Електродифузія іонів як спосіб керування концентрацією мілких донорів у сульфіді кадмію

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Національна академія наук України

Інститут фізики напівпровідників

01.04.07 - Фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Електродифузія іонів

як спосіб керування концентрацією мілких донорів у сульфіді кадмію

Кислюк Віктор Віталійович

КИЇВ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників, Національна академія наук України

Науковий керівник:

проф., д. ф.-м. н., чл.-кор. НАН України,

Шейнкман Мойсей Ківович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділення

Науковий консультант

проф. , д. ф.-м. н.,

Пекар Григорій Соломонович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

проф., д.ф.-м.н., чл.-кор. НАН України

Литовченко Володимир Григорович

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділення;

с. н. с., к. ф.-м. н.,

Верцімаха Ярослав Іванович

Інститут фізики НАН України,

cтарший науковий співробітник

Провідна установа Київський університет імені Тараса Шевченка, РФФ, каф. н/п ел

Захист відбудеться " 14 " вересня 1999 р. о 1615.

на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою:

252650, Київ - 28, проспект Науки,45.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (252650, Київ - 28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий " 13 " серпня 1999 р.

Вчений сектретар

спеціалізованої вченої ради Рудько Г.Ю.

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Протягом останнього десятиріччя помітно зріс інтерес до сполук А2В6 у зв'язку зі зростаючою потребою в матеріалах для твердотільних джерел випромінювання, що працюють у короткохвильовому спектральному діапазоні. Крім того, широкозонні сполуки А2В6 використовують як "широкозонні вікна" у сонячних елементах та фотоприймачах видимого та УФ діапазонів спектру.

Однак це використання натикається на такі два основні обмеження: а) нестабільність параметрів цих матеріалів, яка пов'язана з протіканням у об'ємі так званих фотохімічних реакцій; основними агентами цих реакцій є рухомі атоми; б) більшість спроб одержати матеріали CdS, CdSe та ін. р-типу провідності були невдалими, через те, що акцепторні домішки мали межу розчинності чи утворювали глибокі рівні, або відбувадась самокомпенсація; отже, одержання p-n- гомопереходів на основі цих матеріалів значно ускладнено. Ці обмеження пов'язані з такими унікальними властивостями монокристалів CdS, CdSe (вирощених звичайними методами):

містять атоми надлишкового нестехіометричного металоїда, розміщеного у міжвузловинах;наприклад, міжвузлові атоми кадмію (Cdi) у CdS;

ці атоми є мілкими донорами, які визначають провідність у нелегованому матеріалі;

вони майже повністю іонізовані при помірних температурах (>350К); енергія іонізації донорів Cdi у CdS 0.03 еВ;

при температурах >350К ці іони є помітно рухливими; коенфіцієнт дифузії міжвузлових іонів кадмію DCd = 10-9 - 10-10 cм2/с (CdS).

Показано, що в результаті електродифузії (дрейфу у електричному полі) іони розподіляються таким чином, що у прианодній області їхня концентрація зменшується. Ця область є “очищеною” частиною кристала. Зколовши її одержимо зразок, що матиме такі переваги, порівняно з початковим кристалом: а)вищу стабільність параметрів; б)більшу концентрацію вакансій, що дає можливість ввести акцепторні домішки як атоми заміщення для створення мілких акцепторів (наприклад, Li, N чи інші).

Викладене вище й зумовило вибір даної теми, яка стосується електродифузії іонів як способу керування концентрацією мілких донорів у сульфіді кадмію.

Зв`язок дисертаціної роботи з планом робіт ІФН НАН України. Представлені в роботі дослідження виконувались у відповідності з робочим планом ІФН НАН України за темами:

№24 "Дослідження та управління рекомбінаційними процесами і явищами переносу носіїв у напівпровідниках А2В6, А3В5 та Si з метою оптимізації параметрів напівпровідникових приладів: світлодіодів, приймачів, сонячних елементів, тензодатчиків"

№50 "Вивчення впливу комбінованих активних дій (УЗО, оствітлення, лазерна обробка та магнітне поле) на напівпровідникові матеріали та структури А2В6, А3В5 "

ДКНТ №2.3/390 "Дослідження елементарних механізмів термічної та стимульованої різними факторами дифузії дефектів, їх локальної трансформації та реакцій"

ДКНТ №06.01.00/012-95 “Технологія об'ємних монокристалів халькогеніду кадмію, стійких при інтенсивному лазерному опроміненні”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - керування вмістом та розподілом рухомих заряджених донорів у об'ємі монокристалів CdS. Для цього необхідно було дослідити фізичні процеси перерозподілу рухомих іонів Сdi у CdS під дією електричного поля а також розробити експериментальні методи, які б дозволили одержати достатньо великі за розмірами області кристалів CdS, очищених від рухомих іонів внаслідок їхнього дрейфу у електричному полі.

