Деформаційні зміни кристалічної гратки і енергетичного спектру електронної підсистеми антимоніду індія при подвійному легуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

На правах рукопису

УДК 621.315.592

КНОРОЗОК Леонід Михайлович

ДЕФОРМАЦІЙНІ ЗМІНИ КРИСТАЛІЧНОЇ ГРАТКИ І ЕНЕРГЕТИЧНОГО СПЕКТРУ ЕЛЕКТРОННОЇ ПІДСИСТЕМИ АНТИМОНІДУ ІНДІЮ ПРИ ПОДВІЙНОМУ ЛЕГУВАННІ

01.04.10 -- фізика напівпровідників та діелектриків

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ -- 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі напівпровідникової електороніки радіофізичного факультету Київського університету імені Тараса Шевченка та кафедрі фізики Ніжинського державного педагогічного університету ім. М. Гоголя

Науковий керівник: Доктор ф.- м. наук Бродовий Володимир Антонович, професор кафедри напівпровідникової електроніки Київького університету імені Тараса Шевченка.

Офіційні опоненти: доктор ф.-м. наук, профессор Вакуленко Олег Васильович фізичний факультет Київського університету імені Тараса Шевченка;

Доктор ф.-м. наук, профессор Пасічник Юрій Архіпович, Національний педагогічний університет ім. М.П. Драгоманова.

Провідна організація : Інститут фізики напівпровідників НАН України.

Захист відбудеться 28.09. 1999 р. о 15 год в ауд. 46 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.31. при Київському університеті імені Тараса Шевченка (за адресою: 252127, Київ-127, вул. С. Ковалевської,1, радіофізичний факультет).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського університету імені Тараса Шевченка (252017, Київ-17, вул. Володимирська 62).

Автореферат розісланий 10.08.1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.Г. Шкавро

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасної напівпровідникової електроніки потребує як створення нових матеріалів з наперед заданими властивостями і параметрами, так і постійного пошуку принципово нових ефектів в твердих тілах. Великий інтерес в теоретичному і практичному планах являють властивості неупорядкованих систем. Модельними системам цього типу є кристалічні бінарні напівпровідникові сполуки, наприклад, типу A3B5 при високому рівні їх легування. Дослідження твердих розчинів (ТР) на основі сполук А3B5 дозволяє не тільки прослідкувати за трансформацією фізичних властивостей вказаних сполук, пов'язаних з порушеннями кристалічної гратки при поступовому заміщенні в ній катіонів або аніонів , а також істотно розширює можливості створення на їх основі напівпровідникових приладів. Відомо, що при легуванні напівпровідникових матеріалів при наявності різниці атомних або іонних радіусів легуючих домішок і основної речовини в місцях заміни одних атомів іншими, виникає значна локальна деформація. Така деформація при високій концентрації домішок може призвести до помітної зміни постійної кристалічної гратки легованого матеріалу, що, в свою чергу, викличе перебудову енергетичного спектру електронів. Як показано в [1], відносні зміни ефективної маси носіїв і ширини забороненої зони при цьому можуть бути на порядок вищі, ніж відносні зміни об'єму при деформації. Великі відносні зміни ефективної маси і ширини забороненої зони особливо характерні для напівпровідників з малою забороненою зоною. Дійсно, відповідно до [1], величина зсуву рівня енергії електрона в кристалі ?E при деформації пропорційна EA( ?a/a), де a - міжатомна відстань, EA - атомна енергія, що приблизно рівна 10 еВ. На основі цього зміна ширини забороненої зони ?Еg/Eg буде пропорційна (EA/Eg)х ?a/a) і при малих Eg, тобто у випадку вузькозонних напівпровідників (до яких можна віднести також і антимонід індію), буде значно перевищувати ?a/a.

Таким чином, можна стверджувати, що крім своєї основної функції - постачальника вільних електронів або дірок в напівпровідниках - легуючі атоми через деформацію кристалічної гратки впливають на енергетичний спектр носіїв заряду і на всі інші пов'язані з цим властивості матеріалів. Тому, крім прикладного аспекту, у вивченні вузькозонних напівпровідників з проміжним і високим рівнем легування спеціально підібраними домішками значну роль відіграють теоретичні і експериментальні дослідження впливу на властивості вихідного матеріалу деформації кристалічної гратки, міждомішкової взаємодії, електрон-деформаційної взаємодії, вивчення складних комплексів за участю домішкових атомів і атомів основної гратки, структурних дефектів, тощо.

Вищезазначене дає підстави вважати, що обрана тема дисертаційної роботи є важливою і актуальною, як в практичному, так і в теоретичному плані.

Основним об'єктом дослідження був обраний антимонід індію, легований одночасно акцепторними та донорними домішками в еквіатомному співвідношенні. Такими домішками були вибрані Cd (акцептор) і Te (донор), атомні та іонні радіуси яких відрізняються від відповідних величин для заміщуваних атомів основної речовини - антимоніду індію.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась по плану спільної науково-дослідної лабораторії Міносвіти та НАН України по дослідженню багатокомпонентних напівпровідників на базі Ніжинського державного педагогічного університету ім. М. Гоголя відповідно до тематики основних наукових досліджень, визначених спільним наказом за N97/112 від 07.05. 1991 (синтез і вирощування кристалів ТР, контроль їх кристалічної досконалості і хімічного складу, дослідження електричних властивостей) та кафедрі напівпровідникової електроніки Київського університету ім. Тараса Шевченка (рентгеноструктурний аналіз, Оже-спектроскопія, дослідження оптичних і магнітних властивостей).

