.

Фотоелектронні процеси в твердих розчинах на основі телуридів кадмію, ртуті в умовах природної і стимульованої трансформації дефектної системи: Авторе

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 4189
Скачать документ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Власенко Олександр Іванович

УДК 621.315.592

ФОТОЕЛЕКТРОННІ ПРОЦЕСИ В ТВЕРДИХ РОЗЧИНАХ
НА ОСНОВІ ТЕЛУРИДІВ КАДМІЮ, РТУТІ В УМОВАХ
ПРИРОДНОЇ І СТИМУЛЬОВАНОЇ ТРАНСФОРМАЦІЇ
ДЕФЕКТНОЇ СИСТЕМИ

01.04.10 – фізика напівпровідників і діелектриків

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня доктора
фізико-математичних наук

Київ – 1999
Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників Національної академії наук України

Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, професор Сизов Федір Федорович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідувач відділом;
доктор фізико-математичних наук, професор, Гнатенко Юрій Павлович, Інститут фізики НАН України, завідувач відділом;
доктор фізико-математичних наук, Берченко Микола Миколайович, державний університет «Львівська політехніка», професор кафедри.

Провідна установа: Чернівецький Державний університет ім. Юрія Федьковича, кафедра фізичної електроніки, Міністерство освіти України, м. Чернівці.

Захист відбудеться 23 квітня 1999 р. о 1415 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.02 Інституту фізики напівпровідників НАН України, Київ, 252028, проспект Науки 45.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України, Київ, 252028, проспект Науки 45.

Автореферат розісланий 22_ березня 1999 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Іщенко С. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Інтенсивний розвиток методів і засобів інфрачервоної (ІЧ) фотоелектроніки і їх активне використання в різних сферах людської діяльності в останні десятиріччя стимулювали пошук і розробку нових напівпровідникових матеріалів і структур, фоточутливих у ІЧ-області спектру, зокрема у вікні прозорості атмосфери 8-14 мкм. Центральне місце в ІЧ-оптоелектронному матеріалознавстві і приладобудуванні у цьому спектральному діапазоні у силу специфіки фотоелектричних, електрофізичних і фізико-хімічних властивостей зайняли напівпровідникові тверді розчини на основі телуридів кадмію, ртуті  CdxHg1-xTe (КРТ) із x0.2 (ширина забороненої зони Eg=0.1 еВ). Слід відзначити, що синтез і перші дослідження цього матеріалу були проведені ученими Франції і України. Підвищений інтерес дослідників і розроблювачів до цього матеріалу не тільки зберігається, але й постійно зростає, про що свідчить неухильний ріст числа наукових публікацій з досліджень його електронних, оптичних, фотоелектронних, структурних і ін. властивостей, спрямованих на вирішення важливих наукових проблем, практичних задач, виявлення усього спектру його функціональних можливостей.
У зв’язку із створенням і розвитком нової елементної бази ІЧ-оптоелектроніки (багатоелементні матричні фокальні площини, SPRITE-елементи, надгратки, варізонні структури і ін.) багатоцільового призначення, в т. ч. для роботи в екстремальних умовах, великого значення набувають дослідження нерівноважних процесів, механізмів природної і стимульованої зовнішніми полями різної фізичної природи трансформації системи дефектів, їх впливу на електронні і фотоелектронні властивості матеріалу.
Важливість цих досліджень обумовлена з наукової точки зору пошуком домінуючих механізмів взаємодії цих полів із речовиною, що є однією з фундаментальних проблем фізики твердого тіла. З прикладної точки зору це зумовлено перспективами створення: новітніх технологій одержання і модифікації об’ємних кристалів, шарів, приладних структур, підвищення їх деградаційної стійкості й усталеністю до зовнішніх впливів  у напівпровідниковому матеріалознавстві; фотоперетворювачів, у т. ч. нових типів, із високими функціональними параметрами: високою чутливістю, низьким рівнем власних шумів, малою інерційністю і ін.  в інфрачервоному приладобудуванні; нових ефективних методів неруйнуючого контролю параметрів матеріалів і структур  для експериментальних наукових досліджень і виробництва.
Розрізненість досліджень, проведених по вивченню, як правило, окремих властивостей матеріалу, виконаних до того ж у лабораторіях, що використовують різні індивідуальні технології і вихідні матеріали, не завжди дозволяла сформулювати узагальнюючі висновки відносно структурно-залежних властивостей матеріалу, напрямкам його модифікації при зовнішніх впливах.
Вирішення цих задач пов’язано з необхідністю розв’язання цілої низки проблем, зокрема: визначенням домінуючих механізмів взаємодії зовнішніх полів різної фізичної природи з речовиною; встановленням домінуючих процесів природної і стимульованої цими полями трансформації дефектної системи; виявленням і встановленням домінуючих електронних і фотоелектронних процесів при перетворенні системи дефектів, їх впливу на функціональні параметри матеріалу.
В варізонних епітаксійних структурах це пов’язано з встановленням внеску і взаємодії цих процесів в різних складових цих структур  підкладці, що може відігравати роль світловоду, металургійній перехідній границі, фотоактивній частині нарощеного шару.
В полікристалічних шарах на альтернативних підкладках, перспективних для матричного приладобудування, необхідно враховувати також взаємодію систем дефектів і фотоелектронних процесів в зернах і на міжзеренних границях, в т. ч. в буферних шарах, зокрема на основі CdTe.
