Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Електронні явища в вузькощілинних та без щілинних напівпровідникових сполуках за умов регулювання параметрами енергетичної структури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вузькощілинні напівпровідники (ВН) на протязі останніх десятиріч є основними матеріалами для створення елементної бази інфрачервоної (ІЧ) опто- і фотоелектроніки в діапазонах спектру 1-1.8, 2-2.4, 3-5 і 8-14 мкм, що відповідають вікнам прозорості атмосфери. Область застосування ІЧ-приймачів з ВН щороку поширюється і вже на сьогодні вони плідно використовуються в медицині, біології, сільському господарстві, метеорології, пошуку корисних копалин, екологічному моніторінгу довкілля, системах дальнього оптичного зв'язку, і звісно ж в аерокосмічній та війсковій техніці. Найпоширенішим, завдяки унікальним властивостям, ВН залишається на сьогодні сполука Cd_xHg_1-xTe (КРТ), на базі якої створено не лише найчутливіші безальтернативні фотоприймачі в діапазоні 8-14 мкм, але й багатокольорні (багатоканальні) фотоструктури (з шарами різного складу х), що дозволяють з високою чутливістю реєструвати одночасно випромінювання в декількох ділянках спектру від 1 до 14 мкм.

Природніми були безперервні багаторічні намагання, попри значні складнощі і величезні фінансові витрати, пошуку нових і вдосконалення технології отримання відомих ВН. Так, першим напівпровідником, який було вирощено в космосі на борту орбітальної станції «Салют-6», є ВН КРТ (Кристаллы из невесомости. - «Правда». - 1979. - 22 июня). Вважається, що параметри сучасних досконалих кристалів ВН, найсуттєвішими серед яких з практичного боку безумовно є рекомбінаційні, впритул наближуються до теоретичної межі і визначаються вже власним зонним спектром, який неможливо змінити засобами технологіїї вирощування. Однак, не зважаючи на вражаючі за об'ємом результати інтенсивних всебічних досліджень ВН, залишалася остаточно не з'ясованою фізична природа низки особливостей у властивостях важливих параметрів, особливо в актуальних нині кристалах р-типу, при низьких температурах, де пристрої на базі ВН функціонують найефективніше.

Інший напрямок підвищення параметрів ІЧ-фотоелементів і приладів пов'язувався останнім часом з розробкою нових технічних рішень конструкцій фотоприймачів, реєструючих структур, принципів їх функціонування і методів реєстрації випромінювання.

Зонна структура ВН є надзвичайно чутливою до зовнішніх впливів: температури, магнітного поля, пружної одноосьової деформації (ОД), електричного поля, опромінення, тощо. При цьому магнітне поле і ОД докорінно змінюють структуру зон ВН і відповідно внесок конкуруючих власних механізмів рекомбінації в час життя носіїв заряду. Дослідження цих впливів є актуальним, з огляду на високу ймовірність отримання принципової можливості керувати граничними рекомбінаційними характеристиками ВН і створювати матеріали з прогнозованими та наперед заданими параметрами. Отже, виникає можливість за допомогою зовнішних спрямованих впливів не лише значно підвищити фоточутливість ВН, але й поширити межі їх застосування як ІЧ-випромінювачів. Неефективність використання ВН у вихідному стані як випромінювачів зумовлена наявністю інтенсивного каналу міжзонних безвипромінювальних (Оже) рекомбінаційних переходів. Останні можуть бути пригнічені внаслідок суттєвої перебудови зонної структури ВН зовнішними впливами і до того ж при цьому слід очікувати на нові фізичні ефекти.

Досить цікавою є сполука КРТ зі складами х0.16, - безщілинний напівпровідник (БН), - характеристики якої найбільш чутливі до зовнішних впливів. Так магнітне поле або ОД, знижуючи симетрію кристалу БН усуває виродження зон (провідності і валентної) і утворює енергетичну щілину, величину якої можна регулювати змінюючи величину впливу. Дослідження електронних явищ та вивчення нерівноважних процесів і фотоефектів в БН КРТ, за умов розкриття і регулювання енергетичної щілини, можуть бути актуальними для спектрального діапазону від середнього ІЧ до міліметрового. В відкритих джерелах інформація стосовно подібних досліджень західних фірм вкрай обмежена, однак згідно «Оперативной Информации» (серія 52, N2 (22)) фірма Brisrose Corporation (USA) в 1990 році отримала замовлення на дослідження і розробку на базі БН КРТ та Mn_xHg_1-xTe (МРТ) фотоприймачів далекого ІЧ-діапазону, в яких спектральне положення максимуму фоточутливості, що базується на власному фотоефекті, можна змінювати магнітним полем.

Низька термічна стабільність ВН КРТ і МРТ дозволяє використовувати для захисту їхньої поверхні лише низькотемпературні методи пасивації, серед яких найпростішою та найлегшою для реалізації залишається на сьогодні анодне окислення. В роботах багатьох наукових груп досліджено елементний склад анодного окислу (АО) і границю розподілу АО-ВН, створено моделі меж розподілу і енергетичної діаграми гетеропереходу АО-ВН. Робіт же, присвячених дослідженню змін об'ємних параметрів ВН і епітаксійних шарів (ЕШ) на їх базі внаслідок нанесення АО, що, як відомо, утворює на поверхні КРТ позитивний заряд значної густини, нам не було відомо. Тому виконання таких досліджень на кристалах і структурах КРТ та МРТ n- і р-типу ми вважали також доцільними і актуальними.

Відомо, що кристалам КРТ притаманна висока пластичність аж до актуальних низьких робочих температур (зрідженого азоту). Тому при технологічних операціях під час виготовлення пристроїв (механічна-, термообробка, іонна імплантація, тощо) в КРТ внаслідок макроскопічного пластичного деформування можлива генерація значної кількості дефектів деформаційного походження, що здатні суттєво змінювати фізичні параметри як самих кристалів, так і пристроїв на їх основі. Такі дефекти можуть виникати в активній частині КРТ-елемента і внаслідок його функціонування. Водночас наявні дані стосовно природи і електричної активності деформаційних дефектів, та їх впливу на електронні властивості КРТ були вельми обмеженими, а результати досліджень суперечливими, що пов'язано з невизначеністю самого механізму дефектоутворення, чим і обумовлена доцільність проведення подальших досліджень в цьому напрямку.

