Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

УДК 621.315.592

(01.04.10. - фізика напівпровідників і діелектриків)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Процеси переносу заряду в легованих кристалах CdTe, Cd0,95Hg0,05Te та структурах на їх основі

Танасюк Юлія Володимирівна

Чернівці-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича Міністерсва освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, доцент Паранчич Степан Юрійович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича,

професор кафедри фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики доктор фізико-математичних наук, професор Гнатенко Юрій Павлович, Інститут фізики НАН України, м. Київ

завідувач відділу оптики та спектроскопії кристалів доктор фізико-математичних наук, професор Ковалюк Захар Дмитрович, Чернівецьке відділення Інституту проблем матеріалознавства НАН України, директор Інститут фізики напівпровідників НАН України, м. Київ

Захист відбудеться `' 31'' жовтня 2003 р. о 15 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 76.051.01 при Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича (58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23).

Автореферат розісланий `'29'' вересня 2003 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Курганецький М.В.

Анотації

Танасюк Ю.В. Процеси переносу заряду в легованих кристалах CdTe, Cd0,95Hg0,05Te та структурах на їх основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.10 - фізика напівпровідників і діелектриків. - Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню електричних, гальваномагнітних, оптичних, фотоелектричних властивостей монокристалів CdTe, легованих V, V і Ge, V і Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95) та Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; 0,03y0,07) та вивченню електричних та фотовольтаїчних процесів у поверхнево-бар'єрних структурах, створених на основі телуриду кадмію, легованого ванадієм. Визначено технологічні умови росту, сприятливі для одержання напівізолюючих подвійно легованих кристалів телуриду кадмію та ртутних твердих розчинів, близьких до нього за складом. Оптичні дослідження зазначених матеріалів дозволили ідентифікувати основні фотоіонізаційні переходи, що мають місце у кристалах, легованих домішками двох видів, а також пов'язати ці дані з результатами досліджень у них явищ переносу. Експериментальним шляхом вперше встановлено існування іонів марганцю, який присутній у кристалах в якості другої легуючої домішки або ж компоненти твердого розчину, в стані Mn1+ з утворенням мілкого донорного рівня у забороненій зоні.

На основі високоомних кристалів CdTe:V створено випрямляючі структури типу метал-напівпровідник, що завдяки своїй фоточутливості в області 1 - 1,5 мкм принципово можуть використовуватися як фотоприймачі у волоконно-оптичних лініях зв'язку.

Ключові слова: телурид кадмію, напівізолюючі напівпровідники, тверді розчини, подвійне легування, зарядовий стан, ближня ІЧ-область, випрямляюча структура.

Танасюк Ю.В. Процесы переноса заряда в легированных кристаллах CdTe, Cd0,95Hg0,05Te и структурах на их основе. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2003.

Диссертация посвящена исследованию электрических, гальваномагнитных, оптических, фотоэлектрических свойств монокристаллов CdTe, легированных V, V і Ge, V і Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95) и Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; 0,03y0,07), а также изучению электрических и фотовольтаических процессов в поверхностно-барьерных структурах, созданных на основе теллурида кадмия, легованного ванадием.

Измерения явлений переноса в упомянутых кристаллах в температурном интервале 300-400 К показали, что все они владеют высоким удельным сопротивлением (105-109 Омсм), а кристаллы CdTe:V:Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95) характеризуются большими подвижностями носителей заряда (200-600 и 700-800 см 2/Вс, соответственно). Состояние компенсации в данных кристаллах достигалось за счет взаимного воздействия примесей двух типов на собственные дефекты кристалла, в то время как перенос заряда при двойном легировании осуществляется главным образом примесным уровнем ванадия. Такой вывод позволили сделать результаты проведенных температурных измерений коэффициента Холла в кристаллах CdTe:V:Ge(Mn), CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95), на основе которых была определена энергия активации носителей заряда. Полученное для дважды легированных кристаллов значение составляло 0,85-0,95 еВ и соответствовало энергетическому положению донорного уровня ванадия относительно зоны проводимости. Для сравнения, в кристаллах телурида кадмия, легированных только ванадием, величина энергии активации носителей заряда не привышала 0,6-0,65 еВ - энергии залегания уровня, образованного дважды ионизированными вакансиями кадмия, который и определял электрические показатели данного материала.

Установлены технологические условия роста, благоприятные для получения высокоомных кристаллов теллурида кадмия и твердых ртутных растворов, близких к нему по составу, легированных примесями двух видов. Было показано, что при неизменной величине свободного объема над расплавом, которая составляет 2/3 длины кварцевого контейнера, решающую роль при формировании дефектной структуры кристалла играет скорость охлаждения после роста. В нашем случае охлаждение осуществлялось в два этапа: 1 - со скоростью 1,5 0С/час на протяжении 70 часов, а после - со скоростью 35 0С/час.