Розв’язання цих проблем з урахуванням специфіки вказаних процесів в твердих розчинах КРТ вимагало вирішення багатьох питань, які крім внеску в розв’язання основної задачі мають і самостійне значення. Це, зокрема, дослідження:
• умов конкурентноздатності різних за своєю природою механізмів рекомбінації, їх впливу на функціональні параметри матеріалу, зокрема в умовах електропольової екстракції нерівноважних носіїв заряду (ННЗ), що важливо при аналізі трансформації фотоелектронних властивостей матеріалу в умовах його природної деградації і стимульованого перетворення системи дефектів, а також при створенні нової елементної бази ІЧ-оптоелектроніки  ефективних ІЧ-фотоприймачів, у т. ч. багатоелементних, SPRITE-елементів і ін., і джерел випромінювання;
• фотоелектронних і електронних процесів у кристалах із фотоактивними включеннями в залежності від параметрів матриці і включень, умов їх експлуатації або експерименту (температури, параметрів опромінювання і ін.), що важливо для встановлення домінуючих механізмів рекомбінації і переносу ННЗ в неоднорідних кристалах, для мінімізації впливу рекомбінаційно активних включень на їх фоточутливість;
• природної деградації структурних і фотоелектронних параметрів у залежності від вихідного стану системи дефектів матеріалу, що важливо для встановлення домінуючих механізмів деградації;
• процесів об’ємного (однорідного, квазіоднорідного, неоднорідного) і приповерхневого (у т. ч. локального) дефектоутворення в об’ємному матеріалі і шарах КРТ, стимульованого зовнішніми полями різної фізичної природи в залежності від стану вихідної системи дефектів матеріалу і режимів зовнішніх впливів, що важливо, зокрема, для вирішення технологічних задач модифікації матеріалу, розробки методів і засобів неруйнуючого контролю дефектної системи напівпровідників;
• процесів дефектоутворення в області металургійної границі в епітаксійних шарах КРТ на квазіузгоджених підкладках у залежності від параметрів підкладки і шару, у т. ч. при введенні в підкладку ізовалентної домішки малих у порівнянні з матрицею розмірів, впливу металургійної границі на фотоелектричні характеристики варізонних структур, що має вирішальне значення при розробці фотоперетворювачів на основі варізонних шарів з оптимальними спектральними характеристиками, а також при мінімізації впливу на них металургійної границі в багатоелементних ІЧ-фотоперетворювачах;
• фотоелектричних властивостей багатобар’єрних варізонних структур призначених для створення малоінерційних фотоелементів із оптимізованими спектральними характеристиками, а також інших систем спеціалізованого призначення;
• процесів і механізмів природного і стимульованого зовнішніми впливами дефектоутворення в підкладкових для епітаксії матеріалах на основі CdTe, їх впливу на структурні, електронні і фотоелектронні властивості епітаксійних шарів з метою оптимізації технологічних параметрів, а також оптичних властивостей підкладок, що відіграють роль світловодних областей структур, призначених для створення на їх основі широкої гами сенсорних пристроїв і джерел випромінювання;
• структури, електронних і фотоелектронних властивостей полікристалічних шарів CdTe, КРТ на альтернативних підкладках, актуальних для створення дешевих, стійких до зовнішніх впливів, малоінерційних ІЧ-фотоперетворювачів, що працюють при кімнатних температурах, а також для розробки технологічних засобів гомогенізації полікристалічних шарів.
Наявність в Україні розвиненої інфраструктури промислових, конструкторсько-технологічних, науково-дослідних підприємств, організацій і установ у галузі напівпровідникового матеріалознавства і приладобудування зумовлює наукову і практичну актуальність розв’язання вказаних задач для розвитку в Україні ІЧ-оптоелектронного приладобудування.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота відповідає основним науковим напрямам діяльності Інституту фізики напівпровідників НАН України, закріпленим його Статутом і затвердженим Президією НАН України і виконувалась згідно розпоряджень Президії НАН України і постанов Бюро Відділення фізики і астрономії НАН України:
1. Розпорядження Президії НАН України від 29.03. 1991 р. №321 “Дослідження динаміки нерівноважних дефектів, що обмежують функціональні параметри вузькощілинних напівпровідникових матеріалів і структур у процесі їх природної і стимульованої деградації”.
2. Розпорядження Президії НАН України від 04.03.1992 р. №210 “Розробка методів і засобів довгострокового контролю радіоактивності викидів і стоків на ЧАЕС в процесі виведення її з експлуатації”.
3. Розпорядження Президії НАН України від 21.07.1993 р. №1659 “Розробка радіаційно-стійких напівпровідникових приймальних елементів сенсорів ультрафіолетового, видимого, ІЧ і рентгенівського випромінювання для систем контролю об’єктів у зоні ЧАЕС”.
4. Розпорядження Президії НАН України від 21.07.1997 р. №1659 “Розробка фотоелектричних методів, датчиків і сигналізаційної апаратури для дистанційного визначення радіонуклідних забруднень високого рівня шляхом реєстрації вторинних фотонних ефектів”.
5. Розпорядження Мінекономіки України від 11.08.1998 р. №12-55/226. Проект 2.9/43 «Розробка неруйнівних методів і засобів визначення і контролю основних параметрів фоточутливості інфрачервоних напівпровідникових матеріалів і структур та приладів на їх основі» розділу державної науково-технічної програми «Розробка науково-технічних методів, засобів і автоматизованих систем контролю параметрів напівпровідникових матеріалів, структур і приладів».