При цьому вирішувались такі конкретні задачі:

Проаналізувати стаціонарні розподіли рухомих позитивно заряджених іонів у кристалі CdS, що сформовані під дією електричного поля, з точки зору одержання максимальних розмірів областей зі зменшеним вмістом рухомих донорів та максимального ступеня очищення цих областей.

Експериментально показати можливість одержання областей зі зменшеним вмістом рухомих іонів і розробити методи розширення цих областей.

Вивчити можливості керованого формування складних профілів провідності та фоточутливості.

Побудувати теорію перехідного процесу електродифузії і використати її для вимірювання коефіцієнта дифузії дрейфуючих іонів.

Наукова новизна роботи:

Виявлено, що ефективне “очищення” кристала CdS від рухомих донорів можливе лише при наявності в об"ємі нерухомого позитивного заряду.

Встановлено, що при освітленні під час електродифузії прианодної області зменшується тунельна емісія дірок з анода.

Показано, що нестаціонарний розподіл концентрації рухомих донорів можна представити у вигляді двох фронтів концентрації, що рухаються назустріч один одному. електродифузія іон провідність

Одержано аналітичний вираз, що пов'язує тривалість досягнення стаціонарних умов з коефіцієнтом дифузії рухомих іонів.

Практична цінність одержаних результатів. У роботі запропоновано способи:

зменшення вмісту рухомих іонів Cdi у високоомних кристалах CdS;

створення позиційної чутливості у низькоомних кристалах CdS;

збільшення квантового виходу сонячних елементів CdS/CdTe;

визначення коефіцієнта дифузії рухомих іонів.

Розроблена в дисертації методика визначення коефіцієнта дифузії рухомих іонів базується на загальних феноменологічних засадах, які використовують у фізиці твердого тіла, і тому може бути застосована для будь-якої іншої системи, в якій існують електронна та іонна складові провідності, зокрема в іонних провідниках, які використовують у твердих електролітах джерел живлення.

Особистий внесок здобувача: участь у постановці задачі; постановка і проведення експерименту, який полягає у вимірюванні профілю фоточутливості, яка формується в результаті електродифузії мілких донорів у високоомних та низькоомних кристалах CdS: вимірювання профілю напруги, розподілу поперечного опору та залежності величини струму через зразок від положення світлового зонда вздовж напрямку поля, вивчення зміни характеристик бар'єра Шоткі в результаті електродифузії мілких донорів, дослідження зміни провідності кристала, поміщеного в статичне електричне поле; участь у теоретичному аналізі експериментальних даних із використанням математичних методів; участь у розробці та експериментальне використання методики визначення коефіцієнта дифузії та участь у інтерпретації отриманих результатів; участь у написанні статей.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи обговорено на міжнародних конференціях у 1998 році: Acoustoelectronics, Frequency Control and Signal Generation (Санкт-Петербург), Magnetic Resonance and Related Phenomena (Berlin), International Semiconductor Conference (Sinaia, Romania), Materials Research Society Fall Meeting (Boston, MA, USA), на міжнародних школах-конференціях для молодих вчених "Solid State Physics: Fundamentals & Applications", які відбувалися в Ужгороді у 1995 році та у Кацивелі (Крим) у 1997 році, на міжнародномі семінарі "Радиоспектроскопия конденсированных сред", присвяченому пам"яті М.Ф.Дейгена (м.Київ, 1998 рік), на семінарах відділення фотоелектроніки.

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 4 статтях у фахових виданнях, 6 тезах доповідей конференцій, 1 збірнику наукових праць.