Оптические исследования указанных материалов, проведенные при температурах 4,2 К, 78 К и 300 К, позволили идентифицировать основные фотоионизационные переходы, возникающие в кристаллах, легированных примесями двух видов, а также сопоставить эти данные с результатами измерений в них явлений переноса. Кристаллы телурида кадмия, легированные примесями ванадия, германия и ванадия марганца характеризовались высокой оптической прозрачностью и малым фоновым поглощением. На основе результатов измерений спектров оптического поглощения и пропускания, соответственно при 4,2 и 300 К в кристаллах CdTe:V:Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95) и Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; 0,03y0,07) экспериментальным путем впервые было установлено существование полосы поглощения в области длин волн 2,5-6,5 мкм, которая по энергии соответствовала мелкому донорному уровню в запрещенной зоне материала, образованному ионами марганца, в состоянии Mn1+.

На основе високоомных кристаллов CdTe:V термическим напылением пленок Al и Cr созданы выпрямляющие структуры типа металл-полупроводник, вольт-амперные характеристики которых описываются теорией Саа-Нойса-Шокли. Данные поверхностно-барьерные структуры, а также гетеропереходы ІТО-CdTe:V на базе низкоомных кристаллов, оказались фоточувствительными в области 1 - 1,5 мкм, благодаря чему они принципиально могут быть использованы в качестве фотоприемников в волоконно-оптических линиях связи.

Термическое напыление Al, Ag, Cr, Ni, Sn, Ti на низкоомные подложки CdTe:V не привело к создания выпрямляющих структур, вместо этого было выявлено, что данные металлы, а в особенности Al, Sn, Ti, образуют с данным полупроводниковым материалом качественный омический контакт и обеспечивают при этом минимальное значение его удельного сопротивления.

Ключевые слова: теллурид кадмия, полуизолирующие полупроводники, твердые растворы, двойное легирование, зарядовое состояние, близкая ИК-область, выпрямляющая структура.

Yu.V. Tanasyuk Charge transfer phenomena in the doped CdTe, CdxHg1-xTe (x=0,95) crystals and structures on their basis.- Manuscript.

PhD thesis in the 01.04.10 majority - Physics of Semiconductors and Insulators.- Yuriy Fedkovych Chernivtsy National University, Chernivtsy, 2003.

The thesis is dedicated to investigation of electrical, galvanomagnetic, optical, photoelectrical properties of the CdTe single crystals, doped with V, both V and Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95) and Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; 0,03y0,07) and to survey the electrical and photovoltaic processes in surface-barrier structures, manufactured on the basis of vanadium doped cadmium telluride. Technological growth conditions favorable for the preparation of the semiinsulating codoped crystals of cadmium telluride and solid solutions close to it in their composition have been established.

Optical study of the named materials enabled us to identify main photoionization transitions occurring in the crystals co-doped with the impurities of two kinds and correlate these findings with the results of the transport phenomena investigations carried out on them. For the first time to our knowledge it has been experimentally defined, that manganese ions, presented in the crystals in a character of second doping impurity as well as a component of the solid solution, exist in the Mn1+ charge state forming a shallow donor layer in the band gap.

The rectifying metal-semiconductor contact structures have been fabricated on the basis of the highly resistive CdTe:V crystals and due to their photosensitivity within the 1 - 1,5 m can on principal be used as photoreceivers in fiber optics communications.

Key words: cadmium telluride, semiinsulating semiconductors, solid solutions, co-doping, charge state, near IR, rectifying structure.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дослідження фізичних властивостей напівпровідникових сполук, легованих елементами з незаповненою d-оболонкою, представляють значний інтерес для фізики напівпровідників, спектроскопії, магнетизму, квантової електроніки тощо.

Саме завдяки легуванню елементами з незаповненою 3d-оболонкою напівпровідникові сполуки групи А 2В 6 набули широкої популярності з точки зору використання їх в якості фоторефрактивних матеріалів. Впровадження домішки викликає утворення електрично активних дефектів і комплексів, які мають тенденцію до створення компенсованого стану в кристалах і дозволяють досягнути великих значень питомого опору - важливої вимоги, яка ставиться до детекторних та фоторефрактивних матеріалів. Зокрема, легування телуриду кадмію ванадієм, германієм або марганцем дозволяє розширити інтервал фоточутливості до ближньої ІЧ-області, що робить цей матеріал перспективним для створення на його основі фотоприймачів у швидкодіючих волоконно-оптичних системах передачі інформації.

Незважаючи на велику кількість робіт, присвячених вирощуванню та дослідженню властивостей кристалів телуриду кадмію, легованих 3d-елементами, однією з ключових проблем на шляху створення приладів на їх основі залишається питання одержання високочутливого матеріалу зі стабільними характеристиками. Останнім часом ведеться активний пошук нових напівпровідникових матеріалів, які б володіли великими значеннями електронної рухливості та, відповідно, малим часом фоторефрактивного відгуку.

