СОЛНЕЧНО-СЛЕПЫЕ ДЕТЕКТОРЫ УФ-ДИАПАЗОНА

Введение 5
1 Физико-химические свойства полиморфных фаз оксида галлия и структур на их основе 10
1.1 Зонная структура и физические характеристики полиморфов Ga2O3 10
1.2 Электрические и фотоэлектрические свойства пленок оксида галлия.
Влияние легирования 13
1.3 Детекторы УФ-излучения на основе пленок оксида галлия 20
1.4 Основные параметры детекторов УФ-излучения 34
1.5 Выводы по главе 1 и постановка задачи 36
2 Методика эксперимента 37
3 Электрические и фотоэлектрические характеристики структур на основе пленок 0-фазы оксида галлия 42
3.1 Резистивные структуры с двумя параллельными электродами 42
3.2 Детекторы со встречно-штыревыми электродами 46
3.2.1 Образцы неподверженные термическому отжигу 46
3.2.2 Отоженные образцы 47
3.3 Вывод по главе 3 51
4 Электрические и фотоэлектрические характеристики структур на основе пленок а- и е-фаз оксида галлия 51
4.1 Вольт-амперные характеристики образцов на основе a-Ga2O3 51
4.2 Вольт-амперные характеристики и эффект переключения структур на основе пленок, содержащих а- и e-Ga2O3 52
4.3 Вывод по главе 4 59
Заключение 60
Список использованных источников 61
Купить

Актуальность темы исследования. Интерес к созданию солнечно-слепых детекторов ультрафиолетового (ДУФ) излучения на основе пленок оксида галлия (Ga2O3) обусловлен: наличием широкой шириной запрещенной зоны соединения Eg= 4.4-5.3 эВ, которая варьируется в зависимости от фазового состава пленки; селективностью к солнечному и ближнему ультрафиолетовому излучениям; низкой себестоимостью материала и простотой изготовления структур; химической и термической стабильностями [1-3]. Подбор фазового состава пленок оксида галлия, материала и топологии электродов активной области детектора обеспечивает возможность повышения фотоэлектрических характеристик и снижения рабочего напряжения сенсора [4]. Помимо этого, последние два года происходят попытки в направлении создания устройств визуализации изображения в ультрафиолетовом диапазоне, состоящих из матричных элементов [5, 6].
В настоящее время рассматриваются возможности применения ДУФ на основе G2O3в военно-промышленном комплексе для создания систем противовоздушной обороны, а также в гражданских целях для производства: датчиков огня, систем контроля, космических приемников в УФ-диапазоне, устройств отслеживания состояния озонового слоя Земли и т.д. [7]. Такой подход позволит удешевить ныне существующие аналоги устройств.
В основе работы резистивных солнечно-слепых детекторов УФ-излучения лежит явление генерации носителей заряда падающими фотонами внешнего воздействия, при условии того, что энергия кванта Ep больше или равна ширине запрещенной Egзоны оксида галлия. Носители заряда, созданные излучением, начинают двигаться в направлении электродов под приложенным внешним полем и увеличивают проводимость пленок. В ходе движения, свободные электроны, набравшие достаточную энергию в электрическом поле, могут ионизировать валентные электроны атомов за счет передачи кинетической энергии. Такие электроны называются “горячими”, а процесс их умножения называется ударной ионизацией. Увеличение напряженности электрического поля между электродами ведет к повышению кинетической энергии электронов и вероятности ионизации атомов, следовательно, происходит возрастание числа “выбитых” носителей заряда, что приводит к резкому росту тока.
Степень разработанности темы исследования. В последние годы происходила разработка солнечно-слепых детекторов УФ-излучения преимущественно на основе пленок 0-Ga2O3. В первую очередь это обусловлено тем, что данная фаза является химически и термически стабильной, а также обладает относительной простотой получения [8]. Исключая последние несколько лет была слабо отработана технология получения остальных фаз оксида галлия, несомненно представляющих интерес для электронного приборостроения.
На сегодняшний день исследования направлены на поиск оптимальной конструкции солнечно-слепых ДУФ. Активная область (АО) детектора должна обладать высокими фотоэлектрическими характеристиками и малым временем релаксации. Показано, что использование электродов со встречно¬штыревой топологией позволяет повысить чувствительность сенсоров к ультрафиолетовому излучению на несколько порядков [9, 10]. Внедрение
определенных примесей в пленку и подбор ее фазового состава позволит снизить времена отклика и восстановления.