6. Постанова Бюро ОФА НАН України від 20.12.1994 р. №210 “Розробка фізико-хімічних основ технологій створення і функціональної діагностики кристалів і структур (приладів) для реєстрації і перетворення енергії ІЧ-випромінювання на основі напівпровідникових сполук і вузькощілинних твердих розчинів”.
Автор був науковим керівником тем вказаних в п.п. 1-5, розділу теми по п.6.
Мета і задачі досліджень. Встановлення процесів природного і стимульованого зовнішніми фізичними полями (з різними механізмами їх взаємодії з речовиною) дефектоутворення в об’ємних кристалах, епітаксійних варізонних і полікристалічних шарах CdHgTe, а також підкладкових матеріалах на основі CdTe, а з урахуванням визначення домінуючих в них фотоелектронних процесів (в умовах конкуренції рекомбінаційних потоків по міжзонних і домішкових каналах у залежності від електронних параметрів кристалів; в умовах електропольової екстракції ННЗ в кристалах із різним ступенем біполярності; у неоднорідних кристалах із фотоактивними включеннями; у епітаксійних структурах з урахуванням внеску і взаємодії їх складових  підкладки, зокрема, як світловоду, металургійної границі (інтерфейс), нарощеного шару, як фотоактивної області)  встановлення ролі трансформації дефектів у перетворенні електричних і фотоелектричних параметрів цих матеріалів.
Для виконання поставленої мети було необхідно:
• визначити кількісні критерії конкурентоздатності домінуючих міжзонних і домішкових механізмів рекомбінації в кристалах КРТ в залежності від складу і рівня легування матеріалу;
• визначити ефективність електропольової екстракції ННЗ в кристалах КРТ p-, n- і змішаного типу провідності, в т. ч. із різним ступенем біполярності;
• встановити процеси природної деградації кристалів КРТ n-типу;
• в залежності від умов експерименту (температури, спектрального діапазону і рівнів збудження) визначити роль фотоактивних включень у формуванні фотоелектричних характеристик кристалів при варіації параметрів матриці і включень;
• визначити для макрооднорідних кристалів із експоненціальним краєм власного поглинання, в т. ч. КРТ, характеристичні елементи спектральної залежності фотопровідності (ФП), по яких із найбільшою точністю може бути визначена ефективна ширина забороненої зони і склад матеріалу, вплив на них швидкості поверхневої рекомбінації і товщини кристалу;
• встановити роль перехідної металургійної границі парофазних епітаксійних гетеросистем CdTe/КРТ у формуванні їх фотоелектричних характеристик, у т. ч. при введенні в підкладку ізовалентної домішки меншого розміру (Mn, Zn);
• встановити можливість реалізації на основі варізонних структур із потенційними бар’єрами малоінерційних багатосмугових ІЧ-фотоприймачів;
• визначити домінуючі процеси перетворення дефектів при окремих видах зовнішніх впливів, що відрізняються домінуючими механізмами взаємодії з речовиною (-випромінювання, низькотемпературне ультразвукове (УЗ) навантаження, імпульсне лазерне збудження, ударна хвиля лазерних імпульсів, механічні порушення і ін.) і їх вплив на електричні і фотоелектричні властивості кристалів і шарів КРТ в залежності від вихідного стану їх системи дефектів і умов збудження;
• визначити процеси стимульованого зовнішніми впливами (відпал у вакуумі, парах компонент і домішок; збудження лазерними імпульсами і індукованими ними ударними хвилями; поверхневі обробки: механічне і хімічне полірування поверхні, механічне індентування і ін.) дефектоутворення в підкладкових для епітаксії матеріалах на основі CdTe і його впливу на електронні і фотоелектронні властивості кристалів і шарів;
• визначити механізми формування ФП в полікристалічних шарах КРТ на альтернативних підкладках і буферних шарах CdTe в залежності від розміру зерен і рівня збудження.
Реалізація поставлених задач важлива при розробці і створенні: стабільних, стійких до зовнішніх впливів, високочутливих, малоінерційних ІЧ-фотоелектронних перетворювачів із заданими спектральними характеристиками; методів і засобів ефективного технологічного керування дефектною системою матеріалу, що відповідає за формування його функціональних фотоелектричних параметрів; методів і засобів дослідження і неруйнуючого контролю дефектної системи кристалів.
Наукова новизна. В результаті комплексних експериментальних і теоретичних досліджень електричних, оптичних і фотоелектричних параметрів і структури кристалів і епітаксійних шарів твердих розчинів на основі телуридів кадмію, ртуті в процесі природної і стимульованої зовнішніми полями різної фізичної природи трансформації їх дефектної системи при реалізації поставлених вище задач вперше отримані такі наукові результати:
1. Встановлено, що в кристалах n-КРТ при конкуренції міжзонних і Шоклі-Рідівського каналів рекомбінації ефективність електропольової екстракції ННЗ в області сильних електричних полів залежить від ступеня біполярності ФП і різко падає з її зменшенням, це зумовлено захопленням носіїв, що витягаються, на центри рекомбінації; в кристалах з біполярною ФП p-типу екстракція ННЗ реалізується при істотно менших електричних полях, чим у кристалах n-типу, що обумовлено більш високою рухливістю неосновних носіїв (електронів в p-типі).
2. Виявлено процес деградації в часі твердих розчинів n-КРТ, пов’язаний із дифузією ртуті в області ростових і введених механічними порушеннями протяжних дефектів структури з утворенням насичених ртуттю вузькощілинних рекомбінаційно активних областей, що призводять до падіння фоточутливості матеріалу.