В роботі узагальнюються основні результати досліджень спрямованих на вирішення вищезазначених важливих питань, що і визначає актуальність теми.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Узагальнені в дисертації матеріали були отримані у відповідності з планами бюджетних тем ІФН НАНУ:

«Комплексные физико-химические исследования свойств полупроводниковых материалов и пленочных структур в связи с технологией их получения и обработки», 1981-1985, № держ. реєстрації 019853 (виконавець);

«Трансформация электронного спектра и рекомбинационные механизмы в узкощелевых и бесщелевых полупроводниках при внешних направленных воздействиях», 1990-1994, № держ. реєстрації 0193U027461 (виконавець);

«Розробка фізико-хімічних основ технологій створення та функціональна діагностика кристалів і структур для реєстрації та перетворення енергії ІЧ-випромінювання на базі вузькощілинних напів-в…», 1995-1999, № держ. реєстрації 0195U024514 (в. виконавець);

«Фізичні та фізико-технологічні основи створення напівпровідникових матеріалів і функціональних елементів для систем сенсорної електроніки», 2000-2002, № держ. реєстрації 0100U000148 (в.виконавець); а також декількох галузевих тем колишнього СРСР та України, прикладних і фундаментальних проектів Міннауки України.

Мета і задачі дослідження. Об'єктом дослідження є монокристали і епітаксійні структури вузькощілинних напівпровідникових сполук (ВН), перш за все Cd_xHg_1-xTe (КРТ) та Mn_xHg_1-xTe (МРТ) з практично важливими параметрами складу х, монокристали InSb і InAs, а також мокристали КРТ в безщілинному (з нульовою забороненою зоною) стані (БН) з х0.16. Предметом дослідження обрано електронні явища, а саме нерівноважні процеси та фото- і кінетичні ефекти в БН та ВН кристалах і структурах, в тому числі і з наявними приповерхневими чи об'ємними неоднорідностями та дефектами, що можуть виникати під час виготовлення чи експлуатації напівпровідникових приладів.

Метою дослідження було встановлення основних закономірностей в змінах фотоелектронних і електрофізичних властивостей кристалів і епітаксійних шарів (ЕШ) ВН та БН, які відбуваються внаслідок перебудови енергетичної структури під дією зовнішних впливів: пружної ОД, електричного і квантуючого магнітного поля, температури, пасивації поверхні АО або генерації дислокацій при платичному деформуванні.

Згідно з метою роботи за допомогою фотоелектричних і фотомагнітних (вимірювання магнітопольових, люксамперних та спектральних характеристик фотопровідності (ФП) і фотоелектромагнітного ефекту (ФМЕ) в ІЧ-діапазоні випромінювання та м-ФП і фототермомагнітного ефекту (ФТМЕ) в міліметровому надвисокочастотному НВЧ-діапазоні), оптичних (вимірювання характеристик фотолюмінесценції при різних рівнях імпульсного фото - чи електрозбудження), деформаційних та електрофізичних методів дослідження розв'язувалися наукові задачі, основними з яких були наступні:

- дослідити фотоелектричні, фотолюмінісцентні, фотомагнітні і деякі електрофізичні властивості кристалів БН КРТ з різними значеннями складу х і ступеня компенсації в умовах розкриття і регулювання енергетичної щілини магнітним полем і пружною ОД стиску в широких діапазонах температури, довжин хвиль і інтенсивності збуджуючого випромінювання та величини імпульсного електричного поля, а також визначити можливості отримання стимульованного випромінювання в далекій ІЧ області спектру.

- вивчити і з'ясувати причини низькотемпературних особливостей характеристик ФП та ФМЕ і температурних залежностей важливих параметрів неосновних і основних носіїв струму (рівноважних та нерівноважних) в ВН КРТ і МРТ n- і р-типу провідності при різних величинах пружної ОД стиску, що докорінно змінює енергетичну структуру валентної зони і акцепторних станів.

- дослідити фотохарактеристики ВН при низьких температурах в умовах перебудови квантуючим магнітним полем зонної структури кристалів n-типу з різною концентрацією носіїв струму, для яких визначальним в фотоефектах може виявитися розігрівання електронів випромінюванням або магнітне виморожування вільних електронів на донорні стани.

- вивчити зміни домінуючих механізмів власної міжзонної рекомбінації, які визначають теоретичну межу часу життя носіїв струму, в кубічних ВН внаслідок трансформації їх енергетичної структури пружною ОД для однозначної ідентифікації домінуючого рекомбінаційного каналу і принципового підвищення граничних рекомбінаційних параметрів.

- з'ясувати можливість суттєвого підвищення інтенсивності, а відтак і квантового виходу міжзонного рекомбінаційного ІЧ-випромінювання із ВН шляхом прикладання

пружної ОД за умови сильного збудження.

- дослідити фотоелектронні і електрофізичні властивості кристалів і структур ВН КРТ і МРТ з пасивованими АО вільними поверхнями.

- дослідити зміни властивостей кристалів КРТ n- і р-типу та особливості деградації їх параметрів і характеристик внаслідок генерації дислокацій пластичною ОД, а також визначити природу і електричну активність деформаційних дефектів та дислокацій.

Наукова новизна одержаних результатів. На основi комплексу еспеpиментальних дослiджень та теоpетичних pозpахункiв впеpше отpимано такi науковi pезультати:

1. Експериментально доведено наявнiсть пеpеходу БН-ВН у безщiлинному КРТ в умовах пpужної ОД. Показано, що пpи цьому мiж пiдзонами Г₈ утвоpюється енеpгетична щiлина, шиpина якої пpопоpцiйна величинi ОД, а pезонанснi домiшковi piвнi змiщуються в утвоpену дефоpмацiєю забоpонну зону. Цi pезультати важливi для встановлення пpиpоди тpансфоpмацiї електpонних властивостей БН.

