Формування акцепторної зони дефектами і домішками в кристалах вузькощілинного p-Hg1-xCdxTe

Температурна залежність mp вивчалася у некомпенсованих та компенсованих In кристалах p-Hg0,8Cd0,2Te:Cu в інтервалі T = 4,2-125 К. Кілька кристалів містили одразу Cu (3,1.1016 см-3) і VHg (1,8.1016 см-3). Вимірювалися r і RH при B = 0,03 Т. За цими даними обчислювалися компоненти тензора електропровідності sik, у яких внески різних механізмів провідності легко відокремлюються одне від одного. Як виявилось, вплив стрибкової провідності призводить до істотного (до 10-20 разів) зниження добутку RH s, що пояснює малі значення RH s при низьких T.

Після відокремлення внеску важких дірок у sxx та sxy визначалася їх експериментальна рухливість mp. Порівняння її з результатами теоретичного обчислення mp, виконаного для легованих Cu і компенсованих In кристалів p-Hg 0,79Cd0,21Te при Ih (kў, k) = 1 на тих самих умовах, що і при 77 К, показало цілковите узгодження теорії з експериментом. У помірно легованих слабко компенсованих кристалах p-типу виявлено додаткові (порівняно з n-типом) позитивно заряджені центри, які ототожнено з глибокими донорами та A+-центрами, що утворюються внаслідок приєднання дірок нейтральними акцепторами. Тут при низьких T кількість A+-центрів сумірна з кількістю донорів і негативно заряджених акцепторів, тому вони помітно впливають і на статистику дірок, і на їх розсіювання. Особливо велику кількість A+-центрів виявлено в кристалах, легованих одночасно і міддю, і вакансіями Hg, що пояснюється близькістю A+-рівня вакансії (3-4 меВ) до рівня Фермі таких кристалів при T = 0.

Енергія іонізації EA1 домішкових акцепторів (Cu і Ag) визначалася за температурною залежністю концентрації важких дірок в інтервалі 5…30 К. Вибір методу визначення EA1 диктувався співвідношенням між тепловою енергією kBT, енергією Фермі F та шириною домішкової зони, густина станів gA1 (e) у якій вважалася неперервною функцією енергії, а при її моделюванні враховувався вплив флуктуацій складу і заряджених донорів. Зокрема, при порівняно високих T, коли енергія kBT сумірна з шириною піків домішкової зони, кожен з них моделювався вузьким рівнем, а при гранично низьких T враховувалася будова gA1 (e) лише поблизу рівня Фермі. У сильно легованих кристалах енергія EA1 оцінювалася за енергією активації e2-провідності.

Враховуючи істотний вплив екранування на EA1 у вузькощілинних кристалах навіть при низьких T, для кожної експериментальної точки визначалося значення EA1, екстрапольоване до нульової концентрації дірок за законом EA1 = EA1 (0)Ч[2 exp(-a/r0) -1], де r0 - радіус екранування. Встановлено, що EA1(0) практично не залежить від NA до самого переходу Мотта (див. рис. 5) і для ізольованого атома Cu складає 7,7 ± 0,2 меВ, що збігається з результатом розрахунку (EA1 » 8,0 меВ). Для срібла EA1(0) = 6 ± 0,2 меВ.

При T < 7…10 К у некомпенсованих кристалах p-Hg1-xCdxTe:Cu спостерігалася провідність по домішковій зоні з незалежною від T енергією активації:

ra--=--r_a--Чexp--{ea--/kBT},

де--a = 2; 3. Природа такої провідності вивчалася як експериментально, так і теоретично в ряді напівпровідників, проте деякі важливі питання досі з'ясовані не до кінця. Зокрема, не зовсім зрозуміла природа ?2-провідності в некомпенсованих напівпровідниках; не ясно, який з двох характерних розмірів хвильової функції акцептора слід вважати його радіусом.

У дисертації подано результати дослідження домішкової провідності некомпенсованих кристалів p-Hg1-xCdxTe:Cu у широкому діапазоні T (від 3 К і вище), складів (x = 0,19-0,30) і концентрацій Cu (від 1016 до 1018 см-3). При високих концентраціях Cu спостерігався перехід Мотта, вище якого ea= 0. Концентрація Cu в точці переходу збільшується від 2,6Ч1017 см-3 при x = 0,19 до 5,3Ч1017 см-3 при x = 0,29; проте характерний розмір акцептора a, розрахований на основі критерію Мотта aN1/3 » 0,25, співпадає з радіусом локалізації важкої дірки незалежно від x. Така сама оцінка випливає з аналізу концентраційної залежності r_a в області слабкого легування (NA < 6Ч1016 см-3).

Інша особлива точка (NA »--6Ч1016 см-3) відділяє область концентрацій, де домінує e3-провідність, від області, де переважає e2-провідність. У цій точці спостерігається стрибкоподібна зміна величини і поведінки параметрів ea--та--r_a. В області 6Ч1016 < NA < 1,4Ч1017 см-3, де переважає e2-провідність, r02 експонентно залежить від NA1/3, що свідчить про стрибковий характер провідності й повну локалізацію станів у A+-зоні. При NA > 1,4Ч1017 см-3 залежність r02 (NA) монотонна і не має зламів у точці переходу Мотта, тобто тут A+-зона делокалізована. Отже, при NA = 1,4Ч1017 см-3 в A+-зоні спостерігається перехід Андерсона. Радіус локалізованого A+-стану, визначений як з критерію локалізації, так і за залежністю r02 (NA) нижче переходу, складає 4,8-5 меВ, що збігається з даними виконаного тут варіаційного розрахунку.

Схожі висновки витікають з результатів дослідження рухливості дірок у сильно легованому p-Hg0,78Cd0,22Te:Cu. Зокрема, рухливість дірок у домішковій зоні таких кристалів дуже низька при NA Ј--1,4Ч1017 см-3, але при більш сильному легуванні швидко наростає з ростом NA і досягає насичення (~4__--см2В-1с-1)--у--точці--NA--»1,6Ч1018 см-3, яку ідентифіковано як нижню межу області слабкого розсіювання. Ефект Холла при T ® 0 у таких кристалах позитивний.

