CC BY
16
Abstract
The article concerns the new construction principles and circuitry of galvanomagnetic sensors with time conversion. The objective of the research is to stabilize modes of a signal transducer of the sensor of magnetic field based on the lateral double-collector magnetic transistor. The usage of the circuitry on the switching capacitors in the signal transducer of the sensor devices on the magnetic transistors has the particular relevance - unlike other galvanomagnetic transducers, including Hall sensors, the informative signals of magnetic transistors are not potential, but current circles. Thus, the replacement of the traditional resistive load of the collector circles of the magnetic transistors on the capacitors allows the realization of the time method of the measuring conversion.
The informative value of the measuring conversion is duration of time, during which voltage on the load capacitors of the collector circles of the magnetic transistors reaches a given threshold level. A counter, controlled by a comparator of voltage level, forms a digital code, which counts the number of the clock pulses, during which the capacitor is being charged.
The main result is the new circuit solution of the high stable magnetic transistor sensor with time transformation on the switching capacitors, which stabilizes the operation of the device at the voltage drift. The hardwaresoftware complex for the adjustment and examination of stability of the measuring transducer was designed. The results can be used in the magnetic field sensors that meet the requirements of the modern low-voltage energy efficient electronics.
Keywords: magnetic field sensor, magnetic transistor, stabilization
-□ □-
Приведено результати впливу гальмiвних гамма-KeaHmie, високоенергетичнихелектротв iгамма-ней-тротв на електричш та фотоелектричш властиво-стi фотоперетворювачаЫ2О—р-1^е. Запропоновано фiзичну модель електронних процеЫв, що вiдбува-ються у данш структурi при впливi рiзних титв опромтень. Здшснено порiвняння з тестовим соняч-ним елементом ITOSiO2n-Si
Ключовi слова: шаруватий кристал, селешд тдю, гамма-випромтювання, електронне випромтюван-
ня, нейтронне випромтювання
□-□
Приведены результаты влияния тормозных гамма-квантов, высокоэнергетических электронов и гамма-нейтронов на электрические и фотоэлектрические свойства фотопреобразователя In2Oj-p-InSe. Предложена физическая модель электронных процессов, которые происходят в данной структуре при влиянии разных типов облучений. Осуществлено сравнение с тестовым солнечным элементом ITO SiO2 n-Si
Ключевые слова: слоистый кристалл, селенид индия, гамма-излучение, электронное излучение,
нейтронное излучение -□ □-
УДК 621.315.292; 621.382.232
СТ1ЙК1СТЬ ФОТО-ПЕРЕТВОРЮВАЧА IN203—p-In Se ДО Р1ЗНИХ ВИД1В ОПРОМ1НЕННЯ
О.М . Сидор
Кандидат фiзико-математичних наук, науковий
ствроб^ник Чершвецьке вщд^ення 1нститут проблем матерiалознавства iM.
1.М.Францевича НАН УкраТни вул. I. Вильде, 5, м. Чершвщ, УкраТна, 58001 Контактний тел.: (0372) 52-51-55 E-mail: [email protected]
1. Вступ
Iснуючi на ринку KpeMHieBi фотодюди у бшьшоси випадюв деградують вже при порiвняно помiрних дозах радiацiï.
У цьому аспект значний штерес викликають аш-зотропш кристали групи A3B6, зокрема, селешд шдж. Ван-дер-ваальсовий зв'язок мiж його шарами дозво-
ляв отримувати тдкладки з малою густиною обiрва-них зв'язюв (<1010 см-2) та дов^ьно'! товщини (навггь мжронно'!), що у поеднанш з простою технолопею термiчного окислення дае можлившть створювати по-верхнево-бар'ерш дюди з високими питомими характеристиками [1]. Не менш важливим е факт кнування в шаруватих кристалах величезно! густини власних дефекив (до 1018 см-3), що е ключовим моментом для
©
1х використання в умовах високодозових радiацiйних навантажень.
2. Експериментальна частина
Монокристали InSe, легованi 0,2% кадмiю для отримання дiрковоi провiдностi, вирощувалися вер-тикальним методом Брiджмена. Для формування фоточутливого р-п-переходу використано метод термiчного вiдпалу на повiтрi [1]. Окислення нашв-провiдникових пiдкладок здiйснювали при темпе-ратурi 420°С упродовж 96 годин. У результат на iх поверхнi утворювалися однорiдно забарвленi шари в ласног о окси д у.