2. Встановлено iнвеpсiю типу пpовiдностi (вiд n - до p-типу) i аномально високу pухливiсть дipок важкої дipкової зони в БН Сd_xHg_1-xТe (х=0.145-0.160) в умовах ОД. Iнвеpсiя вiдбувається внаслiдок pадикальноi тpансфоpмацiї станiв валентноi зони: змiни поpядку зон Г₆ i Г₈ пpи значенні квазіімпульсу k=0 та виникнення бокових (k0) екстpемумiв у зони важких дipок Г₈. Це дає змогу пpоводити теоpетичнi pозpахунки енеpгетичного спектpу БН.

3. Отpимано подвiйний фазовий пеpехiд пpовiдностi метал-дiелектpик-метал в БН КРТ зі складом х0.160 і N_A>N_D (N_A і N_D - концентрації акцепторів і донорів, відповідно) пiд дiєю пружної ОД. Цей pезультат є iстотним для обгpунтування закономipностей пеpеходу Мотта в безщiлинних напiвпpовiдниках.

4. Встановлено появу та piзке (на поpядки) зpостання сигналу НВЧ-ФП мiлiметpового дiапазону в БН КРТ пiд впливом магнiтного поля або ОД. Доведено домiнуючу pоль концентpацiйноi складової ФП, яка пов'язана з пеpеpозподiлом електpонiв мiж акцептоpною зоною та зоною пpовiдностi внаслiдок pозiгpiвання електpонiв НВЧ-випpомiнюванням. На основi цих залежностей можна оптимiзувати pежими ствоpення фотодетектоpiв випpомiнювання далекого IЧ-дiапазону.

5. Отpимано генеpацiю випpомiнювання TГц дiапазону (л100 мкм) iз одноосьово напpужених кpисталiв БН КРТ (x0.14). Показано, що iнвеpтований стан ствоpюється електpичним полем, що пеpевищує межу домiшкового пpобою, а випpомінювання виникає завдяки пеpеходу мiж станами зони пpовiдностi та акцептоpного piвня, який із зpостанням ОД досягає побiчної веpшини валентної зони. Вказанi закономipностi можуть бути коpисними пpи pозpобцi випpомiнювачiв далекого IЧ-дiапазону.

6. В кристалах ВН МРТ при низьких температурах виявлено квантовi осциляцiї ФМЕ. Встановлено, що це осциляцiї типу Шубнікова-де Гааза (ШГ), які пов'язанi з квантуванням Ландау станiв зони пpовiдностi в умовах pозiгpiвання вiльних електpонiв зовнiшним випpомiнюванням. Показано, що, за умов pозiгpiвання електpонiв випpомiнюванням у ВН таких як КРТ, МРТ, InSb, InAs n-типу, вимipювання ФП є набагато чутливiшим методом pеєстpацiї наявних квантових осциляцiй, нiж вимipювання iнших кiнетичних коефiцiентiв, не пов'язаних з неpiвноважними носiями. Основна пpичина цього - модуляція електронної температури випромінюванням, і експоненційна залежність амплітуди осциляцій від Т. Вказанi pезультати можуть застосовуватися для дослiдження квантових ефектiв в ВН.

7. Показано, що пеpебудова валентної зони пiд впливом пpужної ОД пpизводить до пpотилежної дiї на два основнi мiжзоннi механiзми pекомбiнацiї носiїв заpяду, якi визна-чають фоточутливiсть ВН КРТ та InSb в актуальному темпеpатуpному дiапазонi Т>100 К. В той час як темп випpомiнювальної pекомбiнацiї зі зpостанням ОД пiдвищується, темп pекомбiнацiї Оже суттєво зменшується. ОД таким чином з одного боку може слугувати методом однозначної iдентифiкацiї домiнуючого механiзма pекомбiнацiї, а з iншого боку дає можливiсть пiдвищити гpаничний час життя носiїв i вiдповiдно - фоточутливiсть ВН.

8. Обгрунтовано i доведено можливiсть викоpистання ОД для визначення типу pекомбiнацiйного центpу та його положення у забоpоненiй зонi. Отримані залежностi можуть значно полегшити визначення паpаметpiв pекомбiнацiйних центpiв в ВН.

9. Експериментально виявлено поляризаційну залежність спектральних характеристик (СХ) ФП в одноосьово напружених ВН КРТ і InSb, що обумовлена розщепленням V-зони та відмінністю правил відбору для переходів V_±-зони зона провідності. На СХ ФП для полярізації ЕР наявна характерна структура, яка відсутня для поляризації ЕР.

10. Показана пpинципова можливiсть суттєвого пiдвищення квантового виходу та iнтенсивностi мiжзонного IЧ-випpомiнювання із ВН за pахунок пpигнiчення безвипpомiнювальної Оже-pекомбiнацiї пpужною ОД. Описане явище є особливо важливим за умов сильного збудження (pобочий pежим напівпровідникових лазеpiв і світлодіодів), коли Оже-пеpеходи в пpямозонних ВН вiдiгpають основну pоль в pекомбiнацiї.

11. Визначено особливостi електpофiзичних паpаметpiв та спектральних характеристик ФП i ФМЕ монокpисталiв i ЕШ ВН КРТ i МРТ з захищеними анодним окислом вiльними повеpхнями в умовах, коли заpядовий стан повеpхнi, спpичинений АО, може змiнюватися ультрафіолетовим (УФ) опpомiненням. Доведено наявнiсть в ЕШ з АО пpиповеpхневої концентpацiйної неодноpiдностi, яка досягає pозмipiв дифузiйної довжини носiїв струму. Виявлено аномальний ФМЕ, який пов'язаний з iснуванням областi ваpизонностi поблизу гpаницi ЕШ-пiдкладка. Цi pезультати показують, що вимipювання СХ ФМЕ є чутливим методом дослiдження сpуктуpних неодноpiдностей ЕШ.

12. Визначено електpичну активнiсть дислокацiй i точкових дефектiв дефоpмацiйного походження, якi виникають в кpисталах КРТ в умовах пластичного дефоpмування. Показано, що генеpацiя навiть вiдносно невисокої густини дислокацiй (N_D<10⁷ cм^-2) пpизводить до суттєвих змiн фiзичних паpаметpiв кpисталiв. В зразках n-типу одночасно із значним збiльшенням концентpацiї електpонiв сильніше зменшується їх pухливiсть. В кpисталах p-типу в низькотемпеpатуpному дiапазонi (T=4.2-40 К) спостеpiгається пеpехiд вiд пpовiдностi активацiйного типу до безактивацiйної пpовiдностi. Визначено, що основну pоль в цих змiнах вiдiгpають не безпосеpедньо дислокацiї, а електpоннi стани точкових дефектiв, що утвоpюються пiд час pуху дислокацiй в кpисталi.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному.