Питома провідність p-Hg0,78Cd0,22Te:Cu вище переходу Мотта не залежить від T при T < 125 К, але зростає пропорційно NA. Встановлено, що мінімальна металічна провідність, введена Моттом, має ототожнюватися з провідністю у точці переходу Андерсона в A+-зоні, а не переходу Мотта, і складає близько 5 Ом-1 см-1 для Hg0,78Cd0,22Te, відповідаючи величині 1/r02.

У четвертому розділі викладено результати досліджень електрофізичних властивостей p-Hg 0,8Cd 0,2Te, обумовлених вакансіями Hg. Як і у випадку домішок, енергія іонізації VHg є предметом дискусії, а особливості активації домішкової провідності p-Hg 0,8Cd 0,2Te, викликані двозарядністю VHg, часто не враховуються. Ще менше уваги приділяється впливу заряджених домішок (донорів і акцепторів) та флуктуацій складу, які відіграють вирішальну роль у формуванні низькотемпературних властивостей кристалів p-Hg 0,8Cd 0,2Te.

Варіаційний розрахунок, виконаний без урахування випадкового поля, показує, що ізольована VHg створює в Hg 0,8Cd 0,2Te один невироджений верхній акцепторний рівень з енергією EA2(2)»32 меВ, три (два невироджених і один двократно вироджений) нижніх акцепторних рівні з енергією EA2(1) від 15,4 до 16,4 меВ і чотири невироджених A+-рівні з енергією EA2+ від 2,9 до 3,8 меВ. Випадкове поле флуктуацій x розмиває кожен рівень у смугу шириною кілька міліелектронвольт, тому кожну групу нижніх рівнів досить розглядати як один чотирикратно вироджений рівень. Зокрема, групу нижніх акцепторних рівнів можна замінити одним з енергією EA2(1) »--2ЧEA1--» 0,5EA2(2). За даними розрахунку, радіуси локалізації дірки на вакансії в усіх трьох станах досить близькі.

Експериментально енергетичний спектр VHg вивчався методом активації ефекту Холла і провідності р-Hg 0,78Cd 0,22Te залежно від режимів відпалу зразків і присутності активних домішок - акцепторів (NCu»3.1016 см-3) або донорів (NIn= 2,2Ч1016 см -3). Нелеговані та леговані Cu зразки відпалювалися уздовж ізоконцентрати (1,5±_,4)Ч1016 см-3. Зразки, леговані In, містили 2,5Ч1016 см-3 вакансій і були сильно компенсованими. За даними вимірювань r і RH у полі B = 0,03 Т обчислювалися sxx--і--sxy, і після відокремлення внеску важких дірок розраховувалися їх рухливість і концентрація в інтервалі T від 6 до 35 К. За цими даними рухливість дірок у некомпенсованих кристалах в області розсіювання на іонах домішки практично не залежить від режиму відпалу та типу акцепторів і відповідає концентрації позитивних центрів (4±_,5)Ч1015 см-3.

Для компенсованих In кристалів підгонка експериментальних кривих у моделі з дискретними рівнями дає розумну оцінку як для ступеня компенсації (K = 0,88), так і для енергії нижнього рівня (EA2(1)= 14 меВ). Для некомпенсованих зразків виконати підгонку в такій моделі не вдається. Тому тут аналіз активаційних кривих проводився в моделі акцепторної зони з неперервним розподілом рівнів. Незважаючи на малу кількість домішкових акцепторів, їх вплив на активацію ефекту Холла виявляється значним унаслідок близькості рівня Фермі до рівня простого акцептора. За даними такої підгонки, екстрапольована до нульової концентрації дірок енергія іонізації вакансій EA2(1) (0) не залежить від T, проте залежить від умов термообробки і складає від 13-14 меВ для насичених Hg зразків до 18-18,5 меВ для насичених Te кристалів, що непогано узгоджується з теоретичною оцінкою (16 меВ). Енергія іонізації Cu, навпаки, не залежить від режимів відпалу. кристал домішковий провідність андерсон

Режим відпалу впливає також на вид вольт-амперної характеристики (ВАХ) при 77 К та опір p-n-переходів, отриманих шляхом дифузії Hg у кристали p-Hg1-xCdxTe з VHg. Для кристалів, відпалених в умовах, далеких від насичення Hg, характеристики p-n-переходів набагато кращі, ніж після відпалу в насичених парах Hg (див. рис.6). Поряд із цим на темновий струм і опір зачиненого p-n-переходу істотно впливають малокутові границі (МКГ).

На відміну від нижнього рівня VHg, її верхній рівень заповнюється лише вище 40-50 К, коли нижній рівень уже майже заповнений. Тому точність визначення EA2(2) методом Холла надто мала. Тим часом, цей рівень розташовується близько до середини забороненої зони, а отже може бути виявлений шляхом дослідження фотоелектричних властивостей p-Hg1-xCdxTe при низьких T. Тут час життя електронів і дірок у р-Hg1-xCdxTe зі складом х = 0,20 і х = 0,30 досліджувався методом одночасного вимірювання стаціонарної фотопровідності (ФП) і фотомагнітного ефекту (ФМЕ) в області виморожування вільних дірок на акцептори. Вимірювання стаціонарних ФП і ФМЕ проводилися за стандартними методиками з низькочастотною модуляцією збуджуючого випромінювання в умовах слабкого сигналу. Енергія рекомбінаційного рівня, визначена за нахилом кривих t (1/Т) в області температур, де переважає рекомбінація Шоклі-Ріда, перебуває в межах 12-15 меВ і 35±5 меВ для складу х = 0,20 і 50±10 меВ для х = 0,30. Менша з цих енергій якраз відповідає енергії іонізації нейтральної вакансії; більш глибокі рівні, очевидно, відповідають верхньому рівню VHg, оскільки їх енергія узгоджується з даними варіаційного розрахунку.

