автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Влияние освещения на ионное распыление широкозонного гетерофазного полупроводника CdS-PbS

На правах рукописи

Сф

СЕРДОБИНЦЕВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ОСВЕЩЕНИЯ НА ИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ ШИРОКОЗОННОГО ГЕТЕРОФАЗНОГО ПОЛУПРОВОДНИКА Сс18-РЬ8

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов - 2006

Работа выполнена на кафедре физики полупроводников Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Роках Александр Григорьевич

Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессор

Вениг Сергей Борисович

Ведущая организация: Федеральное Государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт знако-синтезирующей электроники «Волга» (г. Саратов).

Защита диссертации состоится 16 июня 2006 г. в 17 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.243.01 по специальности 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектрони-ка, приборы на квантовых эффектах по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим присылать по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, ученому секретарю диссертационного совета Аникину В.М.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СГУ

кандидат физико-математических наук Веселов Александрович Георгиевич

Автореферат разослан 10 мая 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Аникин В. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Характерной особенностью развития микро- и наноэлек-троники в наши дни является использование двойных широкозонных полупроводниковых соединений А2В6 (типа СёБ). В качестве примера можно привести изготовленные на основе СёБ средства визуализации изображения (экраны кинескопов, вакуумные люминесцентные индикаторы). Кроме того, Сс18 активно используется в лазерной технике, а также является материалом солнечных батарей и приемников ионизирующих излучений. Фоторезисторы на основе С<18 обладают спектральной характеристикой, близкой к характеристике человеческого глаза, что обусловило их широкое применение в качестве экспонометров. Фоторезисторы на основе Сё Б также используются в приборах контроля освещенности и детекторах задымленности. Таким образом, Сс!8 является перспективным полупроводниковым материалом для микро- и наноэлектроники.

Основным недостатком соединений типа СёБ является их низкая деграда-ционная стойкость. Одним из методов повышения деградационной стойкости в настоящее время является создание гетерофазных материалов с включениями узкозонной компоненты, в качестве которой выступает РЬ8. Данные фоточувствительные пленки обладают повышенной деградационной стойкостью, но фазовый состав таких пленок остается практически неисследованным. Изучение распределения компонент по толщине таких пленок является актуальной научной задачей. Кроме того, на основе системы СёБ-РЬБ возможно создание квантово-размерных структур, что говорит о перспективах применения данной системы в будущем.

Влияние видимого, инфракрасного и ультрафиолетового света на выход микрочастиц из твердого тела в вакуум известно только для электронов. 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 на выход положительных вторичных ионов из пленочных гетерофазных фотопроводящих образцов С(18-РЬЭ, 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 Сс18-РЬ8, полученны)

в вакууме легированной порошковой смеси, и пленок Сс18:РЬ, полученных тем же методом, но легированных РЬ с помощью технологии Леигмюра-Блоджетт.

2. Исследование влияния освещения белым светом различной интенсивности на выход вторичных ионов из пленок СёБ-РЬв и СёБгРЬ.

3. Исследование люкс-амперных зависимостей фотопроводящих пленок СаБ-РЬБ и са8:РЬ.

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 СёБ-РЬБ.

2. Установлено распределение различных фаз по толщине пленки СаБ-РЬЭ и разработана модель распределения фаз по толщине гетерофазных пленок С<38-РЬБ.

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 Сс^-РЬБ и Сс18:РЬ.

4. Установлен характер зависимостей изменения выхода положительных вторичных ионов кадмия и свинца из пленок СёЗ-РЬЭ и саБгРЬ от изменения работы выхода электрона.

5. Предложено объяснение наблюдаемых зависимостей выхода положительных вторичных ионов свинца из пленок саБ-РЬБ и са8:РЬ от изменения работы выхода электрона, основанное на предположении об отвлечении реком-бинационного 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 фоточувствительного полупроводника СаБ-РЬБ при помощи освещения.

2. Разработана методика исследования высокоомных образцов с удельным сопротивлением 10Ч-И0" Ом-см методом ВИМС с помощью распыления нейтральными атомами для исключения зарядки мишени.