Вперше отримано досить інтенсивне електромагнітне випромінювання ТГц діапазону (л100 мкм) стимульованого типу із одноосьово напружених БН КРТ.

Виявлено появу значної НВЧ-фоточутливості БН КРТ під впливом магнітного поля або пружної одноосьової деформації.

Показано принципову можливість різкого (в декілька разів) підвищення інтенсивності і квантового виходу ІЧ-випромінювання із одноосьово напруженого ВН за рахунок пригнічення темпу безвипромінювальних міжзонних переходів. Це дозволяє поширити межі

застосування вузькощілинних напівпровідників як джерел ІЧ-випромінювання.

Показано можливість суттєвого підвищення фоточутливості ВН пружною ОД.

Запропоновано метод використання пружного одноосьового стиску для однозначного

дискримінування в кубічних ВН процесів захвату носіїв на мілкий акцептор в одному випадку, і глибокий центр, який описується моделлю потенціала нульового радіуса - в іншому. Метод підтверджено експериментально.

Запропоновано дворівневу модель, яка з урахуванням виморожування дірок дає змогу описати наявні в кристалах р-КРТ (х0.20) особливості рекомбінаційних процесів при низьких Т, та виявлено при цьому додатковий рекомбінаційний центр з Е_А=10-15 меВ.

Вперше експериментально отримано в широкому діапазоні температур (4.2-200 К) температурні залежності рухливості неосновних носіїв струму в кристалах КРТ і МРТ р-типу.

Виявлено поляризаційно-чутливу ФП у одноосьово напружених ВН, що може являти значний інтерес для ідентифікації механічних напружень у тонких шарах та плівках, які застосовуються в оптоелектроніці, і для визначення величини таких напружень.

Показано, що вимірювання власної ФП в магнітному полі є дуже чутливим методом виявлення квантових осциляцій ШГ в легованих ВН n-типу. Запропоновано неруйнівний спосіб локального визначення концентрації носіїв струму.

Доведено, що при визначенні параметрів нерівноважних носіїв ВН за низьких Т, слід враховувати явище розігрівання електронів, яке може виявитися визначальним в фотоелектронних ефектах і суттєво спотворювати дійсні значення параметрів фотоелементів.

Визначено природу і електричну активність деформаційних дефектів в кристалах КРТ n- і р-типу та з'ясовано їх вплив на електрофізичні і рекомбінаційні параметри останніх.

Розроблено принципово нову конструкцію двокоординатного позиційно-чутливого фотоелемента, що характеризується достатньо високими значеннями основних параметрів.

Особистий внесок здобувача. Окрім особистих праць [22, 23, 26-28], матеріали яких викладено в дисертації, в спільних працях дисертанту належать ініціатива [8-10, 18, 25, 41-43] і творча участь [1-7, 11-17, 19-21, 29-40] в постановці задач досліджень на різних етапах виконання роботи, суттєва роль при виборі і обгрунтуванні методів досліджень [6-36], визначальна роль в розробці методик вимірювань і спеціальної оснастки, підготовці, плануванні і проведенні експериментів [1-35]. В усіх працях дисертант брав активну участь в обробці, аналізі, інтерпретації і узагальненні отриманих результатів, розробці фізичних моделей та підготовці публікацій. Із публікацій, що надруковані в співавторстві, в дисертації використано результати, отримані здобувачем. Усі наукові положення, що виносяться на захист, та висновки, які наведено в дисертації, належать здобувачеві.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації оприлюднено на: ІІ Респ. конф. по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Одеса, УРСР, 1982); V Всес. совещ. «Физика и техническое применение полупроводников А^ІІВ^VІ» (Вільнюс, ЛітРСР, 1983), VI, VII i VIII Всес. симпоз. «Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы» (Львів, УРСР, 1983, 1986, 1991); III Intern. Conf. on Infrared Physic (Zurich, Switzerland, 1984); Межд. совещ. по физике узкозонных полупроводников (Москва, РРФСР, 1985); X (Мінськ, БРСР, 1985), ХІ (Кишинів, МРСР, 1988) і ХІІ (Київ, УРСР, 1990) Всес. конф. по физике полупроводников; Всес. семин. «Примеси и дефекты в узкозонных полупроводниках» (Павлодар, КазРСР, 1987); ХІІ Всес. научн. конф. по микроэлектронике (Тбілісі, ГРСР, 1987); ХІ Междун. конф. МАРИВД «Высокие давления в науке и технике» (Київ, УРСР, 1987); VІІ Всес. конф. «Взаимодействие оптического излучения с веществом» (Ленінград, РРФСР, 1988); І (Ташкент, УзРСР, 1989) і ІІ (Ашхабад, ТуркмРСР, 1991) Всес. научн. конф. «Фотоэлектрические явления в полупроводниках»; Респ. конф. «Фізика і хімія поверхні та границь розділу вузькощілинних напівпровідників» (Львів, УРСР, 1990); І і ІІ Intern. Conf. on Millimeter Wave and Far-Infrared Technology (Beijing, China, 1990 i 1992); Intern. Conf. on Narrow Gap Semiconductors (Southampton, UK, 1992); Third Inern. Conf. «Material Properties for Infrared Optoelectronics» (Ужгород, Україна, 1996); Intern. Workshop on Advanced Technologies of Multicomponent Solid Films and Structures and their Application in Photonics (Ужгород, Україна, 1996); ІІ Межгосуд. научно-техн. конф. по квантовой электронике (Мінськ, Белорусія, 1998); Intern. Conf. «Imaging system technology for remote sensing» (Beijing, China, 1998); IV, V i VІ Intern. Conf. «Material Science and Material Properties for Infrared Optoelectronics» (Київ, Україна, 1998, 2000, 2002); І-а Українська наук. конф. з фізики напівпровідників (з міжн. участю) УНКФН-1 (Одеса, Україна, 2002); IХ Міжн. Конф. «Фізика і технологія тонких плівок» (Івано-Франківськ, Україна, 2003), IV Міжн. Конф. «Актуальні проблеми фізики напівпровідників» (Дрогобич, Україна, 2003).