Активація вакансій при 77 К вивчалася за її концентраційною залежністю. Дослідження велися на зразках різного складу (0,170, 0,225-0,235 і 0,295), відпалених в різних умовах. Концентрація вакансій ([VHg]) визначалася оптичним методом при 293 К, а концентрація дірок при 77 К (p77) - методом Холла. Середній ступінь іонізації VHg при 77 К обчислювався як f77 = p77 /[VHg]. Величина f77 істотно і немонотонно залежить від [VHg] (див. рис. 7). Спочатку вона спадає з ростом [VHg], але при p »--1,7Ч1017 см-3 досягає мінімуму і далі починає швидко зростати, досягаючи граничного значення f77 = 2 при ah2 /r0= 0,67 ±--_,_1» ln 2 незалежно від складу кристалів, що відповідає моделі переходу метал-діелектрик, спричиненому екрануванням заряду акцепторів вільними дірками. Тут ah2 - радіус локалізації важкої дірки; r0 - радіус екранування. Про те саме свідчить рухливість дірок при 77 К. Отриманий результат пояснює відому розбіжність у поглядах на ступінь іонізації VHg у Hg1-xCdxTe при 77 К.

При [VHg] < 3Ч1_17 см-3 по f77 було розраховано енергію іонізації VHg, екстрапольовану до нульової концентрації дірок (коли екранування відсутнє). Знайдена величина EA2(1) (0) не залежить від [VHg], а отже, являє собою енергію іонізації ізольованої вакансії. Вона складала 16 меВ для насичених Hg кристалів Hg0,775Cd0,225Te; 18,5 меВ для насичених Te зразків Hg0,765Cd0,235Te і 24 меВ для гомогенних кристалів Hg0,705Cd0,295Te.

Специфіка будови вакансійної зони p-Hg 0,8Cd 0,2Te визначає особливості стрибкової провідності, яка описується в таких кристалах законом Мотта вже при 10-20 К. З метою пояснення природи цього явища було експериментально досліджено концентраційну і температурну залежності передекспонентного множника r0M та параметра T0 в законі Мотта для гомогенних та насичених Te гетерогенних кристалів p-Hg 0,78Cd 0,22Te з концентрацією VHg від 1016 до 1018 см-3. Встановлено, що ці параметри сильно залежать від [VHg]. Параметр T0 залежить від концентрації VHg немонотонно. При малій кількості VHg у кристалі T0 дещо зростає з ростом [VHg], але при [VHg] »1Ч1017 см-3 для насичених Hg і [VHg] »--4Ч1017 см-3 для насичених Te зразків, що уп'ятеро менше від розрахункової концентрації в точці переходу Мотта, різко зменшується на кілька порядків величини. У цих точках фактор r0M стрибком виростає на два порядки і далі вже не залежить від [VHg].

Отримані результати пояснюються впливом домішкових акцепторів. Якщо концентрація VHg низька, енергія їх взаємодії з донорами мала і рівень Фермі лежить вище рівнів простих акцепторів. З ростом [VHg] рівень Фермі опускається і в певний момент потрапляє в домішкову акцепторну зону; при цьому густина станів поблизу нього різко зростає. Ефективний радіуса акцептора, обчислений за значенням T0, нижче критичної точки не залежить від [VHg] і дорівнює радіусу локалізації легкої дірки на VHg. Вище критичної точки цей радіус відповідає радіусу домішкового акцептора і зростає з ростом [VHg], що пояснюється розсіюванням локалізованої дірки на нейтральних вакансіях.

При [VHg] > 6Ч1017 см-3 і помірно низьких T спостерігається металічна провідність, яка змінюється активаційною при подальшому зниженні T, підкоряючись при цьому закону Мотта. Вплив домішкових акцепторів дозволяє пояснити і це явище. При високих температурах концентрація вільних дірок велика, тому домішкові акцептори сильно екрановані й не здатні зв'язати дірку. При зниженні температури кількість вільних дірок падає, і домішкові рівні виходять з валентної зони; при цьому провідність набуває активаційного характеру.

У п'ятому розділі розглянуто особливості впливу дефектів і домішок на властивості епітаксійних структур p-Hg1-xCdxTe, вирощених методом рідинної епітаксії з розчину в розплаві Te.

Монокристали CdTe і його твердих розчинів з CdSe і ZnTe, що за параметром гратки ідеально підходять як матеріал для підкладок, не вирізняються особливо високою чистотою, а отже можуть виявитися джерелом додаткового забруднення плівок. Тому тут було вивчено електрофізичні, оптичні та фотоелектричні властивості вирощених методом Бріджмена монокристалів CdTe, Cd1-xZnxTe і CdSexTe1-x (x = 0,04±0,02). Досліджувалися тип провідності, питомий опір, рухливість електронів і дірок залежно від режиму відпалу, а також спектри поглинання і фотопровідності в інтервалі l = 0,8…1,8 мкм при 295 і 77 К та вміст Cu у кристалах CdTe.

За результатами аналізу провідності відпалених при 500°С в парах Te та Cd зразків надлишок NA -ND домішкових акцепторів з енергією активації нижче 150 меВ складає в середньому 2Ч1016 см-3, при тому що середня концентрація донорів ND< 4Ч1015 см-3. Майже таку саму оцінку ND»(2-3)Ч1015 см-3 отримано за результатами дослідження спектрів поглинання. За даними вимірювань рухливості електронів при 77 К знайдено, що в середньому NA »--3Ч1016 см-3. Розподіл провідності по злитках, відпалених при 300°С, а також спектри поглинання і фотопровідності засвідчили домінуючу роль As та Cu як акцепторів у дослідженому тут CdTe. Прямий хіміко-спектральний аналіз підтвердив виняткову роль Cu в CdTe. Характер розподілу злитків CdTe за концентрацією Cu виявив додаткове джерело забруднення CdTe, для якого середня концентрація Cu складає 2,5Ч1016 см-3; припускається, що це наслідок впливу контейнера.