Целью диссертационной работы является разработка солнечно-слепых детекторов ультрафиолетового диапазона на основе пленок оксида галлия. В связи с этим, были поставлены следующие задачи:
1. Составление обзора литературы по методам получения пленок оксида галлия и конструкциям УФ-детекторов.
2. Ознакомление с технологическими способами изготовления структур, чувствительных к УФ излучению; выбор методики изготовления образцов.
3. Ознакомление с методиками измерения спектральной чувствительности образцов при использовании монохроматора МДР. Обработка результатов измерений.
4. Обобщение результатов НИР, составление и редактирование текста диссертации.
Научная новизна:
1. Показано влияние встречно-штыревой топологии контактов с различным межэлектродным расстоянием на фотоэлектрические характеристики детекторов на основе пленок 0-Ga2O3.
2. Обнаружен участок насыщения на ВАХ детекторов, имеющих встречно-штыревую топологию электродов, который сдвигается в область меньших напряжений с сокращением межэлектродного расстояния.
3. Для детекторов на основе полиморфной пленки a-e-Ga2O3был обнаружен эффект переключения из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением при воздействии УФ-излучения и сильного электрического поля.
Теоретическая и практическая значимость работы определяется рассмотрением механизмов переноса носителей заряда в детекторах УФ излучения на основе пленок оксида галлия с разным фазовым составом. Полученные результаты позволили установить топологию и материал электрических контактов, обеспечивающих высокие значения параметров УФД, включая возможность увеличения фототока на несколько порядков без изменения значений темнового тока.
Результаты исследований помогут улучшить характеристики солнечно-слепых детекторов на основе пленок оксида галлия и снизить себестоимость производства. Это позволит создавать коммерчески выгодные устройства, такие как: датчики пожара, устройства контроля, системы ПВО и т.д.
Методология и методы исследования. В работе исследовались фотоэлектрические характеристики солнечно-слепых детекторов ультрафиолетового излучения, имеющих различные типы активных областей, включая а-, в- и e-Ga2O3.
Измерения вольт-амперных характеристик структур проводились при помощи облучения детекторов ультрафиолетовым излучением c длиной волны X - 254 и 222 нм и в его отсутствии. Были получены следующие параметры детекторов: контраст (отношение тока при воздействии излучения ILк темновому току ID),удельная обнаружительная способность, величина отклика как функция напряжения на структуре, времена отклика и восстановления. Лучшие значения фотоэлектрических характеристик обнаружены для детекторов, имеющих встречно-штыревую топологию контактов с межэлектродным расстоянием d= 5 мкм.
Измерение вольт-амперных характеристик (ВАХ) проводилось в определенном диапазоне напряжений, который определялся исходя из особенностей конструкции детекторов. Такой подход обусловлен высокими значениями напряженности электрического поля, которые могли привести к разрушению электрических контактов к оксидной пленке.
Расчет фотоэлектрических характеристик проводился по общепринятым формулам, обычно используемым в литературе [11].
Положения, выносимые на защиту:
1. Отжиг пленок в аргоне при 900°С в течение 30 минут увеличивает фототок структур на 1-2 порядка, что объясняется изменением фазового состава оксида галлия.
2. Использование встречно-штыревой топологии позволяет улучшить фотоэлектрические характеристики УФД и на несколько порядков повысить фототок.
3. Большие значения отклика и обнаружительной способности ДУФ на основе пленок Ga2O3объясняются эффектом внутреннего усиления, обусловленного повышением вероятности ударной ионизации в сильном электрическом поле.
Степень достоверности результатов исследований.
Достоверность полученных результатов подтверждается при помощи неоднократно проведенных экспериментов при использовании самого современного измерительного оборудования, сопрягаемого с ЭВМ, и специально разработанных программ.
Апробация результатов исследования. Результаты исследований были представлены на следующих научных конференциях и конкурсах: 5-я школа-конференция с международным участием по оптоэлектронике, фотонике и наноструктурам «Saint Petersburg OPEN 2018» (Санкт-Петербург, 2018), 8-я Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2019), Всероссийский инженерный конкурс конференция «ВИК-2019» (Симферополь, 2019), CSW 2021 (Осло, 2021, онлайн). Помимо докладов на мероприятиях, результаты работы были опубликованы в научных статья, цитируемых WoS, ВАК и РИНЦ
Купить