Особенности фотоэлектрических явлений в кремнии с многозарядными нанокластерами

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время, в мире активно развивается физика полупроводников, где пристальное внимание уделяется получению нового типа материала на основе кремния, путем создания в его кристаллической решетке наноразмерных кластеров изменяющих его фундаментальные свойства. В этом аспекте важными задачами являются формирование многократно заряженных нанокластсров в кристаллической матрице кремния и открытие его перспективных функциональных возможностей, а также применение этого материала в микроэлектронике, материаловедении и других областях. В мире на сегодняшний день уделяется большое внимание формированию нанокластсров в решетке кремния кратность заряда которых больше трех, приводящее к существенному изменению его фотоэлектрических и фундаментальных свойств. При этом одной из важных задач является проведение целевых научных исследований по следующим направлениям: формирование многократно заряженных кластеров в кристаллической решетке кремния; определение влияния многократно заряженных нанокластсров на перенос заряда в кремнии; изменение фотоэлектрических и фундаментальных свойств кремния путем формирования в нем многократно заряженных нанокластсров атомов марганца; демонстрация возможности создания нового типа полупроводниковых приборов на основе кремния с многократно заряженными нанокластерами. В соответствии со Стратегией действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан, особое внимание уделяется вопросам стимулирования научно-исследовательской и инновационной деятельности, создания эффективных механизмов внедрения научных и инновационных достижений в практику1. Особо следует отметить, что данная деятельность осуществляется в рамках объявленного Года поддержки активного предпринимательства, инновационных идей и технологий, нацеленного на получение научных результатов, отвечающих современным требованиям научного развития. В этом плане особое внимание уделяется вопросам формирования нанокластсров в кристаллической решетке кремния и развитию технологии получения новых материалов. В этом аспекте актуальной задачей является открытие новых функциональных возможностей кремния с нанокластсрами и создание на их основе нового типа фотоприемников и полупроводниковых приборов типа «счетчик фотонов». Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Указе Президента Республики Узбекистан № УП-4947 «О Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан на 2017-2021 гг.» от 7 февраля 2017 года, в Постановлениях Президента № ПП-2772 «О мерах по дальнейшему совершенствованию управления, ускоренному развитию и диверсификации электротехнической промышленности на 2017-2021 гг.» от 13 февраля 2017 года, № ПП-2789 «О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук, организации, управления и финансирования научно-исследовательской деятельности» от 17 февраля 2017 года, а также в других нормативноправовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является определение влияния формированных многозарядных нанокластсров, кратность заряда которых больше трех в кристаллической решетке кремния на фотоэлектрические и фундаментальные свойства материала. Научная новизна исследования заключаются в следующем: определены оптимальные термодинамические условия легирования и параметры исходного материала, обеспечивающие формирование многократно заряженных нанокластсров с управляемой кратностью заряда; установлено, что в кремнии с многократно заряженными центрами подвижность носителей заряда увеличивается в зависимости от интенсивности освещения в 3+5 раза и электрического поля в 2,5 раза, обусловленное уменьшением кратности заряда многозарядных центров при освещении и ослабление эффекта рассеяния носителей заряда на многозарядных центрах; обнаружен эффект расширения спектральной области фоточувствительности кремния до 10 мкм при температуре 100 К, что объясняется перестройкой энергетического состояния электронов в многократно заряженных нанокластсрах; обнаружен эффект высокой фоточувствитсльности в области 0,12+0,75 эВ обусловленный формированием локальных нановаризонных структур вокруг многозарядного центра согласно теории Франца-Келдыша из-за появления сильной напряженности электрического поля на краях кремний-кластер; определено уменьшение фотопроводимости с максимальной величиной при 0,43+0,55 эВ без освещения «собственным» светом, объясняющегося туннелированием электронов из кластера на уровни потенциальных ям дырок; установлена аномально высокая примесная остаточная фотопроводимость в области спектра 0,15+0,4 эВ, обладающая большим временем релаксации 10J сек, которая обусловлена отсутствием рекомбинации между захваченными электронами в кластерах и дырок находящихся в потенциальных ямах. Выводы 1.Получены образцы кремния с многозарядными нанокластсрами атомов марганца, наличие которых подтверждено с помощью метода ЭПР. 2.Обнаружено, что в кремнии с многозарядными нанокластсрами, подвижность дырок в 2,5+3 раза меньше чем в обычном кремнии и ее температурная зависимость имеет немонотонный характер, а значение существенно зависит от интенсивности освещения. 3.Экспериментально определено, что при изменении значения электрического поля, фоточувствительность образцов меняется как , где значение I с ростом температуры, постепенно уменьшается в интервале 2+3. 4.Обнаружена примесная фотопроводимость в области спектра 0,75+1,12 эВ, величина которой близка к собственной фотопроводимости, это связанно с появлением энергетической полосы (подзоны) вблизи валентной зоны кремния. 5.Обнаружено уменьшение фотопроводимости с максимальной глубиной при энергии падающего ИК-излучения /?v=0,43 эВ без фонового света. б.Обнаружен эффект примесного очувствления обусловленный пространственным разделением электронов и дырок за счет захвата электронов сильным положительным электрическим полем многозарядных кластеров атомов марганца. 7. На основе анализа обнаруженных электрофизических и фотоэлектрических явлений разработана модель зонной структуры кремния с многократно заряженными нанокластсрами. 8. Показана возможность создания чувствительного фотоприемника инфракрасного излучения работающего в диапазоне 3+10 мкм. Присутствие в материале многозарядных центров позволяет существенно увеличить эффективность хранения зарядов и получить приборы типа «счетчик фотонов».