Через неоднорідний розподіл домішок та складу на межі плівки і підкладки виникає специфічний потенціальний бар'єр, який додатково впливає на електрофізичні та фотоелектричні властивості структури в цілому. Зокрема, такий бар'єр може розривати електричний зв'язок по струму між шаром і підкладкою. У дисертаційній роботі цей бар'єр виявлено і досліджено шляхом вимірювання ВАХ гетероструктури та фото-ЕРС. Вивчалися епітаксійні структури p-Hg 0,8Cd 0,2Te, отримані методом рідинної епітаксії із розчинів у Te і відпалені у ненасичених парах Hg при 300°С. Підкладки теж мали діркову провідність, а їх питомий опір при 77 К складав від одиниць до 106 ОмЧсм. Для дослідження ВАХ гетеропереходу і фото-ЕРС на поверхні структури з боку епітаксійного шару виготовлялася тестова меза-структура. ВАХ більшості досліджених меза-структур була істотно нелінійною, що свідчить про наявність потенціального бар'єра в області гетеропереходу; в одному випадку спостерігалася ВАХ, лінійна від -50 до +50 В. Параметри бар'єра корелювали з опором підкладки rs: опір меза-структури мав мінімум при rs--~--1_3--ОмЧсм. Бар'єр ізолює шар від підкладки у випадку малих струмів, що виявляється корисним при вимірюванні електрофізичних параметрів плівки, проте може впливати на характеристики фотодіодів. Дослідження спектрів фото-ЕРС меза-структури та розподілу електропровідності показує, що бар'єр розташовано у підкладці; фотострум при цьому малий і відповідає об'ємному фотоефекту. Отже, бар'єр виникає внаслідок градієнта опору в підкладці, що є результатом перерозподілу домішок.

Кристали напівпровідникових сполук типу A2B6 мають різкий короткохвильовий край поглинання і досить високе пропускання поза ним, що робить перспективним їх застосування як оптичних фільтрів. Особливого значення в цьому аспекті набувають тверді розчини цих сполук, такі як Hg1-xCdxTe, смугу пропускання яких можна керовано змінювати в широких межах шляхом зміни x. Ще більші можливості криються у застосуванні варізонних кристалів і структур цих твердих розчинів. Дослідження, виконані в дисертації, показали, що в такому випадку можна створювати селективні абсорбційні електрооптичні фільтри з порівняно вузькою смугою пропускання, здатною плавно перебудовуватися в широкому спектральному інтервалі. Метод базується на диференціюванні пропущеного варізонним фільтром потоку випромінювання (або відповідного сигналу фотоприймача) по напрямку градієнта його характеристик.

Для перевірки дієздатності методу було зібрано лабораторний макет спектрометра, побудований на основі застосування варізонного фільтра з епітаксійної структури Hg1-xCdxTe /CdTe, вирощеної методом парофазної епітаксії та розгонки при високих температурах. З такої структури шляхом шліфування і наступного полірування виготовлявся клин під малим кутом до поверхні шару. Склад поверхні клина і, відповідно, край смуги пропускання плавно змінювалися в напрямку скосу.

Диференціювання потоку випромінювання здійснювали за допомогою вібруючої щілини. Проведені дослідження показали цілковиту дієздатність запропонованого методу.

З метою лінеаризації розподілу складу в епітаксійному шарі було розглянуто модель процесу парофазної епітаксії Hg1-xCdxTe, і на основі результатів його оптимізаційного моделювання запропоновано видозміну відповідних технологічних режимів, яка полягає у плавному підвищенні температури і зниженні тиску пари ртуті наприкінці процесу епітаксії та дифузії, що викликає випрямлення розподілу x внаслідок зростання швидкості нарощування шару.

Висновки

У дисертації розглянуто наукову проблему визначення характеристик, будови і взаємовпливу домішкових зон у кристалах p-Hg1-xCdxTe залежно від концентрації власних і домішкових точкових дефектів та їх прояву в переносі заряду при низьких температурах. При цьому отримано ряд нових наукових результатів, які в комплексі дозволяють вирішити названу проблему.

1. При вимірюванні зонних параметрів вузькощілинних напівпровідників шляхом розрізненого дослідження окремих явищ виникають істотні похибки, а одержані значення погано узгоджуються одне з одним. У коректній постановці ця задача вимагає проведення сумісних вимірювань одразу декількох фізичних величин. У рамках такого підходу отримано узгоджену систему значень матричних елементів важливих міжзонних переходів і показано, що вони не залежать від складу x. Доведено експериментально, що закон дисперсії важких дірок при e < 0,15 еВ істотно непараболічний, а параметри непараболічності в ізотропному наближенні не залежать від x. Уточнено механізми і характеристики розсіювання вільних дірок та поглинання на них випромінювання у кристалах p-Hg1-xCdxTe, і на цій основі створено прецизійний оптичний метод сумісних вимірювань ширини забороненої зони і надлишку акцепторів у таких кристалах. Встановлено, що час життя електронів у слабо легованих In кристалах n-Hg0,8Cd0,2Te досягає теоретичної межі.

2. Ступінь іонізації вакансій Hg при температурі 77 К залежить від їх концентрації, тому діаграми їх рівноваги, отримані методом Холла при цій температурі, вимагають суттєвої корекції. Оптичний метод вимірювання концентрації акцепторів дозволив істотно уточнити константи рівноваги власних дефектів у широкому діапазоні складу x = 0,16-0,30 і побудувати діаграми, які кількісно узгоджуються з висновками квазіхімічної теорії. Ці результати разом з даними щодо коефіцієнта термодифузії Hg забезпечують можливість вибору оптимального режиму термообробки кристалів і плівок Hg1-xCdxTe (x = 0,16-0,30) для отримання заданої кількості вакансій. Коагуляція вакансій Hg у пересичених Te кристалах Hg0,8Cd0,2Te при помірних температурах відпалу відбувається по реакції другого порядку шляхом попарно-почергового їх поглинання преципітатами Te, а відхилення від гіперболічного закону викликані встановленням проміжної рівноваги з мікроскопічними преципітатами Te, спричиненої впливом сил поверхневого натягу. З тих самих причин константа швидкості реакції залежить від початкового стану кристалу.