Крім того, високоомні напівпровідникові матеріали виявляються перспективними кандидатами для створення на їх основі поверхнево-бар'єрних структур типу діодів Шотткі. Актуальним залишається питання виготовлення до них якісних омічних контактів, які б забезпечували стабільність параметрів і надійність функціонування зазначених напівпровідникових пристроїв.

В даній роботі ці питання розглядаються на прикладі телуриду кадмію та близьких до нього за складом ртутних твердих розчинів, легованих та подвійно легованих 3d-елементами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно наукової тематики кафедри фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики Чернівецького національного університету "Наукові основи технології одержання та дослідження фізичних властивостей об'ємних і плівкових структур на базі А 2В 6 та А 4В 6 складних матеріалів для створення на їх основі оптоелектронних і дозиметричних приладів" (№ держреєстрації 0100U005494). Роль автора у виконанні науково-дослідної роботи полягала в удосконаленні технології одержання кристалів А 2В 6, подвійно легованих 3d-елементами, проведенні досліджень їх електричних, оптичних і фотоелектричних властивостей та створенні на основі даних матеріалів фоточутливих випрямляючих структур.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є встановлення ролі подвійного легування CdTe та твердих розчинів Cd1-хHgxTe (0х0,05) домішками V, Ge та V, Mn у процесах переносу заряду та визначення можливості створення на основі кристалів CdTe:V, з різною концентрацією легуючої домішки, поверхнево-бар'єрних структур, фоточутливих в області 1-1,5 мкм.

Досягнення цієї мети передбачає вирішення таких задач:

Визначення технологічних режимів вирощування високоомних кристалів телуриду кадмію та твердих розчинів Cd0,95Hg0,05Te, подвійно легованого домішками V, Ge та V, Mn,.

Дослідження електричних і гальваномагнітних властивостей зазначених кристалів в інтервалі температур 300-400 К з метою визначення в них ступеня компенсації власних дефектів.

Вивчення впливу легуючих домішок на оптичну та фотоелектричну однорідність телуриду кадмію, потрійних та четверних твердих розчинів на його основі.

4. Створення фоточутливих випрямляючих поверхнево-бар'єрних структур на базі кристалів телуриду кадмію та дослідження їх фізичних властивостей.

Об'єкт дослідження - телурид кадмію та ртутні тверді розчини на його основі.

Предмет дослідження - вплив домішок 3d-елементів на основні фізичні характеристики телуриду кадмію та близьких до нього за складом потрійних і четверних твердих розчинів.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої в роботі мети використовувались наступні методи дослідження:

- Електричні та гальваномагнітні для вивчення електричної однорідності досліджуваних матеріалів, встановлення залежності їх основних параметрів від рівня легування й умов вирощування.

- Оптичні та фотоелектричні при різних температурах для дослідження оптичної якості досліджуваних матеріалів, з'ясування основних механізмів зарядоутворення, обумовленого подвійним легуванням, визначення основних параметрів нових напівпровідникових матеріалів ближньої ІЧ-області спектру, типу CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95) і Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; 0,03y0,07).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

На основі досліджень явищ переносу в області температур 300-450 К показано, що впровадження Mn в якості другої легуючої домішки суттєво підвищує значення питомого опору й електронної рухливості в кристалах CdTe:V:Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95).

За допомогою оптичних досліджень при температурах 4,2, 78 і 300 К експериментально підтверджено існування домішкового рівня, утвореного центрами Mn1+, у забороненій зоні кристалів CdTe:V:Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95) та Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; 0,03y0,07).

Шляхом термічного напилення Cr на іонно травлені у середовищі аргону високоомні пластини кристалів n-CdTe:V виготовлено поверхнево-бар'єрні структури, для яких визначено висоту потенціального бар'єру (0,75 еВ) й область фоточутливості (0,5 - 2,5 мкм).

Показано, що випрямляючі властивості структури Al-CdTeV описуються теорією Саа-Нойса-Шоклі. За допомогою співставлення експериментальних і теоретичних даних визначено глибину залягання та перерізи захоплення генераційно-рекомбінаційних центрів ванадію, що складають 0,715 еВ та 210-15 см 2, відповідно.

Встановлено технологічні режими виготовлення якісних омічних контактів до низькоомних кристалів CdTe:V щляхом термічного напилення металів (Sn, Ti, Ag).

Практичне значення одержаних результатів.

Визначено технологічні умови росту, що сприяють одержанню високоомних (=105-109 Омсм) кристалів CdTe:V, CdTe:V:Ge, CdTe:V:Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95), Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; 0,03y0,07) з високими значеннями рухливості носіїв струму.

Великі значення коефіцієнту пропускання (60-65%) кристалів CdTe:V, CdTe:V:Ge, CdTe:V:Mn, мале фонове поглинання та фоточутливість в області 1-1,5 мкм, характерні для них, дозволяють рекомендувати ці матеріали для використання у волоконно-оптичних лініях зв'язку.

