високу якість міжфаз* ної поверхні і дозволило виростити ідеальні за своїми властивостями епітаксій: іі монохристалічні гетероструктури (ГС) на основі сполук А3В5. Зауважимо, що засоби одержання вказаних ГС складні і мало придатні до масштабного серійного виробництва, а вихідні матеріали досить дорогі.

Важливим класом приладів широкомасштабного використання на основі гетерогенних структур є фотоперетворювачі різних типів - тонкоплівкові сонячні елементи, фотодетектори, детектори іонізуючої радіації. Вони конче потрібні для сонячної енергетики, екології, медицини і біології, космофізичних досліджень, спецтехніки і ін. “Вузьким” місцем в ряду сенсорів випромінювання є на сьогодні детектори бета-випромінювання низьких енергій, детектори ультрафіолетової (УФ) радіації, які не чутливі до видимого світла, фотодетектори із

спектральною залежністю, що відповідає чутливості людського ока, детектори фотосиатегичио-активної радіації та ін.

Перспективними матеріалами для створення ефективних фотоперетворювачів є шнрокозонні сполуки АгВй. Окрім привабливих фізичних властивостей (наприклад, різкого краю та великого значення коефіцієнта оптичного поглинання внаслідок "прямої” структури зон) вони характеризуються відносною простотою та багатоманітністю засобів одержання. Однак позитивні якості цих сполук використовуються не в повній мірі. На заваді стоять яскраво виражена мононолярність провідності, недостатній рівень розвитку технології очищення і легування монокристалів та відсутність методів створення структурно-однорідних р-п- переходів. Вихід із становища було знайдено шляхом одержання гетерогенних структур на основі тонких полікристалічних шарів А:В(,.

Зростаючий інтерес до структурно-неоднорідних фотоперетворювачів з розвинутою полікристалічною поверхнею елементів обумовлюється основними відмінностями тонкогілівкового варіанту виготовлення від монокристалічного. Насамперед, це у сотні разів менші витрати матеріалів, принципова можливість автоматизованого безперервного виробництва і низька собівартість. Вказані переваги відкривають перспективу широкомасштабного промислового випуску ефективних і дешевих перетворювачів, що придатні, наприклад, для вирішення проблеми екологічно чистої фотоелектричної енергетики.

Для реєстрування іонізуючої радіації, що сильно поглинається речовиною, зокрема УФ- та бета- випромінювання низьких енергій, найбільш придатними с поверхнево-бар’ерні структури. Перспективними в цьому плані виявили себе тонкоплівкові поверхнево-бар'єрні ГС на основі полікристалічних шарів сполук А;В6. Гфектнвність ГС залежить від стану поверхні, на яку падає випромінювання, властивостей міжфазинх границь, параметрів генераційно-рекомбінаційних процесів і механізмів переносу струму, характеру та величини додаткових потенційних бар’єрів, що обумовлені розривами енергетичних зон на міжфазних поверхнях і т. ін.

В дисертаційній роботі вивчається взаємодія УФ- та бета-радіації з гете-рофазною поверхнею тонкоплівкових полікристалічних структурно-неоднорідних систем типу халькогенід міді - сполука Л:ВЬ та досліджуються можливості оптимізації їх властивостей. Робота відноситься до фундаментальних і прикладних досліджень в галузі фізики і хімії поверхні, що спрямовані на з’ясування загальних закономірностей динамічних ефектів (генераційно-рекомбінаційні процеси, власний фотоефект та транспорт гарячих носіїв), що виникають при взаємодії іонізуючої радіації різної природи з активними компонентами багатошарових тонкоплівкових структур.

Практична направленість досліджень полягає у пошуку можливостей вдосконалення існуючої методики одержання функціональних матеріалів з роз-

з

винутою поверхнею та створення на їх основі структурно-неоднорідних систем і приладів нових типів. '

Зв’язок з науковим» програмами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з планами наукових досліджень Інституту хімії поверхні ПАН України, у тому числі в рамках тем “Хімічна фізика поверхні розподілу нано-розмірних гетерогенних кластерно-зібраних систем” та- “Дослідження елект-роино-іонннх процесів в матрично-дисперсних системах з фазовими переходами і сильною взаємодією компонентів.”

Метою дисертаційної роботи с дослідження впливу модифікації міжфазної поверхіїі на електричні та фотоелектричні властивості іюверхнево-бар’сріїих гетероструктур на основі полікристалічних плівок сполук А2ВГ, (СсЗБ, CdSe, ХпБ, С<іТе) для підвищення ефективності перетворення УФ- та р- радіації завдяки зниженню.. рекомбінаційних втрат, в першу чергу на міжфазних поверхнях, зменшенню ймовірності тунельних процесів в механізмах переносу струму, дослідженню внеску гарячих носіїв при бета-опромінешіі та створення нових тппіз ефективних перетворювачів випромінювання, що поглинається в приповерхневих областях структури. Реалізація поставленої мети вимагала вирішення таких задач:

1. Розробка методики одержання фоточутливих полікристалічних шарів з роз-

винутою поверхнею і досконалих ізотииних гетерогенних структур в системі гратконеузгоджених сполук А;В6 . ■

2. Встановлення впливу надлишкових тунельних струмів через міжфазну поверхню на електричні параметри структури.