3. Доведено, що швидка конверсія типу провідності p-Hg1-xCdxTe у ході бомбардування іонами малих енергій забезпечується формуванням на короткий час дуже пересиченого розчину точкових дефектів Френкеля в області остиглого теплового клина. Рухливі міжвузловинні атоми встигають частково проникнути вглиб кристала до завершення релаксації дефектної області, утворюючи поверхневе джерело вільної ртуті. Показано, що у структурі зовнішнього порушеного шару можуть переважати нерівноважні типи дефектів, а впливовим фактором, що обмежує швидкість конверсії, є електричне поле поблизу внутрішньої поверхні цього шару.

4. Ширина акцепторної зони у кристалах вузькощілинного p-Hg1-xCdxTe сумірна з енергією зв'язку дірки, тому її структура відіграє вирішальну роль у формуванні електрофізичних властивостей таких кристалів при низьких температурах. Іншим впливовим фактором у таких кристалах є екранування заряду акцептора, спричинене значною концентрацією рухливих носіїв заряду. Виходячи з цього, визначено енергію зв'язку і радіус локалізації дірки на домішкових і власних акцепторах в умовах слабкого і помірного легування. Доведено експериментально, що для заданого типу акцепторів радіус локалізації дірки не залежить від їх кількості, а енергія зв'язку зменшується з ростом їх концентрації, головним чином, лише внаслідок екранування. У той самий час, енергія іонізації вакансії Hg, на відміну від енергії домішок, залежить від умов відпалу кристалів: енергія нижнього її рівня в насичених Hg кристалах на 3-5 меВ його енергії в насичених Te зразках. Так само характеристики p-n-переходів кращі в насичених Te зразках.

5. Впливовим фактором, який визначає електрофізичні властивості кристалів p-Hg1-xCdxTe при низьких температурах, є здатність нейтральних акцепторів приєднувати зайву дірку і утворювати позитивно заряджені A+-центри. Їх роль швидко зростає із збільшенням концентрації акцепторів. Дірки в A+-зоні залишаються локалізованими при концентраціях акцепторів, що складають менше 40% їх концентрації в точці переходу Мотта, але стають делокалізованими при вищих концентраціях внаслідок переходу Андерсона в цій зоні. e2-провідність легованих міддю кристалів p-Hg1-xCdxTe здійснюється активованими в A+-зону дірками і нижче переходу Андерсона має стрибковий характер.

6. Характеристики e3-провідністі,--e2-провідністі та критерії переходів Мотта і Андерсена в домішковій зоні кристалів p-Hg1-xCdxTe:Cu визначаються радіусом локалізації важкої дірки, а провідність із змінною енергією активації в нелегованих кристалах з вакансіями Hg - радіусом локалізації легкої дірки. Цей ефект пояснюється відмінностями будови акцепторних зон, утворених домішковими і власними акцепторами, та специфікою поведінки хвильової функції двохзарядних акцепторів на значних відстанях при зростанні їх концентрації.

7. У гетероструктурах Hg1-xCdxTe/CdTe, отриманих методом рідинної епітаксії, утворюється потенціальний бар'єр, який є наслідком перерозподілу домішок у підкладці і ефективно ізолює плівку від неї. Це явище важливо враховувати при розробці технології та виготовленні детекторів випромінювання на основі епітаксійних структур Hg1-xCdxTe/CdTe, виготовлених за такою технологією.

8. Існує підтверджена експериментально можливість побудови спектрометричних приладів на основі застосування варізонних структур Hg1-xCdxTe у якості абсорбційних фільтрів із змінною смугою пропускання.

Достовірність отриманих результатів забезпечена використанням високоякісного матеріалу, глибоко обґрунтованих методик і сучасного атестованого обладнання і підтверджена високою відтворюваністю результатів. У всіх необхідних випадках вона додатково перевіряється шляхом порівняння з даними інших дослідників та ретельного аналізу причин виявлених розбіжностей.

Отримані в дисертації результати є завершеною системою даних щодо будови акцепторної зони та основних електронних і термодинамічних характеристик активних точкових дефектів у кристалах p-Hg1-xCdxTe. Ці результати та розроблені в дисертації методи досліджень можуть бути використані для подальшого вивчення властивостей невпорядкованих систем (вузькощілинних твердих розчинів та низькорозмірних утворень), для розробки конкретних рекомендацій щодо керування властивостями кристалів і плівок Hg1-xCdxTe шляхом їх термообробки, розробки методик виконання вимірювань складу, концентрації носіїв і точкових дефектів, часу життя електронів у Hg1-xCdxTe та споріднених вузькощілинних матеріалах.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Bogoboyashchiy V.V. Effect of annealing on activation of native acceptors in narrow-gap p-HgCdTe crystals // Semicond. Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 1999. Vol. 2, №1 P. 62-69.

2. Богобоящий В.В. Энергия ионизации меди в кристаллах Hg0.8Cd0.2Te при слабом и промежуточном легировании // Физика и техника полупроводников. 2000? Т. 34, №8. С. 955-961.

3. Богобоящий В.В. Концентрация равновесных собственных дефектов в кристаллах узкощелевых твердых растворов Hg1-xCdxTe по данным гальваномагнитных и оптических измерений // Конденсированные среды и межфазные границы. 2000. Т. 2, №2.С. 132-137.

4. Богобоящий В.В. К проблеме практического определения оптической ширины запрещенной зоны кристаллов узкощелевого Hg1-xCdxTe // Конденсированные среды и межфазные границы. - 2000. - Т. 2, №3. - С. 223-228.

5. Богобоящий В.В. Концентрационная зависимость радиуса состояния акцепторов в кристаллах p-Hg0.78Cd0.22Te // Физика и техника полупроводников.? 2001. Т. 35, №1. С. 34-39.

6. Богобоящий В.В. Металлическая проводимость по акцепторной зоне легированных медью слабо компенсированных кристаллов p-Hg 0.78Cd 0.22Te // Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 35, №7. С. 812-818.

7. Bogoboyashchyy V.V. Mercury vacancies coagulation kinetics and mechanism in Hg0.8Cd0.2Te crystals // Functional materials. - 2001. - Vol. 8, №2. - P. 280-285.