Структура та об'єм роботи. Загальну структуру роботи схематично зображено на блок - схемі (рис.1). Дисертація повним обсягом 118 сторінок складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, одного додатку (з програмами розрахунку у середовищі Mathcad Professional 7.0), списку використаних джерел з 98 найменувань, містить 30 рисунків і 3 таблиці.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність вибору теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, окреслено наукове і практичне значення роботи, коротко викладено зміст дисертації по розділах.

У першому розділі наведено огляд основних результатів робіт, присвячених вивченню та використанню процесів електродифузії іонізованих точкових дефектів, зокрема у кристалах А2В6. Розглянуто використані технологічні методи вирощування кристалів CdS та контролю за ступенем їхньої нестехіометричності під час вирощування. Описано технологію одержання кристалів, які використовували у експериментальній частині роботи: а)низькоомні кристали, одержані модифікованим методом “вільного” росту без контакту зі стінками ампули; б)високоомні кристали, одержані за тією ж технологією але з тією різницею, що під час росту у ампулі присутні спеціальні речовини (“гетери”), які частково “зв'язують” атоми надлишкового кадмію.

У другому розділі проведено детальний розгляд теоретичних моделей, які описують стаціонарний розподіл позитивно заряджених точкових дефектів у напівпровіднику, що знаходиться під дією електричного поля. Під стаціонарним розподілом розуміємо розподіл, встановлений у напівпровіднику під дією електричного поля, після досягнення стаціонарних умов, тобто умов, при яких урівноважені дифузійний та дрейфовий потоки позитивно заряджених рухомих донорів. Розгляд стаціонарної задачі показує принципові можливості очищення деякої частини кристалу від рухомих донорів і дозволяє кількісно оцінити ступінь очищення та розмір очищеної області. Розглянуто різні моделі напівпровідника, у якому містяться: а) електрони та рухомі позитивно заряджені іони (модель1); б) електрони, рухомі позитивно заряджені іони та нерухомі негативно заряджені центри - глибокі акцептори (модель2); в) електрони, рухомі позитивно заряджені іони та нерухомі позитивно заряджені центри - більш глибокі донори (модель 3); г) електрони, рухомі позитивно заряджені іони, нерухомі позитивно та негативно заряджені центри (модель 4 -загальна). Зроблено розрахунки для трьох різних випадків створення електричного поля: а) напруга, прикладена до омічних контактів; стосовно рухомих іонів контакти вважають блокуючими б) електричне поле між обкладинками конденсатора; електроди вважають блокуючими як для іонів, так і для електронів; струм не протікає; в) електричне поле контактної різниці потенціалів.

На підставі розрахунків встановлено, що найефективніше очищення відбувається у матеріалі, який містить нерухомі позитивно заряджені центри при відсутніх нерухомих негативних зарядах, тому для очищення компенсованих кристалів CdS, у яких існують негативні заряди, зв'язані на акцепторах, процес електродифузії іонів потрібно проводити при інтенсивному освітленні кристала об'ємно-поглинаним світлом для перезарядки акцепторів.

Третій розділ присвячено експериментальному вивченню профілю концентрації рухомих іонів під дією електричного поля. Досліджували два типи кристалів: а)низькоомні (концентрація вільних носіїв см-3) та б)високоомні (компенсовані, см-3 у темряві). Обидва типи кристалів характеризуються високою досконалістю гратки, малим вмістом механічних напружень, а також притаманною об'ємним кристалам CdS наявністю (у різних кількостях) рухомих іонів надлишкового кадмію.

Підрозділ 3.1 (Компенсовані кристали) Основною перешкодою у використанні електродифузії для перерозподілу рухомих донорів у компенсованому напівпровіднику в умовах протікання струму є різке падіння потенціалу у тонкій прианодній області внаслідок відходу звідси донорів і, як результат, зменшення провідності. Це призводить до такого викривлення зон біля анода, що верх валентної зони напівпровідника опиняється навпроти квазірівня Фермі метала омічного контакту. В результаті виникають умови для тунелювання вільних носіїв - так званої тунельної емісії дірок з анода. У розділі 2 показано, що наявність у напівпровіднику нерухомих позитивних зарядів (нерухомих донорів) дає можливість уникнути різкого падіння потенціалу біля анода. У компенсованому напівпровіднику такі умови можна створити під час освітлення його поглинаним світлом, коли відбувається перезарядка глибоких рівнів і, таким чином, нейтралізація від'ємного заряду на акцепторах. При цьому достатньо освітлювати лише прианодну область. Ефективність “очищення” практично не залежить від інтенсивності освітлення решти кристалу.

