Модифікація електрофізичних і фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe І Cd1-хZnхTe для електронної техніки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.315.592

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

МОДИФІКАЦІЯ ЕЛЕКТРОФІЗИЧНИХ І ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ КРИСТАЛІВ ZnSe І Cd_1-хZn_хTe ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ

05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

ОЛІЙНИК СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківській авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Чугай Олег Миколайович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківській авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки України, професор кафедри фізики.

Офіційні опоненти:доктор фізико-математичних наук, професор Рогачова Олена Іванівна, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, професор кафедри теоретичної та експериментальної фізики;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Галкін Сергій Миколайович, Науково - технологічний концерн «Інститут монокристалів» Національної академії наук України, в. о. завідувача відділом.

Захист відбудеться « 17 » червня 2008 р. о 15 : 00 на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.052.04 Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд. 13

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розіслано «15» травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 64.052.04 Б.Г. Бородін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

кристал діелектричний легуючий дозиметрія

Актуальність теми. Кристали ZnSe і Cd_1-xZn_xTe є типовими представниками широкозонних сполук A^IIB^VI, які знаходять застосування в різних галузях техніки: мікроелектроніці, оптоелектроніці, лазерній оптиці, дозиметрії іонізуючих випромінювань і деяких інших. Проте, більш ширше практичне застосування цих кристалів стримується тим, що залишається нез'ясованою ціла низка питань, пов'язаних з впливом технологічних умов кристалізації та посткристалізаційної обробки на їх фізичні властивості. До таких питань належить, зокрема, модифікація електрофізичних і фотоелектричних властивостей кристалів під впливом теплових полів та іонізуючих випромінювань в залежності від наявності в кристалах характерних дефектів структури, пружних і електричних внутрішніх полів, а також легуючих домішок.

У науково-технологічному концерні «Інститут монокристалів» НАН України (м. Харків) створено наукові основи технології вирощування вказаних кристалів з розплаву під високим тиском інертного газу. Це дозволило розробити комплекс ростового обладнання, яке забезпечує управління такими технологічними параметрами росту кристала, як просторові та часові характеристики теплового поля в різних зонах, тиск інертного газу і швидкість переміщення фронту кристалізації. Завдяки цьому з'явилася можливість на одній і тій же ростовій установці вирощувати кристали будь-яким із розплавних методів: за Бріджменом, зонною плавкою або градієнтним охолодженням.

Широкі можливості керування технологічними умовами кристалізації за допомогою вказаного устаткування були продемонстровані на прикладі механічно напружених кристалів ZnSe, що мають особливі оптичні та акустичні властивості, а також кристалів Cd_1-xZn_xTe. Разом з тим залишаються практично не дослідженими закономірності керованої зміни електрофізичних і фотоелектричних властивостей вказаних кристалів посткристалізаційними обробками різних видів. Це вказує на актуальність розробки основ модифікації властивостей кристалів зовнішніми впливами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах держбюджетних НДР «Розробка концептуальних засад системної діагностики напружено-деформованого стану функціональних кристалічних матеріалів» (№ 0103U005061) і «Розробка концептуальних засад інформаційно - ентропійного підходу до визначення стійкості характеристик матеріалів електронної техніки» (№ 0106U001075), виконавцем яких був здобувач.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягала в розробці наукових основ технології післяростової модифікації електрофізичних і фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-хZn_хTe для електронної техніки.

Досягнення вказаної мети вимагало вирішення наступних задач:

- встановлення закономірностей впливу на діелектричні властивості кристалів ZnSe легуючих домішок Cr і Te, а також системи двовимірних дефектів структури;

- встановлення закономірностей впливу на електрофізичні властивості полікристаллів ZnSe двовимірних дефектів структури і пов'язаних з ними внутрішніх фізичних полів;

- встановлення закономірностей впливу циклічної термообробки та іонізуючих випромінювань на електрофізичні і фотоелектричні властивості кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe;

- розробки методів вимірювання: питомого електроопору без виготовлення електричних контактів, приповерхневого електростатичного потенціалу і часу життя нерівноважних носіїв заряду в кристалах A^IIB^VI;

- розробки способу контролю придатності кристалів Cd_1-xZn_xTe для дозиметрії іонізуючих випромінювань як етапу технології їх виготовлення.

Об'єктом дослідження є технологічні процеси росту з розплаву і післяростової обробки кристалів ZnSe різної структурної досконалості як нелегованих, так і сильно легованих Cr і Te, а також кристалів Cd_1-xZn_xTe (x = 0.12 - 0.16).

Предметом дослідження є модифікація електрофізичних і фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe під дією теплових полів та іонізуючих випромінювань в залежності від наявності в кристалах характерних дефектів структури, внутрішніх пружних і електричних полів, а також легуючих домішок.