3. Выведено универсальное соотношение, позволяющее определять зарядку любых высокоомных 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 высокоомных 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 тун-нелирования 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 на Eight International Workshop: Beam Dynamics & Optimization (Saratov, 2001); Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов» (Санкт-Петербург, 46 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 вы-

сокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии» (28 июня - 2 июля 2004 года, Санкт-Петербург); Седьмой международной конференции «Опто-, наноэлектроника, 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 высо-коомной 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, рассмотрена новизна, практическая значимость, сформулированы цель работы, основные задачи исследований, приведены основные положения, выносимые автором на защиту.

Первая глава представляет собой аналитический обзор литературы, состоящий из двух частей. В первой рассматриваются основные вопросы фотопроводимости поликристаллических полупроводников и полупроводников с переменной шириной запрещенной зоны. Описывается модель варизонного полупроводника, стойкого к деградации. Поскольку исследования проводились на пленках С(18-РЬ8, в обзоре рассматривается технология получения таких пленок методом сублимации в вакууме порошковой смеси компонентов и последующего отжига на воздухе. Приведенные результаты фотоэлектрических исследований косвенно свидетельствуют о наличии в пленках фаз оксидов РЬ и С<1, образующихся при отжиге на воздухе. Требуется провести дополнительные исследования с целью подтверждения данного предположения. Дается описание методики легирования пленок Сс18 свинцом при помощи технологии Лен-гмюра-Блоджетг (ЛБ) и термического отжига. Необходимо подтвердить наличие диффузии РЬ из пленки ЛБ в неорганическую пленку СёБ.

Основным методом исследования в работе является вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС), поэтому вторая часть обзора посвящена вопросам распыления полупроводников ускоренными ионами. Рассматривается возникновение заряда на поверхности непроводящих мишеней. Изменение выхода вторичных ионов при прочих равных условиях может быть объяснено изменением работы выхода электрона из мишени, в связи с чем особое внимание уделяется

зависимости выхода вторичных ионов от электронной работы выхода мишени. Отмечается отсутствие работ, посвященных изучению влияния освещения на ионное распыления фотопроводников.

Во второй главе приводятся результаты масс-спектрометрических исследований пленок СаБ-РЬБ в отсутствии освещения. Впервые исследовано распределение компонент по толщине пленок СёЗ-РЬБ до и после сенсибилизирующего отжига (рис. 1), в результате построена качественная модель распре-

ч 1,0

° 0,9 X

Н 0,8

°0,7 л

В °.в

2 0,5

0,4

0,3

0,2

5 и»

Ь 0,8 О

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

Глубина, мкм

1,0

о

X а х и х

£ X

К

0,2

0,0

1,2 0,4 0,6 0,8

Глубина, мкм

Рис 1 Профили Сс1, СсЮ, РЬ, РЬО для неотожженного (а) и отожженного (б) образца СсЙ-РЬ8. Сигнал, соответствующий РЬО, увеличен в 4 (а) и 2 (б) раза

деления фаз в отожженной пленке. Для неотожженного образца профили оксидов практически повторяют профили соответствующих металлов (рис. 1, а), следовательно, образование оксидов происходит непосредственно при ионном распылении (распыление осуществляется положительными ионами кислорода). Профили оксидов С<1 и РЬ для отожженного образца (рис. 1, б) существенно отличаются от профилей соответствующих металлов, что говорит о наличии в образцах фаз, обогащенных оксидами Сс! и РЬ, которые образуются в результате сенсибилизирующего отжига на воздухе.

Проведены масс-спектрометрические исследования пленок, легированных РЬ с помощью технологии ЛБ. В результате доказано наличие РЬ в неорганической пленке СаБ, исследования концентрационных профилей РЬ (рис. 2) подтвердили диффузию РЬ в пленку Сс18. Образцы, полученные при помощи технологии ЛБ, в дальнейшем будем обозначать Сё8:РЬ.