Середнi розмiри структур складали 5 х 5 х 0,1 мм3. Струмоз'емш контакти формувались пайкою ш-дieм. Фотоперетворювачi (ФП) In2О3-р-InSe во-лодiли наступними параметрами: напругою холостого ходу ихх=0,57-0,59 В, струмом короткого замикання ,|кз=4-6 мА/см2, коеф^ентом випрям-лення К=(2-4) 102, областю спектральноi чутливо-стi АЯ=0,46-1,01 мкм з максимумом при 0,66 мкм.
Опромшення проводилось: гальмiвними у-кван-тами (енерНя 0,5-11,5 МеВ при максимумi 3 МеВ) у дiапазонi доз 1,4-14 Мрад; електронами (енергiя 12 МеВ) у дiапазонi доз 0,3-33 Мрад; гамма-нейтронами (енергiя 0-30 МеВ при максимумi 8 МеВ) у дiапазонi флюенсiв 1012-1013 нем-2 та доз гамма-квантiв 70 крад-700 крад.
У ходi роботи дослщжувалися вольт-ампернi характеристики (ВАХ) структур на потенщостаи 8с-ЫитЬе^ег SI 1286. Вимiрювання спектрiв фоточут-ливостi проводилися за допомогою монохроматора МДР-23. Спектральний розподiл фотовiдгуку визна-чався вiдношенням фотоструму до юлькост фотонiв.
Усi вимiри проводилися при юмнатнш температу-
Pi.
3. Результати та ¡х обговорення
Поведiнку ВАХ ФП In2О3-р-InSe при у-опромь ненш представлено на рис. 1. Початковi дiлянки ВАХ ростуть за вщомим експоненцiальним законом
5 = 5 нас [exp(qU/nkT)-1], (1)
де ^нас - густина струму насичення, а п - коефвдент нещеальност ВАХ, проте, при и>0,3 В вже вщхиля-ються вiд нього. Головною причиною цьому е низька електропровщшсть селенiду iндiю перпендикулярно шарам [2]. Наслвдком е вiдносно великий послщовний опiр Яп дослiджуваних ФП (табл. 1). Коефвдент не-щеальност ВАХ набував значення п=1,6, що вказуе на одночасне iснування конкуруючих механiзмiв стру-мопрохождення: крiм дифузiйноi (п=1), у цих структурах мае мшце рекомбiнацiйна складова (п=2). Якщо врахувати, що при довготривалому окисленш пiд дiею термiчно шдукованих напруг обов'язково виникае пластична деформащя шаруватого кристалу [3], а ви-готовлення ФП, особливо малоi товщини (<100 мкм), може ii тшьки посилити, то стае зрозумiлою поява ре-комбiнацiйних струмiв. З шшого боку, високоенерге-
тичне випромiнювання створюе дефекти, якi зб^ьшу-ють концентращю рекомбiнацiйних центрiв в ОПЗ [4]. Для опромшених дозами гамма-квантiв 1,4-14 Мрад структур стале значення п (табл. 1) свщчить, що внесе-них радiацiйних дефектiв кiлькiсно менше, нiж влас-них дефектiв селешду iндiю.
п = 1.6/^1
-•-0 = 0
-о- = 1.4 Мгас)
Й , ! —о— £> = ] 4 Мгас1 1.1.