Якісні випрямляючі властивості поверхнево-бар'єрних структур Al-CdTe:V та Cr-CdTe:V, фоточутливих у інтервалі довжин хвиль 0,5 - 2.5 мкм, роблять їх перспективними кандидатами для принципового використання в якості фотоприймачів для ближньої ІЧ-області спекру.

Результати експериментальних досліджень розширюють відомості про вплив іонів з незаповненою 3d-оболонкою на характер і природу різних типів взаємодії у телуриді кадмію та твердих розчинах на його основі, чим стимулюють подальші дослідження технології їх одержання з перспективою впорядкування їх дефектної структури.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 16 робіт, з них 4 - статті у фахових наукових журналах, 3 - у Наукових вісниках Чернівецького та Ужгородського університетів і 9 - тези конференцій.

Особистий внесок здобувача. У роботах [1-15] брала участь у постановці задачі, вирощуванні кристалів, виготовленні зразків та структур, проведенні експериментальних досліджень, теоретичних розрахунків і обговоренні результатів.

У роботах [1, 4, 5, 6,8, 10, 12] провела експериментальні вимірювання та теоретичні розрахунки електричних параметрів і характеристик поверхнево-бар'єрних структур, створених на основі досліджуваних матеріалів.

У роботах [2, 3, 7, 9, 11, 13-16] здобувач приймала участь у постановці задачі та плануванні експериментів, провела дослідження електричних і гальваномагнітних властивостей, оптичної та фотоелектричної однорідності вирощених кристалів та плівкових структур та інтерпретувала одержані результати.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, доповідались і обговорювались на таких наукових конференціях: Міжнародна конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА-2001 (Львів, 16-18 травня, 2001); конференція молодих вчених та аспірантів ІЕФ'2001 (Ужгород, 11-13 вересня, 2001); 6-th International workshop on expert evaluation and control of compound semiconductor materials and technologies, EXMATEC-02 (Budapest, Hungary, 26-29 May, 2002); E-MRS Spring Meeting'02 (Strasbourg, France, June 18-21, 2002); 26th International conference on the physics of semiconductors, ISCP'02 (Edinburgh, Scotland, UK, 29 July - 2 August 2002); E-MRS Fall Meeting'02, Symposium G: Solid Solution of the II-VI compound-Growth, Characterization and Applications (Zakopane, Poland, October 14-18, 2002); Third International young scientists conference, SPO-2002, (Kiev, October 24-26, 2002). кадмій телурид гальваномагнітний

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Робота викладена на 138 сторінках, включає 52 рисунки, 13 таблиць і список літератури, що містить 135 джерел, розташованих на 14 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи та її зв'язок з науковими програмами, планами і темами досліджень, які виконуються на кафедрі фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики в Чернівецькому національному університеті, сформульовані мета та задачі роботи, наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведені дані про апробацію роботи та особистий внесок здобувача.

Перший розділ дисертації носить оглядовий характер. Він присвячений стислому літературному огляду щодо особливостей поведінки домішок 3d-елементів (V, Ge, Sn, Fe, Mn) у телуриді кадмію, впровадження яких призводить до виникнення у зазначеному напівпровідниковому матеріалі глибоких рівнів, що суттєво впливають на різноманітні фізичні, в тому числі електричні, оптичні та фотоелектричні властивості кристалів. Для більшості домішок наведено схеми енергетичних рівнів у забороненій зоні напівпровідника та визначено їх роль у процесі переносу заряду. Крім того, розглянуто проблему самокомпенсації і власних точкових дефектів, наявних у телуриді кадмію та кадмій ртуть телурі.

У другому розділі описана технологія синтезу та вирощування кристалів телуриду кадмію, подвійно легованого домішками V і Ge та Vі Mn, твердих розчинів CdxHg1-xTe (x=0,95), подвійно легованих останніми та четверних твердих розчинів Cd1-x-yMnyHgxTe (х=0,05; 0,03у0,07), легованих V. Наведено результати досліджень їх електричних і гальваномагнітних властивостей. Синтез кристалів проводився наступним чином: температуру печі в областях інтенсивного протікання реакції ((723-773) K та (1113-1100) K) підвищували зі швидкостями 60 K/год та 100 K/год, відповідно. При досягненні температури плавлення (1365K), для посилення реакції між компонентами, піч синтезу приводили у коливальний рух. Вирощування монокристалів проводили методом Бріджмена за двома технологічними режимами, які відзначалися однаковою швидкістю вирощування - 2,1 мм/год. За першим режимом вільний об'єм після синтезу зменшувався до мінімально можливого, а охолодження проводили зі швидкістю 50 К/год. Для другого режиму росту характерними були незмінна величина вільного об'єму, а охолодження проводилося в два етапи: 1 - зі швидкістю 1,5 0С/год протягом 70 годин, а після - зі швидкістю 35 0С/год.

