CC BY
18Особенности получения фоточувствительных пленок с аномальным фотонапряжением
Д.Д. Алижанов. ФГБОУ ВПО НГТУ (Новосибирск, Россия)
Аннотация: В данной работе для получения АФН-пленок из соединений Сй8е, СйТе, СйТе:Сй использован метод
термического испарения в вакууме. Вакуумная установка собрана на основе механического форвакуумного насоса типа РВН-4 и паромасленного диффузионного насоса типа Н-01, которые обеспечивают давление порядка 10-4 мм рт. ст. В качестве испарителей использованы тигли из окиси алюминия или бериллия [3] 7.
Ключевые слова: Фотоприемник, аномальное фотонапряжение,
оптоэлектроника, оптика
Фоточувствительный приемник на основе АФН-пленок (аномального фотонапряжения) [1, 2] представляет собой функциональный преобразователь, трансформирующий световой поток интенсивности Ф0 в аномально большое фотонапряжение ^АФН. Соответственно принятой модели [3] эта трансформация складывается из трех этапов.
Во-первых, создания фототока /®0,
обусловленного фотогенерацией и
пространственным разделением неравновесных носителей на каждом микро-р-п-переходе.
Во-вторых, возникновения элементарных напряжений на микро-р-п-переходах в результате накопления объемных зарядов, создаваемых фототоком.
В-третьих, формирования аномально большого фотонапряжения путем суммирования элементарных фотонапряжений на р-п-переходах.
Технология получения АФН-пленок основана на термическом испарении полупроводниковых материалов в вакууме 10-3 -10-5 мм.рт.ст.
В работах [1-10] описаны полученные АФН-пленки из различных полупроводниковых материалов с широкой и узкой запрещенной зоной - СёТе, Б1, Ов, ОаЛя, ОаР, Бв, РЬБ халькогенидные сплавы, с использованием метода вакуумного испарения. Однако полученные этим методом пленки обладают низким генерируемым напряжением.
Технологический режим получения АФН-
Работа выполнена по заданию Министерства образования и науки РФ, проект №7.599.2011, Темплан, НИР № 01201255056.
плёнок зависит от большого числа параметров, таких как температура подложки и испарения, угол напыления, толщина стенки, состав и давление остаточных газов в вакуумной камере, условия термической обработки плёнок после напыления и т. д.
Наиболее эффективно изготовление АФН-плёнок на основе соединения теллурида кадмия, включающее нанесение исходного материала на одну сторону подложки термическим испарением в вакууме, где в качестве исходного материала используют теллурид кадмия, на противоположную сторону подложки наносят отражающий слой из серебра при температуре положки 250 - 300°С и давлении 5-10"4 - 5-10"3 мм.рт.ст. (6,65-10-2 - 6,65-10-1 Па), подложку располагают под углом 45° к направлению молекулярного пучка, чтобы создать поверхностную угловую анизотропию, приводящую к появлению аномального фотонапряжения. Часть падающего светового потока, прошедшего через исходный материал и стеклянную подложку, попадает на отражающий слой из серебра и, отражаясь, попадает на обратную сторону слоя теллурида кадмия, в результате которого происходит дополнительное поглощение света и тем самым увеличивается генерируемое фотонапряжение на некоторые значения АФН [4-7].
Температура испарения полупроводника достигалась регулированием тока. Подложки нагревались с помощью печки, конструкция которой дает возможность изменять температуру подложки до 600° С. Температура на подложке и испарителя контролировалась хромель-алюмелевыми термопарами, закрепленными непосредственно на них. В качестве подложек использовали стекло и кварц с металлическими контактами.
Подложку очищали путем обработки в кипящем 0,5%-растворе азотной кислоты, затем обезжиривали в ацетоне, многократно кипятили в дистиллированной воде, протирали медицинским спиртом и помещали в камеру для испарения.
После достижения вакуума 10-4 мм рт. ст. производили обжигание подложек путем нагрева при температуре 300 °С в течение 30 минут.
В качестве исходного материала использовали порошкообразные СёТв и СёБв марки «для полупроводников». До установления
стационарного режима испарения тигель накрывали заслонкой, что давало возможность более точно контролировать время осаждения материала. Для сохранения состава шихты и начального потока испаряемого материала перед испарением шихты отжигали в режиме испарения в течение 20 - 25 минут. Малое расстояние между электродами при продольном режиме работы уменьшает электрическую прочность пленок, поэтому для получения пленок с большой толщиной и повышения температуры осаждения, а также во избежание уноса и прямого попадания частиц на подложку поверхность тигля закрывали кварцевой пластинкой.
