Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 | Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 9 УДК 621.315.592 Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра Об з о р й Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получен 14 ноября 2002 г. Принят к печати 14 ноября 2002 г.) В последние годы в связи с требованиями медицины, биологии, военной техники и проблемой Дозоновой дырыУ сформировалась ультрафиолетовая фотоэлектроника. Ее особенностью является необходимость регистрировать слабые, но сильно влияющие на жизнедеятельность человека сигналы на фоне мощного видимого и инфракрасного излучения. Основой ультрафиолетовой электроники являются: p-n-структуры на основе Si, барьеры Шоттки на основе GaP, p-n-структуры и барьеры Шоттки на основе GaN и AlGaN (солнечно-слепые приборы), SiC-структуры с потенциальными барьерами (высокотемпературные приборы), ZnO- и ZnS-фоторезисторы и диоды Шоттки.

В обзоре приведены параметры исходных широкозонных полупроводников, описаны физические основы процесса фотоэлектропреобразования, принципы создания омических контактов, представлены характеристики приборов и предполагаемые направления дальнейших исследований.

1. Введение для светоизлучающих диодов. Однако необходимость в солнечно-слепых фотоприемниках, главным образом В настоящее время в мире интенсивно развиваются для регистрации пламени ракет, вызвала в последние полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для 5-10 лет Днитридный бумУ Ч интенсивно осваиваютультрафиолетовой (УФ) области спектра в связи с ся широкозонные полупроводники: GaN, AlN, твердые требованиями:

растворы на их основе. Ежегодно проводятся научные - помехоустойчивой УФ локации;

конференции, появляются новые научные журналы по - экологии (например, для контроля Дозоновой дырыУ нитридам и родственным полупроводникам. В настоянад Землей);

щее время актуальной проблемой является разработка - биотехнологии (синтез витаминов D2 и D3);

технологии высококачественных нитридов с парамет- медицины (физиотерапия, аутотрансфузия крови, прорами, близкими к теоретическому пределу, так как филактика простудных заболеваний, защита от канцеэто позволит существенно повысить обнаружительную рогенного излучения).

способность приборов.

Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи, Второй основной задачей была разработка фотоособенно структуры с потенциальным барьером, имеют электропреобразовательных структур и исследование высокую эффективность, малые вес и габариты, не механизма фотоэлектропреобразования в них. Фоторечувствительны к магнитным полям, имеют большую зисторы имеют высокую фоточувствительность, могут надежность, чем стеклянные вакуумные фотоэлементы, работать в режиме умножения, однако не могут работать обладают способностью к накоплению заряда в режиме фотоэлектрогенератора и имеют нелинейную и интегрированию детектируемого сигнала.

зависимость фототока от плотности потока излучения.

Первой проблемой, которая стояла перед производиПоэтому развитие приемников пошло в основном по телями этих приборов, была проблема материаловедепути создания структур с потенциальным барьером: они ния широкозонных полупроводников. Ультрафиолетовая имеют высокий импеданс, который позволяет использофотоэлектроника начиналась в 60-е годы 20-го века с вать их в фокальной плоскости считывающих устройств, кремниевых приборов, поскольку Si был освоен прокроме того, они могут работать при высоких частотах мышленностью и к этому времени уже хорошо зареи совместимы с технологией интегральных схем. Осокомендовал себя в качестве материала для солнечных бенно привлекательны для УФ области диоды Шоттки, элементов. В то же время высокая чувствительность так как коротковолновое излучение поглощается в обкремниевых фотоприемников к видимому и особенно ласти с высоким электрическим полем, что существенно к инфракрасному (ИК) излучению потребовала исповышает быстродействие и квантовую эффективность.

пользования более широкозонных полупроводников, и В этой связи актуальной проблемой является создание в 80-90-е годы наиболее распространенным становиттеории фотоэлектропреобразования, которая позволила ся GaP, который к этому времени уже применялся бы выбрать оптимальную конструкцию и технологию E-mail: tblank@delfa.net приборов.

1 1026 Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг Таблица 1. Классификация УФ излучения [1,2] Область максимального Спектральная область, мкм h, эВ эффекта, мкм Ультрафиолетовое излучение 0.01-0.38 3.2-Ближнее УФИ 0.20-0.38 3.2-6.Длинноволновое (UV-A) 0.315-0.38 3.2-3.Средневолновое (UV-B) 0.28-0.315 3.9-4.Коротковолновое (UV-C) 0.20-0.28 4.4-6.Дальнее (вакуумное) УФИ 0.01-0.20 6.2-Near UV 0.3-0.4 3.1-4.Middle UV 0.2-0.3 4.1-6.Far UV 0.1-0.2 6.2-12.Extreme UV 0.01-0.1 12.4-Пигментационное 0.3-0.66 1.9-4.1 0.36-0.Эритемное 0.28-0.31 4.0-4.4 0.0.20-0.28 4.4-6.2 0.Витаминообразующее 0.249-0.315 3.93-4.98 0.Бактерицидное 0.21-0.31 4.0-5.9 0.Канцерогенное 0.20-0.30 4.1-6.Ожоговое < 0.25 > Третьей задачей является разработка селективных и и условно делится на ближнюю и дальнюю (вакуумную) полосовых солнечно-слепых приборов и приборов для области (табл. 1) [1,2].