Дослідження електричних та гальваномагнітних властивостей одержаних кристалів проводили у температурному інтервалі 300-450 К на унікальній установці, сконструйованій для вимірювання високоомних зразків. Аналіз експериментальних результатів проведених досліджень кристалів CdTe:V, одержаних при різних умовах росту, показав, що кристали, вирощені за другим технологічним режимом, були низькоомними та володіли великими концентраціями вільних носіїв (ne20,71016 см-3) і високими значеннями рухливостей (=550 см 2/Вс). Тоді як для кристалів CdTe:V, вирощених при незмінному вільному об'ємі після синтезу та повільному охолодженні, характерними були великі значення питомого опору =(3-7)109 Омсм, тобто у напівпровіднику досягався ефект компенсації. Визначена, з температурних залежностей коефіцієнту Холла, енергія активації вільних носіїв заряду для різних зразків знаходилася в межах 0,610,65 еВ. Це значення неможливо інтерпретувати однозначно, оскільки деякі автори [1*] цю величину відносять до енергетичного положення домішкового рівня ванадію в стані 2+, тоді як на думку іншої групи дослідників [2*, 3*], дана енергія активації відповідає рівню, утвореному двічі іонізованими вакансіями кадмію у забороненій зоні. Як свідчать результати вимірювань ефекту Холла, напівізолюючий стан досягався також у подвійно легованих кристалах CdTe:V:Ge та CdTe:V:Mn, проте великі значення рухливостей (200 - 600 см 2/Вс) одержувалися лише для других, а подальше зростання даної величини, при збереженні ефекту компенсації, спостерігалося у зразках CdxHg1-xTe:V:Mn (x=0,95). Кристали Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; y=0,07) виявилися високоомними, проте не забезпечували великих значень рухливостей.

Для всіх подвійно легованих кристалів встановлено, що основний внесок у процеси переносу заряду створює донорний рівень ванадію, глибина залягання якого, визначена з температурних залежностей коеффіцієнту Холла, знаходилася в межах 0,85-0,95 еВ.

У третьому розділі наведено результати досліджень оптичних та фотоелектричних властивостей зазначених вище матеріалів при температурах 4,2-300 К. Так, для кристалів CdTe:V, вирощених при мінімальному вільному об'ємі над розплавом, оптичне пропускання, досягнувши максимуму (55-60%), різко спадало і при >10 мкм не перевищувало 5%. Це свідчило про поглинання вільними носіями і підтверджувало результати гальваномагнітних досліджень цих кристалів. Оптичне пропускання кристалів CdTe:V, одержаних при незмінному об'ємі над розплавом, вздовж всього зливку складало 60-65% і не зазнавало змін до 25 мкм, що є свідченням їх високої оптичної якості. Дослідження розподілу спектральної чутливості по перерізу даних кристалів виявили наявність нерівномірного розподілу легуючої домішки в процесі росту. Максимум фоточутливості спостерігався на довжині хвилі 1,1 мкм і за енергією (1,12 еВ) відповідав прямій фотоіонізації центрів V2+.

Перекриття краю оптичного поглинання для пластин CdTe:V:Ge, виготовлених з центральної та кінцевої частин зливку, та мале фонове поглинання вказували на збереження стехіометричного співвідношення між компонентами та високу оптичну однорідність даного матеріалу.

Низькотемпературні вимірювання спектрів оптичного поглинання для даних кристалів виявили риси, зумовлені присутністю рівнів енергії, впроваджених домішками як V так і Ge. Спектри оптичного поглинання, зняті при 77 та 300 К, виявили перекриття краю спектральної чутливості для зразків CdTe:V:Mn, виготовлених з різних ділянок монокристалічного зливку, в той час як для пластин CdxHg1-xTe:V:Mn, виготовлених з нижньої та верхньої частин зливку, спостерігалася помітна різниця в енергії краю оптичного поглинання, що пояснюється особливістю діаграми фазової рівноваги даних твердих розчинів. Ширина забороненої зони для цього матеріалу змінювалася в межах 1,2-1,26 еВ. Низькотемпературні спектри оптичного поглинання, виміряні в енергетичному інтервалі 0,6 - 1,6 еВ, для кристалів CdTe та CdxHg1-xTe, подвійно легованих V і Mn, виявили подібність рис, що відносилися до внутрішньоцентрових та фотоіонізаційних переходів у іонах V2+ та V3+. В області 1,4-1,5 еВ для цих зразків, а також для кристалів Cd1-x-yMnyHgxTe:V (x=0,05; 0,03y0,07), спостерігалася широка смуга поглинання, яка за своєю енергією може відповідати поглинанню рівнем, утвореним комплексними дефектами за участю двократно іонізованих вакансій кадмію, або ж присутністю в цих матеріалах марганцю в стані Mn+. Подальші підтвердження останнього були виявлені в спектрах оптичного пропускання, найбільші значення якого для найкращих зразків досягають 60-62 %. В області 2,5-6,5 мкм для цих матеріалів спостерігався широкий мінімум пропускання, глибина та положення якого змінюється для зразків різних складів. Таке явище, згідно з літературними даними [4*], мало місце у кристалах CdTe:Fe, Co та Cr і пояснюється наявністю у забороненій зоні мілкого рівня, впровадженого відповідною легуючою домішкою, під дном зони провідності. Як свідчать останні теоретичні дослідження телуриду кадмію, подвійно легованого ванадієм та марганцем [5*], Mn може існувати в стані 1+, утворюючи рівень у забороненій зоні, енергетичне положення якого Еt=ЕВЗ+1,4 еВ. На основі цього можна стверджувати, що мінімум пропускання, що спостерігається на практиці, за своєю енергією відповідає переходу Mn1++hMn2++e, а зсув мінімуму пояснюється зменшенням ширини забороненої зони.