8. Богобоящий В.В. Концентрационная зависимость энергии ионизации вакансий ртути в кристаллах узкощелевого Hg1-xCdxTe // Конденсированные среды и межфазные границы. 2001. Т. 3, №1. С. 28-33.

9. Bogoboyashchiy V. Interconsistent band structure of narrow-gap Hg1-xCdxTe alloys obtained with taking into account far band influence // Proceedings SPIE. ?1997. Vol. 3482. P. 325-335.

10. Bogoboyashchiy V. Galvanomagnetic and optical properties of CdTe wafers for substrates // Proceedings SPIE. - 1998. - Vol. 3890. - P. 221-232.

11. Эффект Фарадея в полупроводниковых твердых растворах Hg1-xCdxTe / В.В. Богобоящий, А.И. Елизаров, В.А. Петряков, Ф.Ф. Сизов // Квантовая электроника. - 1988. - Вып. 34. - С. 70-73.

12. Елизаров А.И., Богобоящий В.В., Берченко Н.Н. О степени ионизации собственных дефектов в кристаллах CdxHg1-xTe в широком интервале температур // Физика и техника полупроводников. - 1990. - Т. 24, №3. - С. 446-450.

13. Елизаров А.И., Богобоящий В.В., Белов О.Г. Вольт-амперные характеристики потенциальных барьеров в гетероструктурах CdxHg1-xTe/CdTe // Физика и техника полупроводников. - 1990. - Т. 24, №5. - С. 923-926.

14. Изменение дефектной структуры CdxHg1-xTe при легировании индием / В.И. Иванов-Омский, К.Е. Миронов, К.Д. Мынбаев, В.В. Богобоящий // Физика и техника полупроводников. - 1991. - Т. 25, №8. - С. 1423-1428.

15. Особенности температурной и спектральной характеристик фотопроводимости и фотомагнитного эффекта в p-CdxHg1-xTe при низких температурах / С.Г. Гасан-заде, В.В. Богобоящий, И.П. Жадько, Е.А. Зинченко, Г.А. Шепельський // Физика и техника полупроводников. - 1993. - Т. 27, № 9. - С. 1508-1515.

16. Курбанов К.Р., Богобоящий В.В. Получение и свойства совершенных монокристаллов n-Hg0.8Cd0.2Te, легированных индием // Конденсированные среды и межфазные границы. 1999. Т. 1, №3? С. 245-249.

17. Богобоящий В.В., Гасан-заде С.Г., Шепельский Г.А. Активационная проводимость и переход металл-диэлектрик в кристаллах узкощелевого p-Hg1- xCdxTe // Физика и техника полупроводников.? 2000. Т. 34, №4. С. 411-417.

18. Bogoboyashchiy V.V. Kurbanov K.R., Oksanich A.P. Industrial production of GaAs and Hg1-xCdxTe based crystals and epitaxial structures in Ukraine: actuality and development outlook // Functional materials. - 2000. - Vol. 7, №3. - P. 546-551.

19. Богобоящий В.В., Ижнин И.И. Механизм конверсии типа проводимости при бомбардировке кристаллов р-Hg1-xCdxTe ионами малых энергий. // Известия вузов. Физика. - 2000. - Т. 43, №8. - С. 16-25.

20. Богобоящий В.В., Власов А.П., Ижнин И.И. Механизм конверсии типа проводимости в легированном мышьяком p-CdxHg1-xTe при ионно-лучевом травлении // Известия вузов. Серия "Физика". - 2001. - Т. 44, №1. - С. 50-59.

21. Модифікація електрофізичних властивостей епітаксійних шарів PbTe в умовах низькоенергетичного бомбардування / М.М. Берченко, В.В. Богобоящий, І.І. Іжнін, Г.В. Савицький, В.О. Юденков // Вісник Національного університету "Львівська політехніка". Електроніка. - 2001. - № 423. - С. 3-7.

22. Способ термообработки эпитаксиальных слоев CdxHg1-xTe: А.с. 270900 СССР, МКИ C 30 B 33/00, 29/48. / В.В. Богобоящий, А.И. Елизаров, В.Н. Меринов, В.А. Петряков (СССР). / №3167964; Заявлено 16.04.1987; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 01.03.1988. - 8 с.

23. Способ и устройство для обработки поверхности пластин полупроводников: А.с. 312172 СССР, МКИ H 01 L 21/302. / В.В. Богобоящий, А.И. Елизаров, В.К. Ергаков, В.Н. Меринов, А.М. Раскевич (СССР). / №4517135; Заявлено 26.06.1989; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 02.04.1990. - 4 с.

24. Способ контроля электрической изолированности слоя от подложки: А.с. 323194 СССР, МКИ G 01 R 27/00. / В.В. Богобоящий, А.И. Елизаров, А.М. Раскевич (СССР). / №4523489; Заявлено 04.12.1989; Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений СССР 01.02.1991. - 6 с.

25. Устройство для измерения удельного сопротивления полупроводников: А.с. 1583814 СССР, МКИ G 01 N 27/00. / В.В. Богобоящий, А.М. Раскевич, В.А. Петряков, С.А. Дроздов, В.Ю. Рогулин (СССР). / №4396808/24-21; Заявлено 24.03.1988; Опубл. 07.08.1990, Бюл. №29. - 2 с.

26. Богобоящий В.В., Єлізаров О.I. Селекція оптичного випромінювання за допомогою варізонних напівпровідникових абсорбційних фільтрів. // Збiрник наукових праць ПДПУ iм. В.Г. Короленка. Серія "Фізико-математичні науки". - 2000. - вип. 1(9). - С. 29-35.

27. Богобоящий В.В., Шкляева Е.С. Расчет характеристик малогабаритного спектрометра на основе варизонных эпитаксиальных структур Hg1-xCdxTe // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ (Кременчуг). - 1999. - Вып. 1(6). - С. 242-244.

28. Богобоящий В.В., Шкляева Е.С. Оптимизационное моделирование выращивания варизонной эпитаксиальной структуры Hg0.8Cd0.2Te // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ (Кременчуг). - 2000. - Вып. 2(9). - С. 405-408.