При применении соответствующих приспособлений нам удалось получить слои в широком диапазоне толщин (0,1 - 3,0 мкм) и при высоких температурах подложки (400 °С).
В некоторых случаях, для предотвращения отклонения от стехиометрического состава произведено подпыление или СёБ
одновременно в процессе испарения. При испарении смеси порошков СЖ + СёБв также нарушалась стехиометрия. Материалы СёБв и СёБ в соответствующем количестве помещали в тигель и испаряли одновременно. В пленках, полученных такой методикой, электрофизические свойства колебались в довольно большом диапазоне. Для сохранения стехиометрии во всех образцах производили испарение по методу трех температур, используя два тигля: в один помещали Сй5е, в другой Сй5. Порошки Сй5е и Сй5 перед испарением обжигали в режиме испарения в течение 20 минут [10].
Использование двухтигельного способа получения пленок из СёТв:Сё давало дополнительную возможность менять состав и получать пленки в широком диапазоне температуры подложек. Некоторые основные параметры пленок приведены в Табл. 1.
остаточных газов в вакуумной камере, условия термической обработки пленок после напыления.
Оптимальные технологические параметры АФН-пленок, у которых фотонапряжение достигалось 1000 В 1см2 при комнатной температуре, следующие (Табл. 2.2):
Таблица 2
Полупроводниковый
материал CdTe CdSe
Вакуум, мм рт. ст. 10-4 10-4
Температура 200-250 200-300
подложки, °С
Угол напыления, 35° 35°
град.
Толщина пленки, 0,7-1,5 0,7-2,0
мкм
При получении пленок термическим осаждением веществ на подложку важными характеристиками являются толщина пленок и распределение этой толщины по длине пленки. В работах [9] проведен расчет распределения толщины по длине пленки для общего случая, когда плоскость подложки необязательно параллельна плоскости испарителя. Эта задача представляет самостоятельный интерес не только для АФН-пленок, но и для ферромагнитных пленок, пленок, широко применяемых для ориентации жидких кристаллов и др., которые получаются специально косоугольным осаждением исходного вещества.
Обозначив через 9 угол наклона подложки относительно нормали, и проводя соответствующие вычисления, получено распределение толщины по длине пленки для случая испарителя с малой поверхностью
Таблица 1
Номер образца Температура подложки, град. С Скорость испарения, мг/мин Сопротивление образца, кОм
К31 100 3 100
К51 150 3 100
К53 150 0,5 500
К45 200 5 100
К47 200 3 1000
К67 250 1 5000
К65 250 5 1000
К72 300 0,5 10000
К75 300 6 1000
К81 350 5 1000
К93 400 3 10000
d / d0 =
1 + \ - I sin О
cosq
l + \h) + 2h Isin0
(1)
где ё0 - толщина пленки в точке над испарителем; И - расстояние от испарителя до этой точки; I - расстояние от точки в подложке над испарителем до рассматриваемой точки; М, р - масса и плотность материала конденсированного вещества. При этом
d0=M(4np)_1A"2
Максимум выражения (1) наблюдается при /
значениях — равных
l / h = - sin-1 Ох
2
Технологический режим получения подобных пленок зависит от большого числа параметров, таких как температура испарения и подложки, толщина пленки, состав и давление
X -
СОВв
3
[совв + (3 + сов2 в)1/2 ]1 (3)
Аналогично для случая точечного испарителя
ё / = сов в
1 + ]'ь ) + < Т1 ™ в
(4)
¿^0
3 1 - 1,4
■ 1,2
/ 2\
0,8
у 1
0,6
0,4 \ \
0,2
2,4 1,6 0,8 0 0,8 1,6 2,4
т
Рис. 1. Распределение толщины при испарении из испарителя с малой поверхностью: 8 = О0 (1), 300 (2), 450 (3)
Из этих выражений следует, что распределение толщины очень чувствительно к углу отклонения (в) подложки от нормали. С увеличением угла в увеличивается максимальное значение толщины; максимум толщины сдвигается в сторону больших значений длины подложки; нарушается симметрия относительно максимального значения толщины (рис. 1).
Описывается способ устранения
неоднородности толщины по длине АФН-пленки, при косоугольном осаждении, путем дополнительного допыления. Этот вопрос является решающим для получения пленок с оптимальной толщиной.
Для получения плёнок равномерной толщины прибегают к нескольким приемам. В одном из них применяют ряд небольших испарителей, расположенных по кольцу параллельно подложке или одного испарителя, вращаемого вокруг оси, перпендикулярной к плоскости подложки.