3. Вивчення фотоелектричних властивостей поверхнево-бар’ерних гетероструктур з додаткознми потенційним» бар’єрами для неосновних носіїв струму.

4. Вивчення взаємодії бета-випромінювання з тонкоплівковими поверхнево-бар’єрними гетероструктурами.

Вибір об’ектіп та .методів дослідження визначався поставленими задачами. Як відомо, оптимальною бар’єрною структурою для реєстрації УФ- та бета- випромінювання с така, в якій електричне поле, що розділяє фотопари, локалізовано безпосередньо біля поверхні, яка збуджується. Саме такі структури стали базовими об’єктами для досліджень в цій роботі. Вони являють собою тонкоплівкові поверхнево-бар’єрні ГС типу р-Си, 83 /п-А2В6 . Текстурована поверхня полікристалічних плівок прямозонних сполук А2В« забезпечує низькі оптичні втрати на відбиггя та збільшує ефективну поверхню, а використання наномікрошшх плівок дигеніту (Сиі.88 ) в якості прозорої складової забезпечує велике значення копта, гної різниці потенціалів і високе пропускання збуджуючого випромінювання. Крім того, підвищення короткохвильової чутливості та стабільності вказаних структур обумовлюється суттєвим внеском у фотострум гарячих носіїв, що генеровані у Си^Б.

Вибір вищезгаданих об’єктів досліджень значною мірою обумовлений теоретично передбаченими можливостями поліпшення їх властивостей за рахунок вбудування в область просторового заряду на межі контактуючих фаз гсте-роструктури варизошіих або діелектричних прошарків, а також створення додаткових бар’єрів на шляху неосновних носіїв в зони інтенсивної рекомбінації.

Основним методом дослідження було зіставлення закономірностей ефектів, що виникають при збудженні Г'С випромінюванням різної природи (УФ-, видиме - та бета-випромінювання). Використані також растрова електронна мікроскопія, рентгенофазовий і хімічний аналіз, електронна оже-спектроскопія в поєднанні з оптичними, електричними, фотоелектричними методами.

Нпукопа нопнзна полягає у наступному:

1. На основі гратко-неузгоджених сполук ЛіВ6 квазіспітаксінним методом вирощено полікрисгалічні тонкоплівкові поверхнево-бар’єрні гстероструктури типу р-Сіі| {Б /п-Л:Вб /п-А:В6, які за своїми електричними і фотоелектричними властивостями наближаються до ідеальних.

2. Доведено експериментально, що вбудування в область просторового заряду (ОПЗ) на межі контактуючих фаз гстероструктури субмікронних діелектричних або варизонних прошарків змінного хімічного складу блокує надлишкову компонент)' темпового діодного струму, який може бути обумовленим процесами багатоступінчастого тунелювшіня через глибокі рівні. Показано, що електричні параметри гетероструктур значно поліпшуються і наближаються до оптимальних.

3. Експериментально доведено можливість використання в полікристалічних поверхнево-бар’єрних гетероструктурах додаткових потенційних бар’єрів ДЕ, на міжфазних поверхнях для зменшення рекомбінаційних втрат шляхом обмеження потоку неосновних носіїв в зони інтенсивної рекомбінації. Виявлено, що один з найважливіших параметрів - квантова ефективність, наближається в таких ГС за величиною до теоретичної межі.

4. Продемонстровано ефективність використання специфічних особливостей

гетсропереходів, а саме - додаткових потенційних бар’єрів на міжфазній поверхні, для конструювання нових типів фотоелектричних перетворювачів. Вперше створено ефективні тонкоплівкові сенсори УФ- випромінювання, що нечутливі до видимого світла. . -

5. Виявлено можливість внеску транспорт)’ гарячих електронів із прозорої складової через поверхню поділу фаз гетероструюури у загальний струм, що наведений низькоенергетичним бета- випромінюванням. Визначено енергію внутрішньої іонізації сульфіду і селеніду кадмію, її величина дорівнює відповідно 6.0 еВ і 4.5 еВ.

Практичне значення одержаних результатів полягає в :

а) удосконаленні методики одержання шарів сполук АгВ6 з розвинутою поверх-

нею шляхом створення умов квазіепітаксійного росту полікристалічішх плівок на орієнтуючих полікристалічішх підкладинках, зменшенні впливу неузгодженості кристалічних граток на міжфазннх поверхнях за допомогою вирощування на-номікрснинх проміжних прошарків змінного хімічного складу та запропонуванні методу виготовлення низькоомного омічного контакту до ZnS, ZnSe, CdTe;

б) обфунтуванпі перспективності тонксплівковнх поверхнево-бар’срішх гете-росгруктур типу p-CuigS /n-АгВб /п-А2В6 для створення ефективних фотоперетворювачів (сонячних елементів і фотодетекторів короткохвильового випромінювання);

в) запропонуванні методики визначення енергії внутрішньої іонізації для пря-мозонних сполук типу А2В6;

г) обгрунтуванні перспективності тонкоплівкових поверхнево-бар’єрних гетерогенних структур типу халькогенід міді - сполука А2В6 для детектування, експонометри та дозиметрії бета-випромінювання низьких та середніх енергій;

д) створенні екологічно безпечних, довгострокових, повністю автономних радіоізотопних джерел електричного живлення приладів функціональної електроніки.