Публікації. Результати дисертації відображено в 83 публікаціях: 35 статей в провідних фахових журналах (із них 5 без співавторів), 5 статей в збірниках, 2 авторські свідоцтва, 2 патенти, 11 статей в матеріалах конференцій та 28 тез доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел. Вона містить 302 сторінки (із них 266 стор. основного тексту), 97 рисунків і 9 таблиць, які вмонтовано в текст і площа жодної сторінки не зайнята ними повністю, та список використаних джерел з 378 найменувань на 35 стор.

Основний зміст роботи

рекомбінація кристал електрофізичний

У вступі подано загальну характеристику дисертаційної роботи: проведено аналіз стану проблеми і обґрунтовано актуальність теми та доцільність роботи, викладено зв'язок роботи з науковими програмами і темами, сформульовано мету і задачі досліджень, відзначено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів та особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію наукових результатів роботи і публікації, а також про структуру дисертації.

У першому розділі розглянуто основні властивості БН, заборонена зона яких тотожньо дорівнює нулю - зони провідності і валентна стикаються при одному значенні хвильового вектора k, тобто є виродженими. Таке виродження зон є фундаментальним - воно виникає внаслідок симетриї кристалічної гратки лише в точках зони Брилюєна високої симетриї (наприклад, при k=0) і зникає тільки під впливом збуджень, що знижують симетрію кристала (наприклад, одноосьового пружного стиску, або магнітного поля). До таких БН, в котрих безщілинний стан є фундаментальним і виявляється стійким, відноситься і сполука Cd_xHg_1-xTe зі складами x0.16.

Підкреслюється, що порівняно із звичайними напівпровідниками (ЗН) зонна структура БН є «інверсною» (характеризується оберненим порядком розташування зон), що доведено багатьма експериментами. Однією з суттєвих особливостей БН є степенева температурна залежність концентрації власних носіїв заряду: n_iТ^3/2. Відзначено, що в БН, як і в ВН, через співвідношення m_e^*«m_h^* (m_e^* і m_h^* - ефективні маси електронів і важких дірок) розмиття донорних рівнів перевищує енергію іонізації і тому донори завжди (навіть при

Т0) іонізовані, а концентрація вільних електронів дорівнює концентрації донорів. Наявність в зоні провідності акцепторних рівнів з ненульовою енергією іонізації зумовлює низку особливостей кінетичних ефектів в БН. При наявності донорів і акцепторів БН за низьких температур буде мати провідність n-типу незалежно від співвідношення між їх концентраціями. З підвищенням температури, коли починається іонізація акцепторного рівня, настає своєрідна компенсація, - концентрація вільних електронів зменшується зі зростанням (в певному діапізоні) Т через захват електронів акцепторами, - і за достатньо високих температур БН стає р-типу (якщо N_A>N_D). Розглянуто вплив легування і компенсації на домішкові стани БН і умови, при яких відбувається перехід від активаційної провідності до металічної.

Звернуто увагу, що під впливом всебічного стиску, температури і зміни складу х, зонний спектр БН КРТ змінюється за однією схемою: зона легких дірок (Г₆ з s-симетрією) зміщується догори за енергією і стає зоною провідності, а зона провідності з р-симетрією (Г₈) перетворюється на валентну зону. При цьому між зонами s- і р-симетрії утворюється щілина Е_g>0, яка збільшується зі зростанням впливу. Всі ці впливи не змінюють симетрию кристалу і не спричиняють розщеплення зон р-симетриї (Г₈) - їх виродження зберігається.

Принципово інакше виникає заборонена зона в БН КРТ під впливом магнітного поля або одноосьового пружного стиску: енергетична щілина утворюється між двома зонами р-симетрії (Г₈), виродження яких усувається через зниження симетрії кристалу. Підкреслено, що магнітне поле і пружний стиск по різному впливають на енергетичний спектр зон БН, хоча основним наслідком цих впливів є утворення енергетичної щілини, вихід до неї акцепторного рівня, на який виморожуються вільні електрони зони провідності. Магнітне поле практично не впливає на валентну зону і змінює, головним чином, спектр зони провідності БН - енергетична щілина д(Н), яка утворюється магнітним полем, визначається лише зсувом (внаслідок квантування) нижчого електронного рівня і лінійно змінюється з Н. Натомість, одноосьовий пружний стиск Р майже не впливає на зону провідності (з'являється лише незначна анізотропія) і докорінно змінює валентну зону. При підвищенні Р усувається виродження зон Г₈, виникає енергетична щілина (величина якої лінійно зростає з Р), змінюється порядок зон Г₆ і Г₈ при k=0, а при k0 утворюються бокові екстремуми у зони важких дірок.

Наведено відомості про зміни енергетичного спектру напівпровідника в магнітному полі і умови експериментального спостереження квантових осциляцій. Відзначено особливості впливу магнітного поля на енергетичний спектр і домішкові стани в БН.

В цьому ж розділі наведено основні відомості стосовно особливостей установок і методів та методик, що застосовувалися для виконання наших експериментів.

Другий розділ присвячено дослідженню електронних явищ, які виникають в БН КРТ при розкритті і регулюванні енергетичної щілини. Наведено параметри досліджених зразків БН р-КРТ. Подано деформаційні, польові і температурні залежності питомого електричного опору с і коефіціента Холла R_Х, які було виміряно в широких діапазонах напруженості магнітного поля Н і температур на зразках БН р-КРТ з різними складом х і ступе-нем компенсації / ( і - концентрація акцепторів і донорів, відповідно).

