Запатентований спосіб виготовлення діодів Шотткі на основі високоомного CdTe може бути використано при створенні детекторів іонізуючого випромінювання на основі структур метал-CdTe.

Встановлені технологічні режими ІЛО КМХН знайдуть застосування в технології виготовлення на основі контактів метал-In4Se3 приладів з підвищеною надійністю і стабільністю експлуатаційних параметрів для систем моніторингу навколишнього середовища, лазерної техніки, оптичних ліній передачі інформації, зокрема, селективних оптичних фільтрів і фотоприймачів діапазону 1,52,1 мкм тощо.

Запропоновані моделі фізико-хімічних процесів у КМХН при дії малопотужного ІЛО будуть корисними для числового моделювання нерівноважних процесів, зумовлених дією ІЛО, в інших системах метал-напівпровідник, а також можуть бути включені до програм спецкурсів з фізики напівпровідників та напівпровідникових приладів для підготовки студентів у галузі “Електроніка”.

Розроблений пристрій спряження з персональним комп'ютером для автоматизації спектрофотометра СФ-20 та відповідне програмне забезпечення можуть бути використані для підвищення точності та оперативності вимірювання спектральних характеристик напівпровідникових матеріалів у діапазоні довжин хвиль =0,18ч2,5 мкм.

Публікації та особистий внесок здобувача. За результатами досліджень опубліковано 21 роботу, з них: 6 - статті у наукових фахових виданнях, включених до переліку ВАК України, 14 - тези міжнародних наукових конференцій, 1 - деклараційний патент на корисну модель.

У процесі виконання роботи дисертант приймав участь у постановці задач [1-21], виготовляв зразки [2, 10-13, 18-21] і досліджував електро-фізичні властивості бар'єрних структур [1-4, 9-21], приймав участь у проведенні автоматизації вимірювальних установок для дослідження оптичних властивостей халькогенідних матеріалів і температурних вимірювань електрофізичних характеристик КМХН [5-8], проводив дослідження впливу лазерного опромінення на морфологію поверхні досліджуваних контактів [2, 19-21], брав участь у обговоренні та аналізі результатів [1-21].

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, приведених у дисертаційній роботі, були представлені на таких наукових конференціях: The European Material Conference „European Materials Research Society Spring Meeting (E-MRS 2004, E-MRS 2005, E-MRS 2007)” (Strasbourg, France, 2004; 2005; 2007); 12^th International Conference on II-VI Compounds (Warsaw, Poland, 2005); ІІІ, IV, V, VII Міжнародних конференціях молодих вчених “Проблеми оптики та сучасного матеріалознавства (SPO2002, SPO2003, SPO2004, SPO2006)” (Київ, 2002, 2003, 2004, 2006 рр.); VII Міжнародна науково-практична конференція „Современные информационные и электронные технологии” (Одеса, 2006р.); ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) (УНКФН-2) (Чернівці-Вижниця, 2004р.); Х Міжнародна конференція “Фізика і технологія тонких плівок (МКФТТП-Х)” (Івано-Франківськ, 2005р.); XI Міжнародна конференція „Фізика і технологія тонких плівок та наносистем” (Івано-Франківськ, 2007р.).

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох оригінальних розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 153 найменувань. Робота викладена на 164 сторінках, містить 84 рисунки та 29 таблиць.

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та її зв'язок з науковими програмами, планами і темами, сформульовано мету і задачі досліджень, висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, приведено дані про публікації, особистий внесок здобувача та апробацію роботи.

Перший розділ частково присвячено аналізу літературних джерел стосовно можливих фізичних механізмів впливу ІЛО на фізико-хімічні властивості та електрофізичні параметри і характеристики КМХН [1*]. На основі цього аналізу, з використанням результатів оригінальних досліджень впливу процесів старіння на параметри контактів Al-n-Si з бар'єром Шотткі після ІЛО, обґрунтовано перспективність використання малопотужного ІЛО для корекції бар'єрних властивостей структур метал-халькогенідний напівпровідник. Враховуючи технологічні особливості дії ІЛО на КМХН, визначено основні методи контролю структурної досконалості кристалів і фазового складу хімічних сполук та електрофізичних параметрів і характеристик досліджуваних структур.

В оригінальній частині розділу показано, що теоретичні оцінки за напівемпіричним співвідношенням:

(1)

(де І₀ - інтенсивність випромінювання, R - коефіцієнт відбивання плівки, K і ж - коефіцієнти теплопровідності і температуропровідності підкладки, d - діаметр променя), записаним з модифікованого розв'язку класичного рівняння теплопровідності [2*], дають досить високу кореляцію результатів розрахунків поверхневої (z=0) температури плівки алюмінію (рис.1а) з її реальними розподілами температур нагріву, одержаними за результатами візуального контролю розмірів (l, l', l'') областей морфологічних змін на поверхні металевого контакту при опроміненні структури з боку металу.