У роботі використано наступні методи дослідження кристалів:

- оптико-поляризаційної і електронної мікроскопії для дослідження дефектної структури;

- скануючої електронної мікроскопії з рентгенівським мікроаналізом для визначення концентрації легуючої домішки та складу твердого розчину;

- діелектричної спектроскопії, термостимульованих струмів, фотопровідності, математичного моделювання для дослідження електрофізичних і фотоелектричних властивостей;

- вимірювання приповерхневого електростатичного потенціалу, питомого опору без виготовлення електричних контактів, а також часу життя нерівноважних носіїв заряду для контролю якості кристалів при їх застосуванні в електронній техніці.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Вперше встановлено, що в основу модифікації електрофізичних та фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe для потреб електронної техніки можуть бути покладені необоротні зміни внутрішніх пружних і електричних полів ростової природи. Це дозволяє керовано змінювати властивості кристалів циклічним нагрівом до невисоких температур і дією малих доз іонізуючого випромінювання [2, 3, 9 - 11].

2. Дістало подальший розвиток дослідження впливу системи двовимірних дефектів структури ростової природи на внутрішні електричні та пружні поля в кристалах ZnSe. Встановлено, що дані дефекти чинять визначальний вплив на електрофізичні властивості кристалів в низькочастотній області. Отже розширюються можливості технології виробництва вказаних кристалів, завдяки управлінню їх електрофізичними властивостями шляхом орієнтації електричного поля відносно системи двовимірних дефектів структури та модифікації даних властивостей післяростовою обробкою кристалів [6, 14].

3. Вперше спостерігалось і дістало пояснення явище термодеполяризації полікристалів ZnSe, пов'язаної з природною впорядкованістю двовимірних дефектів структури і внутрішніх електричних та пружних полів. Цим підтверджено визначальний вплив системи двовимірних дефектів структури ростової природи на електрофізичні властивості кристалів ZnSe, отриманих за технологією вирощування з розплаву [6].

4. Дістало подальший розвиток дослідження впливу легуючих атомів на електрофізичні властивості кристалів ZnSe. Встановлено, що вплив атомів Cr на вказані властивості залежить від взаємодії легуючих атомів з власними точковими та двовимірними дефектами структури, які породжують внутрішні пружні поля. Це важливо з огляду розвитку технології одержання сильно легованих кристалів ZnSe [13, 16].

5. За результатами експериментальних досліджень вперше встановлено, що контроль придатності кристалів Cd_1-xZn_xTe, вирощених у різних технологічних умовах, для спектрометрів іонізуючих випромінювань може виконуватись з використанням спектрального розподілу фотопровідності [5].

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновано технологічні операції післеростової модифікації електрофізичних і фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe, що реалізуються циклічною термообробкою та дією іонізуючих випромінювань.

2. Запропоновано методи вимірювання приповерхневого електростатичного потенціалу і частотних залежностей діелектричних сталих як складові технології отримання кристалів (деклараційний патент України № 65426А).

3. Запропоновано спосіб контролю якості кристалів Cd_1-xZn_xTe для спектрометрів іонізуючих випромінювань, заснований на вимірюванні спектрального розподілу фотопровідності.

4. Показано, що кристали ZnSe з аномальними діелектричними властивостями можуть використовуватись для створення оптично керованих сенсорів фізичних величин ємнісного типу.

Результати роботи впроваджено у Харківському державному підприємстві «Науково - дослідний технологічний інститут приладобудування» (акти впровадження).

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати одержані дисертантом особисто. В роботах, написаних у співавторстві, здобувачеві належать результати і висновки, які наведені в дисертації й авторефераті. Так, у роботах [1, 4, 8, 12] автор здійснив математичне моделювання електрофізичних властивостей досліджуваних об'єктів. В роботах [2, 3, 5 - 7, 9 - 11, 13 - 16] здобувач дослідив електрофізичні параметри кристалів ZnSe, ZnSe(Te), ZnSe(O,Te), ZnSe<Cr>, Cd_1-xZn_xTe, а також полікристалів ZnSe за умов комплексного впливу визначальних технологічних чинників. У роботі [6] дисертанту належить ідея щодо протікання в полікристалах ZnSe струму термодеполяризації, зумовленого їх природною поляризацією. Крім того, в усіх роботах здобувач разом із співавторами виконував інтерпретацію викладених в дисертації ефектів і закономірностей.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи викладено і обговорено на наступних конференціях: International Сonference “Functional materials” ICFM - 2003 (Ukraine, Partenit, 2003 Y.); IV Міжнародній школі-конференції “Актуальні проблеми фізики напівпровідників” (Україна, Дрогобич, 2003 р.); 6^й і 7^й Міжнародних науково-практичних конференціях «Современные информационные и электронные технологии» СИЭТ-2005 і СИЭТ-2006 (Україна, Одеса, 2005 і 2006 рр.); XIV Міжнародної конференції «Нові технології в машинобудуванні» (Україна, Рибальське, 2004 р.); Міжнародних науково - технічних конференціях «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні», що проходили в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» (Україна, Харків, 2001 - 2007 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено в 5 статтях в спеціалізованих наукових журналах, які видаються АН України і Росії, в 1 статті в збірці наукових робіт, в 9 тезах доповідей на конференціях, а також в декларативному патенті України.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Зміст досліджень викладено на 190 сторінках, з яких основного тексту 146 сторінок. Дисертація містить 82 рисунки і 12 таблиць. Список використаних джерел складається з 191 бібліографічного найменування. Список викладено на 20 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведено загальну характеристику і мету дисертації, обґрунтовано актуальність її теми, викладено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі «Технологія і обладнання для вирощування кристалів A^IIB^VI з розплаву під тиском інертного газу. Формування дефектної структури і електрофізичних властивостей кристалів» зроблено огляд робіт, присвячених впливу технологічних параметрів на формування дефектної структури кристалів A^IIB^VI зі структурою сфалерита. Виконано аналіз технологічних чинників, які визначають структурну досконалість вирощуваних з розплаву кристалів, описано розроблені в НТК «Інститут монокристалів» НАН України технологію вирощування напружено-деформованих кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe і відповідне обладнання. Розглянуто вплив технологічних умов росту на електрофізичні властивості цих кристалів. На основі огляду літературних даних сформульована мета дисертаційної роботи.

