Влияние освещения на ионное распыление широкозонного гетерофазного полупроводника CdS-PbS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат физико-математических наук Сердобинцев, Алексей Александрович

• Сердобинцев, Алексей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сердобинцев, Алексей Александрович

Введение

Глава 1. Взаимодействие освещения и ускоренных ионов с веществом. 7 Аналитический обзор

1.1. Фотопроводимость поликристаллических полупроводниковых пленок 7 CdS-PbS

1.2. Метод вторично-ионной масс-спектрометрии 24 Выводы к главе

Глава 2. Масс-спектрометрическое исследование пленок CdS-PbS в отсутствие 38 освещения

2.1. Методика ВИМС-исследований пленочных мишеней CdS-PbS

2.2. Результаты ВИМС-анализа. Распределение компонент 42 !> поликристаллической пленки CdS-PbS по ее толщине

2.3. Обсуждение результатов ВИМС-анализа. Модель распределения фаз по 47 толщине гетерофазной пленки CdS-PbS

2.4. Исследование пленок CdS, легированных свинцом с помощью 53 технологии Ленгмюра-Блоджетт

2.5. Смещение масс-пиков, вызванное зарядкой мишени в процессе ВИМС 57 Анализ результатов и выводы к главе

Глава 3. Влияние освещения на процесс ионного распыления гетерофазного 64 поликристаллического фотопроводника CdS-PbS. Экспериментальные данные

3.1. Методика исследования влияния освещения на выход вторичных ионов

3.2. Влияние освещения белым светом на выход вторичных ионов из 72 гетерофазного пленочного фоторезистора на основе CdS-PbS при ионной бомбардировке

3.3. Особенности ионного распыления пленок CdS-PbS при освещении, вы- 80 ^ званные зарядкой мишени

3.4. Исследование люкс-амперных характеристик пленок CdS-PbS 85 Анализ результатов и выводы к главе

Глава 4. Процессы в гетерофазном фотопроводнике CdS-PbS при одновременном 90 воздействии белого света и потока ионов. Теоретическое описание

4.1. Качественное описание процессов при воздействии света и ионной бом- 90 бардировки на фотопроводящий гетерофазный полупроводник CdS-PbS

4.2. Вывод теоретических зависимостей для изменения выхода вторичных 95 ионов в результате освещения и ионной бомбардировки

4.3. Аналитическое обоснование экспериментальных данных 100 Анализ результатов и выводы к главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние освещения на ионное распыление широкозонного гетерофазного полупроводника CdS-PbS»

Актуальность. Характерной особенностью развития микро- и паноэлектропики в наши

2 6 дни является использование двойных широкозопных полупроводниковых соединений А В (типа CdS). В качестве примера можно привести изготовленные на основе CdS средства визуализации изображения (экраны кинескопов, вакуумные люминесцентные индикаторы). Кроме того, сульфид кадмия активно используется в лазерной технике [1-4], а также является материалом солнечных батарей [5-8] и приемников ионизирующих излучений [9]. В последнее время появились публикации, посвященные созданию напочастиц CdS в золь-гелях [10] и матрицах Ленгмюра-Блоджетт [11,12]. Фоторезисторы на основе сульфида кадмия обладают спектральной характеристикой, близкой к характеристике человеческого глаза [13], что обусловило их широкое применение в качестве экспонометров [14]. Также фоторезисторы на основе CdS используются в приборах контроля освещенности и детекторах задымленпости [15]. Таким образом, сульфид кадмия является в настоящее время перспективным полупроводниковым материалом для микро- и напоэлектроники.

Основным недостатком соединений типа CdS является их низкая деградационная стойкость [16, 17]. Одним из методов повышения деградационной стойкости в настоящее время является создание гетерофазных материалов с включениями узкозонной компоненты, в качестве которой выступает сульфид свинца [18, 19]. Данные фоточувствительные пленки обладают повышенной деградационной стойкостью, но фазовый состав таких пленок остается практически неисследованным. Изучение распределения компонент по толщине таких пленок, а также построение модели распределения фаз является актуальной научной задачей. Кроме того, на основе системы CdS-PbS возможно создание квантово-размерных структур [20], что говорит о перспективах широкого применения данной системы в будущем. Нельзя не отметить и такое применение сульфида кадмия и сульфида свинца, как использование их в качестве материалов для солнечных батарей, наносимых на различные эластичные материалы [21], что в ближайшее время приведет к созданию микроэлектронпых устройств, встроенных непосредственно в одежду.