О 0.2 0.4 0.6 0.8
и, V
Рис. 1. Залежносп прямого струму J вщ напруги и ФП In2Oз—InSe до i пiсля гамма-опромiнення
Таблиця 1
Параметри ФП 1п203—^е та контрольно'! структури 1ТО^Ю2—п^ до i тсля гамма-опромiнення
Доза, Мрад 0 1,4 14
1п2О3-р-1п8е
К (при |и| = 1 В) 290 320 (+10) 285 (-2)
п 1,6 1,6 1,6
Uxx, В 0,58 0,58 0,58
мА/см2 5,1 5,0 (-2) 5,0 (-2)
Яп, Ом см2 215 224 (+4) 228 (+6)
81 (Я=0,98 мкм), мА/Вт 110 141 (+28) 144(+31)
8и (Я=0,98 мкм), В/Вт 1,8104 2,6 104 (+44) 2,6 1 04 (+44)
АЯ, мкм 0,46-1,01 0,47-1,01 0,48-1,01
1ТО-8Ю2-п^
Uxx, В 0,52 0,49 (-6) 0,45 (-13)
.и мА/см2 15,3 10,7 (-30) 7,3 (-52)
81 (Я=0,98 мкм), мА/Вт 150 36 (-76) 17 (-89)
8и (Я=0,98 мкм), В/Вт 1,2104 6,3 1 03 (-48) 2,0 103 (-83)
Прим1тка. Тут, i у наступних таблицях, у дужках приведет змти параметре опромтепих зразтв (у процентах) по тдношенню до неопромтепих
Спектри фотовiдгуку ФП In2Оз-р-InSe мали вид смуги, обмеженоi з двох сторш, що характерно для спектрiв гетеропереходiв (рис. 2). Для даноi структури властивий короткохвильовий спад фотоструму при Ьу > 2,0 еВ, що пов'язаний з утворенням промiжноi мiж плiвкою власного оксиду 1п203 та поверхнею шаруватого натвпроввдника фази In2(SeO4)3 [5]. Для дослщжуваного ФП спостерiгаеться тонка структура
спектра в довгохвильовш области яка вщповщае по-глинанню екситона свiтла в InSe. Порiвняння спектрiв фотовiдгуку ФП 1п203-р-1п8е не показало !х змш з опромiненням - зростають тшьки абсолютнi значен-ня фотоструму та пов'язаний з цим параметр моно-хроматично! ампер-ватно! чутливостi SI. Незмшшсть iнтенсивностi пiка екситона з опромшенням додатково свiдчить про структурну стшюсть шаруватого криста-лу. Розширення обласп спектрально! чутливостi АХ чи змша положення !! максимуму для даних об'екпв не спостерiгалися (табл. 1).
10"
10
10"
10'°
10"'
-»-0 = 0
-ч^ О = 0.33 Мгас!
I . 1 -о-£> = 33 Мгаа 1,1
о
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Рис. 3. Залежносп прямого струму J вiд напруги и ФП 1п203—^е до i пiсля електронного опромiнення
Рис. 2. Спектри фотовщгуку п(Ь^) ФП 1п203—^е до i пiсля гамма-опромiнення
Загалом (табл. 1), у дослщжуваному iнтервалi доз ФП на основi селешду iндiю демонструють високу стiйкiсть: змша ихх вiдсутня, коефiцiент випрямлення та ва фотоелектричнi параметри покращуються або зазнають мiнiмально'i деградацп (до 2%). У той же час, використаш дози гамма-радiацп були критичними для параметрiв контрольно! структури 1Т0-8Ю2-п-Si i викликали !! сильну деградащю (табл. 1). Так, фоточутливiсть кремшевого сонячного елементу при опромiненнi максимальною дозою впала на -90 %. Це ж стосуеться величин ихх та ,]кз: !х зменшення склало 13 та 52 %, вщповщно.
Прямi вiтки ВАХ ФП In2О3-р-InSe для рiзних доз електронного опромшення приведенi на рис. 3. Доза 0,33 Мрад не змшюе коефвдент п, несуттевий рiст вщ-буваеться й при дозi в 100 разiв бiльшiй.
На спектральних залежностях фотовщгуку ФП In2О3-р-InSe основнi змши помiтнi в короткохви-льовiй обласи (рис. 4). Порiвняно з неопромшеними зразками, квантова ефективнiсть фотоструму в цш областi пiсля опромiнення зростае, вщповщно зб^ь-шуеться величина повно! ширини !! спектра на натв-висотi з 0,6 до 1,0 еВ. При цьому, основний максимум при 2,0 еВ не змщуеться.