В цілому, результати досліджень, які отримані в дисертаційній роботі, сприяють розширенню елементної бази фотоелектроніки і сенсорної техніки. Застосування розроблених фізико-технологічних рішень дозволяє виготовляти досконалі гетероструетури в системі гратко-неузгоджених сполук А2В6, іцо забезпечує розширення кола матеріалів - компонентів гетероструктур.

Особистий внесок здобувача. Участь автора в отриманні представлених в дисертації результатів полягала в обговоренні проблемних завдань, теоретичних розрахунках, підготовці та проведенні всіх експериментів, в аналізі одержаних результатів. Експеримент по вимірюванню оже-спектрів проводився у співпраці з к.ф.-м.н. О.О. Міщуком. Вивчення структур на растровому електронному мікроскопі проводилось у співпраці з к.ф.-м.н. Р.І.Марченком. Дослідження взаємодії структур з моноенергетичними електронними потоками проводилось у співпраці з к.ф.-м.н. В.Д.Фурсенксм та О.В. Коваленком.

Постановка завдання та інтерпретація результатів проведені в творчій •півдружності зі співавторами відповідних наукових робіт.

Апробація наукових результатів дисертаційної роботи була проведена на міжнародній конференції “Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics” (Uzgorod, Ukraine, 1996), Першому Україно- Польському симпозіумі “New photovoltaic materials for solar cells”(Cracow, Poland, 1996), на міжнародній конференції V-th Nexuspan Workshop on Sensors for Control of Irradiation (Odessa, Ukraine, 1997), на III Всеукраїнській науковій конференції “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики” (Київ, Україна, 1998), на науково-технічній конференції “Фізичні методи та засоби контролю

матеріалів та виробів'’(Леогест-98) (Київ-Львів, Україна, 1998), на міжнародній науково-технічній конференції "Приборостроснис-98" (Вінниця-Сімфсрополь, Україна, 1998), на конференції "Химия поверхности и нанотехнология" (Хило-во, Россия, 1999).

Публікації, в яких викладені основні результати дисертаційної роботи складають 10 друкованих робіт, в тому числі 5 статей у фахових реферованих журналах та 5 в матеріалхх доповідей на міжнародних і національних наукових конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація повним обсягом 143 сторінок складається із вступу, п’яти розділів, висновків до роботи, списку публікацій автора та переліку використаних літературних джерел із 118 найменувань, містить 43 рисунки, 4 таблиці.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність тематики дисертації, сформульовано мету та задачі, що вирішуються, показано наукову новизну і практичну цінність результатів, коротко викладено зміст дисертації.

У першому розділі розглянуто відмінні особливості гетерогенних переходів, які характеризуються зміною (різкою або плавною) фізичних властивостей матеріалів в області міжфазного переходу між двома різними за хімічним складом матеріалами: структуру енергетичних зон на міжфазиій поверхні, електричні і фотоелектричні властивості, переваги фотоперетворювачів на основі структурно-неоднорідних систем у порівнянні і традиційними монокристаліч-ними р-п- перечодами. Розглянуто також загальні характеристики і специфічні особливості відомих тонкоплівкових поверхнево-бар’ерних фотоперетворювачів на основі нолікристалічних плівок хімічних сполук елементів другої і шостої груп періодичної системи. Аналіз літературних джерел свідчить, що підвищення ефективності фотоелектричних приладів із гетероструктурами слід чекати за рахунок обмеження тунельних процесів у механізмах проходження струму та зменшення рекомбінаційних втрат фотогенерованих носіїв на міжфазних поверхнях, в квазінейтрольних областях і на омічних контактах гетероструктури.

Другий розділ присвячено технології виготовлення поверхнево-бар’ерних ГС типу халькогенід міді - сполука А;Вб . Наведено результати досліджень мікроскопічних, хімічних та структурних властивостей конденсованих шарів з розвинутою поверхнею. Показано, що використані шари хімічних сполук АіВб являють собою високоякісні, однорідні, рівноважні, текстуровані полікристалі-чні плівки із структурою вюрциту. На основі гратко- неузгоджених сполук А:В<, за умов квазіепітаксійного росту на орієнтуючих подікрнсталічних підкладин-ках•виготовлені полікристалічні тоикоплівкові поверхнево-бар'єрні ГС типу

р-Сиі вЗ/п-АгВ^п-АіВб, фізико-хімічні властивості яких близькі до ідеальних монокристалічних гетеросіруктур в системі гратко-узгоджених сполук А і її,. Зменшення впливу неузгодженості кристалічних граток на міжфазних поверхнях досягнуто вирощуванням наномікронних проміжних прошарків змінного хімічного складу. Розподіл хімічного складу речовин по товщині багатошарової гетероструктурн вивчався з використанням методу оже-електронної спектроскопії. На рис.1 відображена схема поперечного розрізу гетероструктурн р-Сиі„8/п-2г.5/п-Сс18е.