29. Bogoboyashchiy V. Interconsistent band structure of narrow-gap Hg1-xCdxTe alloys with taking into account far band influence // Abs. of III Int. Conf. "Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics". - Uzhgorod, 1996. - P. 128.

30. Bogoboyashchiy V. Semiphenomenological model of edge absorption in Hg1-xCdxTe alloys // Abs. of III Int. Conf. "Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics" . - Uzhgorod, 1996. - P. 90.

31. Bogoboyashchiy V. Galvanomagnetic and optical properties of CdTe wafers for substrates // Abs. of IV Int. Conf. "Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics" . - Kyiv, 1998. - P. 71.

32. Bogoboyashchiy V. New approach to the problem of determining optical band gap of semiconductors with exponential band gap // Abs. of IV Int. Conf. "Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics". - Kyiv, 1998. - P. 72.

33. Об особенностях спектральных характеристик фотопроводимости и фотомагнитного эффекта в эпитаксиальных слоях CdxHg1-xTe / Г.А. Шепельський, И.П. Жадько, Е.А. Зинченко, С.Г. Гасан-заде, А.И. Елизаров, В.В. Богобоящий // Тезисы докладов респ. конф. "Физика и химия поверхности и границ раздела узкощелевых полупроводников". - Львов, 29-30 мая 1990. - Львов, 1990. - С. 4-5.

34. Елизаров А.И., Богобоящий В.В., Белов О.Г. Вольт-амперные характеристики потенциальных барьеров в гетероструктурах CdxHg1-xTe/CdTe // Тезисы докладов респ. конф. "Физика и химия поверхности и границ раздела узкощелевых полупроводников". - Львов, 29-30 мая 1990. - Львов, 1990. - С. 70-71.

35. Kurbanov K.R., Bogoboyashchiy V.V. Comparative study of bulk Hg0.8Cd0.2Te grown from initial elements of different purity // Abs. of IV Int. Conf. "Materials Science and Materials Properties for IR Optoelectronics". - Kyiv, 1998. - P. 169.

36. Bogoboyashchiy V.V., Izhnin I.I. P-to n-type conductivity conversion mechanism in p- CdxHg1-xTe under ion-beam milling // Proc. 9-th Intern. Conf. on Narrow Gap Semicond. - Berlin: Humboldt University of Berlin, Sept. 26 - Oct. 1, 1999. - P.30-32.

37. Богобоящий В.В., Власов А.П., Дворецкий С.А., Ижнин И.И., Протасов Д.Ю., Ромашко Л.Н., Сидоров Ю.Г. Конверсия типа проводимости в МЛЭ CdxHg1-xTe структурах при ионно-лучевом травлении // Научн. тр. II рос.-укр. семинара "Нанофизика и наноэлектроника" (Киев, 22-24 ноября 2000 г.). - Киев, 2000. - С. 63-64.

38. Комплексоутворення та конверсія типу провідності в домішково-легованому p-CdxHg1-xTe при іонно-променевому травленні / Н.Н. Берченко, В.В. Богобоящий, А.П. Власов, І.І. Іжнін // III Міжн. школа-конференція "Сучасні проблеми фізики напівпровідників". Тези доповідей. - Дрогобич, Україна, 25-30 червня 2001 р. - С. 4.

39. Defect structure rebuilding of As and Sb doped p-CdxHg1-xTe by ion-beam milling / N.N. Berchenko, V.V. Bogoboyashchiy, A.P. Vlasov, I.I. Izhnin, Yu.S. Ilyina // Abs. The 10-th Intern. Conf. on II-VI compounds. Sept. 9-14, 2001. - UNIversum Convention Center, Bremen, Germany. - P. Mo-P42.

40. Type conductivity conversion in As, Sb doped p-CdHgTe under ion beam milling / N.N. Berchenko, V.V. Bogoboyashchiy, A.P. Vlasov, I.I. Izhnin, Yu.S. Ilyina // 12-th International Conference on Surface Modification of Materials by Ion Beams, September 9-14, 2001, Marburg, Germany, Abstracts. - P. P8-13.

Анотація

Богобоящий В.В. Формування акцепторної зони дефектами і домішками в кристалах вузькощілинного p-Hg1-xCdxTe. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

У дисертації подано результати дослідження властивостей кристалів і епітаксійних структур вузькощілинного p-Hg1-xCdxTe, пов'язаних з активними точковими дефектами і домішками. Узгоджено параметри зонної структури Hg1-xCdxTe і показано, що зона важких дірок при малих енергіях істотно непараболічна. Побудовано прецизійний оптичний метод роздільного вимірювання концентрації електронів і дірок при кімнатній температурі. Визначено константи рівноваги власних дефектів та механізми їх взаємодії при низьких температурах. Досліджено електрофізичні та фотоелектричні властивості легованих кристалів n- і p-типу при 77 К, особливості стрибкової та металічної провідності, будову акцепторної зони кристалів p-Hg1-xCdxTe. Вивчено взаємовплив підкладки й епітаксійного шару Hg1-xCdxTe. Запропоновано новий напрямок застосування варізонних структур p-Hg1-xCdxTe.

Ключові слова: вузькощілинні напівпровідники, Hg1-xCdxTe, точкові дефекти, дифузія дефектів, рухливість дірок, стрибкова провідність, перехід Мотта, перехід Андерсона, енергія іонізації, радіус локалізації.

Abstruct

Bogoboyashchyy V.V. Formation of extrinsic band by point defects in narrow-gap p-Hg1-xCdxTe crystals. - Manuscript.

Thesis for a doctor sciences degree of physical and mathematical sciences by speciality 01.04.10 - physics of semiconductors and insulators. - Institute of Semiconductor Physics of NAS of Ukraine, Kiev, 2002.

