Файл: Исследование гетеропереходов представляет собой важный раздел физики полупроводниковых приборов, который сформировался в последние четыре десятилетия на основе изучения эпитаксиального выращивания полупроводников.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 41
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
pt, захваченных не ловушки в ОПЗ CdS, учитывающего все пути ликвидации накопленного заряда, определяет процесс спада тока короткого замыкания, т.к. кинетика находится в прямой зависимости от кинетики захваченного заряда.
§ 5. Технология изготовления гетеропары CdS-Cu2S.
Получение тонкопленочного CdS.
Основные методы изготовления гетероперехода в были разработаны при конструировании фотоэлементов. Впервые фотоэлемент с поликристаллическим слоем был изготовлен Карлсоном в 1956 г. В настоящее время для получения слоя применяют осаждение из паровой фазы, метод пульверизации, катодное распыление и спекание [10].
Осаждение из паровой фазы.
Чаще всего термическое испарение в вакууме проводится в открытых системах, в которых тигель и подложка устанавливаются в одном и том же объеме, ограниченном вакуумной камерой. Температура подложки, в процессе испарения, оказывает определяющее влияние на свойства осажденного материала. Оптимальное значение температуры составляет 180-200oС.
Тигель для испаряемого вещества обычно изготовляют из кварца. Испарение чистого CdS проводят при температуре тигля, приблизительно равной 1000oС; испаряемый материал можно загружать в тигель в виде порошка или гранул.
Несовершенство метода испарения в открытом вакууме заключается в загрязнении пленки, что связано с наличием примесей в системе для испарения, а также в необходимости проведения дополнительной рекристаллизации.
Катодное распыление.
В данном случае слои образуются катодным распылением в атмосфере инертного газа. Для этого можно использовать кадмиевый катод и такие газы как H2S/Ar или S/Ar. Ионы меди, образующиеся в результате диссоциации во время разряда, взаимодействуют с атомами кадмия на поверхности подложки.
Преимущество этого метода состоит в том, что химический состав получаемой пленки аналогичен составу катода.
Химическое осаждение методом пульверизации.
Метод пульверизации состоит в том, что на нагретую подложку разбрызгивается раствор, содержащий химические элементы, необходимые для получения CdS. Этот метод хорошо подходит для промышленного производства пленок CdS , благодаря его простоте и низкой стоимости. Метод пульверизации позволяет избежать значительных потерь порошка CdS , характерных для термического испарения. Подробное описание этого технологического процесса рассмотрен ниже, поскольку этот метод использовался для получения гетероперехода формирователя сигналов изображения.
Метод спекания.
Пленки CdS тонкого типа обычно изготовляют из смеси порошка CdS и CdCI2. Смесь наносят на подложку и затем нагревают до температуры 500-600oС. В процессе нагрева при температуре 568oС CdS начинает растворяется в расплаве CdCl2, который начинает испаряться при 400oС; таким образом наблюдается рекристаллизация. В процессе спекания, сплавление частиц и рекристаллизация происходят при относительно низкой температуре, и образующиеся пленки имеют структуру, близкую к монокристаллической.
Получение слоя сульфида меди.
Известно несколько способов получения слоев: взрывное и квазистанционарное термическое напыление, химическое осаждение из простых многокомпонентных растворов, реакции в твердой фазе, а также электролитическое нанесение.
Перед созданием слоя Cu2S полезна предварительная обработка поверхности CdS . При травлении в кислотах (например, в НСl) удаляются поверхностные примеси и увеличивается площадь границ зерен.
В настоящее время очень широко используется процесс окунания при получении слоя Cu2S . При окунаний происходит топотаксиальная реакция замещения одного иона кадмия двумя ионами меди в соответствии с формулой:
CdS + 2СuX → Cu2S + CdX2
где символом Х обозначен химический элемент который может быть например С1, Вr или I.
Эта реакция обычно осуществляется в водном растворе при температуре 90-100oС, некоторые же исследователи предпочитают использовать органический раствор. Недостатком метода является получение пленки Cu2S, неоднородной по толщине, что происходит из-за высокой подвижности ионов меди.
Вместо окунания, называемого "мокрым" методом иногда применяют "сухой" метод - испарение CuCI . При проведении термообработки после нанесения тонкого слоя CuCI на CdS происходит обмен ионов Cd+↔2Сu+.
Этот метод применялся при создании исследуемых образцов ФСИ. Его преимущество - устранение глубокой миграции Сu2S по границам зерен в слой CdS .
Метод непосредственного испарения Cu2S или Cu с последующим сульфинированием в бензольном растворе оказался малоэффективным, поскольку при пульверизации происходит значительное окисление Cu2S, что снижает КПД.
Формирование гетероперехода.