Мета і задачі досліджень: розробка технології створення напівпровідникових матеріалів з наперед заданими властивостями шляхом подвійного легування відповідно підібраними домішками; дослідження кристалічної структури, електрофізичних, оптичних і магнітних властивостей отриманих матеріалів; вивчення можливостей застосування нових матеріалів в голографії та оптоелектроніці.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вдосконалено технологію вирощування та легування монокристалів InSb: розроблено методи усунення дії неконтрольованих домішок, встановлені оптимальні режими синтезу та кристалізації ТР;

- вперше встановлено, що при подвійному легуванні антимоніду індію кадмієм і телуром, взятими у еквіатомному співвідношенні, постійна кристалічної гратки змінюється немонотонно . В залежності від вмісту домішок постійна гратки спочатку зростає на 0,03%, а потім, при більших концентраціях, зменшується на 0,06%;

- доведено, що зміна постійної гратки викликає деформацію енергетичного спектру електронів, змінює ширину забороненої зони, ефективну масу носіїв заряду, магнітну сприйнятливість, впливає на оптичні та електричні властивості зразків;

- на прикладі InSb експериментально показано, що шляхом подвійного легування відповідно підібраними домішками можна значно змінити ширину забороненої зони і ефективну масу вузькозонних напівпровідників.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Запропонований і практично реалізований технологічний метод керування, в широких межах, фізичними властивостями вузькозонних напівпровідників шляхом їх подвійного легування відповідно підібраними домішками.

2. Експериментально доведено, що зміна фізичних властивостей, в першу чергу, викликана деформацією кристалічної гратки - матриці при заміні атомів основної речовини домішковими атомами.

3. Визначено основні фундаментальні параметри зонної схеми зразків ТР. Встановлено, що мінімальна ширина забороненої зони InSb може бути доведена до 7,4x10-2 еВ, а ефективна маса до m*/m0=8x10-3.

4. Експериментально показано, що отримані і досліджені матеріали придатні для створення фотоприймачів та детекторів ІЧ випромінювання.

Створений макет детектора ІЧ випромінювання з граничною довжиною хвилі 17 мкм при Т=77 К.

5. Експериментально показано, що отримані матеріали є перспективними для вирішення проблем динамічної голографії на довжині хвилі 10,6 мкм при малих інтенсивностях взаємодіючих пучків. Порогова інтенсивність для одержаних матеріалів становить 100 Вт/cм2, в той час, як для нелегованого InSb вона складає приблизно 104 Вт/см2, а для кращих світових аналогів ~102...103 Вт/см2. Інститутом фізики НАН України видане посвідчення на раціоналізаторську пропозицію "Матеріал для запису голограм" (N168 від 15.10.90).

Особистий внесок здобувача:

1. Одержані практично всі експериментальні результати: вдосконалено технологію вирощування кристалів, легованих різними домішками, створено лабораторні установки для вирощування зразків ТР, виконано роботи по дослідженню складу та однорідності кристалів, змонтовано експериментальні установки для дослідження електричних, оптичних та магнітних властивостей зразків.

2. Виконано виміри параметрів кристалічної гратки, електричних, оптичних та магнітних властивостей отриманих зразків кристалів.

Результати вимірювань обговорювались спільно з керівником та співавторами друкованих праць, доповідались та обговорювались на наукових семінарах та конференціях.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати роботи доповідались та обговорювались на II всесоюзному семінарі по проблемі "Фізика і хімія напівпровідників" (Павлодар, 1989), XII всесоюзній конференції з фізики напівпровідників (Київ, 1990), I міжвузівській конференції "Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу" (Ніжин, 1991), IV всесоюзній конференції по голографії (Вітебськ, 1990), Республіканській конференції " Фізика і хімія поверхні і межі розділу вузькощілинних напівпровідників" (Львів, 1991), XIV міжнародній конференції з когерентної і нелінійної оптики (Ленінград, 1991), II Українській конференції "Матеріалознавство і фізика напівпровідникових фаз змінного складу" (Ніжин, 1993), Міжнародній конференції " Оптика лазерів'93" (С.-Петербург, 1993), XII республіканській школі-семінарі "Спектроскопія молекул та кристалів" (Ніжин, 1995), міжнародній конференції "Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics" (Uzhgorod, Ukraine, 1996), на наукових семінарах кафедри фізики і звітних наукових конференціях викладачів Ніжинського державного педагогічного університету в 1989-1998 рр.

Публікації. По темі дисертації опубліковно 32 роботи: 5 статтей в журналах "ФТП", "ФТТ" і "Неорганические материалы"; 5 статей у збірниках наукових праць; 22 - тези та матеріали доповідей на конференціях. Список основних робіт по темі дисертації наведено в кінці автореферату.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел і має 137 сторінок, у тому числі 104 сторінки тексту, 30 рисунків, 3 таблиці і бібліографічний список, що включає 106 найменувань.

Особистий внесок автора у працях, які виконані у співавторстві, полягає у проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, обробці їх результатів з використанням ЕОТ, участі в обговоренні результатів та їх інтерпретації на основі сучасних уявлень теорії напівпровідників.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовуються актуальність теми дисертації, сформульовані її мета і завдання. Коротко охарактеризовано основні одержані результати, їх новизна, теоретичне та практичне значення.