3. Встановлено, що в кристалах КРТ із фотоактивними включеннями, N-подібний характер температурних і деформований (в т. ч. S-подібний) характер люкс-амперних залежностей ФП визначаються параметрами інжекційно-рекомбінаційної активності і ефективними геометричними рекомбінаційними розмірами включень, що змінюються в залежності від температури, спектру і рівня збудження.
4. Встановлено, що дефектний прошарок в області металургійної границі парофазних епітаксійних гетероструктур CdTe/КРТ істотно трансформує вид спектральних характеристик фоторезистивних і фотовольтаїчних елементів на їх основі. Введення в підкладку CdTe у визначених концентраціях (y1014 см-3), значне зменшення значення електричного поля, при якому реалізується цей процес у кристалах p-типу; різке зменшення ефективності електропольового витягування в компенсованих кристалах n-типу (n01014 см-3) при з’явленні монополярної складової ФП.
3. Встановлено вплив ростових і введених механічними обробками дефектів структури на процес деградації твердих розчинів КРТ в результаті дифузії до них надлишкової ртуті і утворення рекомбінаційно активних областей.
В залежності від температури, спектрального діапазону і рівня збудження, параметрів матриці і фотоактивних включень в кристалах КРТ визначено ступінь впливу включень на рекомбінаційні процеси в матриці, що дозволяє оптимізувати температурні і спектральні режими функціонування матеріалу.
4. Показано, що в макрооднорідних кристалах з експоненціальним краєм фундаментального поглинання, зокрема КРТ, спектральне положення максимуму ФП у широкому діапазоні швидкостей поверхневої рекомбінації і товщин зразка з помилкою, що не перевищує 1%, може бути використане для визначення ефективної ширини забороненої зони і відповідно складу матеріалу.
5. Проведено аналіз фізико-механічних умов формування в епітаксійних гетеросистемах CdTe-КРТ структурно порушеного шару в області металургійної границі. Показано можливість зменшення його впливу на фотоелектричні характеристики гетеросистем підвищенням ступеню узгодження параметрів граток шару і підкладки шляхом введення в останню ізовалентної домішки металу з меншим атомним радіусом (Mn, Zn). Показано можливість практичної реалізації на основі гетеросистем CdMnTe-CdHgMnTe більш чутливих у порівнянні з CdTe-КРТ широкосмугових ІЧ-фотоприймачів із меншим «провалом» фоточутливості в області металургійної границі.
На основі варізонних шарів КРТ з потенційними бар’єрами отримані широкосмугові і селективні (одно- і двосмугові) фоточутливі в області 2-14 мкм при 77К фоторезистивні і малоінерційні (f104 рад виявлено зменшення їх фоточутливості і збільшення рівня надлишкових шумів, що свідчить про критичність функціональних параметрів ІЧ-фотоприймачів на їх основі до роботи в умовах -радіаційних полів.
Встановлено, що в процесі тривалої (до 60 діб) витримки при 300 К кристалів КРТ, опромінених -квантами, відбувається відпал наведених дефектів і релаксація фотоелектричних параметрів кристалів до вихідних, що свідчить про неперспективність застосування -стимульованого дефектоутворення в технологічних цілях.
7. Виявлено більшу стійкість спектральних залежностей ФП кристалів MnHgTe (МРТ) з х0.1 у порівнянні з КРТ (х0.2) до впливу на них лазерними імпульсами (біля- або вище порога плавлення), що свідчить про відсутність процесів дисоціації твердого розчину і (або) значних залишкових пружних напружень.
З урахуванням вихідного стану дефектної системи визначені окремі режими технологічних процесів лазерно-стимульованого стабільного дефектоутворення в об’ємних кристалах КРТ, CdTe і парофазних епітаксійних шарах КРТ на їх основі.
8. Показано можливість практичної реалізації на основі полікристалічних епітаксійних шарів КРТ на альтернативних підкладках (Al2O3, GaAs з буферним шаром полікристалічного CdTe) ІЧ-фоторезистивних приймачів випромінювання для спектрального діапазону до 5 мкм, що працюють при кімнатній температурі.
9. Запропоновано механізм конверсії типу провідності np кристалів CdTe:Mn при їх легуванні з розчину з ростом концентрації легуючої домішки NMn1019 см-3, обумовлений утворенням дрібнодисперсних преципітатів або асоціатів за участю Mn, що необхідно враховувати при розробці елементів ІЧ-оптоелектронної техніки.