Results of researches of properties of narrow-gap p-Hg1-xCdxTe crystals and epitaxial structures due to active native defects and impurities are represented in the thesis. Parameters of band structure are coordinated, and it is shown, that the heavy hole band is essentially not parabolic at low hole energies. A precision optical method for measurements of electron and hole concentration at room temperature is elaborated. The constants of equilibrium of native defects and mechanisms of its interaction at low temperatures are determined. Electrical and physical, photoelectrical properties of the doped n- and p-type crystals at 77 K, peculiarities of hopping and metallic conduction, and structure of the acceptor band of p-Hg1-xCdxTe are investigated. Mutual influence of a substrate and epitaxial film of Hg1-xCdxTe is studied. New application for variable-gap Hg1-xCdxTe structures is offered.

Key words: narrow-gap semiconductors, Hg1-xCdxTe, point defects, defect diffusion, hole mobility, hopping conductivity, Mott transition, Anderson transition, energy of ionization, radius of localization.

Аннотация

Богобоящий В.В. Формирование акцепторной зоны дефектами и примесями в кристаллах узкощелевого p-Hg1-xCdxTe. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников о диэлектриков. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2002.

В диссертации рассмотрена проблема определения характеристик, строения и взаимовлияния примесных зон в кристаллах p-Hg1-xCdxTe в зависимости от концентрации собственных и примесных точечных дефектов и их проявления в переносе заряда при низких температурах.

Путем совместных теоретических и экспериментальных исследований спектров поглощения, эффекта Фарадея и концентрации собственных носителей заряда в зависимости от x и T получена система согласованных матричных элементов, описывающих зонную структуру Hg1-xCdxTe в изотропном приближении. Уточнены и представлены в удобной форме законы дисперсии электронов и легких дырок в Hg1-xCdxTe при энергиях e ~Eg. Предложена полуфеноменологическая модель для расчета коэффициента краевого поглощения, позволяющая существенно повысить точность определения ширины запрещенной зоны по спектрам краевого поглощения. Существенно уточнена зависимость Eg (x,T) и показано, что зона тяжелых дырок при энергиях e < 0,15 эВ описывается не зависящим от x непараболическим законом дисперсии. Исследованы экспериментально и рассчитаны теоретически спектры поглощения Hg 0,8Cd 0,2Te и CdTe всех типов проводимости при T ~--3__--К--и--l > 2,5 мкм. Определены все значимые механизмы поглощения и их параметры. На этой основе создан прецизионный оптический метод измерения концентрации акцепторов в p-Hg1-xCdxTe (x = 0,18-1), рационально учитывающий зависимость поглощения от x. С его помощью измерен холл-фактор тяжелых дырок и степень ионизации вакансий Hg при 77 К в зависимости от концентрации.

Пользуясь полученными результатами, определена либо существенно уточнена равновесная концентрация вакансий Hg в пределах области гомогенности Hg1-xCdxTe (x = 0,16-0,30) в интервале температур 200-600°C; рассчитаны их константы равновесия. На основе теоретического и экспериментального исследования термодиффузии Hg найдены или уточнены константы равновесия междоузельной ртути в Hg1-xCdxTe (x = 0,215 и x = 0,295). Изучена кинетика коагуляции вакансий Hg. Предложен механизм коагуляции вакансий, объясняющий особенности явления. Предложена модель образования и взаимодействия дефектов при p-n-конверсии в нелегированных и легированных As кристаллах p-Hg 0,8Cd 0,2Te в ходе бомбардировки ионами, описывающая основные закономерности этого явления.

Исследованы диффузия и самокомпенсация In в Hg1-xCdxTe (x = 0,22 и x = 0,30) при сравнительно слабом легировании, а также подвижность и время жизни электронов в прецизионно легированных In кристаллах n-Hg 0,8Cd 0,2Te с NIn»1014 см-3. Показано, что в сильно легированных образцах интеграл перекрытия функций Блоха электронов равен единице.

Изучена концентрационная и температурная зависимости подвижности дырок в некомпенсированных и компенсированных In кристаллах p-Hg 0,8Cd 0,2Te, однородно легированных медью. Установлены основные механизмы рассеяния дырок и доказано, что интеграл перекрытия функций Блоха дырок равен единице. Изучено влияние захвата дырок нейтральными акцепторами на их активацию и рассеяние.

Методами Холла и стационарной фотопроводимости исследована активация дырок в p-Hg1-xCdxTe в зависимости от температуры, концентрации и структуры акцепторов. Определена энергия связи дырки для разных акцепторов и сопоставлена с результатами расчета. Показано, что ее концентрационная зависимость определяется, главным образом, экранированием заряда акцепторов свободными дырками, а не перекрытием волновых функций локализованных дырок. Обнаружена зависимость энергии нижнего уровня изолированной вакансии от режима отжига кристаллов. Замечено аналогичное влияние отжига на ВАХ p-n-перехода.

Изучены в широком диапазоне концентраций акцепторов прыжковая проводимость и переходы Мотта и Андерсона в примесных зонах кристаллов p-Hg1-xCdxTe, легированных медью или же содержащих вакансии Hg. Обнаружены коренные различия прыжковой проводимости легированных и нелегированных кристаллов и установлена их природа. Исследованы концентрационная и температурная зависимости параметров прыжковой проводимости. Определен радиус локализации дырки на каждом из акцепторов и показано, что он не зависит от уровня легирования.

Исследованы электрофизические, оптические и фотоэлектрические свойства подложек CdTe. Показано, что среди примесей в CdTe доминирует медь. Изучено влияние перераспределения примесей в области гетероперехода на электрофизические и фотоэлектрические свойства эпитаксиальных структур Hg1-xCdxTe/CdTe, выращенных методом жидкостной эпитаксии из растворов в теллуре. Обнаружен потенциальный барьер, возникающий в подложке в результате такого перераспределения; изучены его свойства. Исследованы возможности применения варизонных структур Hg1-xCdxTe для создания малогабаритных спектрометров. Показано, что на их основе можно создать оптический фильтр с узкой перестраиваемой полосой пропускания.

Ключевые слова: узкощелевые полупроводники, Hg1-xCdxTe, точечные дефекты, диффузия дефектов, подвижность дырок, прыжковая проводимость, переход Мотта, переход Андерсона, энергия ионизации, радиус локализации.

Размещено на Allbest.ru