У першому розділі на основі літературних даних проаналізовано особливості гетеровалентного заміщення в системах ТР A3B5-A2B6 та поведінку домішок телуру і кадмію в InSb, попередні результати дослідження фізичних властивостей ТР (InSb)1-x(CdTe)x в області складів, близьких до (InSb).

Вплив деформації кристалічної гратки вузькозонних напівпровідників, до яких видноситься і InSb, на енергетичний спектр електронів може на порядок перевищувати відносні зміни постійної гратки [1]. Враховуючи те, що антимонід індію є одним з найбільш досліджених напівпровідників, а кадмій і телур відносяться до його типових легуючих домішок, нами було поставлено за мету дослідити вплив подвійного легування на зміну кристалічної гратки і енергетичний спектр електронів на прикладі системи (InSb)1-x(CdTe)x, виявити можливості їх практичного застосування. Як випливає з огляду літератури, дослідження об`єктів в такому плані не проводилось. На момент початку досліджень по даній темі було опубліковано ряд експериментальних робіт по дослідженню деяких властивостей ТР. Але ці дослідження мали фрагментарний, несистематичний характер. Так в [2] встановлено, що ТР в системі InSb-CdTe мають місце тільки до x?0,05. В цьому інтервалі ширина забороненої зони і ефективна маса носіїв заряду досягають мінімуму при x=0,2-0,3, але причина цього ефекту не встановлена.

Відомо, що фундаментальні характеристики напівпровідників, такі як ширина забороненої зони, ефективна маса, рухливість носіїв заряду, можуть бути отримані з вимірів кінетичних коефіцієнтів, спектральних характеристик поглинання і відбивання світла. Поряд з цим, більш глибокі результати відносно характеру взаємодії компонентів ТР між собою, можна отримати з дослідженя магнітної сприйнятливості.

У другому розділі дисертації описано методи синтезу та кристалізації ТР, способи і результати контролю їх хімічного складу та рентгеноструктурного аналізу. Вдосконалено технологію вирощування однорідних ТР системи (InSb)1-x(CdTe)x (x?0,05) з контрольованим хімічним складом методом напрямленої кристалізації розплаву вихідних компонентів. Зокрема, встановлено, що для усунення дії неконтрольованої домішки кисню на фізичні властивості кристалів контейнер з наважкою вихідних речовин необхідно вакуумувати до залишкового тиску, не меншого за 10-5 мм рт.ст. Для зменшення ймовірності забруднення кристалів неконтрольованими домішками синтез і кристалізацію розплаву поєднано в одному технологічному процесі. Встановлено оптимальну температуру (8000-8300С) та тривалість (12...100 год) синтезу, при яких досягаються належні гомогенність та однорідність зразків, оптимальні для різних концентрацій ТР швидкості переміщення (0,5...3 мм/год) кристалізаціїї та величини градієнта температур у кристалізаційній зоні (50...70 К/см).

За допомогою оптичного емісійного спектрального та мікрорентгеспектрального аналізів встановлено, що атоми Cd i Te входять у кристалічну решітку InSb у співвідношенні, близькому до еквіатомного, але концентрація Te завжди дещо перевищує концентрацію атомів Cd, що і обумовлює електронний тип провідності та порівняно високу концентрацію вільних електронів в кристалах ТР.

Проведене мікроструктурне дослідження підтвердило моно - або крупноблочну будову отриманих зразків ТР, включень інших хімічних фаз не виявлено.

У результаті рентгеноструктурного аналізу одержаних кристалів за методом Дебая-Шерера на рентгенівській установці ДРОН-3 з автоматизованою комп'ютерною системою керування встановлено:

1. Кристалізація ТР (InSb)1-x(CdTe)x при x?0,05 відбувається, як і для нелегованого InSb, в структурі сфалериту. Відсутність інших, крім характерних для структури сфалериту, ліній на дебаєграмах свідчить про відсутність включень сторонніх хімічних фаз.

2. Лінії на дебаєграмах були чіткими, що свідчить про належну структурну досконалість одержаних кристалів ТР.

3. Залежність сталої гратки a від хімічного складу x ТР має явно виражений немонотонний характер (рис.1, крива a). Спостерігаються максимуми в області хімічних складів ТР, близьких до 0,25 мол.% CdTe та 2-3% мол.% CdTe, величини яких знаходяться за межами похибки вимірювань (0,01%).

Такий хід залежності a(x) при введенні кадмію і телуру у гратку-матрицю антимоніду індію в еквіатомному співвідношенні в InSb можна пов'язати зі складним характером взаємодії домішкових атомів між собою та з граткою InSb. Зростання ?a/a ми повязуєм з перевищенням Те над кадмієм в сплавах. Мінімуми - з утворенням комлексів типу (CdTe)0, які мають таку ж постійну кристалічної гратки, як і InSb. Широкий максимум в області 2...3 мол. процентів - з утворенням складних комплексів типу In2Te3 та інших з сталою кристалічної гратки більшою або меншою від сталої гратки антимоніду індію.

У третьому розділі дисертації описано результати комплексного дослідження електрофізичних властивостей одержаних кристалів.