Більшість цих результатів представлено в дисертації кількісними параметрами, у вигляді таблиць чисельних значень, графіків, математичних виразів і можуть бути використані на підприємствах і в організаціях України, що займаються проблемами ІЧ-оптоелектронного приладобудування і матеріалознавства.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались і обговорювались:
Int. Workshop on “Optical Diagnostics of Materials and Devises for Opto-, Micro-, and Quantum Elect.” SPIE (Kiev, Ukraine, 1993); II Укр. конференція «Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу» (Нєжин, Україна, 1993); IV Мiжнарод. конф. з фiзики i технологiї тонких плiвок (Івано-Франківськ, Україна, 1993); Int. Conf. of Electronic Mat. (Taiwan, 1994); Int. Conf. on Material Sci. of Chalcogenide and Diamond Structure Semiconductor (Chernivtsi, Ukraine, 1994); Int. Symp. “Heterostructures in Sci. and Technol.” (Wurzburg, 1995); 20th Int. Conf. on Microelectronics (Nich, Serbia, 1995); Int. Conf. “Optical Diagnostics of Materials and Devises for Opto-, Micro-, and Quantum Electron.” (Kiev, Ukraine, 1995); V Мiжнародн. конф. з фiзики i технологiї тонких плiвок (Івано-Франківськ, Україна, 1995); Int. school-conf. on “Phys. problems in mat. sci. of semicond” (Chernivtsi, Ukraine, 1995); XII Conf. on “Solid State Grystals. Materials Science and Applications” (Zacopane, Poland, 1996); Int. Workshop on “Advenced Technologies of Multicomponent Solid Films and Structures and their Appl. in Photonics” (Uzhgorod, Ukraine, 1996); Proc. of SPIE “Mat. Sci. and Mat. Proper. for Infr. Optoelectronics” SPIE (Uzhgorod, Ukraine, 1996); Int. Conf. on “Optical Diagnostics of Materials and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electron.” (Kiev, Ukraine, 1997); Int. Conf. on Advenced Materials ICAM’97 and European Mat. Res. Soc. Spring Melting E-MRS-97 (Strasbourg, France, 1997); 7-th Int. Conf. on “Defect Recognition and Image Processing in Semicond.” (DRIP-VII) (Templin, Germany, 1997); MRS Meating. Symposium “Infrared Applications of Semic.II” (Boston, USA, 1997); VI Мiжн. конф. “Фiзика i технологiя тонких плiвок” (Iвано-Франкiвськ, Україна, 1997); Second Int. School-Conf. “Physical Probl. in mater. science of semicon.” (Chernivtsi, Ukraine, 1997); 14th Int. Vacuum Congress (IVC-14) (Birmingham, UK, 1998); E-MRS Spring Meeting Symposium C. (Strasbourg, France, 1998); Int. Conf. “Mat. Sci. and Mat. Proper. for Infr. Optoelectronics” SPIE (Kyiv, Ukraine, 1998); Int. Conf. on Solid State Crystals -Mater. Sci. And Applicatios (Zakopane, Poland, 1998); Всерос. симп. с участием СНГ “Аморфные и микрокристаллические полупроводники” (Санкт-Петербург, Россия, 1998).
Публікації по роботі. Основний вміст дисертації викладено в 39 статтях у наукових виданнях, їх перелік міститься у кінці автореферату.
Особистий внесок. В роботі узагальнено результати досліджень, виконаних автором самостійно [21, 27, 31, 32], а також під його науковим керівництвом [3-20, 22-26, 28-30, 33-39], де здобувачу належить вибір проблеми і мети, обгрунтування і планування тематики досліджень, постановка конкретних експериментальних і теоретичних задач, вибір застосовуваних експериментальних методик і технологічних процесів, провідна роль в аналізі й інтерпретації експериментальних даних, розробка конкретних фізичних моделей і їх елементів. В роботах [1, 2] автором проведено експериментальні дослідження електричних і фотоелектричних властивостей кристалів, запропоновано і в процесі обговорення розвинуто відповідні моделі.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 7 розділів (викладенню результатів досліджень у кожному розділі передує стисла оглядова частина з питань, що розглядаються), загальних висновків. Її обсяг складає 359 сторінок машинописного тексту, включаючи 105 рисунків, 9 таблиць, список використаних джерел з 413 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі дисертації проведено аналіз стану проблеми, якій присвячено дисертацію, показано її актуальність, сформульовано основну мету і задачі досліджень, перелічені основні результати, які мають наукову новизну і практичне значення.
Перший розділ присвячено дослідженню умов конкурентоздатності міжзонних і домішкових механізмів рекомбінації, їх впливу на процес електропольової екстракції ННЗ в кристалах КРТ.
Проведено аналіз рівняння неперервності в наближенні конкуренції міжзонних ударного і випромінювального механізмів рекомбінації, отримані спрощені вирази для виходів рекомбінаційних потоків і часів життя ННЗ, обумовлених міжзонними ударними (e-e-h, h-h-e) і випромінювальними процесами в залежності від температури, складу і рівня легування матеріалу. Показано, що зменшення концентрації вільних електронів істотно збільшує вихід випромінювальної рекомбінації в міжзонному рекомбінаційному процесі за рахунок зниження швидкості ударної e-e-h рекомбінації.
Збільшення ширини забороненої зони Eg (підвищення складу Cd  x) збільшує вихід випромінювальної рекомбінації в кристалах n- і p-типу у всьому діапазоні рівнів легування, зокрема, при 77 К у кристалах n-типу швидкості міжзонних ударного і випромінювального процесів вирівнюються для х>0.22, n0  31014 см-3, у кристалах p-типу для х>0.2 і p01017 см-3, що технологічно цілком можливо.
Для конкуренції міжзонних і домішкового механізмів рекомбінації в кристалах n-типу проведено розрахунок залежностей ступеня біполярності ФП  від концентрації центрів рекомбінації при різних значеннях концентрації вільних електронів n0. Показано, що з ростом концентрації центрів рекомбінації Nr до значень аn0 (де відношення коефіцієнтів захвату електронів і дірок на центри рекомбінації а300 діб) ріст включень сповільнюється, а потім припиняється, що пов’язано з компенсацією внутрішніх напружень відповідним перерозподілом точкових дефектів, або виснаженням матриці матеріалом фази, частково вони розпадаються з дисипацією в об’єм матриці, або по стінках малокутових границь (при релаксації напруг).
На основі статистичних даних по динаміці росту ртутних включень оцінено коефіцієнт самодифузії Hg у КРТ D310-11-10-10 см2с-1, що потрапляє в смугу наведених в літературі експериментальних даних.