Відзначається, що при найнижчих температурах (4.2 К) деформаційні залежності R_Х і с для зразків БН р-КРТ з різним складом х суттєво відрізняються. Так в зразках КРТ з х=0.145-0.160 і N_A» N_D внаслідок перебудови валентної зони пружною ОД відбувається інверсія типу провідності і при деформаціях Р3 кбар провідність визначається вільними дірками з аномально високими рухливостями (для х0.16 рухливості і ефективні маси ді-рок при граничних Р наближуються до електронних, що видно з рис. 1, а). За відсутності деформації провідність КРТ при низьких Т визначається вільними електронами і є металічною за характером, про що свідчить температурна залежність с. Накладання на кристал пружної ОД стиску спричиняє різке (на порядки) зростання питомого опору кристала с і коефіцієнта Холла R_Х, коли зі збільшенням тиску Р значно зменшується концентрація вільних електронів через їхню локалізацію на акцепторних станах, які виходять із зони провідності в утворену деформацією щілину. Наявність максимуму R_Х(Р) свідчить про рівність внесків у провідність двох типів носіїв: вільних електронів зони провідності та локалізованих носіїв заряду, а активаційна ділянка на залежностях lnс (1/ъ) в області найнижчих температур (1.7-5 К) пов'язана з появою стрибкового механізму перенесення заряду, що свідчить про реалізацію переходу метал-діелектрик. Зміна знаку сталої Холла R_Х(Р) з мінімумом і наступним насиченням при максимальних Р свідчить про появу значної кількості носіїв заряду протилежного знаку - дірок. Оскільки в даних кристалах N_A» N_D, то виморожування електронів на акцептори не може суттєво вплинути на ступінь заповнення акцепторної зони і відповідно на тип провідності в ній. З іншого боку, в зазначеному діапазоні деформацій може відбуватися іонізація акцепторів, внаслідок чого концентрація вільних дірок у валентній зоні стане значною, що і приводить до зміни знаку R_Х та до появи гострого максимуму на залежності с(Р). Незважаючи на наявність вільних дірок у валентній зоні БН та зміну знаку R_Х за таких Р в області найнижчих Т стрибкова провідність залишається ще суттєвою. Оскільки Е_А зменшується зі зростанням Р, то при подальшому підвищенні тиску активаційні ділянки на залежностях lnс (1/?) випрасо-вуються і при максимальних деформаціях (Р>3 кбар) практично зникають - провідність БН знов стає металічною за характером, тобто відбувається перехід діелектрик-метал з дірковим типом провідності, яка визначається легкими дірками з аномально великими рухливостями (м_р>10⁵ см²/В.с). Така велика рухливість дірок пов'язана з їх локалізацією або в бокових екстремумах зони Г₈ (k0), або біля екстремума зони Г₆ (k=0), який для БН КРТ з такими складами х може (при значних Р) виявитись вище екстремумів зони Г₈.

На користь подвійного переходу провідності метал-діелектрик-метал, що відбувається в БН КРТ під впливом пружної ОД, свідчать і польові залежності R_Х одноосьово стиснутого кристала: R_Х при Р=0 не залежить від Н, з підвищенням тиску з'являється виразна залежність R_Х від Н, а при граничних значеннях Р коефіцієнт Холла стає позитивним і знов практично не залежить від Н.

Зауважено, що деформаційні залежності с і R_Х для кристалів з х=0.145 і х=0.160 виявились якісно схожими, однак для х=0.145 спостерігається зсув всієї картини в бік більших Р, що вказує на наявність залежності величини ефективної маси дірок одноосьово напружених кристалів БН КРТ від складу, а відтак ця m* визначається взаємодією зон Г₆ і Г₈.

Зазначається, що в напружених зразках КРТ з х=0.03-0.10 з підвищенням Р також спостерігається зростання с і R_Х (відбувається перехід провідності метал-діелектрик), однак залежності с(Р) в таких кристалах не мають різкого максимуму і зі зростанням Р змінюється лише їх нахил (та інколи спостерігається насичення). Саме на зразках з х0.10, в яких малоймовірна поява вільних дірок з аномально високими рухливостями (взаємодія зон Г₆ і Г₈ надто слабка), виконано ретельні експериментальні обстеження характеру утворення енергетичної щілини в БН КРТ зі зростанням Р в широких діапазонах температур і деформацій. З ділянок температурних залежностей lnс (1/?) і R_Х(Т) за різних величин Р (що описуються експонентами) ми визначали швидкість утворення енергетичної щілини з тиском - функцію Е(Р). Для зразків БН КРТ (х0.05) отримано (при Т=4.2 К) значення dE/dP=(5.1±0.2) меВ/кбар і значення констант деформаційного потенціалу: b=-0.9 еВ, d=-1.3 еВ. Було проаналізовано і особливості провідності по локалізованим станам Е₃, що спостерігаються при низьких температурах.

Наведено результати співставлення польових і деформаційних залежностей с і R_Х БН КРТ з різним складом. Виявлено якісну схожість поведінки залежностей с(Р) і с(Н), а також R_Х(Р) і R_Х(Н), а саме: в залежностях с(Р) і с(Н) спостерігаються експоненційні ділянки, а в R_Х(Р) і R_Х(Н) наявні максимуми. Таким чином, при обох різних механізмах утворення щілини в БН КРТ вигляд залежностей (поведінка) с і R_Х при низьких Т визначається, принаймні за певних значень Н і Р, виморожуванням вільних електронів на домішкові акцепторні стани, які зі збільшенням величини впливу виходять в утворену щілину.

В цьому ж розділі наведено і результати дослідження нерівноважних явищ в БН КРТ, а саме: польові і деформаційні залежності ФП, ФМЕ, м-ФП і ФТМЕ, а також умови виникнення і характеристики рекомбінаційного випромінювання ТГц діапазону.

При низьких температурах і незначних рівнях легування основним каналом рекомбінації в БН є Оже-процес. В випадку, коли енергія Фермі перевищує енергію оптфонона, процес з випусканням оптфонона слід враховувати разом із Оже- і при низьких температурах часи життя обох цих процесів рекомбінації виявляються для БН одного порядку величини. Швидкість процесів рекомбінації нерівноважних електронів і дірок в БН дуже висока і саме поняття рекомбінації для БН втрачає сенс, оскільки процеси рекомбінації і розсіювання неможливо відрізнити. Саме тому в БН КРТ фотопровідність ФП, що зумовлена відхиленням під впливом випромінювання концентрації носіїв струму від рівноважного значення, практично відсутня.