Высокое темновое сопротивление исследуемых образцов (108-109 Ом-см) привело к необходимости разработки методики, позволяющей минимизировать влияние заряда, возникающего на такой мишени в процессе ВИМС, на результаты измерений. Предлагаемая методика распыления нейтральными атомами позволяет проводить исследования любых высокоомных мишеней без

1,0-

0 200 400 600 800 1000 1200 Время распыления, с Рис. 2 Профили свинца образцов СсК РЬ с различным числом монослоев

дополнительной модернизации установки, так как получение первичного пучка нейтральных атомов возможно при помощи подбора потенциалов электродов ионно-оптической системы. Применение данной методики практически исключает накопление заряда при ВИМС-исследованиях высокоомных мишеней.

Разработана методика, позволяющая определять изменение потенциала высокоомной мишени в результате накопления заряда в процессе ВИМС. Накопление заряда приводит к изменению ускоряющей разности потенциалов для вторичных ионов, в результате чего возникает сдвиг масс-пиков по магнитному полю (рис. 3), что соответствует смещению вдоль оси масс ионов.

е °'6

I о,

X

0

1 0,2 3 о.о

О)

Металлический Сй Образец СёЗ-РЬв

ч 1,0-

4)

0,8-

| 0,6-

X Л 04-

X

X 0,2-

к 0,0-

б)

Металлический РЬ Образец С<18-РЬ8

64,0 64,4 64.8 63,2 65.6

Сигнал датчика Холла, мВ

68,4 68,7 69 О

Сигнал датчика Холла, мВ

Рис. 3 Сдвиги пиков кадмия (а) и свинца (б) в результате зарядки поверхности различных образцов СёБ-РЬЭ при ионной бомбардировке

Третья глава посвящена исследованию фотопроводящих пленок Сс18-РЬБ методом ВИМС при одновременном освещении белым светом от лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, освещенность мишени при этом составила 1200 лк. Сочетание ионной бомбардировки и освещения сделало необходимым разработку комплекса методик, призванных отделить влияние освещения на выход положительных вторичных ионов от влияния зарядки мишени и неравномерного распределения компонент по ее толщине (см. рис. 1). Предложено три способа исследования влияния освещения на ионное распыление фотопроводящих мишеней: запись концентрационных профилей при импульсном освещении, последовательная запись масс-спектров в темноте и при освещении, запись участков спектра при импульсном освещении. Подробно описаны достоинства и недостатки каждого способа, на основе анализа которых можно сделать вывод, что способ записи участков спектра при импульсном освещении дает наиболее полную информацию о влиянии света на процесс ионного распыления.

Установлено, что освещение белым светом распыляемой ионной бомбардировкой пленки СёБ-РЬБ приводит к уменьшению выхода положительных вторичных ионов Сс1 и однократно ионизированных молекул РЬО на величину до 45% и увеличению выхода положительных вторичных ионов РЬ до 60% относительно темнового выхода (рис. 4). Освещение пленок С(18:РЬ также приводит к снижению выхода Сс1 (до 40%) и увеличению выхода РЬ (до 220%), однако увеличение выхода наблюдалось только для образцов с начальной поверхностной концентрацией РЬ не менее 1,5-1015 см"2 (3 монослоя арахината РЬ).

Свет вкл

Cd

CdO

Свет выкл

1,0

0,9

.0.« =Г

4 0,7

jSo.o

® 0,5 d

О 0,4

Я<М

«од 0,1 0,0

ИЩ,

Свет вкл РЬ

РЬО*5 Свет выкл

100 200 300 400 500 600 700

100 200 300 400 500 600 700

Время распыления, с Время распыления, с

Рис 4. Концентрационные профили кадмия и его оксида (а), свинца и его оксида (б) образца CdS-PbS при импульсном освещении Сигнал, соответствующий РЬО, увеличен в 5 раз В результате исследований зависимости относительного выхода положительных вторичных ионов Cd и РЬ от интенсивности освещения обнаружено три основных типа зависимостей (рис. 5). Для Cd выход на свету относительно темнового монотонно уменьшается с ростом освещенности, причем снижение больше для уже подвергавшихся ионной бомбардировке образцов (рис. 5, а). Для РЬ относительный выход увеличивается при повышении освещенности, однако при дальнейшем росте интенсивности света выход начинает падать, то есть на зависимости наблюдается максимум. Зависимость для предварительно бомбардированного образца возрастает монотонно и максимум не наблюдается (рис. 5, б).