Існуючі в області включень другої фази Te у матриці кристалів КРТ пружні напруження і дислокації обумовлені розходженням фізико-механічних і структурних параметрів матеріалів включень і матриці і їх температурних залежностей стимулють процес дифузії ртуті в окіл включень. Підрозчиняючи преципітати Te при тривалій витримці зразка надлишкова ртуть призводить до появи HgTe оболонки, що є рекомбінаційно-активною областю.
Проведено аналіз N-подібних температурних залежностей ефективного часу життя ННЗ еф кристалів КРТ (х=0.2) із рекомбінаційно активними включеннями. N-подібний характер еф(Т) в цих кристалах, зокрема, його різка температурна активація в області переходу від домішкової до власної провідності визначається не Шоклі-Рідівським (як пояснювалось для деяких кристалів), а специфікою міжзонної ударної рекомбінації, що визначає температурні залежності часу життя  і дифузійної довжини L в матриці, а відповідно і ефективні геометричні розміри рекомбінаційно активних областей. Розрахунок залежностей еф(Т) при варіації параметрів матриці (складу і рівня легування) і включень (концентрації, розмірів, складу) якісно співпадає з експериментальними даними.
В залежності від спектрального діапазону фотозбудження проведено аналіз інжекційно-рекомбінаційної активності областей, пов’язаних з локальними відхиленнями Eg від матричної і обумовлених зміною в цих областях темпу генерації (через спектральну залежність коефіцієнта поглинання) і темпу рекомбінації (внаслідок зміни параметрів домінуючого в КРТ міжзонного ударного процесу, або його переключення на інший конкуруючий канал рекомбінації).
При нагріванні немонотонний спектральний рельєф стаціонарної ФП в кристалах КРТ з фотоактивними включеннями згладжується, що обумовлено вирівнюванням швидкостей міжзонної оже-рекомбінації в матриці і включеннях, зменшенням ефективних рекомбінаційних розмірів і концентрації включень із ростом концентрації рівноважних носіїв при переході в область власної провідності.
Виявлено тотожність Uc(Т) кристалів із фотоактивними включеннями при збудженні світлом, що сильно і слабко поглинається, що свідчить про однаковий характер генераційно-рекомбінаційної активності включень у різних шарах кристалу  об’ємі, приповерхневій області і на поверхні.
Розраховано спектральні характеристики ФП кристалів КРТ (х0.2) з мікрофлуктуаціями кристалічного потенціалу і експоненціальним краєм власного поглинання в залежності від швидкості поверхневої рекомбінації і товщини зразка. Показано, зокрема, що спектральне положення максимуму ФП у широкому діапазоні значень цих параметрів з помилкою, що не перевищує 1%, може бути використане для визначення ефективної Eg і відповідно складу матеріалу.
Третій розділ присвячено проведенню досліджень фотоелектронних процесів в парофазних епітаксійних варізонних шарах КРТ, в т. ч. з потенціальними бар’єрами, впливу на них металургійної границі на межі поділу підкладка-нарощений шар.
Виявлено, що при ізотермічній парофазній епітаксії КРТ на підкладках CdTe орієнтацій {110} і {111} утворюються зародки двовимірної і тривимірної форми відповідно. Домінуючі механізми дефектоутворення при їх зрощенні в суцільний шар контролюються, в основному, параметрами міжфазних границь поділу плівка-підкладка, а у випадку площин {111} і міжзеренних границь.
Мікроіндентування підкладок CdTe призводить до відхилення від стехіометрії в прилягаючих до відбитків областях у бік збагачення Cd і збідніння Te, у епітаксійних шарах КРТ, що зароджуються,  у бік збагачення Hg і збідніння Cd. Це пов’язано з появою напружень, що стимулюють відповідні процеси переносу, і може призводити до зменшення квантової ефективності фотоактивної структури в нарощеному шарі внаслідок появи рекомбінаційно активних включень і зменшення оптичного пропускання.
З даних оже-електронного аналізу в підкладках CdTe і шарах КРТ виявлені сліди Si, O, C, S з нерівномірним по поверхні і глибині розподілом.
Проведено аналіз фізико-механічних умов формування порушеного шару в епітаксійній гетерокомпозиції CdTe-CdHgTe для різних орієнтацій підкладок. Зокрема, розраховані значення: параметрів пружності матеріалу підкладки і плівки; густини обірваних зв’язків (ND=(3.6-6.2)1012 см-2 в залежності від орієнтації підкладки); критичної товщини плівки (hкр=36 нм) і радіуса ізольованого острівця (Rкр=675 нм), менше яких можливий ріст деформованого шару без утворення дислокацій невідповідності; напруг термічної невідповідності (=59 Мпа) і невідповідності постійних граток (а=222 Мпа) і ін..
Встановлено, що збагачена структурними дефектами область металургійної границі в епітаксійних парофазних варізонних структурах CdTe-КРТ, характеризується підвищеним темпом рекомбінації і знижує фоточутливість у середньохвильовому діапазоні широкосмугових спектрів ФП у фоторезистивних і фотоерс у фотодіодних структурах на їх основі.
Методом ізотермічної парофазної епітаксії на підкладках CdMnTe (КМТ), CdZnTe (КЦТ) отримані варізонні шари CdMnHgTe (КМРТ) і CdZnHgTe (КЦРТ), більш фоточутливі у порівнянні з отриманими в аналогічних умовах шарами CdTe-КРТ, що пояснюється зменшенням пружних напружень у гетерокомпозиції завдяки введенню ізовалентної домішки меншого радіусу, підвищенням рівня стехіометрії і зменшенням концентрації рекомбінаційно активних надстехіометричних власних дефектів.