0.44 мкм

і

Мо - фольга

Рис.1 Поперечний розріз гетероструктурн р-Си, вЗ /п-ХпБ/п-СМЗе (схема)

У третьому розділі розглянуто можливості оптимізації електричних параметрів поверхнево-бар’єрних гетерострукчур за рахунок модифікації міжфаз-ної поверхні.

Не досить задовільні параметри вольт-амперних характеристик (ВАХ) відомих гетероструктур типу халькогенід міді - сполука АгВ6 обумовлені шунту, ваниям гетерогенного переходу тунельними струмами. Велика ймовірність домінування тунельних процесів пов’язана з реалізацією багатоступінчастого ту-нелювання з участю глибоких рівнів в області просторового заряду.

В роботі запропоновано для блокування тунельної компоненти струму вбудувати в ОПЗ на межі контактуючих фаз гетероструктурн тонкий прошарок ((1 ~ 0.1 мкм) менш деЛектного матеріалу. В якості останнього, наприклад, мо жна використати шар високоомного С<15, що наближається за складом до стехіометричного. Внаслідок цього передбачається зменшити ймовірність тунелю-вашія за рахунок зменшення концентрації дефектів, які беруть участь у процесах багатоступінчастого тунельного протікання струму.

Структури, що досліджувались, являли собою низькоомну підкладинку CdS (п - 10і5 см 0), на яку послідовно нарощувались високоомний шар CdS або гпБе (п ~ 1013 см '3, сі ~ 0.1 мкм ) і знову низькоомннй шар Сій (п - 1015 см'3, (1 ~ 0.1 мкм). Прозорою складовою слугувала, як і звичайно, тонка плівка Сии5. Вказані структури мали головну ознаку поверхнево-бар’срних: тягнуче поле через різку асиметрію провідностей (р = 5-Ю21 см"3 і п = 1015 см '}) повністю зосереджене у фоточутливій складовій (С<18). Опромінювання здійснювалось збоку Сіі| 85. Протяжність ОПЗ складала w ~ 0.7 мкм, тобто вбудовані прошарки повністю знаходились в ОПЗ. Низькоомпий шар СсІБ на межі поділу фаз ГС призначений для зберігання високої квантової ефективності. Він повинен бути досить тонким, щоб не екранувати контактну різницю потенціалів, і, в той же час, забезпечувати достатню величину електричного поля у приповерхневій області структури.

Встановлено, що наявність високоомного шару СйБ в ОПЗ зменшує шунтуючі струми на порядок величини у порівнянні із структурою, яка такого шару не мас (рис.2, криві 1 і 2). Натрії порядки величини вказані струми зменшуються прн використанні прошарку ЗІпБе. ГІри напрузі зміщення II >0.3В вже превалюють падбар’ерні темнові струми, для яких (3 = 1.5, Іо< Ю'12 А/с.м2 (рис.2, крива 3).

І, АУсм2

Рис.2 ІІрямі гілки ГС р-Сии5'п-С<1 різних типів (Т-=300К).

І - без додаткових приповерхневії прошарків; 2 - з ншькоомшім (СсІЗ та внсокоомішм (СсіЗ) пршюверхне вими прошарками: 3 - з шиькоом ним (Сі15) та внсокоомішм (2п5с приповерхневими прошарками.

Особливості зворотних гілок ВАХ (рис.З) також свідчать про зниження величини струму за рахунок зменшення ймовірності протікання тунельних процесів, функціональна залежність зворотного струму від напруги мас вигляд І,» ~ ит. Залежності І і 2 (рис.З) мають ділянки.з параметрами ВАХ, що харак-

терні для гетеропереходу типу р-Сиі /п-ЛіВб.' передиробійні ділянки з у -1.9+2.4 та ділянки м’якого тунельного пробою з у > 3.5. При використанні прошарку 2пБе (залежність 3) тунельний пробій не мас місця наніть до зворотної напруга и~ 10 В (у < 3). Для таких структур до и ~ 1В домінують генераціґші струми, при цьому у=1, а струм зменшується майже на чотири порядки величини у порівнянні із структурами, що не мають високоомннх прошарків.

І, А/см 2

Рис.З Звороті гілки ГС р-Си, (Я/ п-Ссі5 різних типів (Т“300К).

І - без додаткових приповерхне вих прошарків; 2 - з низъкоомии (Сіі$) та писокоомшім (Сій) при поверхнспими прошарками; 3 -ішзькоомннм (Сі15) та високоом ним (2 п8е) приповерхневим Ио5, В прошарками.

Таким чином, показано, що вбудупання в ОПЗ гетероструктурн тонких високоомиих прошарків зменшує темнові тунельні діодні струми до трьох порядків величини. При цьому зберігається висока квантова ефективність. Досягнуті параметри ВАХ полікристалічних ГС не поступаються тим, які характерні для кращих аналогів у монокристалічному виконанні.

У четвертому розділі аналізуються шляхи зменшення рекомбінаційних втрат фотогенерованих носіїв. Досліджується можливість розповсюдження на полікрнсталічні гетеропереходн сполук АіВб, серед яких немає матеріалів з близькими значеннями постійних кристалічних граток, деяких гетероструктур-ннх концепцій, що вже реалізовані в монокристалічних граткоузгоджених системах сполук А3В5, зокрема, використання специфічних особливостей гетеро-переходів - потенційних бар’єрів АЕС і ДЕ, на міжфазних поверхнях.