Для вивчення профілю концентрації, який утворюється під час електродифузії при освітленні прианодної області, вимірювали: а)профіль поперечного опору між контактами, що попарно нанесені вздовж зразка; б)залежність стаціонарного струму від розміру освітленої області. Вимірювання проводили при однорідному освітленні зразка.

В результаті теоретичного аналізу експериментальних даних встановлено, що при однорідному освітленні концентрація нерухомих позитивних зарядів у прианодній області на 6 порядків, а при концентрованому освітленні прианодної області - на 4 порядки менша за початкову концентрацію рухомих донорів, що дало можливість одержати “очищену” область 0.5 см (для зразка довжиною 2 см).

Підрозділ 3.2 (Низькоомні кристали) Електродифузія рухомих іонів у низькоомних кристалах має свої особливості в умовах протікання струмів великої густини. Такі струми викликають неоднорідне розігрівання зразка за рахунок нерівномірної дисипації енергії струму.

Низькоомні кристали, досліджувані у даній роботі, мають ще також і ту особливість, що рухомими іонами тут є власні атоми надлишкового кадмію присутні у кристалі як у вигляді окремих міжвузлових атомів, так і у вигляді макродефектів - включень другої фази. Отже, накладаються два процеси: електродифузія іонів та взаємодія іонів з включеннями другої фази.

Для дослідження сформованого в результаті профілю використовували вимірювання розподілу падіння напруги вздовж зразка, а також метод світлового зонду. Промінь азотного лазера (337нм) фокусували у зонд ~0.2мм2, який сканували вздовж зразка. Одержані залежності I(x*) (х*- координата зонда) містять інформацію про високоомні ділянки. Під час проведення дрейфу іонів у темряві у прикатодній області спостерігали аномальне зменшення провідності порівняно із провідністю біля анода. Показано, що це явище можна пов'язати з формуванням тут в результаті електродифузії додаткових “стоків” для іонів [2].

У цьому підрозділі також наведено результати дослідження електродифузії рухомих дефектів під дією електричного поля конденсатора. Застосування поля конденсатора для електродифузії іонів не вимагає нанесення контактів на поверхню, нормальну відносно напрямку поля. Це дало змогу дослідити зміну стехіометрії приповерхневої області в результаті дрейфу за допомогою вимірювання інтенсивності дифрагованих рентгенівських променів. Встановлено, що на грані кристала, яка під час електродифузії була заряджена позитивно, зменшується інтенсивність рефлексу 0004 на довжині хвилі 0,1371 А (яка відповідає поглинанню К-оболонкою кадмію). Це свідчить про зменшення тут концентрації міжвузлових атомів кадмію.

Низькоомні кристали CdS можна використовувати як модельні об'єкти для дослідження процесів, що відбуваються у базових шарах сонячних елементів. За допомогою вимірювання профілю потенціалу вздовж зразка встановлено, що в результаті дрейфу при наявності поля гетеропереходу змінюється значення провідності в об'ємі. Запропоновано спосіб збільшення коефіцієнта збирання у сонячних елементах CdS/CdTe за рахунок розширення області просторового заряду у CdTe. Для цього необхідно готові структури CdS/CdTe тривалий час відпалити при прикладеній у запорному напрямку напрузі. В результаті електродифузії іонів кадмію з CdS у CdTe, відбуватиметься часткова компенсація p-типу провідності у CdTe, що дозволить розширити область просторового заряду гетеропереходу.

У четвертому розділі розраховано кінетику перехідного процесу електродифузії у напівпровіднику після увімкнення напруги. Напругу прикладали до омічних контактів, нанесених на протилежні грані кристала. Розрахунок проведено для величин напруги, при яких стаціонарний розподіл - лінійний. На підставі розгляду даної моделі встановлено, що нестаціонарний розподіл концентрації рухомих донорів можна представити у вигляді двох фронтів концентрації, що рухаються назустріч один одному до середини кристала, де вони анигілюють (рис. 3). Теорію перехідного процесу розроблено для режиму постійного струму. Величина струму визначає градієнт стаціонарного розподілу концентрації рухомих донорів. Обмеження теорії стосуються випадку, якому відповідає нульове значення концентрації носіїв біля анода (див. рис.3). Процес при таких значеннях струму слід розглядати з урахуванням просторового заряду біля анода. Вплив просторового заряду на перехідний процес при увімкненні електричного поля досить суттєвий на відстанях порядку довжини Дебая біля рухомих фронтів зони збіднення і збагачення рухомими іонами. Процеси, що відбуваються поблизу цих фронтів призводять до розширення фронтів до величини довжини Дебая.