При цьому вважали, що ІЛО проявляє виключно теплову дію. Поява першої морфологічно зміненої області на поверхні алюмінію (рис.1б) зумовлена досягненням у центрі падаючого променя на межі розділу Al-Si температури евтектики системи Al-Si (Т_е=577С), а другої (рис.1в) - температури плавлення алюмінієвої плівки (Т_m=650С).

Використовуючи описану вище модель, проведено оцінки параметрів режимів ІЛО, які дозволяють реалізувати відповідні фізико-хімічні процеси в КМХН у твердій фазі для різних халькогенідних напівпровідникових сполук.

У другому розділі приведено результати експериментальних досліджень впливу ІЛО на процеси реструктуризації дефектно-домішкової системи в області просторового заряду (ОПЗ) контакту та особливості зміни механіз-мів струмопереносу в бар'єрних структурах метал-нелегований CdTe.

Експериментальні ВАХ бар'єрних структур Au-n-CdTe як до так і після ІЛО (рис.2) описуються діодною теорією провідності КМХН з урахуванням одночасного існування декількох механізмів струмопереносу [3*, 4*].

Аналіз ВАХ при генераційно-рекомбінаційному (ГРС) (з коефіцієнтом ідеальності , е - заряд електрона, k - постійна Больцмана) та надбар'єрному (n=1) механізмах проведено за формулою:

. (2)

Значення струмів відсічки для надбар'єрної J_st та генераційно-рекомбінаційної J_sg-r складових струму, які дають найкраще узгодження теоретичної моделі з експериментальними ВАХ при різних дозах (D) ІЛО, приведено в таблиці 1. При великих значеннях прямої напруги U_пр домінуючу роль у процесі перенесення струму відіграє термоелектронна емісія електронів у зону провідності, яка описується виразом:

. (3)

Величина потенціального бар'єра структури Au-n-CdTe , (де А^* - постійна Річардсона), визначена з ділянок прямих ВАХ для над-бар'єрного струму, узгоджується з аналогічним значенням, розрахованим з високотемпературних ділянок лінійних залежностей ln(J_пр/Т²)=f(1/T)|_U=const. З низько-температурних ділянок цих залежностей визначено енергії акти-вації E_a (табл.1) глибоких рівнів, що зумовлюють ГРС. Концентрацію іонізованих домішок в ОПЗ КМХН залежно від дози ІЛО визначали методом числового диференціювання ВФХ.

Порівняння експериментальних ВАХ з комп'ютерними розрахунками моделі Саа-Нойса-Шоклі для ГРС [5*] за параметрами табл.1 для неопромінених структур та при оптимальній дозі D=11,8 кДж/см² (рис.3), показує задовільне їх узгодження на ділянках прямих зміщень, де ГРС є переважаючим.

Рис.3. Інтерпретація експериментальних ВАХ структури Au-n-C dTe до (а) і після (б) оптимального режиму ІЛО за допомогою моделі генерації-рекомбінації Саа-Нойса-Шоклі.

Встановлено, що температурна залежність коефіцієнта ідеальності n=f(T) (рис.4), визначеного числовим диференціюванням ВАХ на ділянках 0,35 ВU0,75 В КМХН Au-n-CdTe (рис.2), має екстремуми в області тих температур, де спостерігаються піки DLTS-спектрів, одержані авторами [6*] при дослідженні діодів Шотткі на кристалах CdTe з приблизно однаковими параметрами. Встановлені експериментальні величини енергій активації дали можливість пов'язати піки n=f(T) в околі Т160 К з міжвузловими атомами Cd_i та вакансіями телуру V_Te у гратці, при Т220230 К - з генеруванням дислокацій в CdTe, а вище кімнатних температур - з точковими вакансіями кадмію V_Cd у гратці або їх комплексами з домішками.

Дослідження морфології поверхні та визначення фазового складу плівок контакту Au-n-CdTe і приконтактного шару напівпровідника дали можливість визначити природу глибоких рівнів та запропонувати фізичні механізми їх реструктуризації при дії ІЛО. Зокрема, при D=11,8 кДж/см² (рис.5а) спостерігається взаємодія кластерів дефектів приповерхневого шару підкладки з матеріалом контакту, тоді як при D=17,7 кДж/см² відмічено вихід окремих кластерів у плівку Au (рис.5б). В області відшарування плівки, зумовленого дією термопружних деформацій при ІЛО (рис.5в), відбувається впорядкування кластерів на поверхні кристалу. При D>23 кДж/см² в приконтактному шарі CdTe утворюються аморфні ділянки (рис.5г, область А), а розміри кластерів збільшуються у 510 разів (рис.5г, область В). Діаметри геометрично впорядкованих кластерів (рис.5в) складають 13 мкм, відстань між ними - порядку 1015 мкм.