Виявлено, шо в поверхнево-бар'єрних ГС типу р-Сщ 55/п- АіВ(і/п-Л;В„ наявність на межі поділу поглинаючого шару і підкладинки (яка слугує одноча-

сно омічним електродом) належним чином орієнтованих додаткових бар'єрів АІч обмежує потік неосновних носіїв в зони інтенсивної рекомбінації (рис,4, позиції 1, 2). Дійсно, в гетероструктурах двох перших типів, а саме - р-Сиі $Б/п-СсЗЯе/п-СсІЗ та р-Сіі| (,5/п-СсіТе/а-Сс15 оптичне випромінювання, що здатне викликати появу фотоефекту (Ьу>Е„), повністю поглинається у вузькозоннін компоненті структури (Ссі5с або СсІТс). Народжені електронно-діркові пари розділяються потенційним бар’єром першого гетеропереходу, що на діаграмах не показаний (р-Сііі в8/п-С(і5е або р-Сиі вЗ/п-СсіТе).

Дірки

ДЕ.

СііЯе , СіЮ

Дірки — СсіГс

~]АЕу

~]аес

ДЕ.

3 СсІБ

Дірки

ДЕ,

ДЕУ<

гпБ осіБе 4

Дірки

і’ііс.4 Схема п-п-фрашенга зошшх діаграм іеісроструктур р-Си, ^/п-АгВ^л- А2В4

І.п-СаВс/п-СаЗ; 2.п-Сс1Те/п-С<іЯ; З.п-ХпВ/п-СаЗ, 4.п-Хп8/п-СМЗс.

Нерівноважні неосновні носії (дірки), які виникли за межами фоточутливої області і дифундують до тилового омічного контакту, відбиваються бар’єром ДЕ,. Зниження рекомбінаційних втрат (об’ємних - в квазінейтральній облас. 1 і поверхневих - в області тилового контакту’) обумовлює суттєве зростання ефективності фотоперетворення (рис.5, криві І, 2). Так, квантова ефективність ГС типу р-Сиі.88/п-СсіТе/п-Ссі5 наближались до теоретичної межі і на кращих зразках досягала величини т| = 0.90 (рис.5, кт:а 1). Певний внесок у високе значення г) пов’язаний також з типовою особливістю ГС р-Си^Б / п-А’Вб з розвинутою поверхнею, а саме - низькими оптичними втратами. Останнє обумовлено незначним коефіцієнтом відбиття від текстурованої полікристаяічної поверхні і високим пропусканням тонкої плівки Си> в5 (> 90 % у видимій області). В спектральній характеристиці структури р-Сиі йЗ/п-СйБе/п-СоЗ спостерігається

зсув довгохвильової границі фотоефекту у короткохвильову область (рис.5, крива 2). Це пов’язано з тим, що в цьому зразку товщина С<і5е (<і < 0.6 мкм) недостатня для ефективного поглинання крайового випромінювання. Разом з там, діодні характеристики зразка приблизно відповідають випадку оптимальної товщини СсіЯс. Сказане свідчить про високу якість навіть настільки тонких фоточутливих шарів, які вирощуються використаним методом.

X, НМ

Рис.5 Спектральні залежності квантової ефективності гетероструктур :

І. р-Сіі| 85/п-С<іТє/п-С(І5 (крива 1); 2. р-Сі^яЗ'п-СсіЗі'/іі-Ссі.З (крива 2):

3. р-Си, вБ/п-гпВ/п-СгіЗ (крива 3); 4. р-Си, 85/п-2п5/п-Сс15с (крива 4).

Наявність на міжфазній поверхні додаткових потенційних бар’єрів для неосновних носіїв можна використати для розробки нових типів фотоелектричних приладів.

Однією з актуальних задач сенсорної мікроелектроніки є створення фотодетектора УФ- випромінювання, який не має чутливості до видимого світла. Такі детектори потрібні, наприклад, для екологічного моніторинг)', зокрема для контролю жорсткого УФ- випромінювання “оїонових дірок”. За своїми фотоелектричними властивостями шнрокозонний сульфід цинку придатний для вирішення цієї задачі. Проте спроби виготовити тонкоплівкові ефективні фотоде-тектори на 2пБ дотепер не мали успіху. Це обумовлено технологічними склад-

нощами. Насамперед - необхідністю одержання тонкої, досконалої плівки 2пБ і створенню до неї омічного контакту. Застосована технологія епітаксійного вирощування дозволила вирішити вказані проблеми. Але тонкоплівкова поверхнево-бар'єрна гетероструктура р-Сіі| 85/п-2п5/п-Сс15 лишається фоточутливою у видимій області спектру (рис.5, крива 3). Це пов’язано з тим, що величина бар’єру ДЕУ ~ 0.2 еВ недостатня для повного блокування потоку неосновних носіїв, що фотогенсровані у ОсІБ (рис.4, позиція 3). Для усунення чутливості ГС до видимого світла запропоновано використати сполуку Ссійе. Технологія одержання СсіБе проста і добре відтворювана. Але вирішальним с те, що величина додаткового потенційного бар’єру для неосновних носіїв у валентній зоні на межі поділу гетеропереходу п^пЗ/п-СсіБ значно зростає і становить ДЕЧ. ~

0.8 еВ (рис. 4, позиція 4). В гетероструктурі р-Сіі| 85 /п-ЕпЗ/п-СсІБе внесок вуз:.-козонної компоненти (СсіБс) у загальний фотострум відсутній (рис.5, крива 4).