Вивчена залежність постійої Холла Rx, провідності , рухливості носіїв заряду, термоЕРС в ТР (InSb)1-x(CdTe)x при температурах 78-700 К у всій області розчин ності з боку InSb. На залежності концентрації вільних носіїв зарядів від складу в області x=0,02-0,03 виявлений мінімум, пов' язаний з утворенням в ТР нейтральних комплексів, очевидно типу (CdTe)0. Показано, що доля іонів об'єднаних в такі комплекси, складає не менше 98-99%. Зменшення числа розсіюючих центрів у сплаві супроводжувалось збільшенням рухливостіелектронів, яка досягає максимуму при x =0,02...0,03. Для сильно вироджених сплавів 0<x?0,01 i 0,04<x<0,05 рухливість не залежить від температури, тоді як при частковому знятті виродження (x=0,02...0,03) в температурному інтервалі 100-400К спостерігається різкий ріст рухливості пропорційний ~T2,5...1,9, а в області 400-700 К рухливість зменшується пропорційно T-1.

Для зразків з концентрацією електронів n=2х1018 см-3 (x=0,01) і n=6х1018 см-3 (x=0,05) рухливість в температурному інтервалі 78-700 К залишається постійною. Така температурна залежність рухливості характерна для сильновироджених напівпровідників. Обчислення залежності рухливості носіїв заряду від (T,n) виконувались для випадку розсіяння електронів на екранованому кулонівському центрі при наявності виродження. Розрахунки дають результати, що співпадають з експериментальними з точністю до 15%. Таким чином, можна зробити висновок, що розсіяння носіїв заряду для складів x=0,01 i x=0,05 в широкому температурному інтервалі відбувається головним чином на екранованому кулонівському центрі, тобто подібне розсіянню на нейтральних домішках. При зменшенні концентрації розсіюючих центрів в результаті їх взаємної компенсації при утворенні нейтральних комплексів типу (CdTe)0, величина і характер температурної залежності рухливості змінюються.

Залежність рухливості від температури для складів (x=0,02 i x=0,03) пов'язана з тим, що при зростанні температури частина електронів переходить з домішкової зони з низькою рухливістю в зону провідності. Швидке зростання рухливості в області 78-400 К, очевидно, зумовлено двома основними механізмами - температурним переведенням частини електронів з домішкової зони (з малою рухливістю) в зону провідності ( з великою рухливістю) і розсіянням носіїв заряду на заряджених центрах. Зменшення рухливості при T>400 K за законом, близькому до T-1 i T-0,6, можна пов'язати з поєднанням кількох механізмів: розсіянням електронів на акустичних коливаннях (~T-3/2), розсіянням на іонах домішок (~T3/2) і переведенням частини електронів з домішкової зони в зону провідності.

Зроблені вище висновки про переважні механізми розсіяння в ТР підтверджуються і проведеними нами незалежно комплексними вимірюваннями температурних залежностей термоЕРС від температури та холлівської концентрації n(T) в інтервалі температур 160-400 К. З порівняння експериментальної залежності n(T) з теоретичними можна оцінити m* для ТР різних складів. Одержані результаті добре узгоджуються з описаними з висновками, отриманими з вимірювань оптичного відбивання в області плазменного резонансу. Так, m* залежала від хімічного складу кристалів ТР та концентрації носіїв заряду і при 150...170 К змінювала свою величину в межах 0,009...0,022m0 при 0,001?x? 0,03, при x? 0,02 вона набувала мінімального значення 0,009m_0. При Т=290...300 К мінімальне значення m* рівне 0,017m0, діапазон зміни m* для вказаної області складів ТР -(0,017...0,037)m0.

Зменшення ефективної маси електронів в області 0,01<x<0,02 може бути пов`язане з опусканням дна зони провідності, яке досягає максимуму у вказаній області складів ТР. Причиною цього може бути деформація кристалічної гратки та зміна її параметра.

З аналізу температурної залежності рухливості при частковому знятті виродження, встановлено, що між домішковою зоною і зоною провідності утворюється енергетичний зазор ?E=0,013...0,034 еВ.

В розділі IV викладено результати дослідження кристалів ТР оптичними методами, що дозволило надійно визначити найважливіші параметри сплавів, такі, як ширина забороненої зони, ефективна маса електронів, уточнити механізми розсіяння електронів, зробити деякі висновки щодо механізму взаємодії атомів Cd i Те з граткою антимоніду індію.

Результати, приведені в цьому розділі, одержані із спектрів відбивання і пропускання світла в широкому інтервалі частот. У випадку вимірювання пропускання товщина доводилась до d=70 мкм, що відповідало умові Kd1.

Для всіх одержаних сплавів залежності коефіцієна відбивання R від енергії падаючих фотонів криві мають різко виражені характерні мінімуми, що відповідають резонансному поглинанню вільними носіями заряду. За положенням мінімумів визначалась ефективна маса носіїв заряду на рівні Фермі mc за формулою Ляйдена. З одержаних значень mc на рівні Фермі можна обсчислити mc(0) на дні зони провідності і ширину забороненої зони для кожного з ТР.

Як видно з рис.1 (крива b) залежність ефективної маси і оптичної ширини забороненої зони від складу x ТР мають складний, немонотонний характер. Мінімальні значення mc/m0 =0,8x10-2 і Eg =0,07 еВ спостерігаються в області складів x=0,02...0,03. Співставлення кривих a i b на рис.1 показує, що для всіх складів ТР ширина забороненої зони і ефективна маса носіїв однозначно визначається залежністю сталої кристалічної гратки a(x). В свою чергу, як вже відмічалось, залежність a(x) зумовлена складним характером взаємодії легуючих домішок між собою і граткою InSb. Підкреслимо, що практичне значення ТР полягає у можливості одержанні на їх основі матеріалів з шириною забороненої зони набагато меншою, ніж у чистого антимоніду індію, що робить їх перспективними для створення приймачів випромінювання в ІЧ області спектра.