Поява нового тку при енергп 2,48 еВ, штенсив-шсть якого росте з дозою, може бути пов'язана з глибокими мiжзонними станами екситошв [6]. Для них екситони характеризуються бшьшою енерНею зв'язку (Еех=100 меВ), i, внаслiдок юшзацп силь-ним електричним полем вiдбуваеться !х дисоцiацiя i вклад у фотострум. Останне може виникати на локальних мжронеоднорщностях гетероштерфейсу, спричинених дiею високоенергетичних електрошв. Максимуми на спектрах фотоструму, що пов'язаш з iснуванням глибоких мiжзонних станiв екситонiв, спостерiгали також автори роботи [7] у випадку структури Au-n-InSe.
Рис. 4. Спектри фотовщгуку п(Ь^) ФП In2Oз—InSe до i пiсля електронного опромiнення
Шсля дози 0,33 Мрад спостерiгалося покращення всiх параметрiв ФП In2O3-InSe (табл. 2). Подальше опромшення призвело до падшня величини SI на 7% при росп SU на 45%. Аналопчну динамiку демонстру-вали параметри ,]кз i ихх. Як i у випадку гамма-опро-мiнення, тестова кремшева структура показала тiльки деградащю вщ 12 до 90 % сво!х параметрiв.
Таблиця 2
Параметри ФП 1п203—^е та контрольно! структури
1ТО^Ю2—п^ до i пiсля електронного опромшення
Доза, Мрад 0 0,33 33
1п203-р-1п8е
К (при |и| = 1 В) 235 270(+15) 225 (-4)
п 1,4 1,4 1,5 (+7)
ихх, В 0,55 0,56 (+2) 0,57 (+4)
мА/см2 4,5 4,8 (+7) 4,2 (-7)
Rп, Ом-см2 300 275 (-8) 325(+8)
81 (Х=0,98 мкм), мА/Вт 102 113(+11) 95 (-7)
8и (Х=0,98 мкм), В/Вт 1,1-104 1,3-104 (+18) 1,6-104 (+45)
ТТ0-8Ю2-п-81
ихх, В 0,49 0,43 (-12)
мА/см2 12,9 6,5 (-50)
8: (Х=0,98 мкм), мА/Вт 114 14 (-88)
8и (Х=0,98 мкм), В/Вт 9,2-103 9,7-102 (-90)
Аналiз ВАХ (рис. 5) дае можлившть констатува-ти, що опромiнення ФП гамма-нейтронами покращуе дiодний коефiцiент п, тобто дещо зменшуе рекомбша-цшну компоненту струму. Прямi струми збшьшують-ся, що вказуе на змшу величини послiдовного опору дослiджуваноi структури (табл. 3). Це, разом iз змен-шенням обернених струмiв, приводить до суттевого покращення коефiцiента випрямлення.
Флюенс, н/см2 0 1012 1013
In203-p-InSe
К (при |U| = 1 B) 360 720(+100) 890 (+147)
n 1,7 1,6 (-6) 1,6 (-6)
Uxx> В 0,52 0,59 (+14) 0,59 (+14) (+14)
Jk3, мА/см2 4,1 4,4 (+7) 3,8 (-7)
Rn, Омсм2 370 318 (-14) 362 (-2)
SI (Я=0,98 мкм), мА/Вт 109 104 (-5) 96 (-12)
SU (Я=0,98 мкм), В/Вт 1,9104 2,4-104 (+26) 2,3-104 (+21)
ДЯ, мкм 0,52-1,00 0,56-1,01 0,58-1,01
ITO-SiO2-n-Si
Uxx> В 0,52 0,44 (-15) -
Jk3, мА/см2 17,2 7,7 (-55) -
SI (Я=0,98 мкм), мА/Вт 171 8,6 (-95) -
SU (Я=0.98 мкм), В/Вт 1,6-104 2,1-103 (-95) -
1.0
0.8
d
3 06
-О
cd
0.4
0.2
0
-
- -«-Ф = 0
- -о. ф = Ю12 n/cm2
* -о- Ф = 10'3 п/сш2
Л, i 1
1.0
1.5
2.0
hv, eV
2.5
3.0
Рис. 5. Залежносп прямого струму J вiд напруги и ФП 1п203—^е до i пiсля гамма-нейтронного опромiнення
Таблиця 3
Параметри ФП 1п203—^е та контрольно!' структури 1ТО—SiO2—n-Si до i пiсля гамма-нейтронного опромшення
На фонi неопромiнених структур спектральна крива фотовщгуку опромшених зберiгае свiй хiд в усьому дiапазонi поглинутих енергiй, за винятком зменшення абсолютних значень фотоструму (рис. 6). На вах за-лежностях п(^) чiтко спостерiгаеться екситонний максимум при Е=1,25 еВ.