В другой методике получения плёнок равномерной толщины подложку вращают вокруг оси, перпендикулярной её плоскости.
Эти приемы не применимы для случая АФН-пленок, т. к. при испарении вышеописанными способами специфичная структура с наклоненными дендритными выступами, которая возникает при косоуголном осаждении нарушается и АФН исчезает.
Другим недостатком этих методик в целом
является применение многих испарителей, что технически не всегда возможно, а тем более. вращение испарителя или подложки с токопроводами.
Также в работе [10] разработан способ устранения неоднородности толщины по длине АФН-пленки при косоуголном осаждении. Для этого между испарателем и подложками в вакуумной камере устанавливатся
металлическая шторка, которую можно перемещать с помощью магнита параллельно поверхности источника. По достижении близлежащего к испарателю конца пленки оптимальной толщины, следует начать двигать шторку со скоростью, зависящей от скорости осаждения вещества, закрывая тем самым ход поступления молекулярного пучка к этой части подложки.
Таким образом, и остальная часть плёнки постепенно достигнет оптимальной толщины. Например, в одном из наших экспериментов при осаждении пленки под углом 60 °С, скорость перемещения шторки была равной 1 мм/мин при следующих условиях:
- расстояние от подложки до испарителя 5 см;
- длина слоя 1,7 см,
- выбор оптимальной толщины в 1 мкм,
- скорость роста близлежащего к испарителю конца плёнки 0,04 мкм/мин,
- скорость роста отдаленного конца 0,02 мкм/мин.
Видно, что при применении разработанного способа, увеличение АФН достигает 30 %. Снятием зависимости ^дфн от длины пленки показано, что в пленках с градиентом толщины УАФН распределено неравномерно, а в пленках, полученных вышеописанной технологией равномерно.
Знание характеристических микропараметров АФН-пленок позволяет уточнить представления о природе генерации фотонапряжений в микрофотоэлементах и по ним в частности АФН-пленка оценивается как прибор и определяется область её применения. Обычно при определении характеристических микропараметров для нахождения подвижности прибегают к фотохолл-эффекту, расшифровка результатов которого в пленочных образцах связаны большими трудностями.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Рахимов Н.Р. Серьёзнов А.Н. АФН-пленки и их
применение - Новосибирск: СибНИА, 2005. - 64
с.
[2] Рахимов Н.Р., Мамадалиева Л.К. // Изв. вузов.
Приборостроение. 2004. Т 47. №8. С. 53-56.
[3] Фотоэлектрические явления в полупроводниках и
оптоэлектроники. Под ред. Э.И. Адировича.
Ташкент. «ФАН». 1972. С. 177.
-3 / 2
[4] Рахимов Н.Р., Хатамов С.О.. Газиев Б. Технология изготовления АФН-пленок теллурида кадмия с серебром. В кн. «Взаимодействия ионов с поверхностью ВИП - 2003». - Москва, 2003. Том 2. - С. 196-199.
[5] Рахимов Н.Р. Алижанов Д.Д. Приемники оптического излучения на основе полупроводниковых пленок с аномально высоким фотонапряжением. Международный научный конгресс и специализированная выставка-Интерэкспо ГЕО-Сибирь 2010.
[6] Алижанов Д.Д., Рахимов Н.Р., Жмудь В.А. Разработка оптоэлектронных датчиков на основе АФН-пленок из полупроводниковых соединений. Сборник научных трудов НГТУ. - 2012. - №2(68)
[7] Рахимов Н.Р. Касымахунова А.М,. Усманов Ш.Ю. Способ получения фотогенераторов / Патент РУз IAP 02610 от 25.02.2003 г.
[8] Мастов Э.М. Исследование аномального большого фотомагнитного эффекта в пленках теллурида кадмия: дис. канд. физ.-мат. наук. -Ташкент, 1972. - 125 с.
[9] Rahimov N.R., Dzhurakhalov A.A.. Investigation of APV-CdTe-films and development of optoelectronic devices on their basis. The European material research conference EMRS 2002 Spring meeting. -Strasbourg - France, 2002. - P. 242.
[10] Рахимов Н.Р, Ушаков О.К. Оптоэлектронные датчики на основе АФН-эффекта. - Новосибирск, 2010г 218 с.
Алижанов Донёрбек Дилшодович - аспирант кафедры автоматики Новосибирского государственного технического университета. E-mail: doni. al@mail. ru