В області поглинання на вільних носіях заряду при h<0,3 еВ, використовуючи відомий зв'язок між K і довжиною хвилі падаючого випромінювання у вигляді K=p, де показник ступеня p залежить від механізму розсіяння носіїв заряду, можна одержати інформацію про переважний механізм розсіяння для кожного сплаву.

Одержані значення p, близькі до 2, характерні для сильновироджених матеріалів. Для цих же ТР, як слідує із проведених електрофізичних досліджень (розділ 3), рухливість електронів в широкому температурному інтервалі (78--700)К не залежила від температури. Величини p=3...3,5 спостерігаються, якщо розсіяння відбувається на іонах домішок. Цей висновок витікає також із аналізу температурної залежності рухливості. Згідно розділу 3, в температурному інтервалі (78--400)К ~ T, де близьке до 1,5.

Таким чином, висновки про переважні механізми розсіяння електронів у сплавах різного складу, одержані із аналізу температурних залежностей рухливості і спектральних характеристик K() при поглинанні на вільних носіях практично співпадають. Для всіх досліджених зразків ТР при поглинанні квантів світла з енергіями, меншими за ширину забороненої зони (в області краю фундаментальної смуги), спостерігається експоненціальна K(). Крива поглинання при h<Eg може визначатися переходами електронів з хвоста валентної зони на спотворене домішками дно зони провідності. Завдяки сильному виродженню електронного газу оптичні переходи при h>Eg відбуваються на рівні в глибині зони провідності (поблизу рівня Фермі) з хвоста валентної зони.

Підтвердженням утворення комплексів типу [(Cd)-(Te)+]0 та інших в ТР є виявлена при h>Eg тонка структура спектрів оптичного поглинання в області складів x ТР , близьких до 0,02. Для цих кристалів в області енергій 0,1...0,25 еВ (за краєм фундаментальної смуги) спостерігаються чотири максимуми коефіцієнта поглинання з енергіями h1 =0,154 еВ; h2= 0,168 еВ; h3=0,178 еВ; h4=0,216 еВ. Кількість ліній в спектрі поглинання і їх відносна інтенсивність залежали від складу ТР. В сплавах з малим вмістом кадмію і телуру (наприклад x=0,005) спостерігались один або два максимуми з енергіями 0,15 еВ і 0,21 еВ або один 0,15 еВ, причому в обох випадках інтенсивність поглинання була набагато меншою. Для ТР складу x>0,002 лінійчата структура спектрів поглинання повністю зникає. На нашу думку, спектр, що спостерігається, зумовлений оптичними переходами електронів всередині нейтральних молекулярних комплексів, утворених в результаті взаємодії легуючих домішок Cd і Te як між собою, так і з атомами основної речовини InSb. Найбільш імовірними комплексами такого характеру, як відмічалось, є молекули типу (CdTe)0, бо із зростанням вмісту Cd і Te в розчині кількість ліній поглинання та їх інтенсивність зростає. Але не виключена можливість утворення і більш складних молекул, таких, наприклад, як In2Te3, In2Te5 та ін. Розмивання ліній при збільшенні вмісту Cd і Te можна пов'язати з деформацією гратки і виникненням сильних внутрішніх електричних полів, які призводять до розширення окремих рівнів у смуги. Із зростанням x (рис.1) спостерігається зменшення постійної гратки, яке досягає при x=0,05 максимального значення, що може бути причиною зникнення окремих смуг при x=0,05.

Експериментально досліджено зустрічну чотирипучкову взаємодію випромінювання CO2-лазера високого тиску (довжина хвилі 10,6 мкм, тривалість імпульсу 150 нс, потужність I=106 Вт/cм2) при фіксованому співвідношенні інтенсивностей пучків накачування I1 та I2 і сигнального пучка I3 з кристалами InSb:Cr та ТР. Досліджувались зразки різної товщини з різною концентраціє домішок. Для порівняння досліджувались також зразки нелегованого InSb.

Показано, що при збільшенні концентрації домішки хрому величина коефіцієнта відбивання в пучок з оберненим хвилевим фронтом зростає, досягаючи величини R=100% для зразка, що містить 0,025 ат.% Cr, що приблизно в 10 раз більше, ніж для нелегованого InSb. Поряд з цим спостерігається розширення області оптичної чутливості в бік менших значень інтенсивностей взаємодіючих пучків. Граничне значення сумарної інтенсивності пучків накачки, при якому впевнено реєструються пучок з оберненим хвилевим фронтом, рівне 100 Вт/см2, подальші вимірювання обмежувались можливостями реєструючої апаратури. Подальше зростання концентрації хрому не призводить до зростання чутливості матеріалів.

Аналогічні закономірності спостерігались і для ТР (InSb)1-x(CdTe)x, але максимальна величина R складала близько 60%:, а гранична чутливість 700-850 Вт/см2 для зразків з вмістом 2-3 мол.% CdTe. Підвищення чутливості і ефективності нелінійної оптичної взаємодії свідчить про зміну механізму взаємодії випромінювання з речовиною, що пов'язано з введенням домішок [3-4].