Влияние видимого, инфракрасного и ультрафиолетового некогерентного света на выход микрочастиц из твердого тела в вакуум известно только для электронов [22-24]. Ранее не было обнаружено влияния света видимого диапазона на выход ионов из твердого тела в вакуум ввиду недостаточной энергии фотонов. В то же время, существует большое количество хорошо известных методов, использующих ионное распыление для исследования твердых тел. Одновременное воздействие освещения и ионной бомбардировки на фоточувствительные материалы может обнаружить новые физические эффекты, что представляет несомненный научный интерес.

В последнее время проявляется повышенное внимание к гетерогенным материалам, содержащим низкоразмерные включения. Комбинированное воздействие освещения и ионной бомбардировки дает новые возможности для исследований структуры и физических свойств таких материалов. В связи с вышесказанным, изучение закономерностей процессов при одновременном воздействии фотонов и ускоренных ионов является актуальной задачей.

Цель работы: Исследование влияния освещения па выход положительных вторичных ионов из пленочных гетерофазных фотопроводящих образцов CdS-PbS, а также изучение фазового состава таких пленок.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Масс-спектрометрическое исследование фазового состава и распределения компонент по толщине пленок CdS-PbS, полученных методом сублимации в вакууме легированной порошковой смеси, и пленок CdS:Pb, полученных тем же методом, но легированных свинцом с помощью технологии Ленгмюра-Блоджетт.

2. Исследование влияния освещения белым светом различной интенсивности на выход вторичных ионов из пленок CdS-PbS и CdS:Pb.

3. Исследование люкс-амперных зависимостей фотопроводящих пленок CdS-PbS и CdS:Pb.

4. Установление корреляции между выходом положительных вторичных ионов и внутренним фотоэффектом (фотопроводимостью) исследуемых пленок.

Научная новизна:

1. Обнаружено наличие отдельных фаз, содержащих оксиды свинца и кадмия, в поликристаллических пленках CdS-PbS.

2. Установлено распределение фаз различного состава по толщине пленки CdS-PbS и разработана модель распределения фаз по толщине гетерофазных пленок CdS-PbS.

3. Установлено, что освещение белым светом в процессе ионного распыления приводит к увеличению выхода положительных вторичных ионов свинца и уменьшению выхода положительных вторичных ионов кадмия и оксида свинца из гетерофазных поликристаллических пленок CdS-PbS и CdS:Pb.

4. Установлен характер зависимостей изменения выхода положительных вторичных ионов кадмия и свинца из пленок CdS-PbS и CdS:Pb от изменения работы выхода электрона.

5. Предложено объяснение наблюдаемых зависимостей выхода положительных вторичных ионов свинца из пленок CdS-PbS и CdS:Pb от изменения работы выхода электрона, основанное на предположении об отвлечении рекомбинационного потока неравновесных носителей заряда в узкозонную фазу.

6. Предложена единая полуэмпирическая формула, описывающая зависимость выхода положительных вторичных ионов свинца и кадмия от изменения электронной работы выхода, проанализирована и подтверждена ее адекватность в рамках сделанных модельных предположений для всех рассматриваемых в диссертации случаев.

7. Обнаружено, что наличие заряда на образце является необходимым условием для изменения выхода положительных вторичных ионов при помощи освещения.

Достоверность полученных результатов обусловлена применением в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, согласованностью полученных результатов с результатами других исследователей, а также соответствия результатов расчета физическим представлениям о процессах в исследуемых полупроводниковых структурах.

Практическая значимость

1. Показана возможность управления процессом ионного распыления фоточувстви-телыюго полупроводника CdS-PbS при помощи освещения.

2. Разработана методика исследования высокоомпых образцов с удельным сопротивлением 1094-10и Ом-см методом ВИМС с помощью распыления нейтральными атомами для исключения зарядки мишени.