а 1,00

° 0,98

^0,96

§0,94

ш 0,92 й>

S 0,90

S 0,88 |0,86

0 200 400 600 800 10001200 1400

Освещенность, лк

ч

и1,6 X

gl,5

i1-4 §1,3 3 (01,2 и

SU

к

и

я 1,0

о

2

6)

—■—Исходный образец —о— После ионной бомбардировки

200 400 600 800 100012001400

Освещенность, лк

Рис. 5. Зависимости относительного изменения выхода вторичных ионов кадмия (а) и свинца (б) от освещенности мишени

Для образцов Ссй'.РЬ максимум присутствует только на зависимостях для не бомбардированных образцов с начальной поверхностной концентрацией РЬ не менее 5-1015 см"2 (10 монослоев арахината РЬ). При исследованиях образцов CdS:Pb, уже подвергавшихся ионной бомбардировке, максимум не проявляется (рис. 6).

Исследования накопления заряда в процессе ВИМС на образцах СёЗ-РЬБ и CdS:Pb с помощью методики, описанной в главе 2, показали, что потенциал фо-топроводящих мишеней снижается с ростом освещенности ввиду уменьшения сопротивления мишени. Исключение зарядки путем бомбардировки нейтраль-

ными частицами либо напыления алюминиевых контактов поверх фо-топроводящей пленки приводит к полному исчезновению реакции на свет выхода вторичных ионов.

Приведены результаты исследований люкс-омных характеристик пленок СсЮ-РЬЗ и Сс18:РЬ. Такие данные необходимы для установления корреляции между внутренним фотоэффектом (фотопроводимостью) и изменением выхода положительных вторичных ионов при освещении.

Четвертая глава посвящена анализу и теоретическому описанию экспериментальных данных главы 3. В начале главы качественно рассматриваются основные процессы в пленках С(18-РЬ8 под воздействием белого света и ускоренных ионов. Гетерофазная структура пленки приводит к пространственному разделению генерационных и рекомбинационных потоков в таком фотопроводнике. Возникающие в основной широкозонной матрице (ШЗ) Сс18 при освещении неравновесные носители заряда концентрируются в потенциальных ямах, соответствующих местам локализации узкозонных включений (УЗВ) фазы РЬБ. Ввиду малого времени жизни носителей в УЗВ рекомбинация происходит преимущественно в этих включениях.

Снижение выхода положительных вторичных ионов из металлических и полупроводниковых мишеней возможно при снижении электронной работы выхода последних. При таком снижении повышается вероятность нейтрализации выбитого положительного вторичного иона в результате туннелирования электрона с поверхности мишени. В рассматриваемом случае снижение работы выхода электрона достигается с помощью освещения фотопроводящей мишени СёЗ-РЬБ. Квазиуровень Ферми для основных носителей (электронов) в фоточувствительной фазе Сс18 повышается за счет увеличения концентрации носителей, снижая работу выхода электрона. Данный механизм получил название нейтрализационного механизма, а уменьшение выхода вторичных ионов Сс1+ и РЬО+, вызванное действием данного механизма, обозначено как нормальный вторично-ионный фотоэффект.

Увеличение выхода положительных вторичных ионов при снижении работы выхода электрона является нетипичным. При обзоре литературы по данной тематике аналогов наблюдаемому явлению обнаружено не было. Поэтому увеличение выхода ионов РЬ+ при освещении названо аномальным вторично-ионным фотоэффектом. Объяснение дается с учетом гетерофазной структуры пленки СёБ-РЬ8, которая определяет описанное выше распределение генерационных и рекомбинационных потоков носителей заряда в образце. Так, при рекомбинации носителей заряда в потенциальных ямах, выделяющаяся энергия передается кристаллической решетке УЗВ и расшатывает ее. В результате связи

- 3 монослоя, исходный

- 3 моностоя бомбардированный

- 10 монослоев, исходный

- 10 монослоев, бомбардированный

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Освещенность, лк

Рис 6. Зависимости относительного изменения выхода вторичных ионов РЬ от освещенности птти пятничных пбпя-moR ("MS РЬ

в УЗВ ослабляются и увеличивается вероятность распыления атомов, составляющих УЗВ. Так как УЗВ состоят из твердого раствора СёБ в РЬБ, выход ионов РЬ+ повышается при освещении. Данный механизм назван рекомбинацион-ным механизмом.