Розподіл рухомих донорів під дією поля призводить до зміни загальної провідності зразка вздовж напрямку дрейфу. Залежність зміни цієї провідності з часом містить коефіцієнт дифузії рухомих донорів як параметр. У режимі постійного струму зміна провідності призводить до зміни напруги , прикладеної до зразка для підтримання сталого значення струму. В такому режимі знайдено аналітичний розв'язок нестаціонарного рівняння неперервності для рухомих іонів, що дає можливість знайти залежність , в яку входить величина - тривалість перехідного процесу, виражена:

(1)

Величина енергії активації дифузії, експериментально визначена з використанням даної моделі (0.4 еВ), добре узгоджується з даними, одержаними за допомогою дослідження кінетики фото-хімічних реакцій. Запропонований метод є відносно простим і не вимагає руйнування речовини кристала під час вимірювання, як, скажімо, під час використання методик, які вимагають зтравлювання частини поверхні (SIMS, Оже спектроскопія з іонним травленням, хімічні методи). За характером процесу (дрейф іонів у електричному полі) дана методика подібна до запропонованого відносно недавно методу TID (Transient Ion Drift), який використовує дрейф іонів у полі бар'єра Шоткі [3].

Додатки виконано у вигляді робочої сторінки (“Worksheet”) програмного сердовища для математичних розрахунків Mathcad Professional 7.0. У такому вигляді наведені тут програми можна використати для розрахунків розподілів концентрації при інших параметрах системи заданих на початку програми.

Висновки

В результаті теоретичного та експериментального вивчення електродифузії рухомих донорів встановлено, що ефективне зменшення концентрації рухомих донорів у кристалах CdS (“очищення”) під дією електричного поля можна досягнути лише за умов наявності в об'ємі нерухомого позитивного заряду. У компенсованому напівпровіднику такі умови можна створити освітлюючи його світлом.

Показано, що при малих значеннях зовнішньої напруги на омічних контактах (порядку декількох kT/e) у стаціонарних умовах рухомі донори розподіляються за лінійним законом.

Встановлено, що використання під час електродифузії донорів у високоомних кристалах освітлення прианодної області дозволяє зменшити тунельну емісію дірок з анода і, таким чином, розширити область зі зменшеною концентрацією рухомих донорів. Так, у кристалі довжиною 2 см в результаті електродифузії при освітленні прианодної області одержано очищену область розміром 0.5 см.

Нестаціонарний розподіл рухомих донорів у режимі постійної величини струму через зразок (при величинах струму, що відповідають лінійному стаціонарному розподілу, п.2) можна представити у вигляді двох рухомих фронтів концентрації, які ділять кристал на три характерні області: дві крайні області - зі стаціонарним розподілом та внутрішню область - з початковим значенням концентрації.

Розроблено методику визначення коефіцієнта дифузії, яка полягає у вимірюванні напруги на омічних контактах як функції часу у режимі постійного струму. Значення коефіцієнта дифузії визначають як параметр апроксимації експериментальних даних аналітичним виразом, одержаним при теоретичному розгляді перехідного процесу. Запропонований метод є відносно простим і не вимагає руйнування речовини кристалу під час вимірювання.

Визначено коефіцієнт дифузії міжвузлових іонів кадмію у нелегованих кристалах CdS, який складає . Величина енергії активації дифузії 0.4 еВ добре узгоджується з даними, одержаними за допомогою дослідження кінетики фото-хімічних реакцій.

Цитована література

1. Шейнкман М.К., Корсунская Н.Е. Фотохимические реакции в полупроводниках типа А2В6 // Физика соединений А2В6 /Под редакцией Георгобиани А.Н., Шейнкмана М.К.- М.: Наука, 1986.

2. Маркевич И.В. Подвижные дефекты как фактор нестабильности параметров полупроводников А2В6 : дис. д. ф.-м. наук: 01.04.10. К., 1996. - 292 с.