Відзначається, що при значних величинах ОД або Н, які трансформують зонний спектр БН КРТ, суттєвих змін зазнають і власні (зона-зонні) механізми рекомбінації. Так виникнення і зростання енергетичної щілини в БН під впливом магнітного поля або ОД суттєво пригнічує Оже-процес і веде до появи значного сигнала міжзонної ФП. З підвищенням величини впливу спостерігається різкіше, порівнянно з с, зростання ФП в діапазонах Н і Р, що відповідають виморожуванню електронів. Останнє є додатковим свідченням домінування механізму Отже, рекомбінації, оскільки с є практично лінійною функцією рівноважної концентрації електронів n, а темп міжзонної ударної рекомбінації Оже залежить від n квадратично. Тобто вимірювання міжзонної ФП є найбільш чутливим методом реєстрації утворення енергетичної щілини в БН КРТ.

Повідомляється, що на магнітопольових залежностях ФП при низьких Т в області Н (за квантовою межою), де польові залежності R_Х і с залишаються монотонними, спостерігаються осциляції значної амплітуди, положення яких не залежить віж довжини хвилі збуджуючого випромінювання, а відтак їх поява зумовлена немонотонною залежністю часу життя носіїв струму ф від магнітного поля, а не особливостями коефіцієнта поглинання. Показано, що ці осциляції ФП є наслідком резонансних рекомбінаційних переходів електронів через утворену енергетичну щілину, які відбуваються коли за енергією щілина стає кратною енергії повздовжних оптичних фононів: д(Н)=nћщ_LO (n=1,2,…). Для першого мінімуму сигнала ФП (при 4.2 К) отримано значення д(H)=16.8 меВ, що наближується до енергії LO-фонона HgTe (17.2 меВ), основної підгратки БН КРТ. Звернуто увагу на наявність при низьких Т осциляцій кратних енергії LO-фонона і в залежностях І_ФМЕ(Н), які співпадають з осциляціями ФП, що є наслідком рівності часів життя електронів і дірок при міжзонних механізмах рекомбінації.

Розглянуто експериментальні результати стосовно взаємодії міліметрового (НВЧ) випромінювання з БН КРТ. Для досліджених кристалів БН у вихідному стані НВЧ-ФП має ту ж саму природу, що і в звичайних напівпровідниках з малою ефективною масою, тобто виявляється м-ФП, яка зумовлена зміною рухливості електронів з підвищенням їх ефективної температури Т_е внаслідок розігрівання електронів НВЧ-випромінюванням. Встановлено і досліджено різке зростання (з характерним максимумом) сигналу НВЧ-ФП міліметрового діапазону в БН КРТ під впливом пружної ОД або Н. Доведено домінуючу роль в цьому зростанні розігрівної концентраційної складової, що може виникати в умовах розігрівання електронів НВЧ-випромінюванням і пов'язана з тепловим перерозподілом електронів між акцепторними станами і зоною провідності при утворенні щілини в БН.

Наведено прямий експериментальний доказ домінування концентраційної складової в НВЧ-ФП при утворенні щілини в БН КРТ, що було отримано з порівняння магнітопольових залежностей R_Х виміряних як за відсутності так і при наявності НВЧ збудження.

Співставлено отримані для БН КРТ польові залежності НВЧ-ФП і фототермомагнітного ефекту (ФТМЕ), який виникає в поперечному магнітному полі через градіент електронної температури при неоднорідному поглинанні зразком міліметрового випромінювання і є фактично аналогом ефекта Нернста-Етінсгаузена на гарячих електронах (за відсутності помітного розігрівання кристалічної гратки). Встановлено, що польова залежність ФТМЕ в області сильних квантуючих Н має вигляд, який близький за формою до першої похідної V_НВЧ-ФП(Н) за Н. Проаналізовано та з'ясовано причину такої особливості ФТМЕ.

На монокристалічних зразках БН КРТ з х0.14 при Т=4.2 К досліджено залежності інтенсивності I рекомбінаційного випромінювання в далекому ІЧ-диапазоні (л100 мкм) і електричного струму J від напруженості імпульсного електричного поля Е при пружній ОД. Наголошується, що в одноосьово напружених БН КРТ (з такими х) дірки локалізовані в околі вершин бокових екстремумів валентної зони і тому прямі міжзонні переходи з випромінюванням фотонів (субміліметрових) можуть відбуватися лише з електронних станів з високими енергіями. Тобто випромінювальна рекомбінація ефективна лише в випадку інверсної заселеності або близької до неї великої концентрації пар. При цьому із збільшенням індукованої стиском щілини Е_о темп випромінювальної рекомбінації збільшується пропорційно Е_о³ (за розрахунками Ф.Т. Васька та М.В. Стріхи), тобто для часу життя випромінювальної рекомбінації ф_R виконується співвідношення ф_R~Е_о^-3.

Всі вимірювання виконано в полях, що перевищували межу домішкового пробою (ударна іонізація). Вже при Е=3-5 В/см і при помірних значеннях деформації Р практично всі електрони, які були виморожено на акцепторні стани, внаслідок домішкового пробою іонізуються з акцепторного рівня і знову потрапляють в зону провідності. Виявлено значне зростання електричного струму і інтенсивності спонтанного випромінювання в області малих стисків (0-0.5 кбар), де в електричному полі з Е10 В/см спостерігається надлінійність в польових залежностях I та J, яка стає особливо помітною при Е=40-50 В/см. Таку поведінку I(Е) і J(Е) може зумовити лише підвищення концентрації вільних електронів, а в БН власна концентрація носіїв струму дійсно зростає з полем: n_iЕ^3/2.

Повідомляється, що вперше в БН виявлено різкий (на 3-4 порядки) стрибок інтенсивності рекомбінаційного випромінювання з довжиною хвилі л100 мкм при порогових значеннях одноосьового стиску Р=2.5-2.7 кбар і електричного поля Е=50-55 В/см (рис. 2). Стрибок інтенсивності випромінювання супроводжувався стрибком струму в 4-6 разів. Сигнали відтворювалися при наступних накладаннях Р і Е. Наявність порогів в значеннях Р та Е, кореляція цих порогів, значна інтенсивність випромінювання, а також визначальний вплив стану поверхні бокових граней підтверджують, на наш погляд, стимульований характер випромінювання. Потужність стимульованого випромінювання суттєво залежить від стану і паралельності бокових граней: в досліджуваних нами зразках при паралельності граней 20^'' інтенсивність випромінювання при порогових значеннях Р і Е в декілька разів перевищувала за величиною інтенсивність для типових зразків (з паралелністю граней 1^' - 1.5^'), а при розбіжності більш ніж 2^' стрибок рекомбінаційного випромінювання взагалі не спостерігався.