Показано також, що зменшення товщини прозорої складової (с! < 30 нм) поверхнево-бар’ерних ГС типу p-Cui.cS /п- А;В6 обумовлює зростання чугливо-сті у високоенергетичній ділянці спектру як за рахунок збільшення пропускання сульфіду міді, так і внаслідок помітного внеску у загальний фотострум транспорту гарячих електронів із Си^Б у АгВб .

У п’ятому розділі наведено результати дослідження взаємодії бета-випромінювапня з тонкоплівковими поверхнево-бар’єрними гетероструктурами р-Сиі^Я/п-АгВб. Для хімічних сполук А;В6 з напівпровідниковими властивостями розроблено методику визначення енергії внутрішньої іонізації, яка грунтується на порівняльних дослідженнях ГС при опроміненні їх світлом та електронами. Показана можливість практичного використання фотоефекту, що пов’язаний з генерацією під дією низькоенергетичного бета-випромінювання гарячих носіїв струму у напомікронних плівках сульфіду міді.

Проаналізовані основні характеристики ефекту помноження електронних потоків у поверхнево-бар’єрних ГС. Знайдено, що моноенергетична струмова чутливість досягає 70% теоретичного значення, дозиметричні характеристики лінійні у широкому діапазоні зміни первинного електронного струму (10'" + 10'8 А/см2), а коефіцієнт катодопідсилення досягає величини 4-Ю3 для електронів з енергією ЗО кеВ. Створено ефективні, екологічно-безпечні радіоізотопні джерела живлення для приладів функціональної електроніки на базі тонкоплів-кових поверхнево-бар’єрних ГС типу р-Си(8Й/п-гпхСёі-,5/п-СсіЗ.

висновки

1. Удосконалено технологію одержання шарів сполук Л.Вб шляхом створення умов квазіепітаксійиого росту полікрнсталічних плівок на орієнтуючих по-лікристалічних підкладинках та виготовлено високоякісні гетерос іруктури. Зменшення впливу неузгодженості контактуючих матеріалів досягнуто за допомогою модифікації міжфазних поверхонь гетероструктур шляхом вирощування проміжних прошарків змінного хімічного складу.

2. Показано, що для блокування надлишкової компоненти струму, яка обумов-

лена процесами багатоступінчастого тунелювання, доцільно в область гірос< торового заряду на межі контактуючих фаз гетероструктури вбудувати тонкий прошарок малодефектиого напівпровідника, що дозволяє реалізувати оптимальні електричні параметри гетероструктури. "

3. Вперше на основі широкозонних напівпровідників АгВй створено тонкої!-лівкові полікрнсталічні гетероструктури типу р-п-п з розвинутою поверх нею, які за фотоелектричними параметрами наближаються до ідеальних Виявлено, що додатковий ізотишшй п-п-гетероперехід зменшує рекомбінаційні втрати фотогенерованих носіїв на міжфазних поверхнях, в квазінейт-ральнін області і на тиловому контакті гетероструктури. Показано, що квантова ефективність гетероструктур такого типу, зокрема p-Cui.eS /п-СііТе/п-С !$, близька за величиною до теоретичної межі.

4. За рахунок використання додаткового потенційного бар’єру дЕу, що обумовлений розривом валентної зони на міжфазній поверхні гетероструктури, вперше створено ефективні тонкоплівкові сенсори УФ-випромішовання, область спектральної чутливості яких зосереджена лише в УФ- діапазоні (без використання допоміжних оптичних фільтрів).

5. Дія прямозошіих напівпровідників типу А2В,5 запропоновано методику визначення енергії внутрішньої іонізації е, що визначає енергію, яка витрачається на утворення пари нерівноважних носіїв заряду -електрона і дірки, при поглинанні високоенергетичної радіації (а, (3, у і т. ін.). Знайдено, що для СёЭ і СйБе енергія внутрішньої іонізації задовольняє вираз е = 2.5 Е6 і складає відповідно є = 6.0 еВ і е = 4.5 еВ.

6. Обгрунтовано перспективність створених тонкоплівкових поверхнево-бар’єрних гетероструїсгур р-СицБ/п-АгВб для ефективного детектування, експонометрії та дозиметрії бета- випромінювання низьких та середніх енергій. Показано можливість практичного використання фотоефекту, що пов’язаний з генерацією під дією ннзькоегергетичного бета-випромінюван-ня гарячих носіїв струму у прозорій складовій гетероструктури (Си*.5$). Створено на основі спеюрально-узгоджсної пари: джерело бета-випроміню-вання (метало-тритіева структура) і поверхнево бар’єрний перетворювач з

гегероструктурою типу р- Cui jS/n- А2В6, екологічно безпечні, довіхмлрокові, повністю автономні радіоізотопні джерела електричного живлення приладів функціональної електроніки.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Горбик П.П., Комащенко А.В., Май И.О., Огенко В.М., Фурсенко В.Д. Энер-ги я ионизации в сульфиде меди и селениде кадмия при возбуждении ускоренными электронами'/ Доп. НАН України.- 1999.- №12.-С.85-90.