Оскільки напівпровідники Cd1-x-yMnyHgxTe:V зазначених складів є новими, цікаво було дослідити в ході оптичних вимірювань вплив вмісту магнітної компоненти на ширину забороненої зони та порівняти одержані дані з теоретичними розрахунками. Для цього на зразках одного складу з різною товщиною були проведені вимірювання оптичного пропускання, які дозволили побудувати край оптичного поглинання та знайти енергію ширини забороненої зони. Так, Еg для складів х=0,05, у=0,03 знаходиться в межах 1,435-1,439 еВ, х=0,05, у=0,05 -1,45 еВ, х=0,05, у=0,07 - 1,475-1,48 еВ, тобто ширина забороненої зони з ростом вмісту марганцю зростала. Одержані значення ширини забороненої зони не співпадали з величинами, визначеними за емпіричними розрахунковими формулами, для вузькощілинних напівпровідників. Це означає, що вони не можуть застосовуватися для широкозонних напівпровідників, для опису параметрів яких необхідні нові теоретичні моделі.

Четвертий розділ присвячено дослідженням електричних та фотовольтаїчних властивостей поверхнево-бар'єрних структур створених на основі низько- та високоомних кристалів CdTe:V.

Структури типу метал-напівпровідник одержували шляхом термічного напилення Al та Cr на іонно травлені у середовищі аргону пластини телуриду кадмію легованого ванадієм. Омічні контакти до них виготовляли хімічним осадження золота з наступним вплавленням наважок індію. Структури Al-CdTe:V та Cr-CdTe:V володіли чітко вираженими випрямляючими властивостями (рис. 4). Прямий струм перевищував обернений майже на три порядки. З вимірювань стаціонарних вольт-амперних характеристик для обох структур визначено висоту потенціального бар'єру, яка для Al-CdTe:V становила 0,55-0,6 еВ, а для Cr-CdTe:V-0,75 еВ. На основі температурних вимірювань ВАХ структур Al-CdTe:V було знайдено енергію активації носіїв струму, яка для найкращих з них дорівнювала 0,66 еВ. Встановлено, що для структур Al-CdTe:V при малих прикладених напругах струм головним чином обумовлюється рекомбінацією через одиничний донорний рівень у забороненій зоні. Початкові ділянки ВАХ добре описуються теорією Саа-Нойса-Шоклі [6*], за допомогою якої знайдено глибину залягання рівня (0,715 еВ) та переріз захоплення генераційно-рекомбінаційних центрів (210-15 см 2). При більших зміщеннях у процесах перенесення заряду переважає надбар'єрний струм і суттєвим стає вплив послідовного опору. У освітленних структурах Al-CdTe:V та Cr-CdTe:V виникав фотовольтаїчний ефект. При цьому величина напруги холостого ходу для кращих зразків досягала значень 0,32 еВ. Область спектральної чутливості для перших з них охоплювала область енергій 1,5-3 еВ, тоді як для других вона простягалася в бік менших енергій (0,8-2,5 мкм), що пояснюється участю донорного рівня ванадію в процесах фотопровідності.

На відміну від структур, створених на базі високоомних кристалів CdTe:V, контакти виготовлені шляхом напилення металів (Al, Ag, Ni, Cr, Sn, Ti) на низькоомні пластини, травлені у 5% розчині брому в метанолі, були омічними, про що свідчили ВАХ, лінійні та симетричні відносно початку координат. Визначено основні параметри даних омічних контактів, найкращі з яких забезпечували метали Al, Sn та Ti.

На основі низькоомних кристалів телуриду кадмію, легованого ванадієм з концентрацією легуючої домішки NV=51019 см-3, були створені гетеропереходи ІТО-CdTe:V, дослідження електричних характеристик яких показали, що вони володіли слабо вираженими випрямляючими властивостями і спектральною чутливістю в області 1,5-3 еВ. ВАХ гетеропереходів, виготовлених на базі високоомних пластин CdTe:V, є лінійними, а спектральні залежності фоточутливості характерні для матеріалу підкладки, що вказує на те, що ІТО може виступати в якості прозорого омічного контакту до високоомного матеріалу CdTe:V.