Також несуттево звужуеться область спектральноi чутливостi АХ при незмшному енергетичному поло-женш ii максимуму (табл. 3).
Рис. 6. Спектри фотовщгуку п(Ь^) ФП 1п203—^е до i пiсля гамма-нейтронного опромшення
Для початкового флюенсу гамма-нейтронного опромшення спостертлося збiльшення струму короткого замикання, напруги холостого ходу та вольт-ватноi чутливоси дослiджуваних структур; при подальшому опромiненнi погiршення стосувалося тшьки параме-трiв SI та ]кз (табл. 3).
У той же час, навiть перше опромшення гамма-нейтронами виявляеться катастрофiчним для параметрiв кремнiевоi структури (табл. 3). Величини SI i SU со-нячного елементу зменшились, вщпо-
вiдно, у 20 i 8 разiв. Це ж стосуеться параметрiв ихх та Jкз: 'х спад склав 15 i 55%, вщповщно.
Вiдомо [8], що при гамма- та електронному опро-мiненнях основним мехашзмом радiацiйного пошкод-ження е виникнення нерiвноважних пар Френкеля, а при гамма-нейтронному опромшенш - утворення крiм точкових, також кластерiв радiацiйних дефек-тiв. Покращення електричних i фотоелектричних характеристик ФП In2Oз-InSe можна зв'язати з радь ацшно-стимульованим упорядкуванням дефектноi структури шаруватого кристалу. Це призводить до зменшення питомого опору нашвпровщника, що е прямою причиною змши таких параметрiв як Яп та Jкз. Рiст саме вакансш селену, що пояснюеться особливо-стями шаруватоi структури, яка передбачае слабший зв'язок халькогену в гратцi, приводить до тдвищення фоточутливостi структур. При максимальних дозах накопичуеться велика юльюсть радiацiйних дефектiв i описанi вище явища уповiльнюються. Вiдбуваеться створення вакансшних кластерiв i рiст безлiчi м^ких кластерiв мiжвузлового типу. Зокрема, бiвакансiйний комплекс VIn+VSе у кристалах InSe вiдповiдае за без-випромiнювальнi центри рекомбшацп. Однак, вщсут-нiсть суттевих змш електричних та фотоелектричних параметрiв в опромiнених ФП доводить, що внесених рiзними видами високоенергетичного випромшюван-ня дефектiв не бiльше, шж власних дефектiв у шарува-тому селенвд iндiю.
Отриманi вище результати засвщчують високу ра-дiацiйну стшюсть InSe-ФП i дозволяють рекоменду-вати 'х для роботи в умовах значних дозових наван-тажень.
4. Висновки
1. Вплив опромшення гальмiвними у-квантами
дозами 1,4 - 14 Мрад на ФП In2O3-p-InSe, у щлому,
зводився до полшшення його електричних та фотое-
лектричних параметрiв чи, !х мжмально! деградацп (до 2%). Порiвняння спектрiв фотовщгуку показало тiльки зростання абсолютних значень фотоструму з опромшенням.
2. Встановлено, що для мжмально! дози (0,33 Мрад) електронного опромшення ввдбуваеться покращення в«х параметрiв дослiджуваних ФП, а для максимально! (33 Мрад) - незначш (до 7%) зниження струму короткого замикання та ампер-ватно! чутливосп, збшь-шення послщовного опору i коефiцiента п. Аналопчно у-квантам, вплив даного опромiнення зводиться до ви-никнення дефектiв по Френкелю.
3. Навиь для максимальних значень флюенса (1013 н/см2) гамма-нейтронного опромшення ильки
два параметри ФП In2O3-р-InSe зазнали незначного попршення (до 12%): струм короткого замикання та ампер-ватна чутлившть. Спектральний контур фото-вщгуку не змiнювться за винятком падшня його абсолютних значень. Опромшення призводить до утворення як точкових радiацiйних дефекив, так i ïx кластерiв.
