Оптические регистрирующие среды на основе полупроводниковых M(TI)S-структур с тунельно-тонким диэлектриком (TI).
Скачать 393.64 Kb.
|
| На правах рукописи КАШЕРИНИНОВ Петр Георгиевич Оптические регистрирующие среды на основе полупроводниковых M(TI)S-структур с тунельно-тонким диэлектриком (TI). 01.04.10- физика полупроводников Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Санкт-Петербург 2011г. Работа выполнена в учреждении Российской академии наук в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАНОфициальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор Юрий .Михайлович.Таиров ЛЭТИ им.В.И.Ленина Доктор физико-математических наук профессор Рубен Павлович Сейсян ФТИ им.А.Ф.Иоффе, Доктор физико-математических наук, Профессор Дмитрий Анатолиевич Фирсов СПбГПУ.С.-Петербург Ведущая организация –Балтийский Государственный Технический Университет ”Военмех”, Санкт-Петербург. Защита состоится “20 “октября 2011г. на заседании диссертационного совета Д 002.205.02 учреждения Российской академии наук Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021,Санкт-Петербург,Политехническая ул.,26 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФТИ им. А.Ф. Иоффе Автореферат разослан “ “ 2011г Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Л.М. Сорокин Общая характеристика работы Актуальность темы: Оптические регистрирующие среды являются основой новых быстро развивающихся направлений науки и техники таких как: оптоэлектроника, робототехника, оптическая обработка информации, системы технического зрения, системы искусственного интеллекта, оптические компьютеры, системы навигации и т.д. Регистрирующая среда это твердотельное устройство, способное быстро переносить оптическую информацию с одного светового потока на другой, усиливать изображение по яркости, преобразовывать их по спектру и когерентности, выполнять операции вычитания, дифференцирования и т. д. [1,2]. Для того чтобы перенести информацию с одного светового потока на другой, необходима оптическая среда, например, материал, свойства пропускания которого зависят от интенсивности записывающего светового потока или импульса. Светоуправляемые оптические логические элементы на базе этих регистрирующих сред представляют собой устройства, в которых один световой поток или импульс непосредственно управляет параметрами другого светового потока без промежуточного преобразования в электрический сигнал и обратно. В настоящее время используются два основных принципа функционирования оптических регистрирующих сред на полупроводниковых структурах: 1) за счет перераспределения напряженности электрического поля под действием записывающего света в двухслойных структурах на электрооптических кристаллах (модуляторы света на MIS-структурах типа ”PROM” и модуляторы света на двухслойных структурах: фотопроводник-жидких кристаллах и структурах МДП-ЖК (MIS-LC) [3]), 2) за счет изменения характеристик среды под действием записывающего света, например, коэффициентов его преломления или поглощения (эффект оптической бистабильности) [5-13]. Эти принципы функционирования регистрирующих сред используются в оптической обработке информации уже в течение нескольких десятков лет, при этом постоянно совершенствуются параметры регистрирующих сред, функционирующих на основе этих принципов, увеличивается быстродействие светоуправляемых оптических приборов, реализуемых на их основе. В настоящее время наибольшее быстродействие регистрирующих сред достигнуто на двухслойных структурах МДП-ЖК и составляет 102-103 цикл/с [6-14 ].В то же время современной технике (системам технического зрения, искусственного интеллекта, оптических компьютеров и т.д.) необходимы устройства для обработки изображений с быстродействием на несколько порядков выше (до 106 цикл/с). Работы по совершенствованию параметров известных регистрирующих сред и разработке новых типов быстрых оптических регистрирующих сред интенсивно проводятся в мире. Для резкого увеличения быстродействия необходимы регистрирующие среды нового типа, работающие на принципах, отличных от используемых в настоящее время. Целью работы является: 1–разработка новых физических принципов быстрой записи изображений на зарядах свободных фотоносителей в полупроводниковых структурах с быстродействием до 106цикл/с. 2-разработка конструкции и технологии полупроводниковых структур для оптических регистрирующих сред, работающих на этих принципах на основе МIS-структур с тонким наноразмерным слоем диэлектрика (TI) толщиной 2-5 нм, (M(TI)S-структурах) с быстродействием до 106цикл/с. 3-разработка на базе регистрирующих сред на M(TI)S-структурах новых типов быстрых