После получения слоя Сu2S следующим этапом является создание перехода. Обычно его формируют с помощью термообработки в течении нескольких минут при температуре 150-200
oС. Условия проведения термообработки влияют на параметры гетероперехода. Происходят уменьшение шунтирующего сопротивления и увеличение напряжения холостого хода [4].
Однако слишком продолжительная термообработка приводит к снижению тока короткого замыкания Iкз. Нанесение слоя меди поверх Сu2S улучшает стехиометрию последнего и повышает стабильность элемента.
На основе CdS-Cu2S существует два типа фотоэлементов. В "тыльно-барьерных" элементах свет первоначально проникает в слой CdS, который имеет большую ширину запрещенной зоны. Во "фронтально-барьерных" элементах свет поглощается непосредственно в слое Сu2S [3].
Технология получения образцов ФСИ.
Для исследований использовались образцы, которые согласно классификации солнечных элементов можно отнести к тыльно-барьерному типу.
На стеклянную подложку с фабрично нанесенным прозрачным проводящим слоем двуокиси олова наносился слой CdS методом пульверизации водного раствора тиокарбамида и хлорида кадмия (ЭГДРЖ). При нагреве до 700oК образуется поликристаллическая пленка в результате пиролитической реакции:
ClS+CS(NH2)2+2H2O→CdS↓+2NH4Cl+CO2↑
Тонкий слой СdS формировался методом эндотермической реакции замещения в твердой фазе. Вакуумным испарением поверх наносился слой хлорида меди. При температуре более 360oК происходила диффузия компонентов, сопровождавшаяся химической реакцией замещения ионов Cd+ ионами Сu+ в твердой фазе:
CdS+2СuСl→CdCl2+CuS
после чего хлорид кадмия был удален промыванием образца в дистиллированной воде.
ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОПЕРЕХОДА CdS-Cu2S И ИХ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
§ 6. Общие понятия о сенситометрии.
Разнообразные фотографические методы, используемые для регистрации многих видов информации, характеризуются типичным физико-химическим единством. Все фотографические процессы основаны на применении веществ или приборов, прежде всего, обладающих светочувствительностью.
Сенситометрия - это раздел фотографической науки, связанный с измерением фотографических свойств фотоматериалов, обладающих чувствительностью к излучениям видимой и прилегающих к ней областей спектра, а также свойств получаемых на них фотографических изображений [11].
Для количественного определения характеристик фотоматериалов широко используется метод построения характеристических кривых, предложенный более ста лет назад Хертером и Дриффилдом.
Фотографическое почернение сильно реагирует на изменение условий освещения, и в первую очередь на количество освещения:
где Е - освещенность в плоскости эмульсионного слоя.
Если облучить слой светом любого спектрального состава серией возрастающих экспозиций и по данным измерения проявленных почернений построить зависимость оптической плотности D от логарифма количества освещения lgH , то полученная кривая, называемая характеристической, будет иметь S - образную форму, где различают следующие области (Рис. 9):
I- область недодержек;
II- область пропорциональной передачи или область нормальных экспозиций;
III- область передержек;
IV- область соляризации или область обращения.
В случаях исследования разных слоев при различных условиях экспонирования и проявления характеристические кривые, как правило, имеют подобную форму.
Если в области пропорциональной передачи взять две точки D1 и D2, то будет существовать зависимость:
где γ - коэффициент контрастности.
Отсюда следует:
где g - градиент плотности и gmax=γ.
На характеристической кривой выделяют следующие точки и параметры, которые могут быть использованы в роли критериев фотоматериалов (см. рис.9):
т.1 - порог почернения;
т.2 - точек инерции;
D0- плотность вуали;
L - фотографическая широта (интервал экспозиций в пределах области пропорциональной передачи).
Величина фоточувствительности зависит от сенситометрической системы, в которой она определяется. Существует несколько систем ГОСТ, немецкая система ДИН, американская ASA.
В системе ГОСТ фотографическая чувствительность обратно пропорциональна величине экспозиции соответствующей уровню оптической плотности, превышающему плотность вуали в 100.2 раза:
§ 7. Описание экспериментальной установки.
В настоящей работе рассматривается попытка охарактеризовать ФСИ на основе ГП CdS-Cu2S обладающего, как и фотоматериалы, способностью накопления, с помощью классических сенситометрических характеристик, разработанных для фотографических слоев и рассмотренных в предыдущей главе.
Процессы стирания изображения при облучении ИК-светом изучались на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис.10.
Образец устанавливался в камере, позволяющей изолировать его от попадания постороннего света. Освещение производилось двумя монохроматорами ИКС-12 и УМ-2. Монохроматор ИКС-12 использовался для возбуждения ФСИ в ИК - области спектра, а также для стирания информации. Свет через зеркало З поступал на образец.