4. Вiдсутнiсть значних змш електричних та фото-електричних параметрiв в опромiнениx ФП доводить, що внесених радiацiвю дефектiв не б^ьше, нiж влас-них дефектiв шаруватого кристалу.
У той же час, використаш дози i види випромшю-вань викликали сильну деградацiю тестово! структури ITO-SiO2-n-Si.
Лiтература
1. Kovalyuk, Z.D. Intrinsic conductive oxide-p-InSe solar cells [Текст] / Z.D. Kovalyuk, V.M. Katerynchuk, A.I. Savchuk, O.M. Sydor // Mater. Sci. Eng. B. - 2004. - V. 109. - P. 252-255.
2. Савицкий, П.И. Анизотропия электропроводности в моноселениде индия [Текст] / П.И. Савицкий, З.Д. Ковалюк, И.В. Мин-тянский // Неорганические материалы. - 1996. - Т.32, №4. - С. 405-409.
3. Bakhtinov, A.P. Formation of nanostructure on the surface of layered inse semiconductor caused by oxidation under heating [Текст] / A.P. Bakhtinov, Z.D. Kovalyuk, O.N. Sydor, V.N. Katerinchuk, O.S. Litvin // Physics of the Solid State. -2007. - V. 49, N. 8. - P. 1572-1578.
4. Вавилов, В.С. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах [Текст] / В.С. Вавилов, Н.А. Ухин. - М.: Атомиздат, 1969 - 310 c.
5. Balitskii, O.A. Thermodinamic study of AIIIBVI compounds oxidation [Текст] / O.A. Balitskii, V.P. Savchyn // Materials Science in Semiconductor Processing. - 2004. - V. 7. - P. 55-58.
6. Alekperov, O.Z. Interband photoconductivity in layer semiconductors GaSe, InSe and GaS [Текст] / O.Z. Alekperov, M.O. Godjaev, M.Z. Zarbaliev, R.A. Suleymanov // Solid State Communication. - 1991. - V. 77, N. 1. - P. 65-67.
7. Alekperov, O.Z. Intermediate type excitons in schottky barriers of A3B6 layer semiconductors and UV photodetectors [Текст] / O.Z. Alekperov, N.M. Guseinov, A.I. Nadjafov // Phys. stat. sol. (c). - 2006. - V. 3, N. 8. - P. 2669-2672.
8. Ahmed, S.N. Physics and engineering of radiation detection [Текст] / S.N. Ahmed. -London: Academic Press, 2007 - 764 p.
Abstract
The article presents the results of irradiation of In2O—p-InSe photoconverters by braking y-quanta, high-energy electrons and gamma-neutrons. In particular, their electrical and photoelectrical parameters were analyzed. The latest were compared to the similar parameters of test solar ITO-SiO2-n-Si element. For the initial doses, depending on the type of irradiation, the major changes consisted in:
- the improvement of the rectification factor K at 10-100% and the monochromatic volt-watt sensitivity SU at 18-44%;
- the maintenance or increase of voltage of idle running Uxx;
- the increase of the short-circuit current JK3 at 7% ( under the action of gamma-neutrons and electrons) and the monochromatic ampere-watt sensitivity of SI at 11-28% ( under the action of y-quanta and electrons).
In other cases, the listed parameters have been experiencing the minimal decline (up to 5%). The imperfection coefficient ВАХ n has remained constant or has even slightly improved (under the action of gamma-neutron). With further radiation, it was fixed: values Uxx, JK3, SU and SI were saved in case of y-quanta; Uxx and SU increased under the action of electrons, K value was significantly improved and Uxx was unchanged in case of gamma neutrons. The decline of the rest of the parameters was in the range 2-12%. The specific changes in the spectral contours of photoresponse were not detected (except the irradiation by electrons). The possible mechanisms of radiation damages were discussed. In case of y- and electron radiation, this is the generation of point defects - Frenkel pairs, in case of neutron radiation - formation of vacancy and internodal clusters. At the same time, the used doses and types of radiation have caused severe damage of ITO-SiO2-n-Si structure.
Keywords: layered crystal, indium selenide, gamma radiation, electron radiation, neutron radiation