У структурі КМТ-КМРТ виявлено збільшення фоточутливості в середньохвильовому спектральному діапазоні, що відповідає області металургійної границі, при збільшенні складу Mn у порівнянні зі структурою КЦТ-КЦРТ, що пояснюються більш точним узгодженням параметрів граток вихідних матеріалів джерела і підкладки при y61017см-3) при збільшенні дози -опромінення вище 6104 Р виявлено зменшення ефективної концентрації вакансій, що пов’язується з перевищенням їх концентрації вище критичної і розвитком процесів їх преципітації і (або) асоціації в комплекси.
-опромінення кристалів КРТ призводить до короткохвильового зсуву максимуму спектральних залежностей ФП, що пояснюється із залученням моделей деформації кристалічної гратки при введенні власних дефектів великих концентрацій, зміни рельєфу мікрофлуктуацій кристалічного потенціалу, що впливає на формування спектральних характеристик ФП в матеріалі з експоненціальним краєм фундаментального поглинання, домішкової акцепторної зони, що частково перехрещується з зоною провідності.
При дослідженні електричних характеристик кристалів КРТ n-, p- і змішаного типу провідності в процесі навантаження ультразвуком (УЗ) інтенсивністю Wus0.5104 Вт/м2 в області температур Т=77-200 К в допороговому режимі виявлено, що в області домішкової провідності з ростом інтенсивності УЗ і температури відбувається збільшення ефективної електронної концентрації в кристалах n-типу, зменшення діркової концентрації в кристалах p-типу, а також збільшення холівської рухливості в кристалах обох типів.
Наведені УЗ зміни електричних властивостей нестійкі в часі і релаксують за часи від десятків секунд до десятків хвилин в залежності від температури, параметрів УЗ-навантаження і типу провідності кристалів, при цьому релаксація має складний характер, а її час збільшується при збільшенні інтенсивності УЗ-збудження і зменшенні температури і для кристалів p-типу, як правило, більш ніж на порядок перевищує його значення в кристалах n-типу.
Запропоновано механізм допорогового низькотемпературного метастабільного короткочасного акустостимульованого перетворення дефектів, пов’язаний, зокрема, з активацією точкових дефектів слабо зв’язаних на протяжних структурних недосконалостях гратки (дислокаціях, МУГ і ін.), що поглинають УЗ-хвилю, їх інжекцією у прилягаючі дифузійні області матриці. Релаксація в рівноважний стан пов’язана з зворотними процесами гетерування і дезактивації точкових дефектів на протяжних недосконалостях.
Ріст рухливості носіїв із збільшенням інтенсивності УЗ в області домішкової провідності і її зменшення в області власної провідності пояснюється із залученням механізмів зниження потенційних бар’єрів і розмірів областей просторового заряду, що оточують домішкові атмосфери навколо дислокацій; виникнення суцільного кластера з каналом провідності паралельним основному; згладжування розсіюючого потенціалу енергетичного зонного рельєфу твердого розчину; модифікації фононного спектру.
Акустоіндукована ЕРС, що спостерігається при УЗ-навантаженні кристалів КРТ пояснюється, зокрема, квазілокальним УЗ-прогрівом наявних у матриці протяжних дефектів і прилягаючих до них областей, що призводить до появи термодифузійних потоків і електричних полів, що можуть вносити додатковий внесок у перерозподіл точкових дефектів у кристалі.
У п’ятому розділі наведено результати досліджень фотоелектронних процесів і модифікації структури об’ємних кристалів КРТ, MnHgTe (МРТ) і парофазних епітаксійних шарів КРТ при поверхневому їх збудженні лазерними імпульсами.
Люкс-амперні характеристики (ЛАХ) ФП кристалів КРТ істотно залежать від домінуючих механізмів рекомбінації в матриці і наявності фотоактивних включень; при домінуючому в КРТ n-типу з х0.2 міжзонному механізмі рекомбінації в однорідних кристалах перехід від лінійної до сублінійної (із нахилом ~0. 3) залежності зміщується по шкалі інтенсивностей опромінення в бік їх більших значень із збільшенням концентрації рівноважних носіїв заряду.
В кристалах КРТ з фотоактивними включеннями ЛАХ характеризуються деформованою у порівнянні з однорідними кристалами перехідною ділянкою від лінійної (із нахилом ~1) до сублінійної (із нахилом ~0. 3) залежності. Протяжність цієї ділянки по шкалі інтенсивностей і її конкретний вид (від надлінійних до суперлінійних залежностей із різними нахилами) визначається характером, густиною і розмірами включень, а також залежністю від рівня збудження рекомбінаційно-інжекційної активності, ефективних геометричних рекомбінаційних розмірів включень. При достатній протяжності цих ділянок по шкалі інтенсивностей вони можуть сприйматися як такі, що контролюються іншими рекомбінаційними процесами, що не є коректним. Проведені розрахунки ЛАХ узгоджуються з експериментом.
При високих, але не достатніх для стабільного дефектоутворення, рівнях імпульсного лазерного фотоелектронного збудження при 77 К в деяких макрооднорідних кристалах КРТ спостерігалось збільшення часу життя ННЗ із ростом інтенсивності опромінення, що мало зворотній характер (tEп відбувається в приповерхневій області товщиною менше 1 мкм, при цьому на поверхні утворюється тонка (~30 нм) плівка Тe, що обумовлює появу в спектрах комбінаційного розсіювання смуг із характеристичними частотами Тe. Вплив наносекундних лазерних імпульсів на епітаксійні шари КРТ з осередковою структурою викликає збільшення їх фоточутливості, що обумовлено процесами сегрегації точкових дефектів на межі осередків (підтверджується дослідженнями рентгенівських топограм).