3. Zamouche A., Heser T., Mesli A. Investigation of fast diffusing impurities in silicon by a transient ion drift method //Appl.Phys.Lett.. - 1995. - Vol. 66, № 5. - P. 631 - 636.

Публікації за темою дисертації

Kashirina N.I., Kislyuk V.V., Sheinkman M.K. Theoretical approach to electrodiffusion of shallow donors in semiconductors: I.Stationary limit // Semiconductor physics, Quantum electronics & Optoelectronics. - 1998. - Т.1, №1. - С.41-44.

Каширіна Н.І., Кислюк В.В., Шейнкман М.К. Просторовий розподіл рухомих іонів у напівпровіднику під дією електричного поля //УФЖ - 1999.- Т.44, №7. - C. 856 - 862.

Кислюк В.В., Корсунская Н.Е., Маркевич И.В., Пекарь Г.С., Сингаевский А.Ф., Шейнкман М.К. Формирование профиля фоточувствительности в объемных монокристаллах CdS под действием внешнего электрического поля //ФТП - 1996. - Т.30, №10. - С. 1884 - 1886.

Bobrenko Yu.N., Kislyuk V.V., Kolezhuk K.V., Komashchenko V.N., Pavelets S.Yu., Shengeliya T.E. II-VI thin- film polycrystalline multilayer converters for solar photovoltaics //Sol.En.Mater. & Sol.Cells. - 1994. - Vol. 33, №1. - P. 83 - 90.

Akopyan A.A., Kislyuk V.V., Pekar G.S. Determination of diffusion coefficient of impurity ions in a crystal from their drift under electric field // Proc. MRS Fall Meeting. - Boston (USA). - 1998. - p.556.

Sheinkman M.K., Kashirina N.I., Kislyuk V.V. Electric field- caused redistribution of mobile charged donors in semiconductors // Proc. of Int. semiconductor conference, 21st edition. - Sinaia (Romania). - 1998. - P.92.

Kashirina N.I., Kislyuk V.V., Sheinkman M.K. Distribution of Cd+ paramagnetic centers in CdS under external electric field //Joint Int. Conference on magnetic Resonance & Related Phenomena. - Berlin (Germany). - 1998. - P.1113 - 1114.

Kashirina N.I., Kislyuk V.V., Sheinkman M.K. Electric field-induced distribution of Cd+ in CdS //Proc. of int. symposium on Acoustoelectronics, frequency control and signal generation. - St. Petersburg (Russia). - 1998. - P. 74.

Akopyan A.A., Kislyuk V.V., Pekar G.S., Sheinkman M.K. Model for electrostimulated diffusion of mobile donors in semiconductors //Proc. of int. School conference "Solid state physics: fundamentals & applications" (SSPFA). - Katsively (Ukraine). - 1997. - P. R12-13.

Kislyuk V.V., Markevich I.V., Pekar G.S., Singaevsky A.F., Sheinkman M.K. Novel method for stimulating the ion drift in high-resistant bulk CdS single crystals under the external electric field //Proc. of int. autmn school-conference "Solid state physics: fundamentals & applications" (SSPFA). - Uzhgorod (Ukraine). - 1995. - P. R73-74.

АНОТАЦІЯ

Кислюк В.В. Електродифузія іонів як спосіб керування концентрацією мілких донорів у сульфіді кадмію. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників, Національна академія наук України, Київ, 1999.

Дисертацію присвячено теоретичному та експериментальному вивченню розподілу мілких донорів міжвузлового кадмію у СdS під дією електричного поля різної природи. На основі розглянутих теоретичних моделей розроблено та експериментально реалізовано а)методи очищення об'єму сульфіда кадмію від рухомих донорів б)метод визначення коефіцієнта дифузії міжвузлових іонів кадмію у CdS. Досліджено особливості електродифузії іонів кадмію у низькоомних нелегованих монокристалах CdS, вивчено вплив електродифузії донорів на властивості гетеропереходів.

Ключові слова: міжвузловий кадмій, CdS, електродифузія, профіль концентрації, фоточутливість, коефіцієнт дифузії.