Другий розділ «Розробка методів технологічного контролю електрофізичних параметрів кристалів A^IIB^VI» присвячена розробці методів вимірювання електрофізичних параметрів кристалів. Ці методи є основою технологічного контролю властивостей кристалів.

Описано характерні особливості дефектної структури і фізичних властивостей кристалів ZnSe та Cd_1-xZn_xTe, що зумовили необхідність розробки взаємодоповнюючих методів вимірювання електрофізичних параметрів кристалів. Оригінальний метод визначення приповерхневого електростатичного потенціалу базується на вимірюванні спектральних залежностей прирістів ефективних значень діелектричної проникності і коефіцієнта діелектричних втрат зразка при плавній зміні довжини хвилі світла . Використовуючи залежності і , представлені в комплексній площині, визначають енергетичний спектр локалізованих станів носіїв. Складові спектра, які відповідають станам поблизу краю однієї з дозволених зон, несуть інформацію про . Перевагами цього методу, що забезпечують його технологічність, є застосування слабких світлових пучків і зразків, поверхня яких не потребує спеціальної підготовки.

Застосування за технологічним призначенням традиційних методів вимірювання питомого електроопору досліджених кристалів істотно ускладнюється необхідністю створення омічних контактів до них і вимірювання дуже малих струмів. Ці труднощі було подолано вимірюванням тангенсу кута діелектричних втрат і електроємності зразка в діапазоні частот (0.012 - 100) кГц за допомогою стандартних приладів. При цьому для виключення похибки вимірювань, зумовленої приелектродними ефектами, зразок розташовували між тонкими електроізолюючими переміжками з відомими електрофізичними параметрами, які враховувались в моделі системи електроди - переміжки - зразок.

Традиційні способи вимірювання діелектричних сталих кристалів за допомогою Q-метра прості і можуть виконуватись в широкій смузі частот. Це визначає їх застосування в технології виготовлення електронних приладів. Проте такі вимірювання не відзначаються достатньою точністю у випадку використання зразка з малою електроємністю С і великими діелектричними втратами. У наших дослідах цей недолік подолано використанням цифрових приладів для вимірювання амплітуди і частоти напруги на коливальному контурі при резонансі. При цьому малі зміни С визначаються через відхилення резонансної частоти контура, зумовлене підключенням до нього вимірювальної комірки зі зразком. У разі вимірювання великих ( 0.1) діелектричних втрат кристала паралельно до контура куметра підключається еталонний конденсатор.

Високий питомий електроопір (? ~ 10⁹ Ом·см) досліджених кристалів Cd_1-xZn_xTe істотно ускладнює технологічний контроль часу життя нерівноважних носіїв струму з використанням частотної залежності фотопровідності. Це пов'язано з необхідністю застосування у вимірюваннях широкосмугового підсилювача з надзвичайно високим вхідним електроопором. Такий недолік не притаманний запропонованому нами методу визначення часу життя нерівноважних носіїв, заснованому на вимірюванні частотної залежності першої гармоніки сигналу фотовідгуку при дії на зразок прямокутних імпульсів світла. Важливо, що в цих вимірюваннях можуть застосовуватись стандартні прилади.

У третьому розділі «Модифікація діелектричних і фотоелектричних властивостей напружено-деформованих кристалів ZnSe, які містять систему двовимірних дефектів структури», наведено результати дослідження впливу системи двовимірних дефектів структури на електрофізичні властивості кристалів ZnSe.

Виникнення вказаних дефектів структури властиво кубічним кристалам із ряду A^IIB^VI, і особливо для ZnSe, оскільки тісно пов'язано з відносно низькою енергією утворення дефектів пакування. З точки зору термодинаміки необоротних процесів формування дефектної структури - «реакція» кристала на зовнішній вплив, направлена на зменшення його вільної енергії. З цієї причини зміна форми фронту кристалізації і, відповідно, термопружних напружень відіграє провідну роль в утворенні двовимірних дефектів структури в зазначених кристалах. Відзначимо, що у цьому випадку двовимірні дефекти, як правило, утворюють систему, яка породжує смуги змінного подвійного променезаломлення з орієнтацією в площині (111) сфалериту.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Встановлено, що система двовимірних дефектів структури, які породжують смуги подвійного променезаломлення, може здійснювати визначальний вплив на діелектричні властивості кристалів ZnSe в низькочастотній області. При цьому діелектрична проникність і коефіцієнт втрат виявляють істотну залежність від температури та частоти електричного поля. Причому характер діелектричних спектрів визначається орієнтацією електричного поля Е відносно площини залягання двовимірних дефектів структури, тобто площини (111) (рис. 1). Важливо також, що лише у випадку орієнтації поля паралельно вказаній площині температурні залежності діелектричних сталих виявляють гістерезис, який посилюється при дії на кристал одновісьового стиснення ( = 0.6 МПа), колінеарного Е. На цій підставі можна зробити висновок про тісний зв'язок аномалій діелектричного відгуку досліджених кристалів з полем пружних напружень, що виникло при формуванні системи двовимірних дефектів структури. Внаслідок п'єзоефекту з цим полем тісно пов'язано поле електричне, існування якого підтверджується спостереженням в кристалах електролюмінісценції. Отже, анізотропія електрофізичних властивостей досліджених кристалів дозволяє ефективно управляти частотними і температурними залежностями їх діелектричних сталих. Це важливо з погляду створення на основі кристалів датчиків фізичних величин ємнісного типу.