Таким чином доведено, що отримані і досліджені матеріали є перспективними для вирішення проблем динамічної голографії на довжині хвилі 10,6 мкм при малих інтенсивностях взаємодіючих пучків.

Розділ V присвячено дослідженню магнітних властивостей ТР (InSb)1-x(CdTe)x. Для одержання додаткової інформації про характер взаємодії компонентів і вплив цієї взаємодії на зонні параметри та кристалічну структуру сплавів було проведено дослідження магнітної сприйнятливості (МС) кристалів ТР в залежності від складу, температури і напруженості магнітного поля . Зокрема, розроблено метод розділення граткової МС на діамагнітну і парамагнітну (ван--флеківську) компоненти. Показано, що для монокристалів (InSb)0,95(CdTe)0,05 МС в області слабких магнітних полів різко зростає і переходить із діамагнітного в парамагнітний стан. При дослідженні температурної залежності МС ТР (InSb)0,95(CdTe)0,05 в області T= 4,2...30 K виявлено десятикратне аномальне збільшення діамагнетизму, що пов'язано з появою надпровідності металічної модифікації, яка утворюється в результаті локальних деформацій гратки InSb при сильному легуванні.

ВИСНОВКИ

1. Проведені технологічні, фізико-хімічні та фізичні дослідження вказують на те, що найбільш перспективим методом одержання досконалих кристалів ТР системи (InSb)1-x (CdTe)x (x?0,05) є метод горизонтальної напрямленої кристалізації розплаву з контрольованим тиском летючих компонентів. Встановлено, що для зменшення відхилення хімічного складу ТР від стехіометричного, зменшення їх забруднення неконтрольованими домішками синтез і кристалізацію розплаву доцільно поєднати в одному технологічному процесі, належні гомогенність та однорідність зразків досягаються лише при високих температурах (800 - 830 0 С) та довготривалому (до 100 год.) синтезі, а монокристалічний ріст - лише при малих (0,5...3,0 мм/год) швидкостях переміщення фронту кристалізації та досить великому значенні градієнта температури кристалізації (50...70 К/см).

2. На основі прецизійних рентгеноструктурних досліджень показано немонотонність залежності постійної кристалічної гратки ТР від їх хімічного складу - на ній спостерігаються мінімуми і максимуми, які можна пов`язати з особливостями взаємодії домішкових атомів між собою та атомами розчинника.

3. Встановлено кореляцію між залежностями постійної кристалічної гратки, ефективної маси носіїв заряду, оптичної ширини забороненої зони та магнітної сприйнятливості від хімічного складу кристалів ТР. Складний характер цих залежностей зумовлений особливостями взаємодії введених домішкових атомів між собою та граткою InSb.

4. Показано, що введення домішки CdTe приводить до суттєвого зменшення оптичної ширини забороненої зони InSb (при x=0,02 Egopt =0,074 еВ) внаслідок зміни параметра кристалічної гратки. Цей ефект робить дані матеріали придатними для виготовлення фотоприймачів для ІЧобласті оптичного спектра.

5. В спектрах поглинання при h > Eg в області 0,150...0,210 еВ виявлено лінійчасту структуру, яка має від однієї до чотирьох вузьких ліній в залежності від складу ТР. При x>0,02 ця структура розмивається. Поява їїпов'язується нами з переходами між рівнями електронейтральних молекулярних комплексів (CdTe)0.

6. На основі сильнолегованого InSb отримано і досліджено матеріали які є перспективними для вирішення проблем динамічної голографії на довжині хвилі випромінювання CO2-лазера ( 10,6 мкм).

7. На основі аналізу залежностей магнітної сприйнятливості від температури, напруженості магнітного поля та хімічного складу встановлено, що основний вклад в магнітну сприйнятливість дає кристалічна гратка. Магнітна сприйнятливість гратки зумовлена діамагнетизмом її іонного остову і ван-флеківським парамагнетизмом. Саме зміною вкладу ван-флеківського парамагнетизму пояснено складний характер залежності магнітної сприийнятливості від хімічного складу ТР (вклад іонного остову гратки практично однаковий для всіх ТР).

8. При дослідженні температурної залежності МС ТР (InSb)0,95(CdTe)0,05 в області T~4,2...30 K виявлено аномальне десятикратне збільшення діамагнетизму, що, очевидно, пов'язане з появою надпровідності металічних модифікацій, які утворилися в результаті локальних деформацій гратки InSb при легуванні.

9. Аналіз отриманих результатів вказує на те, що досліджені напівпровідникові ТР в області хімічних складів, близьких до InSb, слід розглядати як сильнолеговані компенсовані напівпровідники, а складний характер діаграм "фізична властивість -- хімічний склад" пов'язується з особливостями взаємодії введених домішок між собою та кристалічною граткою InSb.

антимонід голографія кристалізація еквіатомний

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах

1. Анищенко В.А., Бродовой В.А., Вялый Н.Г., Викулов В.А., Кнорозок Л.М. Влияние комплексообразования на электрические свойства ТР (InSb)1-x (CdTe)x // Неорганические материалы. -1993. -Т.29. -N2. -С.197-199.