3. Выведено универсальное соотношение, позволяющее определять зарядку любых высокоомпых мишеней по сдвигу пиков масс-спектра. Разработана методика определения зарядки поверхности высокоомной мишени относительно проводящего образца с применением данного соотношения.

4. Разработана методика исследования влияния освещения на ионное распыление высо-коомных фоточувствительных мишеней. В рамках данной методики предложено три способа изучения реакции выхода вторичных ионов на свет: запись концентрационного профиля при импульсном освещении, последовательная запись масс-спектров в темноте и при освещении, запись участков спектра при импульсном освещении.

Результаты исследований по теме диссертации использованы при составлении отчетов по одной НИР, выполняемой в Саратовском отделении института радиотехники и электроники РАН (2005).

Основные положения, выносимые на защиту

1. В фотопроводящей пленке CdS-PbS, полученной сублимацией в вакууме смеси сульфидов кадмия и свинца и подвергнутой сенсибилизирующему отжигу на воздухе, существуют фазы с повышенным содержанием оксидов кадмия и свинца.

2. Освещение белым светом в процессе ионной бомбардировки поликристаллических фотопроводящих пленок CdS-PbS приводит к падению выхода положительных вторичных ионов кадмия и оксида свинца (нормальный вторично-ионный фотоэффект) и росту выхода положительных вторичных ионов свинца (аномальный вторично-ионный фотоэффект).

3. Нормальный вторично-ионный фотоэффект объясняется усилением туннелирования электронов с поверхностных энергетических уровней полупроводника при освещении на энергетические уровни вторичного иона, что вызывает нейтрализацию положительных вторичных ионов и, следовательно, уменьшение их числа.

4. Аномальный вторично-ионный фотоэффект объясняется увеличением при освещении скорости рекомбинации неравновесных носителей заряда в узкозонных включениях в результате стока генерируемых освещением и ионной бомбардировкой неравновесных носителей в потенциальные ямы, соответствующие местам локализации узкозонных включений.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались па Eight International Workshop: Beam Dynamics & Optimization (Saratov, 2001); Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов» (Санкт-Петербург, 4-6 февраля 2002); Первой Украинской научной конференции по физике полупроводников (Одесса, 2002); Пятой юбилейной Международной научно-технической конференции (Саратов, 2002); Международной научно-технической конференции АПЭП-2003 (Саратов, 18-23 февраля 2003); Пятой международной конференции «Оптика, оптоэлектроника и технологии» (Ульяновск, 23-27 июня 2003); Научной студенческой конференции физического факультета (Саратов, 2003); Четвертой Международной конференции «Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (28 июня — 2 июля 2004 года, Санкт-Петербург); Седьмой международной конференции «Опто-, наноэлек-троника, нанотехнологии и микросистемы» (27-30 июня 2005 года, Ульяновск), научных семинарах кафедры физики полупроводников СГУ.

Личный вклад автора состоит в самостоятельном выполнении представленных в диссертации экспериментальных исследований и расчетов, а также анализе полученных результатов (совместно с научным руководителем). Предложены и разработаны методика изучения влияния освещения на ионное распыление фотопроводящих мишеней и методика определения потенциала высокоомной мишени при распылении ионным пучком. При использовании результатов других авторов или полученных в соавторстве результатов даются соответствующие ссылки на источник.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 21 научной работе. Из них 6 статей в реферируемых научных журналах, 1 статья в научном сборнике, тезисы 14 докладов на международных конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 122 страницы, включая 36 рисунков. В списке использованных источников содержится 120 наименований.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Сердобинцев, Алексей Александрович

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Обнаружено влияние освещения белым светом на процесс ионного распыления фотопро-водящих пленок CdS-PbS, а также CdS:Pb (ПЛБ). Освещение образца, подвергающегося ионной бомбардировке, приводит к уменьшению выхода положительных вторичных ионов кадмия и оксида свинца до 45% (нормальный вторично-ионный фотоэффект), и увеличению выхода положительных вторичных ионов свинца до 220% (аномальный вторично-ионный фотоэффект).