Впливаючи на ентальпію утворення і симетрію власних дефектів структури, внутрішні поля тісно пов'язані зі зміною стану всієї системи власних дефектів структури при нагріванні кристала. Встановлено, що інерційність таких змін обумовлює відмінність залежностей і , одержаних в режимах нагрівання і охолодження зразка. Згідно з результатами оптико-поляризаційних досліджень, наявність породженої двовимірними дефектами структури системи смуг подвійного променезаломлення є необхідною, але не достатньою умовою описаних аномалій діелектричних властивостей кристалів ZnSe. Це вказує на існування різних механізмів утворення даної системи дефектів, яка, очевидно, має властивості масштабної самоподібності і тому вимагає залучення для свого дослідження більш ширшого арсеналу експериментальних методів.

З метою підтвердження визначальної ролі двовимірних дефектів структури та пов'язаних з ними пружних і електричних полів в модифікації електрофізичних властивостей кристалів ZnSe нами було виконано експериментальне моделювання таких властивостей кристалічних матеріалів, які містять систему двовимірних дефектів структури. Використовували полікристали ZnSe, вирощені хімічним осадженням з газової фази. Як і у випадку кристалізації з розплаву в умовах великого градієнта температури, ріст полікристалів при хімічному осадженні з газової фази має істотно нерівноважний характер. Внаслідок цього утворюється впорядкована система двовимірних дефектів структури, яка охоплює не тільки межі між кристалітами, але й дефекти усередині них. Породжені такими дефектами електричне і пружне поля мають направлений характер, пов'язаний з формуванням п'єзоелектричної текстури, яка була виявлена раніше. Відмінною рисою температурних залежностей діелектричних сталих вказаних матеріалів є наявність одного або двох максимумів, що спостерігаються при первинному нагріванні зразка, але відсутні як при охолодженні, так і при наступному нагріванні. Відновлення початкових залежностей і продовжується протягом декількох діб, але у багато разів прискорюється при дії на полікристал міжзонного світла. Така поведінка діелектричних сталих пояснюється термодеполяризацією полікристалів, яка природно виникла внаслідок наявності в об'ємі електричного поля, напрямок якого визначається текстурою. Прямим підтвердженням цього є спостереження струму в зовнішньому електричному колі за умови рівномірного нагрівання зразка. Із вказаних залежностей, представлених в координатах , визначено глибину залягання електронних пасток Е_а, термічно спустошуваних при нагріванні. Значення цього параметра лежать в межах 0.15 - 0.41 еВ, що добре узгоджується з відомими даними щодо електронних пасток в ZnSe. Отже, створення форми фронту кристалізації, відмінної від плоскої, здійснюючи визначальний вплив на утворення системи двовимірних дефектів структури, відіграє роль одного з основних чинників в модифікації електрофізичних властивостей досліджених кристалів.

Четвертий розділ «Вплив технологічних чинників та легуючих домішок Cr і Te на електрофізичні властивості кристалів ZnSe» присвячено дослідженню комплексного впливу легуючої домішки і системи двовимірних дефектів структури на електрофізичні властивості кристалів при дії одновісьового стиснення та міжзонного фотозбудження. У розділі також досліджено вольт-фарадні характеристики структур метал - напівпровідник - метал на основі відпалених кристалів ZnSe(Te). Не зважаючи на те, що введення легуючих домішок не дозволяє управляти електронними властивостями бінарних напівпровідників так же ефективно, як властивостями напівпровідників елементарних, вказані дослідження становлять значний інтерес з огляду розкриття можливостей модифікації електрофізичних властивостей кристалів.