2. Бродовой В.А., Бродовой А.В., Вялый Н.Г., Кнорозок Л.М., Колесниченко В.Г. Магнитная восприимчивость кристаллов ТР \\ (InSb)1-x(CdTe)x // ФТТ. -1996. -Т.38. -N6. -С.1763-1767.

3. Бродовой В.А., Вялый Н.Г., Кнорозок Л.М., Маркив И.Я. Особенности изменения постоянной решетки ТР (InSb)1-x (CdTe)x. // Неорганические материалы. -1997. -Т.33. -N3. -С.303-304.

4. Бродовой А.В., Бродовой В.А., Кнорозок Л.М., Колесниченко В.Г., Колесник С.П. Аномальные магнитные свойства кристаллов ТР (InSb)1-x (CdTe)x при низких температурах // ФТП. -1997. Т.31. -N9. С.1052-1053.

5. Бродовой В.А., Вялый Н.Г., Кнорозок Л.М. Оптические свойства ТР (InSb)1-x (CdTe)x. // ФТП. -1998. -Т.32. -N2. -C.303-306.

6. В'ялий М.Г., Ігнатенко В.А., Кнорозок Л.М., Коростеленко М.М. Емісійній спектральний аналіз домішок Cr, Cd та Te в антимоніді індію. // Наукові записки Ніжинського державного педагогічного інституту, серія фізмат наук. -Ніжин. -Т.XIV. -1994. -С.69-72.

7. Бродовой В.А., Бродовой А.В., В'ялий М.Г., Кнорозок Л.М., Мирець А.Л. Температурні залежності магнітної сприйнятливості ТР (InSb)1-x(CdTe)x. // Наукові записки Ніжинського державного педагогічного інституту, серія фізмат наук. -Ніжин. -Т.XIV. -1994. -С.73-76.

8. Аніщенко В.О., В'ялий М.Г., Кнорозок Л.М. Про механізми розсіяння електронів в ТР (InSb)1-x(CdTe)x n типу. //Наукові записки Ніжинського державного педагогічного інституту, серія фізмат наук. -Ніжин. -Т.XV. - 1995. -С.87-91.

9. Бродовий В.А., Бродовий А.В., В'ялий М.Г., Кнорозок Л.М. Магнітна сприйнятливість кристалів антимоніду індію, легованих домішкою хрому // Наукові записки Ніжинського державного педагогічного інституту, серія фізмат наук. -Ніжин. -Т.XV. -1995. -С. 101-104.

10. Вялый Н.Г., Игнатенко В.А., Кнорозок Л.М., Лесник С.А., Мисюра А.А.,

Хижняк А.И. Высокоэффективное 4-х пучковое взаимодействие в легированном

InSb на длине волны 10,6 мкм // Тез. VI междунар. конф. по когерентной и нелинейной оптике "(КиНО)." -Ленинград. -1991. -С.27.

11. Вялый Н.Г., Игнатенко В.А., Кнорозок Л.М., Лесник С.А., Мисюра А.А.,

Хижняк А.И. Эффективная запись динамических голограмм в легированном InSb на длине волны 10,6 мкм // Тез. докл. VI всесоюзной конф. по голографии. -Витебск. -1990. -С.7.

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. Аверкин А.А., Мойжес Б.Я., Смирнов И.А. Изменение электрических свойств PbSe при давлении // ФТТ. -1961. -N3. -C.1859-1862.

2. Хабаров Э.Н. Исследование гетеровалентного изоморфизма систем типа A3B5 - A2B6. Автореф. дис... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.07. -Иркутск: -1974. 21 c.

3. Физика и материаловедение полупроводников с глубокими уровнями / Под ред. В.И.Фистуля. - М.: Металлургия, 1987. -231 с.

4. Егембериева С.Ж., Лучинин С.Д., Сейсенбаев Т.Г. и др. Глубокие уровни в запрещенной зоне антимонида индия // ФТП. -1982. -T.16. -N3. -С.540-542.

АНОТАЦІЯ

Кнорозок Л.М. Деформаційні зміни кристалічної гратки і енергетичного спектру електронної підсистеми антимоніду індія при подвійному легуванні.- Рукопис.

Дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата фіз.-мат. наук по спеціальності 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків, Київський університет імені Тараса Шевченка, 1999.

У дисертації описано результати дослідження антимоніду індію, легованого одночасно акцепторними(Cd) та донорними (Te) домішками в еквіатомному співвідношенні. Вдосконалено технологію вирощування та легування монокристалів InSb: розроблено методи усунення дії неконтрольованих домішок, встановлені оптимальні режими синтезу та кристалізації монокристалів. Вперше доведено, що при подвійному легуванні антимоніду індію кадмієм і телуром, взятими у еквіатомному співвідношенні, постійна кристалічної гратки значно змінюється.

Показано, що зміна постійної гратки викликає деформацію енергетичного спектру електронів, змінює ширину забороненої зони, ефективну масу носіїв заряду, магнітну сприйнятливість, впливає на оптичні та електричні властивості зразків. Це робить дані матеріали придатними для виготовлення фотоприймачів для ІЧ області.

На основі InSb, легованого Cr, отримано і досліджено матеріали які є перспективними для вирішення проблем динамічної голографії на довжині хвилі випромінювання CO2-лазера ( 10,6 мкм).

Ключові слова: антимонід індію, постійна кристалічної гратки, ефективна маса, енергетичний спектр електронів.