Отже, кристали CdTe:V з різними значеннями питомого опору дозволяють створити на їх базі як випрямляючих, фоточутливих в широкій області спектру структур, так і омічних контактів, шляхом обрання способу створення та матеріалу контакту.

Основні результати та висновки

Встановлено, що при величині вільного об'єму над розплавом порядка 2/3 довжини кварцового контейнера, визначальну роль для одержання напівізолюючих кристалів CdTe:V:Mn, CdTe:V:Ge, CdxHg1-xTe:V:Mn, Cd1-x-yMnyHgxTe:V методом Бріджмена відіграє швидкість охолодження після кристалізації, що пов'язано з утворенням у кристалі в ході цього процесу асоціатів і взаємодією домішок.

Додаткове легування CdTe:V (NV=11019 см-3) германієм, з концентрацією NGe=51018 cм-3, покращує монокристалічність і високоомність кристалу, що пояснюється стабілізуючою дією домішки Ge за рахунок її амфотерної поведінки. Як показали температурні вимірювання електропровідності, процеси переносу заряду в даних кристалах, при температурах вище кімнатної, визначаються головним чином домішковим рівнем ванадію.

Фотоіонізаційні центри, виявлені в ході досліджень низькотемпературних спектрів оптичного поглинання кристалів CdTe:V:Ge, відповідають рівням, утвореним у збороненій зоні матеріалу домішками обох типів.

Вперше проведено дослідження електричних властивостей кристалів CdTe та CdxHg1-хТе подвійно легованих домішками Mn та V. Про досягнення у них ефекту компенсації власних точкових дефектів свідчать великі значення питомого опору (109 Ом.см). Внаслідок зменшення домішкою марганцю розупорядкованості кристалічної гратки, в даних кристалах одержуються високі рухливості носіїв заряду (600 - 800 см 2/Вс).

Спектри оптичного поглинання зразків CdTe:V:Mn, CdxHg1-xTe:V:Mn (х=0,95) та Cd1-x-yMnyHgxTe:V (х=0,05; у=0,03-0,07), NV=NMn=1019см-3, отримані при температурах 4,2, 78 та 300 К, вперше експериметнально підтвердили існування фотоіонізаційного рівня, зумовленого іонами марганцю в однозарядовому стані Mn1+, на енергетичній відстані

1,4 еВ над стелею валентної зони.

Шляхом термічного напилення Al і Cr виготовлено фоточутливі в області спектру 1-1,5 мкм структури на основі високоомних кристалів n-CdTe:V, NV=51018 см-3. Одержані структури є випрямляючими, а їх вольт-амперні характеристики добре описуються теорією Саа-Нойса- Шоклі. Глибина рівня ванадію, розрахована за даною теорією, складає 0,715 еВ.

Показано, що термічне напилення Al, Ag, Cr, Ni, Sn, Ti на низькоомні кристали CdTe:V утворює якісні омічні контакти. Метали Al, Sn, Ti забезпечують мінімальне значення питомого контактного опору.

Цитована література

1. Christmann P., Meyer B.K., Kreissl J., Schwarz R., Benz W. Vanadium in CdTe: and electron-paramagnetic-resonance study // Phys. Rev. B. - 1996. -53. - P. 3634-3640.

2. Gnatenko Yu. P., Faryna I.O., Bukivskij P.M., Shigiltchoff O.A., Gamernyk R.V., Paranchych S. Yu., Paranchych L.D. Optical and photoelecrtical properties of vanadium-doped Cd1-xHgxTe crystals // J. Phys.: Condens. Matter.- 2002.-14.-Р. 7027-7033.

3. Selber H.R., Peka P., Biernacki S.W., Schulz H.-J., Schwarz R., Benz K.W. Analysis of charge-transfer and charge-conserving optical transitions at vanadium ions in CdTe // Semicond. Sci. Technol.- 1999.-14.- Р. 521-527.

4. Савицкий А.В., Бурачек В.Р., Уляницкий К.С., Кормыш М.Е. Влияние легирования некоторыми примесями на оптические свойства монокристаллов CdTe в области прозрачности // Журнал прикладной спектроскопии.-1986.- XLIV- С. 462-465.

5. Schwartz R.N., Wang Ch.-Ch., Triverdi S., Jagannnathan G., Davidson E.M., Boyd Ph. R., Lee U. Spectroscopic and photorefractive characterization of cadmium telluride crystals codoped with vanadium and manganese// Phys. Rev. B.- 1997.-55, No. 23.- Р. 15378-15381.

6. Косяченко Л.А., Махний В.П., Потыкевич И.В. Генерация-рекомбинация в области пространственного заряда контакта металл-CdTe // УФЖ.-1978.-23, № 2.- С. 279-286.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Паранчич С.Ю., Танасюк Ю.В. Бар'єри Шотткі на основі структур Al-CdTe:V // Науковий вісник Ужгородського університету. Вип. 10: Фізика.- Ужгород, 2001. - С.130-133.