Кислюк В.В. Електродифузия ионов как способ управления концентрацией мелких доноров в сульфиде кадмия. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников, Национальная академия наук Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному изучению распределения мелких доноров междоузельного кадмия в СdS под действием электрического поля разной природы. На основании рассмотренных теоретических моделей разработано и экспериментально реализовано а)методы “очистки” объема кристаллов сульфида кадмия от подвижных доноров; б)метод определения коэффициента диффузии междоузельных ионов кадмия в CdS. Исследованы особенности электродиффузии ионов кадмия в низкоомных нелегированных монокристаллах CdS, изучено влияние электродиффузии доноров на свойства гетеропереходов.

Ключевые слова: междоузельный кадмий, CdS, электродиффузия, профиль концентрации, фоточувствительность, коэффициент диффузии.

Kislyuk V.V. Electrodiffusion of ions as a method to operate concentration of shallow donors in cadmium sulfide. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 01.04.07 - Solid State Physics. - Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1999.

II-VI compounds (where CdS belongs) are used in optoelectronics and photovoltaics as UV- and visible light photodetectors, lasers and solar cells due to appropriate values of the energy gap. However, such their application runs across two principal restrictions: i) instability of their parameters, which is attributed to defect reactions, the key reagents being mobile atoms; ii) most of attempts to grow p-type CdS, CdSe, ZnSe etc. have been unsuccessful because the incorporated acceptor atoms were compensated, lacked solubility in the host matrix, or formed deep levels; thus, fabrication of p-n- homojunctions is hampered for these materials.

These restrictions are attributed to unique properties of CdS, CdSe, ZnSe etc. (grown by traditional techniques, e.g. growth from gaseous phase): i)they contain over-stoichiometric atoms of metalloid (e.g. Cd atoms in CdS); ii)these atoms are shallow donors which determine n-type of conductivity in undopped material; iii)these donors are ionized at moderate temperatures (>350K), with ionization energy being 0.03 eV; vi)the ions are rather mobile at such temperatures. DCd = 10-9 - 10-10 cm2/s (in CdS).

The ion electrodiffusion (ion drift under electric field) has been found to distribute mobile ions in such a way that near anode region was depleted with them. This region is a “swept” part of the crystal. It can be cut off and utilized with the following advantages as compared with initial crystal:

higher stability of parameters;

higher content of vacancies, which makes it possible to incorporate impurities (Li, N or other more appropriate) substitutionally to form shallow acceptors.

The work is devoted to theoretical and experimental research on distribution of shallow donors of interstitial cadmium in CdS under electric field. Theoretical models considered for stationary conditions (diffusion and drift fluxes of ions are equalized) at various ratios of mobile and immobile charges in the bulk demonstrate: i)at low values of external voltage (near several kT/e) the distribution of ions is linear; ii)the most effective “sweeping” takes place at the situation when, among immobile centers, positively charged centers prevail. Illuminating compensated crystals which contain immobile centers (both acceptors and donors) liberates electrons bounded on the acceptors and, thus, switches the system into the state with immobile positive charge.

The main obstacle to apply the electrodiffusion for ion distribution in compensated crystals is a reduction of conductivity at the near anode region. As a result, a huge potential drop gives rise to tunneling emission of holes from anode. To reduce the tunneling emission we illuminated near anode region, which allowed us to get 0.5 cm region “swept” of mobile atoms in 2 cm sample. Cd electrodiffusion in low-resistant crystals in the dark results in unusual reduction of near cathode conductivity, which is, likely, attributed to formation of additional traps of ions near the cathode.

To check that drifting ions in the crystals we dealt with were cadmium interstitial atoms we measured intensity of X-ray diffraction replicas before and after electrodiffusion.

Transient process of the electrodiffusion has been described analytically for low values of voltage (when stationary distribution were linear). The non-stationary distribution of mobile ion concentration can be presented as two movable fronts which devide the bulk into three regions: two near electrode regions with stationary distribution and central region with initial concentration of the ions. These fronts move to meet each other. Analytical time-dependence of voltage U(t) at the constant value of current through the sample contain diffusivity of ions Dp as parameter. The diffusivity derived as approximation parameter for experimental data of U(t) is . 0.4 eV activation energy is in a good agreement with a value obtained from the kinetics study of photochemical reactions. The method proposed for determination of Dp is non-destructive and does not need complicated facilities.

Key words: interstitial cadmium, CdS, electrodiffusion, concentration profile, photosensitivity, diffusivity.

Размещено на Allbest.ru