светоуправляемых приборов для (ВОЛС) и систем обработки изображений с быстродействием до 106цикл/с: -фотонные ключи для (ВОЛС) и цифровых оптических вычислителей на n-p(TI)M-структурах на кристаллах (CdTe, GaAs), -фотодетекторы с оптически управляемой областью фоточувствительности, -фотодетекторы для записи, измерения, и сравнения сигналов изображений, -оптоэлектронные корреляторы изображений некогерентного света Научная новизна Научная новизна работы связана с изучением мало исследованного явления обратимой перестройки напряженности электрического поля в MIS-структурах с тонким наноразмерным диэлектриком (TI), ((M(TI)S-структура) при освещении на зарядах свободных фотоносителей при протекании сквозных фототоков монополярной инжекции. Исследования включали: a) изучение пространственно-временного распределения напряженности электрического поля в объеме M(TI)S-структур различной модификации при освещении, после включения (выключения) света: -с варьируемой толщиной TI-слоя, -на ”чистых” и ”компенсированных” высокоомных кристаллах, - на кристаллах, содержащих n-p переход (n-p(TI)M-структуры) b) изучение воздействия фотостимулированной обратимой перестройки напряженности электрического поля в M(TI)S- структурах на фотоэлектрические характеристики структур: -на высокоомных ”чистых” кристаллах (CdTe) c малой концентрацией примесных уровней (Nt<1013см-3), -на высокоомных ”компенсированных” кристаллах CdTe,GaAs с высокой концентрацией примесных уровней (Nt>1015см-3). 1.Показано, что: - фотоэлектрические характеристики M(TI)S-структур с наноразмерным слоем диэлектрика на высокоомных “чистых” кристаллах CdTe с малой концентрацией примесных центров (Nt<1013cм-3) полностью определяются явлением пространственно-временной перестройки напряженности электрического поля в кристалле такой структуры за счет зарядов свободных фотоносителей. Время установления зарядов в таких структурах соизмеримо с временем пролета носителей, распределение напряженности электрического поле в структуре не меняется со временем экспозиции. - фотоэлектрические характеристики M(TI)S-структур на “компенсированных” кристаллах CdTe,GaAs с высокой концентрацией примесных уровней (Nt>1015см-3) определяются как пространственно-временной перестройки напряженности электрического поля за счет зарядов фотоносителей, так и появлением дополнительных инжекционных токов в кристалл со стороны TI-слоя, - появление инжекционных токов в таких структурах способствуют ограничению и стабилизации распределения напряженности электрического поля со временем при освещении, резкому уменьшению времени рассасывания записанного заряда на примесных уровнях после выключения освещения и увеличению быстродействия таких структур на ”компенсированных” кристаллах. 2.Разработана оригинальная фотоэлектрическая методика обнаружения инжекционных токов в M(TI)S-структурах на “компенсированных” кристаллах при освещении, основанная на измерении термостимулированных токов (ТСТ) в таких структурах после их дозированного освещения. 3. Разработаны способы считывания изображений, записанных на зарядах фотоносителей в полупроводниковых M(TI)S и n-p(TI)M-структурах путем регистрации величины фототока на выходе структуры от действия считывающего светового потока, освещающего поверхность структуры со стороны TI-слоя при включенном записывающем световом потоке. Фототок от действия считывающего светового потока содержит информацию о величине и конфигурации записанного в кристалле n-p(TI)M-структуры изображения. 4. Результаты проведенных исследований позволили предложить новый способ оптической записи и считывания изображений в полупроводниковых M(TI)S и n-p(TI)M-структурах в виде распределенной плотности зарядов свободных фотоносителей в кристалле, быстро вытекающих из структуры после выключения записывающего светового потока, что исключает необходимость проведения операции стирания при перезаписи изображений и увеличивает их быстродействие до 106 цикл/с. Практическая значимость результатов работы: 1. Разработана конструкция полупроводниковых структур для записи и считывания изображений на зарядах свободных фотоносителей на основе МIS-структур с тонким наноразмерным слоем диэлектрика (TI), (M(TI)S-структур) 2. Предложены и реализованы быстрые оптические регистрирующие среды на M(TI)S-структурах, содержащие n-p переход (n-p(TI)S-структуры) как на ”чистых” кристаллах (CdTe) с малой концентрацией примесных центров (Nt<1013 см-3), так и на компенсированных кристаллах (CdTe,GaAs) с большой концентрацией примесных центров (Nt>1015см-3) для записи изображений с быстродействием до 104–106 цикл/с. 3.