Паранчич С.Ю., Танасюк Ю.В., Брітвіна А.С. Омічні контакти до CdTe:V // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика, Електроніка.- 2002.- В.133, №13.- С.33-35.

Косяченко Л.А., Паранчич С.Ю., Танасюк Ю.В., Склярчук В.М., Склярчук Е.Ф., Маслянчук Е.Л., Мотущук В.В. Генерационно-рекомбинационные центры в CdTe:V // Физика и техника полупроводников.-2003.-37, вып. 5.- С.469-472.

Паранчич С.Ю., Паранчич Л.Д., Макогоненко В.Н., Романюк В.Р., Андрийчук М.Д., Танасюк Ю.В. Оптическая и фотоэлектрическая неоднородность кристаллов CdTe:V // Журнал прикладной спектроскопии.-2003.-70, № 3.- С.381-384.

Паранчич С.Ю., Паранчич Л.Д., Макогоненко В.Н., Романюк О.С., Андрийчук М.Д., Танасюк Ю.В., Юрценюк Р.М., Сичковский В.И. Получение полуизолирующих кристаллов CdTe, легированного ванадием // Неорганические материалы.-2003.-39, № 4.-С. 412 - 414.

Паранчич С.Ю., Паранчич Л.Д., Макогоненко В.Н., Танасюк Ю.В., Юрценюк Р.М. Исследование выпрямляющих и фотоэлектрических свойств барьерных структур на основе теллурида кадмия, легированного ванадием // Журнал технической физики.-2003.-73, вып. 5.-С.120-122.

Паранчич С.Ю. Паранчич Л.Д., Окулов В.І., Сабирзянова Л.Д., Андрійчук М.Д., Романюк В.Р., Макогоненко В.М., Танасюк Ю.В. Магнетизм іонів Fe у безщілинних напівпровідниках FexHg1-xSe // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. Електроніка.-2003.-В.157.-С. 109-112.

Танасюк Ю.В., Тороус В.М. Дослідження явищ переносу в плівках, вирощених лазерним випаровуванням у статичному вакуумі // Матеріали студентської конференції Чернівецького університету. - Чернівці: Рута, 1999. - С.127-128.

Паранчич С.Ю., Танасюк Ю.В. Оптичні і фотоелектричні властивості CdTe:V // Тези доповідей міжнародної конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА-2001, Львів, 16-18 травня, 2001.- С.109-110.

Паранчич С.Ю., Танасюк Ю.В. Бар'єри Шотткі на основі структур Al-CdTe:V // Тези доповідей конференції молодих вчених та аспірантів ІЕФ'2001, Ужгород, 11-13 вересня, 2001. - С. 55.

Galochkin O.V., Grytsyuk B.N., Tanasyuk Yu. V. Crystalline structure and physical properties of thin films of multicomponent compounds grown in static vacuum // Аbstracts of 6-th International workshop on expert evaluation and control of compound semiconductor materials and technologies, EXMATEC-02, Budapest, Hungary, 26-29 May, 2002.- P.123.

Paranchych L.D., Paranchych S. Yu., Makogonenko V.M., Tanasyuk Yu.V. Physical properties of the structures on the basis of ITO-CdTe:V // Abstracts of 6-th International workshop on expert evaluation and control of compound semiconductor materials and technologies, EXMATEC-02, Budapest, Hungary, 26-29 May, 2002. - P.148.

Savchuk A.I., Paranchych S. Yu., Kurganetski M.V., Stolyarchuk I.D., Tanasyuk Yu. V. Spin and size dependent effects in semimagnetic semiconductor nanostructures // Abstracts of E-MRS Spring Meeting'02, Strasbourg, France, June 18-21, 2002.- Q 23.

Savchuk A.I., Paranchych S. Yu., Vatamanyuk P.P., Fediv V.I., Andriychuk M.D., Tanasyuk Yu.V., Nikitin P.I. Magneto-optical and magnetoresistance effects in semimagnetic semiconductors containing rare earth ions // Abstracts of 26th International conference on the physics of semiconductors, ISCP'02, Edinburgh, Scotland, UK, 29 July - 2 August 2002. - Р. 138-139.

Paranchych S. Yu., Paranchych L.D., Tanasyuk Yu.V., Romanyuk V.R., Makogonenko V.M., Yurtcenyuk R.M. Solid Solution of Cd1-xHgxTe:V,Mn: growth and properties // Absracts of E-MRS Fall Meeting'02, Symposium G: Solid Solution of the II-VI compound-Growth, Characterization and Applications. Zakopane, Poland, October 14-18, 2002.- abstract 53.

Paranchych S. Yu., Tanasyuk Yu.V., Romanyuk V.R., Makogonenko V.M., Yurtsenyuk R.M. Obtaining and optoelectronic properties of Cd1-x-yMnyHgxTe/ // Abstracts of third international young scientists conference, SPO 2002, Kiev, October 24-26, 2002.- Р.147.

Размещено на Allbest.ru