§ 5. Технология изготовления гетеропары CdS-Cu2S.
Получение тонкопленочного CdS.
Основные методы изготовления гетероперехода в были разработаны при конструировании фотоэлементов. Впервые фотоэлемент с поликристаллическим слоем был изготовлен Карлсоном в 1956 г. В настоящее время для получения слоя применяют осаждение из паровой фазы, метод пульверизации, катодное распыление и спекание [10].
Осаждение из паровой фазы.
Чаще всего термическое испарение в вакууме проводится в открытых системах, в которых тигель и подложка устанавливаются в одном и том же объеме, ограниченном вакуумной камерой. Температура подложки, в процессе испарения, оказывает определяющее влияние на свойства осажденного материала. Оптимальное значение температуры составляет 180-200oС.
Тигель для испаряемого вещества обычно изготовляют из кварца. Испарение чистого CdS проводят при температуре тигля, приблизительно равной 1000oС; испаряемый материал можно загружать в тигель в виде порошка или гранул.
Несовершенство метода испарения в открытом вакууме заключается в загрязнении пленки, что связано с наличием примесей в системе для испарения, а также в необходимости проведения дополнительной рекристаллизации.
Катодное распыление.
В данном случае слои образуются катодным распылением в атмосфере инертного газа. Для этого можно использовать кадмиевый катод и такие газы как H2S/Ar или S/Ar. Ионы меди, образующиеся в результате диссоциации во время разряда, взаимодействуют с атомами кадмия на поверхности подложки.
Преимущество этого метода состоит в том, что химический состав получаемой пленки аналогичен составу катода.
Химическое осаждение методом пульверизации.
Метод пульверизации состоит в том, что на нагретую подложку разбрызгивается раствор, содержащий химические элементы, необходимые для получения CdS. Этот метод хорошо подходит для промышленного производства пленок CdS , благодаря его простоте и низкой стоимости. Метод пульверизации позволяет избежать значительных потерь порошка CdS , характерных для термического испарения. Подробное описание этого технологического процесса рассмотрен ниже, поскольку этот метод использовался для получения гетероперехода формирователя сигналов изображения.
Метод спекания.
Пленки CdS тонкого типа обычно изготовляют из смеси порошка CdS и CdCI2. Смесь наносят на подложку и затем нагревают до температуры 500-600oС. В процессе нагрева при температуре 568oС CdS начинает растворяется в расплаве CdCl2, который начинает испаряться при 400oС; таким образом наблюдается рекристаллизация. В процессе спекания, сплавление частиц и рекристаллизация происходят при относительно низкой температуре, и образующиеся пленки имеют структуру, близкую к монокристаллической.
Получение слоя сульфида меди.
Известно несколько способов получения слоев: взрывное и квазистанционарное термическое напыление, химическое осаждение из простых многокомпонентных растворов, реакции в твердой фазе, а также электролитическое нанесение.
Перед созданием слоя Cu2S полезна предварительная обработка поверхности CdS . При травлении в кислотах (например, в НСl) удаляются поверхностные примеси и увеличивается площадь границ зерен.
В настоящее время очень широко используется процесс окунания при получении слоя Cu2S . При окунаний происходит топотаксиальная реакция замещения одного иона кадмия двумя ионами меди в соответствии с формулой:
CdS + 2СuX → Cu2S + CdX2
где символом Х обозначен химический элемент который может быть например С1, Вr или I.
Эта реакция обычно осуществляется в водном растворе при температуре 90-100oС, некоторые же исследователи предпочитают использовать органический раствор. Недостатком метода является получение пленки Cu2S, неоднородной по толщине, что происходит из-за высокой подвижности ионов меди.
Вместо окунания, называемого "мокрым" методом иногда применяют "сухой" метод - испарение CuCI . При проведении термообработки после нанесения тонкого слоя CuCI на CdS происходит обмен ионов Cd+↔2Сu+.
Этот метод применялся при создании исследуемых образцов ФСИ. Его преимущество - устранение глубокой миграции Сu2S по границам зерен в слой CdS .
Метод непосредственного испарения Cu2S или Cu с последующим сульфинированием в бензольном растворе оказался малоэффективным, поскольку при пульверизации происходит значительное окисление Cu2S, что снижает КПД.
Формирование гетероперехода.
После получения слоя Сu2S следующим этапом является создание перехода. Обычно его формируют с помощью термообработки в течении нескольких минут при температуре 150-200
oС. Условия проведения термообработки влияют на параметры гетероперехода. Происходят уменьшение шунтирующего сопротивления и увеличение напряжения холостого хода [4].