Для нейтрализационного механизма по литературным данным справедлива следующая эмпирическая формула

У+>

:ехр

кгР

(1)

где К4" - выход положительных вторичных ионов, АА - изменение работы выхода электрона, гр - характерный параметр системы, зависящий от энергии и угла эмиссии распыленного иона.

В предположении линейной рекомбинации увеличение выхода положительных вторичных ионов при освещении может быть описано следующей формулой

Г

: ехр

(аЕ,

кТ

М

ехР|--

(2)

постоянная Больц-

где АЕРп - энергия квазиуровня Ферми для электронов, к мана, Г- абсолютная температура решетки.

Так как в общем случае и в ШЗ-матрице, и в УЗВ действуют оба этих механизма, то, вводя коэффициент пропорциональности Г0+, имеющий физический смысл выхода положительных вторичных ионов в темноте и объединяя зависимости (1) и (2), получим

( кТ-е У+ = У0+ехр АА-

гркТ

(3)

Однако, формула (3) не может описать зависимость с максимумом. Поэтому было выдвинуто предположение о локальном разогреве УЗВ, вызванном рекомбинацией носителей заряда. Такое предположение следует из того, что ослабление связей в УЗВ вызывается именно усилением колебаний кристаллической решетки. Логично связать такой разогрев с изменением концентрации носителей заряда, т. е. с положением квазиуровня Ферми для электронов. В первом приближении положим зависимость температуры от изменения АЕр„ линейной:

кТ = уАЕР„ + кТ0 = -уАА + кТ0, (4)

где у - безразмерный параметр, определяющий уровень локального разогрева в узкозонных включениях (коэффициент локального разогрева), Т0 - температура при нулевом изменении работы выхода, то есть в темноте.

С учетом (4) формула, описывающая зависимость относительного выхода от изменения работы выхода, приобретает следующий вид:

У+

V* го

= ехр

АА

кТ0-уАА-е/ ер(кТ0-уАЛ)/

(5)

Аппроксимация экспериментальных данных с помощью формулы (5) представлена на рис. 7. Изменение работы выхода электрона (в эВ) рассчитывалось

§1,00

|Е 0,98 о

+ -0,965 0,94-«0,92-§0,90 § 0,88 S 0,86

—■ — Исходный образец —о— Бомбардированный ----Расчет по (5)

—■— Исходный образец —о— Бомбардированный ----Расчет по (5)

5 I-6

£ 1,5 1,4

+

£ 1,з

§ 1,2 О

3 U

Л

ой . 1,0

5

« -0,25 -0,20 -0 15 -0,10 -0,05 0,00 s Изменение работы выхода, эВ

м -0,25 -0,20 -0, И -0,10 -0,05 0,00 s Изменение работы выхода, эВ

Рис 7 Зависимости относительного изменения выхода положительных вторичных ионов кадмия (а) и свинца (б) от изменения электронной работы выхода образца CdS-PbS

по экспериментально измеренным люкс-омным характеристикам пленок CdS-PbS с помощью следующей формулы:

мф)И=-1П« (б)

q ДО)

где q - заряд электрона, /?(Ф) и R{0) - сопротивления пленки при освещенности Фив темноте соответственно.

Сопоставление экспериментальных данных и результатов расчета по формуле (5) (см. рис. 7), свидетельствует о высокой степени их соответствия. Значения параметров аппроксимации приведены в табл. 1.