Лазерна активація ФП при опроміненні і перебудові дефектної системи епітаксійних варізонних шарів КРТ на глибині, що значно перевищує глибину поглинання лазерного випромінювання і довжину теплової дифузії, викликана переважною дією лазерно-індукованих ударних хвиль. При цьому глибина їх утворення зменшується з ростом густини енергії лазерних імпульсів, що співпадає з існуючою теорією цих процесів, і проявляється в зміні спектрального діапазону підвищення фоточутливості варізонного шару.
Шостий розділ присвячено дослідженню природної і стимульованої деякими видами зовнішніх впливів трансформації системи дефектів, електронних і фотоелектронних властивостей підкладкових для епітаксії матеріалів CdTe, CdMnTe, ZnSe.
При відпалах пластини р-CdTe у парах Cd методами низькотемпературного фотолюмінесцентного (НФЛ)  профілювання виявлено істотний вплив процесу редифузії на профіль розподілу дрібної донорної домішки  збіднення нею приповерхневих областей за рахунок випаровування в зовнішній об’єм і гетеродифузії з центральних областей кристалу. В смугах НФЛ спостерігається кореляція між розгоранням лінії екситонів, пов’язаних на донорах, і гасінням лінії екситонів, пов’язаних на акцепторах, що свідчать про процес переходу домішки I-ої групи з вузлів Cd у міжвузля.
По розподілу профілів характеристичних ліній НФЛ по товщині зразка при часі відпалу t  4 год визначені значення коефіцієнту самодифузії Cd у CdTe (DCd2.610-8 см2/с) і при t 
28 год  коефіцієнту гетеродифузії домішки I групи (DMI 1.1610-9 см2/с). Проведено чисельне моделювання процесу двостороннього легування пластини р-CdTe дрібними залишковими донорами при її тривалому відпалі в парах Cd. Отримано апроксимаційні залежності для двостороннього легування пластини, що дозволяють оптимізувати процес відпалу.
При 300 К на повітрі процеси деградації домішково-дефектної системи в n-p (p-n) CdTe структурах, отриманих короткочасним відпалом кристалів p-типу в парах Cd і n-типу вакуумі відповідно, істотно впливають на рекомбінаційні характеристики матеріалу, що обумовлює зміну спектрів і інтенсивності ліній НФЛ. Характер і кінетика домінуючих механізмів перетворення системи точкових дефектів залежить від вихідного стану системи протяжних дефектів і типу провідності кристалів, у p-областях воно йде швидше, чим у n-областях, що свідчить про більші швидкості гетерування дрібної домішки на стоки.
При короткочасному (1 год) і довгочасному (48 год) низькотемпературному (550-600°С) відпалі зразків p-СdТе в Ga, відбувається легування зразка донорною домішкою GaCd, що виявляється в появі по краях зразка екситонної донорної лінії I2 (Lii, Cui) і спаді інтенсивності екситонної акцепторної лінії I1 (LiCd, CuCd) за рахунок реакцій витиснення Li, Cu із вузлів Сd дифундуючим Ga.
В механічно полірованих і індентованих точковими уколами (8 гс) кристалах p-CdTe виявлено чутливість значень і спектрів ФП і коефіцієнта поглинання, у т.ч. в області прозорості, до наявності введеного приповерхневого порушеного шару (товщиною до 200 мкм), що може істотно зменшувати квантову ефективність фоточутливості варізонних структур на основі CdTe-КРТ, де підкладка CdTe відіграє роль світловоду.
При дії на поверхню CdTe серією імпульсів рубінового лазера в приповерхневій області (12-15 нм) послідовно: утворюється збагачений Te шар (з-за дисоціації сполуки і виходу Cd в атмосферу); відбувається генерація в цій області дефектів, що призводить до виникнення напружень кристалічної гратки (із середнім значенням, оціненим по довгохвильовому зсуву лінії I1 НФЛ, 0.06 кбар); зростає густина хаотично розташованих на поверхні ямок травлення, пов’язаних із неупорядкованими в сітку дислокаціями і преципітатами; при досягненні критичної дози опромінення і накопиченні пружних напружень, що перевищують поріг пластичності матеріалу, утворюється дислокаційна сітка з розрядженням накопичених напружень (про що свідчить повернення спектрального положення лінії I1 до вихідного); при цьому спостерігається зменшення часу життя фотоносіїв внаслідок росту концентрації безвипромінювальних центрів рекомбінації.
При імпульсному лазерному збудженні на електрофізичні, фотоелектричні властивості і структуру p-CdTe істотно впливає лазерно-індукована ударна хвиля, зокрема, спостерігається нерівноважна провідність, пов’язана з іонізацією ударною хвилею домішкових центрів, визначено час релаксації цього процесу (160 мкс). Із збільшенням густини потужності лазерного випромінювання виявлені збільшення густини дислокацій, збільшення залишкового опору зразків, обумовлене процесами гетерування на дислокації дрібної домішки, а також поява в спектрі НФЛ смуги =840 нм, пов’язаної з рекомбінацією носіїв з участю протяжних дефектів.
В CdTe:Mn при легуванні розчином з концентраціями легуючої домішки NMn> >1019 см-3 спостерігається конверсія типу провідності nр. Запропоновано механізм, що пов’язується при рості концентрації Mn з процесами його преципітації і (або) асоціації.
Вимірюваннями спектрів фотолюмінесценції при 77 К в Cd1-xMnxTe (х

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2019