Механізми дефектоутворення і термодинамічний n-p-перехід у бездомішковому та легованому кадмій телуриді при двотемпературному відпалі

Розроблені в дисертації моделі дефектоутворення дають змогу прогнозувати електричні властивості матеріалу не тільки при високотемпературній рівновазі дефектів, але також визначати концентрації спектра дефектів та холлівської концентрації носіїв заряду у кристалах, відпалених при високих температурах і охолоджених до кімнатної.

Визначено технологічні умови формування CdTe і CdTe:Au (In, Tl, Ge, Cl) n- і р-типу провідності. Побудовано просторові діаграми “n_x-P_Cd-T” (холлівська концентрація - парціальний тиск пари кадмію - температура відпалу), що визначають умови вирощування монокристалів з наперед заданими параметрами. Одержано рівняння для визначення парціального тиску пари кадмію , що відповідає термодинамічному n-p-переходу, для чистого і легованого телуриду кадмію. Розраховано залежність від температури відпалу та вмісту домішки.

Уточнено константи рівноваги та ентальпії утворення дефектів.

Ключові слова: кадмій телурид, дефектоутворення, термодинамічний n-p-перехід, легування, двотемпературний відпал.

Аннотация

Писклинец У.М. Механизмы дефектообразования и термодинамический n-p-переход в беспримесном и легированном кадмий теллуриде при двухтемпературном отжиге. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата химических наук по специальности 02.00.21 - химия твердого тела. Прикарпатский национальный университет имени Василия Стефаника, Ивано-Франковск, 2005.

Методом моделирования квазихимическими реакциями дефектообразования при двухтемпературном отжиге в паре компонентов (Cd, Te) чистого и легированного аурумом, индием, таллием, германием, хлором кристаллов кадмия теллурида получено уравнение для определения зависимостей концентраций свободных носителей заряда и преобладающих точечных дефектов от технологических условий отжига (температура отжига T, парциальное давление пара кадмия P_Cd) и содержания примеси. Рассчитаны барическая и температурная зависимости концентраций свободных носителей заряда, преобладающих собственных точечных дефектов и примесных центров. Изменение холловской концентрации носителей тока объяснено зависимостями концентрации дефектов от технологических факторов и содержания примеси.

Описано изменение типа проводимости в безпримесном и легированном Au (In, Tl, Ge, Cl) кадмий теллуриде под воздействием технологических факторов и легирующей примеси. Получены уравнения для определения парциального давления пара кадмия , который отвечает термодинамическому n-p-переходу, для чистого и легированного кадмий телурида. Рассчитана зависимость от температуры отжига и содержания примеси. Определены условия формирования материала n- и р-типа проводимости с заданной концентрацией носителей тока. Условия реализации термодинамического n-p-перехода объяснены температурными и барическими зависимостями концентрации дефектов. Построено пространственную фазовую диаграмму равновесия, что позволяет находить значение технологических факторов процесса отжига кристаллов CdTe (температура отжига T, парциальное давление пара кадмия P_Cd) для формирования материала n- и р-типа проводимости с заданной концентрацией носителей тока. Установлено, что повышение температуры отжига Т смещает в сторону более высоких значений. При этом, изменить тип проводимости материала изменяя лишь температуру отжига Т можно для интервала давлений кадмия 10-10³ Па. При давлениях P_Cd < 10 Па получаем материал только p-типа, а при P_Cd > 10³ Па - только n-типа проводимости для всего интервала температур отжига Т (800-1200 К).

Показано, что при отжиге кристаллов CdTe с примесью хлора (Сl_tot = 210¹⁸см^-3) в паре компонентов (Cd, Te) при температуре Т = 1173 К наблюдается образование двух термодинамических n-p-переходов. Появление второго n-p-перехода объяснено образованием антиструктурных дефектов Te_Cd. Получено уравнение для определения значений парциального давления пара кадмия, что отвечают термодинамическим n-p-переходам, а также выражения для определения концентраций акцепторных комплексов и антиструктурных дефектов . Найдены константы равновесия квазихимических реакций образования комплексов и антиструктурных дефектов Te_Cd. Установлено, что для P_Cd = 1-10² Па преобладающими являются антиструктурные дефекты , для P_Cd = 10²-10⁴ Па - двухкратно ионизированные вакансии кадмия и акцепторные комплексы , а для P_Cd >10⁴ Па - примесные атомы хлора .

Проведен анализ дефектной подсистемы отоженных при высокой температуре и охлажденных к комнатной кристаллов беспримесного и легированного аурумом, индием, таллием, германием, хлором кадмий телурида. Впервые получены аналитические выражения, которые описывают зависимости концентрации свободных носителей заряда и преобладающих точечных дефектов в кристаллах CdTe и CdTe:In (Cl, Tl, Ge, Au) при температуре 300 К от технологических условий отжига (температуры и парциального давления кадмия P_Cd) и содержания примеси. Определены зависимости равновесных концентраций носителей тока, нейтральных, одно- и двухзарядних вакансий, межузловых атомов кадмия и теллура и примесных центров от технологических факторов. Найдено значение парциального давления пара кадмия, которое отвечает конверсии типа проводимости, при комнатной температуре. Показано, что в беспримесных и легированных кристаллах кадмий телурида при комнатной температуре имеется значительная концентрация нейтральных дефектов.

Для определения преобладающих дефектов при реализации их значительного спектра предложено использовать интегральные, парциальные и относительные коэффициенты компенсации.

Ключевые слова: кадмий теллурид, дефектообразование, термодинамический n-p-переход, легирование, двухтемпературный отжиг.

Summary

Pysklynets U. M. Mechanisms of defect formation and thermodynamic n-p-transition in undoped and doped cadmium telluride under two-temperature annealing. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree on speciality 02.00.21. - Chemistry of solid state. Precarpathian National University named after Vasyl Stefanyk, Ivano-Frankivsk, 2005.

In the work, it has been investigated and analyzed an effect of impurities and annealing conditions on electrical properties and conversion of conductivity type of cadmium telluride crystals undoped, or doped by gold, indium, thallium, germanium, and chlorine. Models of quasi-chemical reactions of point defect formations in doped material has been elaborated. On the basis of these models, dominated point defects has been found. With this purpose we propose to use integral, partial, and relative coefficients of compensation.

The defect formation models elaborated in the thesis give a possibility to forecast of electrical properties of the material not only at high-temperature equilibrium of defects, but also determine concentrations of defect spectrum and Hall concentration of charge carriers in crystals doped under high temperatures and then cooled down to indoor one.

Technological conditions of the formation of CdTe and CdTe:Au (In, Tl, Ge, Cl) of n- and p-type conductivity has been determined. We have constructed spatial diagrams “n_x-P_Cd-T” (Hall concentration-partial pressure of cadmium vapour-annealing temperature), which determine conditions of the growth of monocrystals with beforehand set parameters. It has been obtained an equation for determination of cadmium vapour partial pressure, corresponding to the thermodynamic n-p-transition for pure and doped cadmium telluride. Dependence of upon annealing temperature and admixture content has calculated. We have obtained more precise constants of equilibrium and defect formation enthalpy.

Key words: cadmium telluride, defect formation, thermodynamic n-p-transition, doping procedure, two-temperature annealing.

Размещено на Allbest.ru