Элемент Образец Ер, ЭВ У Го, К

Cd Исходный 0,0254±4-10'5 10^+3 ю-5 300

Бомбардированный 0,0254±4 10'5 0,003±5 Ю"1 300

РЬ Исходный 0,041 ±4 10"3 0,082±5 10'5 310

Бомбардированный 0,0331±3 10"5 0,02±410"5 310

Примечание. Значения То, соответствующие основной матрице и узкозонным включениям, различны ввиду разогрева узкозонных включений за счет рекомбинации электронно-дырочных пар, генерируемых ионной бомбардировкой

Более сильная реакция выхода Сс1 из бомбардированного образца объясня- •

ется образованием слоя с повышенной проводимостью на его поверхности из-за преимущественного распыления серы в процессе ионной бомбардировки. В результате образуется п-п+ переход с основной матрицей Сс18, что приводит к большему снижению электронной работы выхода при освещении. Поэтому уменьшение выхода ионов С(1+ существеннее, чем для исходного образца.

Что касается РЬ, то кривая 1 на рис. 7, а, соответствующая исходному образцу, имеет максимум, в то время как кривая 2 для бомбардированного образца является монотонно возрастающей. Максимум на кривой 1 может быть объяснен сглаживанием потенциальных межфазных барьеров в исследуемом об-

разце в результате освещения, что приводит к уменьшению концентрации носителей в узкозонных включениях. Поэтому скорость рекомбинации в фазе РЬБ уменьшается и начинает преобладать нейтрализационный механизм. В бомбардированном образце поток носителей в узкозонные включения меньше, чем для исходного образца, за счет отвлечения части носителей в обогащенный С<1 поверхностный п+-слой.

Таким образом, теоретические расчеты при помощи формулы (5) находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными и общими представлениями о механизме рекомбинации в гетерофазном полупроводнике. При описании учтены такие особенности объекта исследования, как поликристалличность, гетерофазность, высокая чувствительность к видимому свету и деграда-ционная стойкость пленок Сёв-РЬв.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обнаружено влияние освещения белым светом на процесс ионного распыления фотопроводящих пленок Сс)8-РЬ8, а также Сё5:РЬ. Освещение образца, подвергающегося ионной бомбардировке, приводит к уменьшению выхода положительных вторичных ионов Сё и РЬО до 45% (нормальный вторично-ионный фотоэффект) и увеличению выхода положительных вторичных ионов РЬ до 220% (аномальный вторично-ионный фотоэффект).

2. Уменьшение выхода положительных вторичных ионов С<1 и РЬО 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 нейтрализационный механизм, усиливается с уменьшением работы выхода электрона, которое вызывается освещением образца в процессе ионной бомбардировки.

3. Рост выхода положительных вторичных ионов РЬ 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 Сёв, а узкозонная фаза РЬ8 оказывается «залита» носителями заряда, что обуславливает высокую скорость рекомбинации в данной фазе. Таким образом, генерационные и рекомбинационные потоки в гетерофазном фотопроводнике С(18-РЬ8 пространственно разделены, практически все генерируемые освещением и ионной бомбардировкой неравновесные носители рекомбинируют в потенциальных ямах, соответствующих местам локализации узкозонных включений фазы РЬ8. 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 РЬ8 уменьшаются, и увеличивается выход вторичных ионов РЬ. Процессы, приводящие к росту выхода вторичных ионов РЬ при осве-

щении, обозначены в работе как рекомбннацнонный 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 электронов в область кратера. Наличие неравновесных носителей заряда является необходимым условием для проявления как нормального вторично-ионного фотоэффекта, так и аномального.