2. Уменьшение выхода положительных вторичных ионов кадмия и оксида свинца может быть объяснено с помощью модели туннельного эффекта для электронов. При удалении распыленного положительного иона от поверхности мишени возможно туннелирование электрона из зоны проводимости мишени на уровень распыленного иона и, как следствие, нейтрализация последнего. Данный процесс, обозначенный в работе как нейтрализацион-ный механизм, усиливается с уменьшением работы выхода электрона, которое вызывается освещением образца в процессе ионной бомбардировки.

3. Рост выхода положительных вторичных ионов свинца при освещении может быть объяснен увеличением скорости рекомбинации неравновесных носителей заряда в узкозонных включениях. При освещении видимым светом генерация неравновесных носителей происходит преимущественно в широкозонной фазе CdS, а узкозонная фаза PbS оказывается «залита» носителями заряда, что обуславливает высокую скорость рекомбинации в данной фазе. Таким образом, генерационные и рекомбинационные потоки в гетерофазном фотопроводнике CdS-PbS пространственно разделены, практически все генерируемые освещением и ионной бомбардировкой неравновесные носители рекомбинируют в потенциальных ямах, соответствующих местам локализации узкозонпых включений фазы PbS. Выделяющаяся в результате рекомбинации энергия (достигающая 2,4 эВ на одну электронно-дырочную пару) передается кристаллической решетке и раскачивает атомы в узкозонных включениях. В результате энергии связи атомов в фазе PbS уменьшаются, и увеличивается выход вторичных ионов свинца. Процессы, приводящие к росту выхода вторичных ионов свинца при освещении, обозначены в работе как рекомбинационный механизм.

4. Установлено, что реакция выхода положительных вторичных ионов на свет невозможна при отсутствии зарядки пленки в ходе ионной бомбардировки. Создаваемое зарядкой электрическое поле обеспечивает доставку генерируемых светом неравновесных носителей заряда в область кратера. Наличие неравновесных носителей заряда является необходимым условием для проявления как нормального вторично-ионного фотоэффекта, так и аномального.

Проведены масс-спектрометрические исследования пленок CdS:Pb (ПЛБ), в результате которых было доказано не только перенесение свинца из органической пленки Ленгмюра-Блоджетг на поверхность неорганической фоточувствителыюй пленки CdS, но и диффузия атомов свинца в пленку CdS при термическом отжиге. Таким образом, возможно легирование пленок CdS точно дозированным количеством свинца с помощью технологии Ленгмюра-Блоджетт, используемой для обеспечения транспорта легирующей примеси. Исследования образцов CdS:Pb (ПЛБ), полученных с помощью нанесения различного числа монослоев арахината свинца, позволили определить порог начала проявления аномального вторично-ионного фотоэффекта. Минимальное количество монослоев, которое необходимо для проявления эффекта равно трем, что соответствует поверхностной концентра

1С 'У ции атомов свинца 1,5-10 см" . Следовательно, при такой концентрации свинца в приповерхностной области пленки CdS при последующей диффузии начинают образовываться включения фазы PbS, в которую отвлекается рекомбинационный поток неравновесных носителей заряда. Таким образом, становится возможной реализация аномального вторично-ионного фотоэффекта.

В результате комплекса масс-спектрометрических исследований пеотожженных и отожженных пленок CdS-PbS, а также изучения характеристик спектральной чувствительности указанных пленок, установлено наличие в пленках CdS-PbS отдельных фаз с повышенным содержанием CdO и РЬО. Основываясь на данных, полученных с помощью ВИМС и фотоэлектрических измерений, впервые построена модель распределения фаз по толщине пленки и объяснено появление коротковолнового максимума на спектральных характеристиках.

Получены люкс-амперные характеристики пленок CdS-PbS и CdS:Pb (ПЛБ), с помощью которых определено изменение работы выхода электрона в зависимости от освещенности образца. Эти результаты сопоставлены с масс-спектрометрическими исследованиями указанных пленок при различных уровнях освещенности. В результате построены зависимости относительного выхода положительных вторичных ионов свинца и кадмия от изменения работы выхода электрона из пленок CdS-PbS и CdS:Pb (ПЛБ). Данные зависимости существенно отличаются для свинца и кадмия, более того, для свинца имеется два типа зависимостей - с максимумом и монотонная.