Встановлено, що за умови легування хромом на рівні n_Cr ~ 10¹⁸ см^-3 низькочастотні значення діелектричних сталих закономірним чином змінюються в кристалічному злитку уздовж осі його кристалізації. При цьому просторовий розподіл кожного з параметрів не корелюють з аналогічним розподілом n_Cr. Істотно, що діелектричні втрати зразків активаційно зростають з Т і, зазвичай, характеризуються кількома енергіями активації Е_а. Причому їх значення знаходяться в інтервалі 0.2 - 0.8 еВ, співпадаючому з інтервалом глибин залягання електронних пасток, відомих з літературних джерел. У той же час, температурні залежності тих же величин нелегованих кристалів ZnSe мають зовсім інший характер. На підставі сукупності вказаних даних можна дійти висновку, що вплив атомів Cr на електрофізичні властивості досліджених кристалів визначається зміною стану системи власних дефектів, який, у свою чергу, пов'язаний із залишковими домішками і пружними полями в кристалічному злитку. На користь істотного впливу пружних полів на діелектричний відгук кристалів ZnSe:Cr, на наш погляд, свідчать також закономірні зміни залежності , зумовлені дією на зразок одновісьового стиснення ( ~ 1 МПа) певної кристалографічної орієнтації. Зокрема, ця дія зумовлює появу нових і зникнення деяких, раніше існувавших, характерних ділянок вказаної залежності і, відповідно, зміну набору значень Е_а. Суттєво послаблюється гістерезис змін діелектричних втрат з температурою.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Визначальний вплив системи двовимірних дефектів структури, пов'язаних з ними пружного і електричного полів на електрофізичні властивості кристалів ZnSe:Cr підтверджують результати дослідження діелектричних властивостей таких кристалів. Відмінною рисою залежностей у цьому випадку є наявність сходинок, які спостерігаються як при нагріванні, так і при охолодженні кристала (рис. 2). Причому в однакових умовах досліду, включаючи орієнтацію електричного поля відносно площини залягання двовимірних дефектів структури, кількість сходинок, їх висота і температура спостереження Т_i є індивідуальними характеристиками зразка. Під дією одновісьового стиснення сходинки зміщуються, як правило, у високотемпературну область, зменшуючись по висоті аж до їх повного зникнення. До зникнення сходинок призводить також збудження кристала міжзонним світлом достатньої інтенсивності (див. кр. рис. 2).

Описана поведінка діелектричних втрат кристалів ZnSe:Cr з системою двовимірних дефектів структури може пояснюватись утворенням за участю легуючих атомів метастабільних центрів. Стан окремого центру визначається не лише його зарядом, особливостями хімічного зв'язку з атомами найближчого оточення, але й пружними полями, породженими двовимірними дефектами структури. Це зумовлює чутливість вказаних центрів до механічних напружень, створених дією на кристал зовні, та фотозбудження. Отже, легування Cr кристалів ZnSe, які містять систему двовимірних дефектів структури, розширює можливості технології післяростової модифікації їх електрофізичних властивостей.

Відмінною рисою діелектричного відгуку кристалів ZnSe:Te, яка не пов'язана з вказаною системою дефектів, є збільшення з концентрацією легуючої домішки n_Te кількості лінійних ділянок температурної залежності діелектричних втрат, представленої в координатах . Цим ділянкам відповідає інтервал енергій активації 0.04 - 0.85 еВ, який дещо ширший за аналогічний інтервал для кристалів ZnSe:Cr. Крім того, для кристалів ZnSe:Te властиво послаблення гістерезису температурних залежностей діелектричних сталих з підвищенням n_Te, а також незвичайно високі значення діелектричної проникності (~150) при n_Te ~ 0.6 %. Ці особливості діелектричного відгуку свідчать про значні відмінності точкових дефектів, утворених в кристалах ZnSe за участю атомів перехідного елементу Cr та ізовалентного елементу Te.

Встановлено, що високотемпературний відпал в парах Zn кардинально змінює електрофізичні властивості кристалів ZnSe:Te і ZnSe:Te,О. В результаті електроємність структур метал - напівпровідник - метал (МНМ) на основі цих кристалів досягає незвично великих значень. Вказана величина, а також тангенс кута діелектричних втрат структури МНМ виявляють суттєво нелінійну залежність від зміщуючого електричного поля. Математичним моделюванням показано, що це зумовлено приелектродними потенціальними бар'єрами. Викладені електрофізичні властивості МНМ - структур на основі відпалених кристалів становлять інтерес з погляду створення варикапів з особливими характеристиками.

У п'ятому розділі «Способи контролю практичної придатності кристалів A^IIB^VI, вирощених в різних технологічних режимах, і післяростова модифікація електрофізичних властивостей кристалів» викладено наукові основи контролю придатності кристалів Cd_1-хZn_хTe для детекторів іонізуючих випромінювань, а також післяростової модифікації цих кристалів і кристалів ZnSe.

Однією з головних причин виникнення внутрішніх фізичних полів в твердих розчинах напівпровідників, як відомо, є неоднорідності складу, які визначаються не лише статистичним характером розподілу атомів, але й технологічними чинниками. Цим обумовлена специфіка фотоелектричних властивостей твердих розчинів, включаючи вплив на властивості власних дефектів структури. Згідно з результатами наших досліджень, теплові умови росту, істотно впливаючи на форму фронту кристалізації, визначають структурну досконалість кристалів Cd_1-xZn_xTe. При цьому форма фронту кристалізації і, зокрема, її відмінність від плоскої, визначає структурну досконалість кристалів. Остання, у свою чергу, тісним чином пов'язана з фоточутливістю, а також спектральним розподілом фотопровідності досліджених кристалів. Причому склад, стан системи власних дефектів і енергетичний спектр породжених ними локалізованих рівнів обумовлюють зв'язок напівширини власного максимуму фотопровідності з якістю спектрометрів іонізуючих випромінювань, виготовлених з кристалів Cd_1-xZn_xTe. Тому технологія виробництва таких електронних приладів повинна включати контроль напівширини власного максимуму фотопровідності кристалів.