Зазначено, що прямому випромінювальному переходу між станами зони провідності, які зайняті розігрітими (гарячими) електронами, і боковими екстремумами валентної зони з ненульовим квазіімпульсом перпендикулярним напрямку стиску (k0) при значенні Р2.5 кбар для досліджених зразків БН КРТ відповідає енергія порядку 40-60 меВ. Таким чином, лише «непрямі» випромінювальні переходи з енергією 10 меВ істотні в даному випадку (рис. 3), і їх ефективність зростає при великих деформаціях, коли розщеплені стиском акцепторні стани наближуються до екстремума валентної зони. Для стисків Р2.5 кбар нижчий з розщеплених станів перетинає екстремум валентної зони і переходить із локального стану в резонансний. Такий резонансний домішковий стан при зазначених

величинах Р виявляється заповненим дірками в умовах ударної іонізації і непрямі випромінювальні переходи будуть достатньо ефективними і без виконання закона збереження імпульса, який в даному випадку «скасовується» внаслідок розмиття акцепторної хвильової функції в імпульсному просторі (домішковому рівню притаманний широкий діапазон значень k). Звернуто увагу, що для розглянутих переходів необхідна наявність вільних дірок в валентній зоні, що за низьких Т можливо лише в умовах ударної іонізації (пробою), про наявність якої свідчить різкий стрибок струму, що спостерігається одночасно з появою випромінювання стимульованого типу.

В третьому розділі розглянуто результати дослідження фотоелектронних та електрофізичних властивостей ВН, які широко застосовуються в ІЧ фото- і оптоелектрониці, а саме: КРТ, МРТ, InSb і InAs. Дано коротенький огляд стану проблеми стосовно зазначених ВН. Відзначено, що в області низьких температур, де фотоприймачі на їх базі працюють найефективніше, особливості кінетичних коефіцієнтів і аномалії фотоефектів ВН (особливо в р-матеріалі) залишалися остаточно не визначеними і потребували подальших досліджень. Звернуто увагу, що при низьких Т енергетична структура (і відповідно властивості) ВН надзвичайно чутлива до зовнішних впливів і в першу чергу до магнітного поля та пружної ОД. Наведено параметри досліджених зразків ВН і основні методи та методики проведення експериментів і визначення фундаментальних параметрів.

Вперше отримано температурні залежності рухливості неосновних носіїв струму (електронів) в кристалах ВН КРТ і МРТ р-типу в широкому діапазоні температур (4.2-200 К). Вимірюючи в цих кристалах польові залежності ФМЕ, який визначається парамет-рами неосновних носіїв струму, нам вдавалося досягати умови сильного поля для електронів (м_nH/с» 1) аж до Т=200 К, про що свідчить насичення польової характеристики I_ФМЕ.

Подано результати дослідженя впливу квантуючого магнітного поля на характеристики ВН n-типу провідності, в яких в залежності від концентрації носіїв струму спостерігаються два типи змін кінетичних коефіцієнтів при низьких температурах.

На польових залежностях кінетичних коефіцієнтів достатньо легованих (n10¹⁵ см^-3) кристалів ВН n-типу при 4.2 К зареєстровано немонотонності - осциляції Шубнікова-де Гааза (ШГ), які є наслідком квантування енергетичної структури в магнітному полі і спостерігаються, коли енергія Фермі перевищує циклотронну енергію ћщ і енергію теплового розмиття (Е_FћщkТ). Вперше встановлено, що при низьких Т, коли фотоефекти в ВН з n10¹⁵ см^-3 визначаються розігрівом електронів випромінюванням, вимірювання ФП є набагато чутливішим методом реєстрації наявних квантових осциляцій, порявняно з іншими методами. Збудження зразка модульованим за амплітудою випромінюванням в умовах розігрівання електронів спричиняє фактично модуляцію електронної температури, що і зумовлює високу чутливість сигналу ФП до квантових осциляцій, оскільки амплітуда останніх експоненційно залежить віт Т. Розігрівна природа ФП за таких умов підтверджена експериментально - виявлена ідентичність осциляційних картин польових залежностей ФП і м-ФП (рис. 4).

Вперше в кристалах і структурах n-МРТ при низьких температурах виявлено квантові осциляціїї ФМЕ, що пов'язані з домінуванням розігрівання електронів випромінюванням.

Доведено, що при визначенні параметрів нерівноважних носіїв ВН за низьких Т, слід враховувати явище розігрівання електронів випромінюванням, яке може виявитися визначальним в фотоефектах і суттєво спотворювати дійсні значення параметрів фотоелементів. Наприклад, отриманий з «розігрівного» ФМЕ час життя неосновних носіїв в ВН n-типу фактично буде часом релаксації розігрітих електронів за енергією, а дифузійна довжина - довжиною «остигання» електронів.

Досліджено вплив сильного магнітного поля (Н70 кЕ) на систему нерівноважних носіїв ВН n-типу (10¹³n10¹⁴ см^-3), в яких при 4.2 К домішкова зона виявляється відокре-мленою магнітним полем від дна зони провідності і концентрація рівноважних носіїв струму змінюється в широких межах «магнітним виморожуванням». На польових залежностях ФП n-InSb виявлено характерні ділянки, де внесок вільних і домішкових фотоелектронів залежить від співвідношення відповідних часів життя і рухливостей носіїв струму. Показано, що при великих значеннях Н суттєвий внесок в ФП починає вносити діркова складова, на яку слабо впливає подальше підвищення Н. Таким чином, сильне квантуюче магнітне поле дозволяє практично усунути електронну компоненту і вимірювати діркову компоненту ФП в слабо легованому n-InSb при низьких температурах.