Электронные процессы в инжекционных фотодиодах на основе гетеро-переходов между сульфидом кадмия и кремнием

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время во всем мире уделяется особое внимание проблемам создания новых видов оптоэлектронных приборов, а также усовершенствованию инжекционных фотодиодов, как одному из перспективных направлений в области развивающейся физики полупроводников. При этом исследование принципов работы инжекционных фотодиодов, влияния напряжения смещения на генерацию электронно-дырочных пар и процессов модуляции сопротивления базы под воздействием электромагнитного излучения считаются основными задачами создания нового вида фотодиодов. В настоящее время в мире в области физики полупроводников уделяется большое внимание определение роли параметров базы в формировании физических свойств инжекционных фотодиодов. При этом проведение целевых исследований, в том числе выполнение нучных изыскательских работ в следующих направлениях считается важными задачами: глубокое изучение физических процессов, происходящих в исследуемых системах и определение механизмов формирования фотоэлектрических характеристик, усовершенствование технологических способов изготовления инжекционных фотодиодов, определение зависимости спектральных характеристик фотодиодов с гетероструктурой на основе сульфида кадмия и кремния от процессов, происходящих на гетерогранице, нахождение путей оптимизации их функциональных параметров, а также решение проблемы усовершенствования технологии их получения. По Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан обращается особое внимание вопросам создания механизмов применения в практику достижений науки и инновации. В том числе определение возможностей управления электронными процессами, происходящими в микроэлектронных и полупроводниковых гетероструктурах и управление спектральными характеристиками считается одим из важных задач. В год поддержки иновационных идей и технологий, активного предпринимателя, поднятие полученных научных результатов на современный уровень достоин особого внимания. При этом повышение эффективности путем оптимизации функциональных характеристик фотодиодных гетероструктур, предназначенных на различный спектральный диапазон, имеет важное значение. В этом аспекте разработаны способы уменьшения токов утечек различными внешними воздействиями. Па ряду с этими, выяснение причин, влияющих на формообразование спектральных характеристик гетероструктур на основе сульфида кадмия и кремния, определение электронных процессов, характеризующих статических и динамических характеристик и повышения эффективности фотоэлектрических параметров, а также разработка технологии создания гетероструктурных фотодиодов на основе сульфида кадмия и кремния имеет важное значение. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, указанных в Указе Президента Республики Узбекистан ПФ-4947 от 7 февраля 2017 года «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», Постановлении Президента Республики Узбекистан ПК-№2772 от 13 февраля 2017 года «О приоритетных направлениях развития электронной промышленности 2017-2021 годах»и №ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организации, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью диссертационной работы является определение электронных процессов, характеризующих динамических и статических характеристик, а также механизмов переноса тока в инжекционных фотоприемниках на основе /?+CdS - /?CdS -pSi- и /?+CdS - nCdS - лЗнгетероструктур. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: впервые разработана технология получения тонких пленок CdS на кремниевых подложках путем напыления порошков CdS в квазизамкнутой вакуумной системе и на их основе созданы гетероструктуры /CCdS - wCdS -/?Si и л*CdS - >?CdS - wSi, работающие в качестве инжекционных фотоприемников с внутренним усилением и перестраиваемым диапазоном спектральной чувствительности; расположенные в широком спектральном диапазоне длин волн 389 -1238 nm в гетероструктуре п CdS - /?CdS - /?Si один высокий «пик» при длине волны 475 nm и три небольших «пик»а при длинах волн 618 nm, 740 nm и 821.8 nm подтверждает наличие различных примесных уровней; экспериментально установлено, что в состоянии термодинамического равновесия на границе раздела wCdS - /^Si-гетероперехода при значениях поверхностного потенциала y/s = 0,04 eV образуются отрицательно заряженные поверхностные состояния акцепторного типа, при отрицательных значениях плотность поверхностных состояний (Vss) имеет высокие, а при положительных значениях низкие значения; показано, что рост инжекции электронов из /?81-подложки в базу с увеличением напряжения прямого смещения, приводит к росту фототока и расширению диапазона спектральной чувствительности в сторону коротких длин волн; найдены оптимальные технологические режимы формирования сильнолегированного тонкого п CdS-слоя и получения контакта на поверхности пленки ^CdS-плёнки путем вакуумного напыления индия на поверхности нагретых до 373 К ziCdS - pSi- и >?CdS - /zSi-гетероструктур с последующей термической обработкой при 673 К в течение 30 сек. Заключение На основе определения электронных процессов, характеризующих динамических и статических характеристик, а также механизмов переноса тока в инжекционных фотоприемниках на основе w+CdS - /?CdS - /?Si- и /TCdS -/?CdS - wSi-гетероструктур сделаны следующее выводы: 1. Определены технологические условия получения w+CdS - /?CdS - pSi-и w+CdS - /?CdS - wSi- гетероструктур путем напыления порошков CdS на кремниевые пластины в квазизамкнутой вакуумной системе. 2. Показано, что в условиях комнатной температуры zTCdS - /iCdS-переход, в прямом направлении смещения находится в режиме аккумуляции. При освещении белым светом с освещенностью Е = 0.1 lux, он имеет интегральную чувствительность Smt = 2,8-104 A/lm (ЗЮ6 A/W), а при освещении лазерным лучом с длиной волны X = 0,625 нм и мощностью Р = 10 pW/cm“, спектральную чувствительность S\ - 2.3-104 A/W. 3. Выявлено туннелирование дырок из кремния /9-типа (/^Si-подложка) в базу (/?CdS) через поверхностные состояния, имеющиеся на границе раздела и расположенные в нижней половине запрещенной зоны кремния в условиях прямого смещения гетероперехода /?Si - wCdS. 4. Показано, что /?Si - «CdS-гетеропереход при обратном смещении гетероструктуры /z'CdS - nCdS - /?Si является неидеальным инжектирующим контактом (для электронов), в то же время со стороны /iCdS-базы он является эффективным аккумулирующим контактом и не прозрачным для дырок, что обуславливает появление сублинейного участка ВАХ. 5. Установлено, что имеющаяся точка инверсии знака фоточувствительности /?+CdS - wCdS - pSi-гетероструктуры как в коротковолновой (2 = 350-5- 865 nm), так и в длинноволновой (2 = 865 -5- 1300 nm) областях спектра электромагнитного излучения, происходит за счет полной компенсации светового и темнового токов, направленных навстречу друг другу. 6. Показано, что при комнатной температуре обратная ветвь ВАХ /?+CdS - nCdS - /?Si-rerepocTpyKrypbi состоит из четырех участков и основным механизмом переноса тока на первом участке является термоэлектронная эмиссия, на втором участке диффузионный, на третьем участке направленный противоположно к дрейфовому току диффузионный, на четвертом участке диффузионно-дрейфовый механизмы. 7. Экспериментально выявлено, что при термодинамическом равновесии, на границе раздела wCdS - /^Si-гетероперехода при значениях поверхностного потенциала y/s = 0,04 eV образуются отрицательно заряженные поверхностные состояния акцепторного типа; при отрицательных значениях у/s плотность поверхностных состояний (Vss) имеет высокие, а при положительных значениях y/s низкие значения.