Неоднорідності складу, як відомо, є однією з причин різного типу розподілів фізичних величин в твердих розчинах. До таких розподілів належить функція розподілу релаксаторів за частотою, яка характеризує діелектричний відгук реальних кристалів. У роботі ця функція одержана чисельним розв'язанням відомого дисперсійного рівняння для діелектричної проникності

При цьому використовувались експериментальні дані для кристалів Cd_0.84Zn_0.16Te. Запропоновано метод визначення внеску в діелектричні втрати механізмів дисипації енергії електричного поля, супутніх діелектричній релаксації, заснований на використанні функції і дисперсійного рівняння для діелектричних втрат. Застосування цього методу дозволяє підвищити точність вимірювань питомого електроопору кристалів Cd_1-xZn_xTe і, відповідно, ефективність контролю їх придатності для вказаного вище застосування.

Великомасштабні пружні і електричні поля в досліджених кристалах, як наголошувалось, тісно пов'язані між собою внаслідок п'єзоефекту. Тому вплив полів на властивості кристалів носить комплексний характер. Про це свідчать проведені нами дослідження діелектричних і оптичних властивостей кристалів, підданих циклічній термообробці. Встановлено, що багаторазове підвищення і зниження температури в інтервалі 300 - 500 К зумовлює зменшення коефіцієнта оптичного поглинання в спектральній області «хвоста» щільності станів кристала. Величина цієї зміни зростає з кількістю термоциклів. Одночасно знижується найбільше значення , виміряне в тому ж температурному інтервалі.

Внутрішні фізичні поля можуть також відігравати ключову роль в змінах системи власних дефектів і, відповідно, електрофізичних властивостей, обумовлених радіаційною дією. У даному зв'язку становить інтерес дослідити діелектричні сталі кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe у залежності від поглиненої дози D іонізуючого випромінювання, кванти якого мають різну енергію. Згідно з проведеними нами дослідами, дія на кристал вельми малих доз (D 10 Р) випромінювання спричиняє помітні зміни низькочастотних і як при допороговій, так і запороговій енергії квантів випромінювання. Спостерігаються також зміни приповерхневого електростатичного потенціалу і енергетичного спектру локалізованих станів. Усе це свідчить на користь того, що на початковій стадії радіаційної дії зміна діелектричних властивостей досліджуваних кристалів визначається перетворенням системи точкових дефектів, яке стимулюється внутрішніми полями. Встановлено певні, пов'язані зі складом кристала, значення D, яким відповідають найбільші прирощення на світлі , усереднені по всій області фоточутливості. З вищевикладеного можна зробити висновок, що циклічний нагрів, дія іонізуючого випромінювання різних доз спричиняють еволюцію внутрішніх пружного та електричного полів і тому можуть бути покладені в основу технології післяростової модифікації електрофізичних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe.

ВИСНОВКИ

В результаті виконаних в роботі комплексних досліджень досягнуто поставленої мети - розроблено наукові основи технології післяростової модифікації електрофізичних та фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe для електронної техніки. Найбільш важливі наукові та практичні результати досліджень можна сформулювати у вигляді наступних узагальнених висновків:

1. На підставі аналізу технологічних чинників та умов росту, які визначають структурну досконалість, електрофізичні і фотоелектричні властивості вирощуваних з розплаву кристалів A^IIB^VI, показана актуальність розробки технології післяростової модифікації цих властивостей кристалів як складової виробництва електронних приладів.

2. З використанням розроблених методів вимірювання електрофізичних параметрів кристалів показано, що визначальна роль в післяростовій модифікації електрофізичних і фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe належить системі двовимірних дефектів структури і пов'язаним з ними пружним та електричним полям.

3. Встановлено, що анізотропія електрофізичних властивостей кристалів ZnSe, які містять систему двовимірних дефектів структури, забезпечує використання їх в якості сенсорів фізичних величин, що характеризуються сильною залежністю діелектричних сталих від частоти електричного поля, температури і кристалографічного напряму.

4. Показано, що легування Cr зразків ZnSe з системою двовимірних дефектів структури розширює можливості технології післяростової модифікації їх електрофізичних властивостей для потреб електронної техніки. Вплив домішок Cr на електрофізичні властивості кристалів пояснено взаємодією домішкових атомів з власними і двовимірними дефектами структури, яка, у свою чергу, пов'язана з технологічними умовами росту кристалів.

5. Встановлено, що в основу технології післяростової модифікації електрофізичних та фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-xZn_xTe для електронної техніки можуть бути покладені циклічний нагрів і дія малих доз іонізуючого випромінювання, які зумовлюють зміни дефектної структури, внутрішніх пружного і електричних полів без деградації властивостей кристалів.

6. Запропоновано методику контролю придатності кристалів Cd_1-xZn_xTe для дозиметрії іонізуючих випромінювань, яка базується на вимірюванні розподілу фотопровідності за довжиною хвилі світла.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Олейник С.В., Ром М.А., Чугай О.Н. Анализ сложных частотних зависимостей диэлектрических потерь // Вісті академії інженерних наук України. - 2004. - № 4(24). - С. 167 - 171.

2. Ryzhikov V., Starzinskiy N., Chugai O., Migal V., Komar V., Katrunov K., Oleinik S., Zenya I. Studies of photoactive states of isovalently doped ZnSe crystals by the method of scanning photodielectric spectroscopy // Functional Materials. - 2004. - Vol. 11, № 3. - P. 563 - 566.