Однако слишком продолжительная термообработка приводит к снижению тока короткого замыкания Iкз. Нанесение слоя меди поверх Сu2S улучшает стехиометрию последнего и повышает стабильность элемента.
На основе CdS-Cu2S существует два типа фотоэлементов. В "тыльно-барьерных" элементах свет первоначально проникает в слой CdS, который имеет большую ширину запрещенной зоны. Во "фронтально-барьерных" элементах свет поглощается непосредственно в слое Сu2S [3].
Технология получения образцов ФСИ.
Для исследований использовались образцы, которые согласно классификации солнечных элементов можно отнести к тыльно-барьерному типу.
На стеклянную подложку с фабрично нанесенным прозрачным проводящим слоем двуокиси олова наносился слой CdS методом пульверизации водного раствора тиокарбамида и хлорида кадмия (ЭГДРЖ). При нагреве до 700oК образуется поликристаллическая пленка в результате пиролитической реакции:
ClS+CS(NH2)2+2H2O→CdS↓+2NH4Cl+CO2↑
Тонкий слой СdS формировался методом эндотермической реакции замещения в твердой фазе. Вакуумным испарением поверх наносился слой хлорида меди. При температуре более 360oК происходила диффузия компонентов, сопровождавшаяся химической реакцией замещения ионов Cd+ ионами Сu+ в твердой фазе:
CdS+2СuСl→CdCl2+CuS
после чего хлорид кадмия был удален промыванием образца в дистиллированной воде.
 |
| |
| Рис.8. Слоистая структура гетероперехода ФСИ. |
ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОПЕРЕХОДА CdS-Cu2S И ИХ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
§ 6. Общие понятия о сенситометрии.
Разнообразные фотографические методы, используемые для регистрации многих видов информации, характеризуются типичным физико-химическим единством. Все фотографические процессы основаны на применении веществ или приборов, прежде всего, обладающих светочувствительностью.
Сенситометрия - это раздел фотографической науки, связанный с измерением фотографических свойств фотоматериалов, обладающих чувствительностью к излучениям видимой и прилегающих к ней областей спектра, а также свойств получаемых на них фотографических изображений [11].
Для количественного определения характеристик фотоматериалов широко используется метод построения характеристических кривых, предложенный более ста лет назад Хертером и Дриффилдом.
Фотографическое почернение сильно реагирует на изменение условий освещения, и в первую очередь на количество освещения:
| Н=E·t | (16) |
где Е - освещенность в плоскости эмульсионного слоя.
Если облучить слой светом любого спектрального состава серией возрастающих экспозиций и по данным измерения проявленных почернений построить зависимость оптической плотности D от логарифма количества освещения lgH , то полученная кривая, называемая характеристической, будет иметь S - образную форму, где различают следующие области (Рис. 9):
I- область недодержек;
II- область пропорциональной передачи или область нормальных экспозиций;
III- область передержек;
IV- область соляризации или область обращения.
 |
| |
| Рис.9. Характеристическая кривая. |
В случаях исследования разных слоев при различных условиях экспонирования и проявления характеристические кривые, как правило, имеют подобную форму.
Если в области пропорциональной передачи взять две точки D1 и D2, то будет существовать зависимость:
 | (17) |
где γ - коэффициент контрастности.
Отсюда следует:
 | (18) |
где g - градиент плотности и gmax=γ.
На характеристической кривой выделяют следующие точки и параметры, которые могут быть использованы в роли критериев фотоматериалов (см. рис.9):
т.1 - порог почернения;
т.2 - точек инерции;
D0- плотность вуали;
L - фотографическая широта (интервал экспозиций в пределах области пропорциональной передачи).
Величина фоточувствительности зависит от сенситометрической системы, в которой она определяется. Существует несколько систем ГОСТ, немецкая система ДИН, американская ASA.
В системе ГОСТ фотографическая чувствительность обратно пропорциональна величине экспозиции соответствующей уровню оптической плотности, превышающему плотность вуали в 100.2 раза:
 | (19) |
§ 7. Описание экспериментальной установки.
В настоящей работе рассматривается попытка охарактеризовать ФСИ на основе ГП CdS-Cu2S обладающего, как и фотоматериалы, способностью накопления, с помощью классических сенситометрических характеристик, разработанных для фотографических слоев и рассмотренных в предыдущей главе.
Процессы стирания изображения при облучении ИК-светом изучались на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис.10.
Образец устанавливался в камере, позволяющей изолировать его от попадания постороннего света. Освещение производилось двумя монохроматорами ИКС-12 и УМ-2. Монохроматор ИКС-12 использовался для возбуждения ФСИ в ИК - области спектра, а также для стирания информации. Свет через зеркало З поступал на образец.
 |
| |
| Рис.10. Блок-схема измерительной установки. |