отдельных участков УФ области спектра (эритемного, бактерицидного, витаминообразующего, канцерогенно2.2. Применение го). Если проблема солнечно-слепых приборов в основЗа 200 лет со времени открытия УФИ выявились ном решена на основе использования твердых растворов основные области применения УФИ и приборов для его GaN-AlN, то проблема селективных приборов еще регистрации [2Ц11]:

только начинает рассматриваться.

- медицина Ч физиотерапия, аутотрансфузия крови, Четвертой задачей является омический контакт к облучение людей солнечным светом;

широкозонным полупроводникам. На технологическом - сельское хозяйство Ч парниковая и тепличная агроуровне было испробовано много различных металлов технология;

и их комбинаций, и получены низкоомные контакты к - биотехнология Ч синтез витаминов D2 и D3;

сильно легированным материалам, однако по-прежнему - обеззараживание воды, воздуха, одежды, инструменне существует общей теории контакта, проблемой являтов и продуктов питания при длительном хранении и ется создание контакта к слабо легированному полупрово время эпидемий;

воднику, и не ясно, в результате каких процессов барьер - астронавигация и ультрафиолетовая локация (в доШоттки необратимо переходит в омический контакт.

полнение к инфракрасной локации);

Наконец, пятая проблема Ч это применение УФ де- астрономия Ч получение информации о физических текторов для мониторинга окружающей среды, в частпроцессах в космических объектах, способных излуности для изучения Дозоновой дырыУ: составление карт чать УФИ;

УФ климата в различных областях Земли, моделирова- материаловедение Ч определение состава веществ и ние процессов, происходящих при разрушении озоновоэлектронной структуры элементов;

го слоя, разработка способов восстановления озонового - экология Ч проблема озоновой дыры, обнаружение слоя.

загрязнений окружающей среды;

- ядерная физика и энергетика Ч регистрация ядерных частиц с помощью сцинтилляторов;

2. Ультрафиолетовое излучение - дефектоскопия, криминалистика, искусствоведение Ч люминесцентный анализ вследствие способности ря2.1. Классификация да веществ люминесцировать под действием УФИ.

Ультрафиолетовое излучение (УФИ) занимает В последние годы большое внимание уделяется спектральную область в интервале длин волн = исследованию влияния УФИ на человека, во многом = 0.01-0.38 мкм (энергии фотонов h = 3.2-124 эВ) [1] вследствие проблемы Дозоновой дырыУ и роста Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра... - бактерицидное излучение способно убивать различные виды бактерий и вирусов;

- канцерогенное излучение приводит к разрушению ДНК в клетках человека и вызывает раковые заболевания.

2.3. Проблема Дозоновой дырыУ Озон (O3) Ч аллотропное видоизменение кислорода, имеет плотность по воздуху 1.62, температуру плавления -192.7C, температуру кипения -112C. Озон образуется из кислорода при облучении его УФИ с энергией фотонов h >5.12 эВ ( <0.242 мкм):

3O2 + 68 ккал 2O3.

Коэффициент поглощения света газообразным озоРис. 1. Приблизительный спектр излучения Солнца в УФ ном (рис. 1) в видимой области спектра очень мал области вне земной атмосферы [9] (1), на поверхности Земли, на уровне океана, при высоте Солнца 45, в ясную безоб- (< 0.06 см-1), но в УФ области при = 0.2-0.3мкм лачную погоду [10] (2), а также спектр поглощения света (полоса Хартмана) достигает значений 150 см-1, причем озоном [7] (3).

максимум поглощения [7] расположен при 0.2553 мкм.

В земной атмосфере основное количество озона (озоновый слой) находится на высотах 10-50 км от поверхности Земли (стратосфера) с максимумом на 20-25 км. Плотность воздуха на этих высотах очень мала, но если привести ее к нормальным условиям (760 мм рт. ст., 0C), то средняя толщина озонового слоя оказывается равной 2.5-3мм (на экваторе 2 мм, вблизи полюсов 4мм) [7]. Общее содержание озона в стратосфере или в отдельных ее частях обычно измеряется в добсоновских единицах (DU): 100 DU соответствуют 1 мм толщины чистого озона, приведенного к нормальным условиям; таким образом, общее содержание озона в стратосфере составляет в среднем 250-300 DU.

Общее содержание озона определяется равновесием между образованием, переносом и разрушением озона.

Разрушение озона может происходить согласно циклу Чэпмана Ч O3 + O 2O2, Рис. 2. Спектр относительного воздействия различных видов УФ излучения [2Ц6,11]: 1 Ч пигментационного, 2Чэрино более существенным является каталитический темного, 3 Ч витаминообразующего, 4 Ч бактерицидного, цикл Ч 5 Ч разрушающего ДНК.