3. Ryzhikov V., Starzinskiy N., Chugai O., Seminozhenko V., Migal V., Komar V., Klimenko I., Katrunov K., Abashin S., Oleinik S., Sulima S., Zenya I. Radiation-induced changes in dielectric and photoelectric properties of A^IIB^VI crystals // Functional Materials. - 2004. - Vol. 11, № 3. - P. 567 - 570.

4. Chugai O., Ryzhikov V., Starzinskiy N., Oleynik S., Katrunov K., Zenya I. Electrophysical properties of metal-semiconductor-metal structures based on isovalently doped zinc selenide crystals // Functional Materials. - 2004. - Vol. 11, № 4. - P. 684 - 688.

5. Герасименко А.С., Комарь В.К., Мигаль В.П., Наливайко Д.П., Олейник С.В., Сулима С.В., Чугай О.Н. Оперативное определение качества кристаллов для детекторов ?-излучения по фотопроводимости // Неорганические материалы. - 2005. - Том 41, № 3. - С. 1 - 4.

6. Олейник С.В., Чугай О.Н. Термодеполяризация естественно поляризованных поликристаллов селенида цинка // Письма в ЖТФ. - 2006. - Том 32, № 16. - С. 56 - 61.

7. Пат. 65426А Україна, МКИ 7 G 01 N 13/10. Спосіб вимірювання приповерхневого електростатичного потенціалу в напівпровіднику / Олійник С.В., Чугай О.М., Комар В.К., Мигаль В.П., Пузіков В.М., Сулима С.В. (Укр.); Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», Науково - дослідне відділення «Оптичні та конструкційні кристали» Науково-технологічного концерну «Інститут монокристалів» Національної академії наук України; Заявлено 01.09.2003; Опубл. 15.03.2004; Бюл. № 3.

8. Рыбалка И.А., Олейник С.В. Исследование вольт-емкостных характеристик систем металл-полупроводник-металл на основе легированных кристаллов ZnSe // Матеріали міжнародної науково - технічної конференції «Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні, ІКТМ'2002». - Харків: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», 2002. - С. 162.

9. Олейник С.В., Мазилов А.А., Чугай О.Н. Изменения спектрального распределения фотодиэлектрического эффекта в кристаллах ZnSe и CdZnTe, индуцированные г-излучением // Матеріали міжнародної науково - технічної конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні, ІКТМ'2003». - Харків: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», 2003. - С. 217.

10. Ryzhikov V.D., Starzinskiy N.G., Migal V.P., Chugai O.N., Abashin S.L., Katrunov K.A., Klimenko I.A., Oleinik S.V., Sulima S.V. Studies of photoactive states of ZnSe-based scintillators by scanning photodielectric spectroscopy // Proceedings of International conference “Functional materials” ICFM - 2003 (October 6 - 11, 2003). - Partenit (Crimea, Ukraine), 2003. - P. 136.

11. Ryzhikov V.D., Starzinskiy N.G., Migal V.P., Chugai O.N., Komar V.K., Klimenko I.A., Katrunov K.A., Abashin S.L., Oleinik S.V., Sulima S.V., Rybalko I.A., Zenya I. Radiation - induced changes in dielectric and photoelectric properties of A^IIB^VI crystals // Proceedings of International conference “Functional materials” ICFM - 2003 (October 6 - 11, 2003). - Partenit (Crimea, Ukraine), 2003. - P. 137.

12. Олейник С.В., Ром М.А., Чугай О.Н. Анализ сложных частотних зависимостей диэлектрических потерь // Материалы XIV международной конференции «Новые технологии в машиностроении» (3 - 8 сентября 2004 г.). - Харьков-Рыбачье, 2004. - С. 25.

13. Олейник С.В., Сулима С.В, Чугай О.Н. Влияние одноосного сжатия на температурные зависимости диэлектрических постоянных кристаллов ZnSe:Cr // Матеріали міжнародної науково - технічної конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні, ІКТМ'2004». - Харків: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», 2004. - С. 315.

14. Комарь В.К., Мигаль В.П., Наливайко Д.П., Олейник С.В., Сулима С.В., Чугай О.Н. Кристаллы ZnSe с двумерными дефектами структуры как материал сенсоров физических величин // Материалы 6^й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» СИЭТ - 2005 (23 - 27 мая 2005). - Одесса, 2005. - С. 356.

15. Наливайко Д.П., Олейник С.В., Сулима С.В., Чугай О.Н. Обобщенное представление диэлектрических спектров в комплексной плоскости // Матеріали міжнародної науково - технічної конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні, ІКТМ'2005». - Харків: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», 2005. - С. 331.

16. Бурлеев О.Л., Комарь В.К., Наливайко Д.П., Олейник С.В., Сулима С.В., Чугай О.Н. Пространственное распределение электрофизических параметров в кристаллическом слитке ZnSe, легированном Cr // Материалы 7^й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» СИЭТ - 2006 (22 - 26 мая 2006). - Одесса, 2006. - Том 2. - С. 106.

АННОТАЦИЯ

Олейник С.В. Модификация электрофизических и фотоэлектрических свойств кристаллов ZnSe и Cd_1-хZn_хTe для электронной техники. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - технология, оборудование и производство электронной техники. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2008.