2. Горбик П.П., Комащенко А.В., Огенко В.М., Павелец С.Ю., Фурсенко В.Д. Исследование поверхностно-барьерных структур на основе поликристалличс-ского CdS при облучении моноэнергетическими потоками электронов// Опто-электроиика и полупроводниковая техника - 1998,- №33.-С. 108-111.

3. Павелец С. 10., Комащенко А.В., Фурсенко В.Д., Горбик П.П. Спектральная чувствительность поверхностно-барьерных преобразователей при ультрафиолетовом и бета-облучении// Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1999.-№34,- С.36-42.

4. Горбик П.П., Комащенко А.В., Май И.О., Павелец С.Ю., Павелец А.М. Фо-тоелектрическое преобразование в поверхностно-барьерных структурах на основе селенида кадмия // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1998,-Л» 33.-С. 112-114.

5. Голокоз П.П., Коваленко А.В., Колсжук К.В., Коломиец Н.Ф., Комащенко А В., Комащенко В.Н., Мазни М.А., Павелец С.Ю., Фурсенко В.Д. Преобразование бета-излучения тонкопленочными гетероструктурами// Оптоэлектроиика и полупроводниковая техника.-1995.-№.30.-С.58-63.

6. Горбик П.П., Комащенко А.В., Огенко В.М., Чуйко А.А. Компенсация рекомбинационных потерь в поверхностно-барьерных полупроводниковых структурах типа Cui.gS-CdSe при ультрафиолетовом и бега-облучении// Материалы конференции "Химия поверхности и нанотехнология".- Хилово, Псковская обл.(Россия), 1999.-С.26.

7. Комащенко О.В. Оптимізація параметрів полікристалічних тонкоплівкових

фотоперетворювачів з гетероструктурою типу p-CU].gS/n-CdSe // Фізико-хімія конденсованих структурно-неоднорідних систем. Матеріали Ш Всеукраїнської наукової конференції “Фундаментальна ч професійна підготовка фахівців з фізики” - Київ: ННЦ “Нові інформаційні технологи” НПУ ім.

М.И.Драгоманова, 1998,- Ч. II .-С. 234-238.

8. Горбик П.П., Коваленко О.В., Комащенко О.В., Фурсенко В.Д. Автономні довгострокові джерела живлення приладів мікроелектроніки (зокрема для медицини)// Сборник трудов международной научно-технической конференции

"Приборсстроенне-98".- Вннница-Симферополь, 1998.-С.305-307.

9. Komashchenko A.V., Mai N.O., Pavelets S.Yu., Balyk V.S. High efficient sensors of UV and visible radiation based on wide-gap И-VI compounds//!V-th Nexuspan Workshop on Sensors for Control of Irradiation.-Odessa (Ukraine), 1997. -P.35-36.

10. Колежук К.В., Комащенко А.В., Павелец С.Ю., Ткаченко В.М., Фурсенко В.Д. Преобразование мягкого бета-нзлучения на осново тонкопленочных поверхностно-барьерных гетероструктурах типа p-Cui jS/n-соедкнения И-Vl// Матеріали науково-технічної конференції “Фізичні метоли та засоби контролю ма-теріаліита виробів”(Леотест-98).- Київ-Львів, 1998,- С. 108-109.

АНОТАЦІЯ

Комащенко О.В. Вплив стану міжфазної поверхні на властивості гегерос-труктурн сульфід мілі - сполука А;В* при збудженні ультрафіолетовим та бета -випромінюванням. - Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математич-них наук за спеціальністю 01.04.18 - фізика та хімія поверхні. - Інститут хімії поверхні ПАН України, Київ, 2000.

В дисертації вивчається вплив стану міжфазної поверхні на властивості пете[ .(структур типу p-Cui sS / п-А^В., при збудженні ультрафіолетовим та бета випромінюванням. Досліджуються генераційно-рекомбінаційні процеси і механізми переносу струму та залежність ефективності перетворення від модифікації міжфазних поверхонь за рахунок впрошування перехідних наномікронних прошарків змінного хімічного складу та вбудування в область просторового заряду проміжних малодефектних сполук субмікронних товщин.

Вперше для зменшення рекомбінаційних втрат фотогенеровашіх носіїв і для конструювання нових типів перетворювачів створено полікристалічні поверхнево-бар’єрні гетероструктури p-Cu( gS /п-AjBj /n-АіВо, відмінною особливістю яких е наявність на міжфазній поверхні додаткових потенційних бар’єрів ДЕ, для дірок. Обгрунтовано перспективність досліджених тонкоплівкових поверхнево-бар’єрних гетероструктур для створення “сліпих” до видимого світла сенсорів ультрафіолетової радіації, сонячних елементів, детекторів бета-випромінювання, радіоізотопних джерел електричного живлення.