X + O3 XO + O2, XO + O X + O, X O3 + O - 2O количества раковых заболеваний. Влияние УФИ на человека различно при различных длинах волн и где катализаторами X могут быть, например, радикалы может быть разделено на несколько перекрывающихся OH, H, NO, Cl, Br, причем последние два Чнаиболее спектральных областей (рис. 1, 2, табл. 1):

актуальны [8,12Ц14].

- пигментационное излучение вызывает образование Естественная убыль озона происходит из-за появления меланина в коже (загар); в атмосфере атомов Cl и Br из CH3Cl и CH3Br вслед- эритемное (биологически активное) излучение явля- ствие биологических процессов в океане и разложения ется наиболее полезным для человека видом УФИ, биомассы, а также вследствие образования сульфатов поскольку укрепляет кровеносную и иммунную си- при извержении вулканов [15]. Актуальной является стему; также искусственная убыль озона вследствие появления - витаминообразующее излучение необходимо для син- в атмосфере хлоридов за счет антропогенных факторов.

теза организмом витаминов группы D; Первым источником ClOx (начиная с 20-х годов) был 1 Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып. 1028 Т.В. Бланк, Ю.А. Гольдберг Таблица 2. Изменение со временем общего содержания над Арктикой стало меньше на 8-12% по сравнению озона и площади ДозоновойУ дыры над Антарктидой (площадь с 1979-1980 гг. [8]. В средних широтах общее содеробласти, где общее содержание озона < 220 DU) жание озона уменьшается не так сильно, но устойчиво.

Например [21], в Саппоро (43 N) количество озона Общее содержание Площадь Дозоновой зимой-весной 1992 г. уменьшилось на 10-15% по сравГод озона, DU дырыУ, 106 кмнению с 1985 г., причем это уменьшение происходило главным образом на высоте 24 км.

1978 Спутниковые измерения последних лет показали 1979 210 0.устойчивое уменьшение общего содержания озона в 1980 195 0.1981 206 0.24 средних широтах северного и южного полушарий 1982 182 ( 2-4% в десятилетие) и отсутствие значительных 1983 170 6.изменений содержания озона в тропиках. В северном 1984 154 9.полушарии наибольшие потери озона происходили на 1985 143 13.высоте 40 км над уровнем моря (7.4 2% в десятиле1986 159 9.тие), на высоте 20 км (5.1 1.8% в десятилетие) и на 1987 121 19.высоте 15 км (7.3 4.6% в десятилетие) [22].

1988 179 8.Озоновый слой предотвращает попадание на Землю 1989 124 18.вредного УФ излучения Солнца с = 0.2-0.3мкм, 1990 126 17.вызывающего разрушение ДНК и раковые заболевания.

1991 110 18.1992 121 21.2 Из-за уменьшения толщины озонового слоя увеличива1993 85 21.ется плотность потока УФИ, достигающего Землю, осо1994 90 бенно в биологически опасной области спектра. Например, при уменьшении общего содержания озона от Примечание. Измерения [20] проводились в разные годы в интервале до 240 DU со скоростью 0.12 DU в день плотность пото15 сентября-15 октября с помощью спутников TOMS/Метеор-3.

ка биологически опасного излучения (0.305-0.34 мкм) в Тибете [23] при высоте Солнца 30 возрастала со CCl4 Ч распространенный индустриальный растворискоростью 0.13 мВт/м2 в день. Аналогичные зависимости тель [16], а затем, начиная с 30-х годов Ч хлорфторнаблюдались и в Европе [24]. Измерения в Рейкьявике, углероды (фреоны). В настоящее время источниками Брюсселе, Гармише и Салониках при зенитном угле хлорфторуглеродов являются [17]: кондиционеры (19%), показали, что уменьшение общего содержания озона производство пенопластов и пеноизоляторов (28%), хоот 360 до 300 DU в 1990-1997 гг. является основлодильники (9%), растворители (12%), аэрозоли (5%), ным фактором долговременного возрастания плотности стерилизаторы (4%) и другие (22%).

потока излучения на длине волны 0.305 мкм в 1.7 раза.

В результате естественных и искусственных проЭпидемиологические исследования в США показали, цессов количество озона в атмосфере существенно что с уменьшением толщины озонового слоя и ростом уменьшается, причем [18Ц20]:

интенсивности биологически опасного УФИ нелинейно 1) в высоких широтах уменьшается больше, чем вблизи и значительно возрастает частота раковых заболеваний.

экватора; Так, при уменьшении общего содержания озона на 5% 2) изменяется в течение года; например, минимальное число заболеваний возрастает на 11-13% [25]. Если количество озона в районе южного полюса наблюда- не предпринимать никаких действий по сокращению ется в сентябре-октябре;

производства хлорфторуглеродов, то к 2075 г. может 3) уменьшается от года к году, во всех местностях, осо- разрушиться половина озонового слоя, при этом число бенно в высоких широтах; за 10 лет (1988-1998 гг.) заболеваний раком на Земле возрастет до 154 млн слуобщее содержание озона над Землей уменьшилось чаев в год (против нынешних 9.5 млн), а число умерна 5-8%.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 9 |    Книги по разным темам