5. Проведены масс-спектрометрические исследования пленок С(18:РЬ, в результате которых было доказано не только перенесение РЬ из органической пленки ЛБ на поверхность неорганической фоточувствительной пленки Сс18, но и диффузия атомов РЬ в пленку СёБ при термическом отжиге. Таким образом, возможно легирование пленок С<18 точно дозированным количеством РЬ с помощью технологии ЛБ, используемой для обеспечения транспорта легирующей примеси. Исследования образцов Сс18:РЬ, полученных с помощью нанесения различного числа монослоев арахината РЬ, позволили определить порог начала проявления аномального вторично-ионного фотоэффекта. Минимальное количество монослоев, которое необходимо для проявления эффекта равно трем, что соответствует поверхностной концентрации атомов РЬ 1,5-1015 см"2. Следовательно, при такой концентрации РЬ в приповерхностной области пленки Сё8 при последующей диффузии начинают образовываться включения фазы РЬ8, в которую отвлекается рекомбинационный поток неравновесных носителей заряда. Таким образом, становится возможной реализация аномального вторично-ионного фотоэффекта.

6. В результате комплекса масс-спектрометрических исследований несгго-жженных и отожженных пленок С(18-РЬ8 установлено наличие в пленках Сс18-РЬ8 отдельных фаз с повышенным содержанием СсЮ 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.

7. Получены люкс-амперные характеристики пленок С<18-РЬ8 и Сс18:РЬ, 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 РЬ и Сс1 от изменения работы выхода электрона из пленок СёБ-РЬЗ и Сё5:РЬ. Данные зависимости существенно отличаются для РЬ и Сс1, более того, для РЬ имеется два типа зависимостей - с максимумом и монотонная.

8. 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. 9. Разработан комплекс методик, позволяющих исследовать высокоомные фоточувствительные мишени. Данные методики позволяют свести к минимуму влияние зарядки мишеней с удельным сопротивлением 109-И0и 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.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 А.Г Роках, С В Стецюра, А Г Жуков, А А Сердобинцев Исследование особенностей ионного травления гетерофазных полупроводников при освещении белым светом // Письма в ЖТФ - 2003. Т. 29, в. 2 - С. 23-29.

2 A.G. Rokakh, A G Zhukov, S. V. Stetsura, A A Serdobmtsev. Influence of illumination by white light on ion etching of heterophase CdS-PbS semiconductor // Photoelectronics - 2004 N 13, p. 50-54.

3. A. G. Rokakh, A G Zhukov, S V Stetsura and A. A Serdobmtsev. Secondary-ion mass spectrometry of photosensitive heterophase semiconductor // Nuclear Inst and Methods in Physics Research, B. -2004. V. 226,4, p. 595-600.

4. Роках А Г., Стецюра С В, Сердобинцев А.А Гетерофазные полупроводники под действием излучений // Известия Саратовского университета Серия Физика - 2005. Т. 5, в. 1. - С 92-102

5 А. Г Роках, С В Стецюра, А Г Жуков, А А Сердобинцев Зависимость скорости ионного распыления от изменения электронной работы выхода, вызванного освещением // Письма в ЖТФ - 2006. Т. 32, в. 1. - С. 58-64

6 Роках А Г, Стецюра С В, Сердобинцев А А. О вторично-ионном фотоэффекте // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. -2006 Т. 14, №1.-С. 113-119.

7. Жуков А.Г., Роках А Г, Сердобинцев А.А., Стецюра C.B. Особенности вторичной ионной масс-спектрометрии полупроводникового образца при освещении // Физика полупроводников и полупроводниковая электроника' Сборник статей / Под общ ред Б H Климова и А И Михайлова -Саратов-Изд-во Гос УНЦ «Колледж», 2001 -С 56-61

8. Беляев С. Н., Жуков А Г, Сердобинцев А А Устранение накопления заряда на диэлектрических образцах при анализе их методом вторично-ионной масс-спектрометрии // Proceedings of Eight International Workshop Beam Dynamics and Optimization. Saratov June 2529,2001. - Saratov University Press, 2002. - P. 59-61.