На n-p(TI)M-структурах предложены и реализованы нового типа быстрые светоуправляемые приборы для волоконно оптических линий связи (ВОЛС) и систем оптической обработки изображений с быстродействием существенно превосходящим известные аналоги на структурах на жидких кристаллах (МДП-ЖК): -светоуправляемый оптический затвор, -фотодетектор с оптически управляемой областью фоточувствительности, -оптоэлектронный коррелятор изображений некогерентного света. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XIII и XIV Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Минск 1988, Ленинград1991; Международной конференции по электронным материалам (Страсбург 1992г.), Всесоюзных конференциях: ”Физика и применение контакта металл-полупроволник“ (Киев 1987); XI конференция по физике полупроводников (Кишинев 1989); конференция ”Фотоэлектрические явления в полупроводниках (Ташкент 1989); I и II конференции по оптической обработке информации (Ленинград 1988, Фрунзе 1990), Конференция: Лазеры, Измерения, Информация.(Санкт-Петербург, 2002-2008г); Четвертый международный семинар “Российские технологии для индустрии“ (С.Петербург,2000); Fifth ISTC Scientiefic Advisory Committee Seminar, Nanotechnologies in the area of physics chemistry and biotechnology (St-Petersburg, Russia, 2002); Partnership Development in Russia/CIS, 2nd ISTS-Samsung forum,(Moscow 2003); 12 th International Symposium Nanostructures: Physics and Technology (St Peterburg, Russia 2004); Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (Фотоника 2008, Новосибирск 2008) и др. Личное участие автора явилось определяющим в разработке направления и получении научных результатов, изложенных в диссертации, где обобщены результаты исследований, проводимых автором с 1969 года. Работа поддержана : - научной Программой Европейского Сообщества INCO COPERNICUS-96 (Контракт N0 IC15-CT96-0808(DG 12-CDPE)) (1997-2000)), -Федеральной целевой научно-технической программой: “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники (2002-2006г)”(Госконтракт 40.020.1.1.1157 по теме 01.40.01.08.02 ) Результаты работы защищены 10 авторскими свидетельствами и тремя Патентами России. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 71 наименования. Объем диссертации составляет 141 страниц печатного текста, в том числе 31 рисунка и 5 страниц цитируемой литературы Научные положения, выносимые на защиту: Положение1. Освещение M(TI)S(TI)M-структур “собственным” светом приводит к существенному перераспределению напряженности электрического поля в кристалле. При этом в результате накопления свободных носителей в кристалле электрическое поле смещается к темновому электроду и может увеличиваться близи него более, чем на порядок.. Положение2 Время установления стационарного электрического поля в M(TI)S(TI)M-структурах при освещении определяется временем установления сквозного фототока в структуре и не зависит от времени экспозиции. Положение3 После выключения освещения напряженность электрического поля в M(TI)S(TI)M-структурах возвращается к своему темновому значению благодаря наличию туннельно прозрачного диэлектрика (TI), позволяющего записанному заряду свободных носителей покидать структуру после выключения освещения за время единиц микросекунд. Положение4 Определена прозрачность туннельной тонких диэлектрических слоев (TI) в M(TI)S(TI)M-структурах, изучено воздействие прозрачности (TI)-слоев на параметры приборов, реализованных на их основе (фотонные ключи, корреляторы изображений) Положение5. Освещение n-p(TI)M-структур с обратно смещенным n-p переходом сопровождается резким уменьшением (на порядок) напряженности поля в области n-p перехода и возрастанием поля на участке кристалла вблизи (TI) слоя Положение6. Запись изображений на n-p(TI)M-структурах на “чистых” кристаллах (CdTe, Nt<1013см-3) осуществляется на зарядах свободных фотоносителей с быстродействием до 105-106 цикл/с. Положение7 Сопоставление сравниваемых изображений с эталонным на n-p(TI)M-структурах осуществляется путем регистрации фототока, возникаюшего при освещении поверхности структуры со стороны TI-слоя сравниваемым изображением. .. Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, указана научная новизна и практическая ценность результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, приводится список конференций и семинаров, на которых докладывались результаты работы. Первая глава диссертации носит обзорный характер, посвящена описанию существующих оптических регистрирующих сред, принципам их функционирования, описанию их параметров и принципиальных недостатков. В настоящее время известно два основных принципа функционирования оптических регистрирующих сред: -за счет перераспределения напряженности электрического поля в двухслойных структурах на электрооптических кристаллах под действием записывающего светового потока: модуляторы типа ПРОМ на MIS-структурах и модуляторы на жидких кристаллах (LC) типа МIS-LC и др.), - за счет изменения характеристик регистрирующей среды (коэффициентов ее преломления или поглощения) под действием записывающего света (эффект оптической бистабильности). В настоящее время практическое применение нашли лишь регистрирующие среды на двуслойных структурах, представляющие собой сочетание электрооптический-неэлектрооптический слои с непроходимой для фотоносителей границей раздела между ними. Принцип оптической записи информации (изображений) в двухслойных структурах заключается в преобразовании энергии излучения записывающего светового потока в изменение энергии электрического поля в структуре под действием записанного электрического заряд в объеме кристалла. Наличие непроходимой для носителей тока границы раздела между электрооптическим- неэлектрооптическим слоями приводит к сохранению зарядового рельефа после окончания цикла ”запись-считывание“ и вызывает необходимость проведения операции стирания записанного заряда при перезаписи изображений, что уменьшает быстродействие структур. Известные оптические регистрирующие среды на двуслойных структурах и на эффекте оптической бистабильности не могут обеспечить высокую скорость обработки изображений Для реализации быстрых регистрирующих сред необходимо разработать новые принципы быстрой оптической записи информации, нового типа структуры, работающих на этих принципах. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Общая характеристика кубического нитрида бора Группа полупроводниковых соединений типа aiiibv на основе бора одна из наименее изученных среди полупроводниковых соединений с алмазоподобной... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Роводимости контакта двух полупроводниковых кристаллов различного типа проводимости; закреплению знаний о природе электрического... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Роводимости контакта двух полупроводниковых кристаллов различного типа проводимости; закреплению знаний о природе электрического... | | Элективный курс по физике «Оптические явления и приборы» Программа элективный курс «Оптические явления и приборы.» разработан в рамках концепции «Предпрофильная подготовка учащихся 9 кл.»... |
 | Проект Профессиональный стандарт Специалист по проектному управлению... ... | | Урок: Оптические явления в атмосфере Оптические явления в атмосфере... Текст: элементарный учебник физики под редакцией академика Г. С. Ландсберга. Том №3. Издательство «Наука» Москва 1964г |
| 141980, Московская область, Дубна, ул. Жолио Кюри,6 Основы технологии связывания (сращивания) протонированных пластин кремния с гидрофильными подложками при получении структур кремний... | | Программа учебной дисциплины «Геохимия окружающей среды и ландшафтоведение» Целью дисциплины «Геохимия окружающей среды и ландшафтоведение» является формирование у студентов понимания целостности биосферы... |
| Пятая всероссийская конференция с международным участием «новые информационные... Цель конференции: обмен результатами исследований в области новых информационных технологий в исследовании сложных структур | | «особенности формирования солянокупольных структур в прикаспийской впадине» Ю. А. Воложа (1990) приурочена к зоне развития «глетчерообразных» соляно-купольных структур. При изучении особенностей строения площади... |
| Способ формирования эпитаксиальных пленок кобальта на поверхности полупроводниковых подложек | | Конспект Оборина Т. П Цель урока: формировать коммуникативную компетенцию учащихся на основе изученных ле, речевых и грамматических структур по теме «School... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Системы малой размерности в полупроводниках. Квантовые ямы, нити и точки. Множественные квантовые ямы и сверхрешетки. Классификация... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Целью работы является создание единого методического пространства как открытой развивающей образовательной среды, где обеспечивается:... |
| Классификация и система условных обозначений конденсаторов Конденсатор это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов(обкладок), разделённых диэлектриком и предназначенный... | | Подразделения охраны уголовно-исполнительной системы на фоне реформирования... Вания. Этому немаловажному процессу подверглись практически все сферы жизнедеятельности общества. После распада СССР и смутных 90-х... |