Ключові слова: міжфазна поверхня, тонка плівка, полікрнсталічна гегеро-структура, поверхнево-бар’єрна гетероструктура, перехідний шар, потенційний бар’єр, ефективність перетворення, ультрафіолетова радіація, бета- радіація.

SUMMARY

Komaschenko O.V. Effect of the state of interface between phases on the properties of copper sulfide - 11-V1 compound heterostructure at excitation with ultraviolet and beta radiation. - Manuscript.

Thesis for a Candidate of Phys.-Math. Sci. degree (speciality 01.04.18 - physics and chemistry of surface). - Institute of Surface Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The dissertation deals with investigation of how the state of the interface bctwi jn phases affects the properties ofp-Cui 8S//i-lI-VI-typc heterostructures at excitation with ultraviolet and beta radiation. The generation-recombination processes and current flow mechanisms are studied, as well as dependence of the conversion efficiency on the modification of interfaces between phases due to both the growth of nanomicron transition interlayers of variable composition and building of intermediate compounds of submicron thickness with small defect contcnt in the space charge region.

For the first time polycrystallinc p-C\i\ kS/«-Il-Vl//;-II-Vl surface-barrier heterostructures were prepared to both reduce recombination losses of photoger“rated charge carriers and design conveners of new type. The distinctive property of these heterostructures is presence of additional potential barriers, ДД, for holes at the interface between phases. The investigated thin-film surface-barrier heterostructurcs are shown to be promising for production of ultraviolet radiation sensors that are "blind” to visible light, solar cells, beta radiation detectors, radioactive isotops power supply sources.

Key words: interface between phases, thin film, polycrystalline heterostructure, surface-barrier hetcrostructure, transition layer, potential barrier, conversion efficiency, ultraviolet radiation, beta radiation.

АННОТАЦИЯ

Комащеако A.B. Влияние состояния межфазнон поверхности на свойства гетероструктуры сульфид меди - соединение А2В6 при возбуждении упьтра-фиолетовым и бета - излучением. - Рукопись.

. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.18 - физика и химия поверхности. - Институт химии поверхности НАН Украины, Киев, 2000.

В диссертации изучается влияние состояния межфазной поверхности на свойства гетероструктур типа p-Cui gS / п-А2Вй при возбуждении ультрафиолетовым и бета- излучением. Исследуются генерационно-рекомбинационные процессы и механизмы переноса тока и зависимость эффекппности преобразования от модификации межфазных поверхностей за счет выращивания тонких

переходных слоев переменного химического состава и встраивания в область дространстаенного заряда субмккронных прослоек менее дефектного материала, .близкого по составу к стехиометрическому, например, СМЗ или 2пЯе. Показано, что наличие таких высокоомных прослоек блокирует избыточную компоненту тока, обусловленную процессами многоступенчатого туннелирования, и позволяет реализовать оптимальные электрические параметры гетероструктур.

Впервые на основе соединений Л2П6, среди которых нет материалов с близкими постоянными кристаллических решеток, выращены тонкопленочные поликристаллнческис структуры типа р-Сц^З/п-АгВ^/п-ДтВ^ приближающиеся по своим фотоэлектрическим свойствам к идеальным гетероструктурам. Пока' зано, что наличие дополнительного изотипного п-п- гетероперехода приводит к снижению рекомбинационных потерь фотогенерированных носителей за счет ограничения потока дырок в зоны интенсивной рекомбинации. Установлено, что квантовая эффективность гетероструктур р-Сш ^/п-СсПе'п-СсЗЗ в максимуме спектральной чувствительности близка по величине к теоретическому пределу, что делает их перспективными для создания солнечных элементов.

Продемонстрирована эффективность использования специфических особенностей гетеропереходов (дополнительных потенциальных барьеров для неосновных носителей, которые обусловлены разрывом валентной зоны на меж-фазиых поверхностях) для конструирования новых типов фотопреобразователей. Зпервые созданы “слепые” к видимому свету высокочувствительные тонкопленочные сенсоры ультрафиолетового излучения.

Обоснована перспективность созданных тонкопленочных поверхностнобарьерных гетероструктур р-Си| бЯ/п-АгВб с развитой поверхностью для детектирования, экспонометрам и дозиметрии бета- излучения низких и средних энерггий. Показана возможность практического использования фотоэффекта, обусловленного генерацией низкоэнергетическим бета- излучением горячих носителей в прозрачной составляющей гетероструктуры (Cui.eS ). Для прямозонных соединений типа А^Вб предложена методика определения энергии внутренней ионизации. Найдено, что для Сс15 и СёБе она равна соответственно 6.0 эВ и 4.5 эВ. На основе спектрально согласованной пары: источник бета- излучения (метало-тритневая структура) и поверхностно-барьерный фотопреобразователь (гетероструктура типа р-Си^Б /п-АгВб), созданы экологически безопасные, полностью автономные радноизотопные источники электрического питания с большим сроком службы для приборов функциональной электроники.

Ключевые слова: межфазная поверхность, тонкая пленка, поликристал-лическая гетероструктура, поверхностно-барьерная гетероструктура, переходной слой, потенциальный барьер, эффективность преобразования, ультрафиолетовая радиация, бета- радиация.