Работа посвящена разработке научных основ технологии послеростовой модификации электрофизических и фотоэлектрических свойств кристаллов ZnSe и Cd_1-хZn_хTe для электронной техники.

С целью установления основных факторов модификации электрофизических и фотоэлектрических свойств кристаллов исследованы частотные и температурные зависимости их диэлектрических постоянных. Измерения выполняли на кристаллах, как содержащих, так и не содержащих систему двумерных дефектов структуры, образование которой характерно для соединений A^IIB^VI с кубической решеткой.

Установлено, что около 30 % кристаллов, содержащих систему двумерных дефектов структуры, обладают существенной зависимостью диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь от температуры, частоты электрического поля и его ориентации относительно указанных дефектов. Поскольку дефекты порождают упругое и электрическое поля, тесно взаимосвязанные вследствие пьезоэффекта, одним из основных факторов модификации свойств кристаллов в результате внешних воздействий является эволюция внутренних полей, зависящая от ориентации воздействия относительно двумерных дефектов структуры. Определяющее влияние системы двумерных дефектов структуры и связанных с ними физических полей на электрофизические свойства кристаллов подтверждено исследованием диэлектрических спектров поликристаллов ZnSe. Формирование в них указанной системы дефектов обусловлено существенно неравновесными условиями кристаллизации при химическом осаждении из газовой фазы.

Установлено, что влияние примеси Cr, введенной в высокой концентрации, на электрофизические свойства кристаллов зависит от взаимодействия примесных атомов с собственными и двумерными дефектами структуры, которое, в свою очередь, связано с технологическими условиями выращивания кристаллов. Поэтому легирование кристаллов ZnSe указанной примесью, сочетаемое с формированием системы двумерных дефектов структуры, расширяет возможности технологии послеростовой модификации электрофизических свойств этих кристаллов для электронной техники.

Установлено, что в основу технологии послеростовой модификации электрофизических и фотоэлектрических свойств кристаллов ZnSe и Cd_1-xZn_xTe могут быть положены циклический нагрев и воздействие малых доз ионизирующего излучения, вызывающие направленные изменения системы точечных дефектов структуры без увеличения уровня диссипации энергии электрического поля в кристалле.

Разработаны методы измерения: приповерхностного электростатического потенциала, удельного электросопростивления без изготовления электрических контактов, а также метод, обеспечивающий расширение пределов и повышение точности измерений диэлектрических постоянных кристаллов с помощью куметра. Эти методы могут быть положены в основу контроля электрофизических параметров кристаллов A^IIB^VI на различных этапах технологии изготовления из них электронных приборов.

Ключевые слова: технология послеростовой модификации, система двумерных дефектов структуры, внутренние упругие и электрические поля, диэлектрические и фотоэлектрические свойства, циклический нагрев, воздействие ионизирующего излучения.

АНОТАЦІЯ

Олійник С.В. Модифікація електрофізичних і фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-хZn_хTe для електронної техніки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2008.

Робота присвячена розробці наукових основ технології післяростової модифікації електрофізичних і фотоелектричних властивостей кристалів ZnSe і Cd_1-хZn_хTe для електронної техніки.

Дослідження частотних і температурних залежностей діелектричних сталих кристалів дозволило встановити, що одним з основних чинників модифікації їх властивостей є еволюція внутрішніх полів, яка залежить від орієнтації дії зовнішніх чинників відносно системи двовимірних дефектів структури. Це підтверджено дослідженням полікристалів ZnSe.

Встановлено, що в основу вищезазначеної технології можуть бути покладені циклічний нагрів і дія малих доз іонізуючого випромінювання, а також розроблені методи вимірювання електрофізичних параметрів кристалів. Можливості технології розширює легування кристалів ZnSe домішкою Cr за умови формування в них системи двовимірних дефектів структури.

Ключові слова: технологія післяростової модифікації, система двовимірних дефектів структури, внутрішні пружні і електричні поля, діелектричні та фотоелектричні властивості, циклічний нагрів, дія іонізуючого випромінювання.

SUMMARY

Oleynick S.V. Modification of electrophysical and photoelectric properties of crystals ZnSe and Cd_1-хZn_хTe for electronic technique. - Manuscript.

The thesis on competition of scientific degree of Cand. Tech. Sci. on speciality 05.27.06 - technology, equipment and production of electronic technique. - Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkov, 2008.

Work is devoted to development of post-grown technology scientific bases of electrophysical and photoelectric properties modification of crystals ZnSe and Cd_1-хZn_хTe for electronic technique.

Frequency and temperature dependences of dielectric constants of crystals are investigated. It was found that one of primary factors of crystals properties modification is evolution of the internal fields, which depends on the orientation of influence in relation to the system of two-dimensional defects. It is confirmed by research of polycrystals ZnSe.

It was found that as a basis of above-stated technology can be assumed cyclic heating and influence of small doses ionizing radiation, and also developed methods of crystals electrophysics parameters measuring. Possibilities of technology are extended by Cr admixture alloying of crystals ZnSe on condition of two-dimensional defects system forming in them.

Keywords: post-grown technology of properties modification, system of two-dimensional defects, internal resilient and electric fields, dielectric and photo-electric properties, cyclic heating, influence of ionizing radiation.

Размещено на Allbest.ru