Кнорозок Л.М. Деформационные изменения кристаллической решетки и энергетического спектра электронной подсистемы антимонида индия при двойном легировании. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук по специальности 01.04.10. - физика полупроводников и диэлектриков, Киевский университет имени Тараса Шевченка, 1999.

В диссертации описаны результаты исследования антимонида индия, легированного одновременно акцепторными (Cd) и донорными (Te) примесями в эквиатомном соотношении. Усовершенствована технология выращивания и легирования монокристалов InSb: разработано оптимальные режимы синтеза и кристаллизации монокристаллов. Показано, что наиболее перспективным методом получения совершенных кристаллов твердых растворов системы (InSb)1-x(CdTe)x (x?0,05) есть метод горизонтальной направленной кристаллизации. Установлено, что для уменьшения отклонения химического состава кристаллов от стехиометрического, уменьшения их загрязнения неконтролируемыми примесями синтез и кристаллизацию расплава целесообразно совместить в одном технологическом процессе, достаточную гомогенность и однородность образцов достигается лишь при высоких температурах (800- 8300С) и продолжительном (до 100 год.) синтезе, а монокристалличный рост -- лишь при малых (0,5...3,0 мм/год) скоростях передвижения фронта кристаллизации и достаточно большом значении градиента температуры кристаллизации (50...70 К/см).

Впервые доказано, что при двойном легировании антимонида индия кадмием и теллуром, взятых в эквиатомном соотношении, постоянная кристаллической решетки значительно изменяется. В зависимости от содержания примесей постоянная решетки сначала возрастает на 0,03%, а потом, при при увеличении концентрации примеси, уменьшается на 0,06%.

Установлено корреляцию между зависимостями постоянной кристаллической решетки, еффективной массой носителей заряда, оптической ширини запрещенной зоны и магнитной восприимчивости от химического состава кристаллов ТР. Сложный характер зтих зависимостей обусловленый особенностями взаимодействием введенных примесных атомов между собой и решеткой InSb. Увеличение ?a/a мы связываем с преобладанием Те над кадмием в сплавах. Минимумы - с образованием комлексов типа (CdTe)0, которые имеют такую же постоянную кристаллической решетки, как и InSb. Широкий максимум в области 2...3 мол.% -- c образованием сложных комплексов типа In2Te3 и других с постоянной кристаллической решетки большей або меньшей от постоянной решетки антимонида индия.

Показано, что изменение кристаллической решетки вызывает деформацию энергетического спектра электронов, изменяет ширину запрещенной зоны, эффективную массу носителей заряда, магнитную восприимчивость, влияет на оптические и электрические свойства образцов. Впервые на примере InSb экспериментально доказано, что при помощи двойного легирования соответственно подобраными примесями можно значительно изменить ширину запрещенной зоны (при x=0,02 Egopt=0,074 еВ) и эффективную массу носителей заряда в узкозонных полупроводниках. Это делает даные материалы пригодными для изготовления фотоприемников для ИК области.

В спектрах поглощения при h>Eg в області 0,150...0,210 еВ обнаружено линейчатую структуру, которая имеет от одной до четырех узких линий в зависимости от состава твердого раствора. Появление их объясняется переходами между уровнями электронейтральных молекулярных комплексов типа (CdTe)0.

На основе сильнолегированного InSb получено и исследовано материалы, которые являются перспективными для решения проблем динамической голографии на длине волны излучения CO2 лазера (10,6 мкм).

На основании анализа зависимостей магнитной восприимчивости от температуры, напряженности магнитного поля и химического состава установлено, что основной вклад в магнитную восприимчивость дает кристаллическая решетка. Магнитная восприимчивость решетки обусловлена диамагнетизмом ее ионного остова и ван-флековским парамагнетизмом. При исследовании температурной зависимости магнитной восприимчивости твердых растворов (InSb)0,95(CdTe)0,05 в области T~4,2...30 K обнаружено аномальное дестикратоее увеличение диамагнетизма.

Ключевые слова: антимонид индия, постоянная кристаллической решетки, эффективная масса, энергетический спектр электронов.

Knorozok L.M. Deformation chandes of crystal grating and energy spektrum of antimonide indium electronic subsystem at the process of binary alloying. - Munusript.

Thesis for obtaining the Bacherlor of physics and mathematics learning degree, speciality 01.01.10 - pfysics of semiconductors and dielectrics; Kyiv Taras Shevchenko Univesity, 1999.

The thesis is dedicated to the research of antimonide indium alloyed simultaneously with the acceptor (Cd) and donor (Te) additions in equiatom correlation. In the thesis the improved technology of forming and alloying of monocrystals InSb is described, the methods of elimination of action of uncontrolled additions are devised, optimum conditions of synthesis and crystalization of monocrystals. It has been proved for the first time that at the process of binary alloying of antimonide indium with Cd and Te taken in equiatom correlation the constant of crystal grating is getting considerably changeg. It has been demonstrated that a change of a grating constant provokes deformation of energy spectrum of electrons, changes width of restricted zone, effective mass of charge carrier and magnet sensitiveness, influences optical and electric characteristic of samples. This makes this material useful for production of photoreceivers for IR type. Materials received and analyzed on the basis of high alloyed InSb are perspective for solvinga problem of dynamic holography on the wavelenth of CO2-lazer irradiation (10,6 mkm).

Key words: antimonide indium, a constant of crystal grating, effectiv mass, energy spectrum of electrones.

Размещено на Allbest.ur