Предложена полуэмпирическая формула, описывающая все наблюдаемые типы зависимостей относительного выхода положительных вторичных ионов от изменения электронной работы выхода. Данная формула выводилась в приближении линейной рекомбинации неравновесных носителей в узкозонных включениях. В предложенной формуле использована известная эмпирическая зависимость, описывающая снижение выхода положительных вторичных ионов при понижении электронной работы выхода, а также известная зависимость концентрации носителей заряда от положения уровня Ферми.

Разработан комплекс методик, позволяющих исследовать высокоомные фоточувствительные мишени. Данные методики позволяют свести к минимуму влияние зарядки мишеней с удельным сопротивлением 109-И0п Ом-см ионами первичного пучка на результаты масс-спектрометрического анализа. Кроме того, в рамках данной методики предложено три способа изучения реакции выхода вторичных ионов на свет: запись концентрационного профиля при импульсном освещении, последовательная запись масс-спектров в темноте и при освещении, запись участков спектра при импульсном освещении. Выведено универсальное соотношение, позволяющее определять зарядку поверхности любых высокоомных мишеней по сдвигу пиков масс-спектра. Разработана методика определения зарядки поверхности высокоомной мишени относительно проводящего образца с применением данного соотношения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сердобинцев, Алексей Александрович, 2006 год

1. М. Bagnall, В. Ullrich, Н. Sakai and Y. Segawa. Micro-cavity lasing of optically excited CdS thin films at room temperature // J. of Crystal Growth. 2000. - Vol. 214-215. - P. 1015-1018.

2. A. Erlacher, H. Miller, and B. Ullrich. Low-power all-optical switch by superposition of red and green laser irradiation in thin-film cadmium sulfide on glass // J. Appl. Phys. 2004. - Vol. 95, No. 5. - P. 2927-2929.

3. X. Duan, Y. Huang, R. Agarwal and С. M. Lieber. Single-nanowire electrically driven lasers // Nature. 2003. - Vol. 421. - P. 241-245.

4. R. Agarwal, C. J. Barrelet and С. M. Lieber. Lasing in Single Cadmium Sulfide Nanowire Optical Cavities // Nano Lett. 2005. - Vol. 5, No. 5. - P. 917-920.

5. K. Durose, P.R. Edwards, D.P. Halliday. Materials aspects of CdTe/CdS solar cells // J. of Crystal Growth. 1999. - Vol. 197. - P. 733-742.

6. M. D. G. Potter, D. P. Halliday, M. Cousins and K. Durose. A study of the effects of varying cadmium chloride treatment on the luminescent properties of CdTe/CdS thin film solar cells // Thin Solid Films. 2000. - Vol. 361-362. - P. 248-252.

7. D. W. Lane, K. D. Rogers, J. D. Painter, D. A. Wood and M. E. Ozsan. Structural dynamics in CdS-CdTe thin films //Thin Solid Films. 2000. - Vol. 361-362. - P. 1-8.

8. K. D. Rogers, D. A. Wood, J. D. Painter, D. W. Lane and M. E. Ozsan. Novel depth profiling in Cds-CdTe thin films // Thin Solid Films. 2000. - Vol. 361-362. - P. 234-238.

9. В.П. Махний, Я.Н. Барасюк. Интегральный детектор ионизирующих излучений на основе гетероперехода сульфид-теллурид кадмия // ПЖТФ. 1997. - Т. 23, № 14. - С. 17-20.

10. А.Г. Милёхин, JI.JI. Свешникова, С.М. Репинский, А.К. Гутаковский, М. Фридрих, Д.Р.Т. Цан. Оптические колебательные моды в квантовых точках (Cd, Pb, Zn)S в матрице Лен-гмюра-Блоджетт // ФТТ. 2002. - Т. 44, вып. 10. - С. 1884-1887.

11. Бьюб P. Фотопроводимость твердых тел: Пер. с англ. М.: Иностр. литер., 1962. - 558 с.

12. Фотопроводящие пленки типа CdS / Под ред. Кирьяшкиной З.И., Рокаха А.Г. и др. Саратов: изд-во Сарат.ун-та, 1979. - 193 с.

13. D.P. Amalnerkar. Photoconducting and allied properties of CdS thick films // Mater. Chem. and10916,17.