9 Жуков А Г, Роках А Г, Сердобинцев A A , Стецюра С В Влияние подсветки на ионное распыление гетерофазного фотопроводника // Материалы Первой Украинской научной конференции по физике полупроводников -Одесса Астропринт, 2002 -Т 2 -С 60-61

10 Сердобинцев А А , Карасёв С А , Роках А Г, Стецюра С.В, Жуков А Г Фотостимулиро-ванное ионное травление полупроводниковых гетероструктур // Актуальные проблемы электронного приборостроения Материалы Пятой Международной научно-технической конференции. - Саратов: СГТУ, 2002 - С. 250-254

11 Роках А Г, Стецюра СВ., Жуков А Г, Сердобинцев А А , Кондратьев А.П Проявления внешнего ионного фотоэффекта при бомбардировке поликристаллической пленки CdS-PbS ионами кислорода // Актуальные проблемы электронного приборостроения Мате-

НИ 0 4 8 1

404 8-1

риалы Международной научно-технической конференции АПЭП-2003 18-23 февраля 2003 г Саратов Изд-воСГУ,2003 -С 260-261

12 Сердобинцев А А , Кондратьев А П, Фошин И И Исследование фазового состава и фотоэлектрических характеристик радиационно-стойкого гетерофазного полупроводника // Всероссийский конкурс на лучшие научно-технические и инновационные работы творческой молодежи России по естественным наукам' Каталог представленных на конкурс проектов и работ / Саратов Изд-во СГТУ, 2003 - С 167-168

13 Роках А Г, Стецюра С В, Жуков А Г, Сердобинцев А А Влияние освещения на скорость ионного травления гетерофазного полупроводника // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов» СПб 4-6 февраля 2002 года - СПб : Изд-во РГПУ им А.И. Герцена, 2002. - С.123-125.

14 Роках А Г, Жуков А Г, Стецюра С В, Сердобинцев А А , Кондратьев А.П Аномальное влияние освещения на выход положительных вторичных ионов из гетерофазного фотопроводника // Оптика, оптоэлектроника и технологии' Труды пятой международной конференции.-23-27 июня 2003 г., Ульяновск: УлГУ, 2003. - С 160 *

15 Роках А Г, Жуков А.Г, Стецюра С В, Сердобинцев А.А О модели гетерофазного поликристаллического фотопроводника Сс^-РЬБ // Оптика, оптоэлектроника и технологии Труды пятой международной конференции -23-27 июня 2003 г., Ульяновск: УлГУ, 2003 -С 193.

16 Сердобинцев А А, Кондратьев А П Влияние распределения фаз на внешний ионный фотоэффект в гетерофазном полупроводнике // Труды научной студенческой конференции физического факультета / Под ред проф С. Г. Сучкова - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003 -С. 42-45.

МАЛ Сердобинцев, А Г Роках, А Г Жуков, С В Стецюра Оптимизация получения гете-рофазных фоточувствительных пленок с наноразмерными включениями // Химия высокоорганизованных веществ и научные основы нанотехнологии' Тезисы четвертой Международной конференции - 28 июня - 2 июля 2004 года, Санкт-Петербург, 2004 - С 289-290

18 Роках А Г, Стецюра С В, Сердобинцев А А , Жуков А Г Управление процессом ионного распыления фоточувствительных полупроводников с помощью освещения // Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы Труды седьмой международной конференции - 27-30 июня 2005 года, Ульяновск, 2005 - С 11.

19 Стецюра С.В, Глуховской Е.Г, Сердобинцев А.А Особенности ионного травления полупроводниковых плёнок, состоящих из частично растворенных компонент // Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды седьмой международной конференции - 27-30 июня 2005 года, Ульяновск, 2005. - С. 16

20 Стецюра С В, Глуховской Е Г, Сердобинцев А А, Першина Е.В Получение неорганических плёнок с наноразмерными включениями с использованием ленгмюровских техноло- ( гий // Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы: Труды седьмой международной конференции - 27-30 июня 2005 года, Ульяновск, 2005 - С 32

21 Сердобинцев А А , Стецюра С В, Роках А Г, Жуков А Г Изменение энергии вторичных

ионов при освещении фоточувствительной мишени // Опто-, наноэлектроника, нанотех- »

нологии и микросистемы' Труды седьмой международной конференции - 27-30 июня 2005 года, Ульяновск, 2005 -С 152.

Подписано к печати 03 05 2006 г._Формат 60 х 84 1/16

Тираж 100 экз_Уел -печ л 1 0

Отпечатано автором

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

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.

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

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.