Доказом існування описаних вище процесів у твердій фазі є результати дослідження мікро-структури поверхні контакту в режимах рельєфного та фазового контрасту (рис.6). Формування виходів дислокацій трикутної форми під плівкою золота (рис.6а) структур Au-n-CdTe спостерігаєть-ся, коли металева плівка ще є суцільною і однорідною за фазовим складом (рис.6б). Характерно, що границі зерен Au (лінії А, рис.6а) при більших дозах ІЛО стають границями механічного руйнування металевого контакту.

Проведений аналіз кореляції змін ВАХ і ВФХ при ІЛО та визначені за допомогою зондового мікроаналізу особливості перерозподілу атомів Cd і Te в приповерхневих шарах CdTe дозволили запропонувати наступну модель дії ІЛО на контакт Au-нелегований n-CdTe. При ІЛО в ОПЗ n-CdTe генеруються додаткові точкові дефекти. Збільшення дози опромінення приводить до формування кластерів, які в подальшому геттерують вказані дефекти. При оптимальних режимах ІЛО концентрація глибоких рівнів, створених в ОПЗ, зменшується, але при цьому розміри кластерів збільшуються у 23 рази. Ці процеси спричиняють зменшення генераційно-рекомбінаційної складової струму і збільшують роль польових механізмів струмопереносу, зумовлених неоднорідністю перехідного шару у випрямляючих КМХН. У даних процесах значну роль відіграє дифузійне переміщення Те в полі дії пружних деформаційних сил, що створюються в КМХН за рахунок температурних градієнтів та різниці коефіцієнтів теплового розширення металу та підкладки.

У третьому розділі приведено результати аналізу модифікації фізико-хімічних властивостей та електрофізичних характеристик бар'єрних структур метал-легований CdTe (CdTe:As, CdTe:Cl) та метал-CdZnTe.

Дослідження структур In-p-CdTe:As, опромінених як з боку металевого контакту, так і з боку кристалу, показали аналогічність механізмів впливу ІЛО на бар'єрні властивості даних КМХН порівняно з Au-n-CdTe. Відмінністю структури In-p-CdTe:As від Au-n-CdTe є значно менший спектр енергій глибоких рівнів. Опромінення омічних контактів Au-p-CdTe:As (рис.7) практично не впливає на параметри бар'єрних структур, хоча спостерігається незначна зміна концентрації активних домішок у приконтактному шарі. Показано, що високоомні зразки більш чутливі до режимів ІЛО порівняно з низькоомними (р10¹⁶10¹⁷ см^-3).

Збільшення дози ІЛО Au-p-CdTe:As від 5,9 до 17,7 кДж/см² приводить до зростання розмірів виходів дислокацій і їх об'єднання у структури більшої площі при збереженні форми дислокацій характерної для площини (111) підкладки p-CdTe:As. Аналогічні коміркові утворення трикутної форми, розміри яких збільшувалися від центра контакту до периферії, спостерігаються під індієвими контактами.

Прямі ВАХ структур Pt-p-CdTe:Cl (рис.8) після ІЛО характеризуються наявністю двох квазілінійних ділянок з коефіцієнтами ідеальності n2,76, характерними для ГРС при малих зміщеннях (0,075 В<U0,2 В) і n1,06 (_b=0,84 еВ) - для надбар'єрного струму в КМХН, близьких до класичних значень при 0,2 В<U0,4 В. Визначені з ВАХ енергії активації глибоких рівнів узгоджуються з даними [7*]: рівень Е_t'=0,58 еВ пов'язаний з деформаційним потенціалом комплексу "вакансія-міжвузловий атом Te", Е_t''=0,44 еВ - з вакансією Cd. Зміна енергії активації рівня від E_a'=0,58 еВ до E_a'''=0,43 еВ після ІЛО пояснюється реструктуризацією структурних дефектів за рахунок термопружних напруг у КМХН при ІЛО.

При оптимальних режимах ІЛО поряд з формуванням антиструктурних дефектів і розпадом CdCl₂, ймовірно, відбувається процес заповнення власних вузлів телуром після їх звільнення від хлору. Оскільки вакансії телуру V_Te є донорами, то процес впорядкування підгратки телуру супроводжується зменшенням концентрації активних центрів при D11ч12 кДж/см². Така модель паралельного протікання процесів реструктуризації кількох типів структурних дефектів в ОПЗ КМХН при ІЛО узгоджується зі зменшеням числа глибоких рівнів в бар'єрних структурах після ІЛО, визначених з температурних залежностей ln(J_пр/Т2)=f(1/T).

Характерною особливістю морфології поверхні CdZnTe під плівкою Au є наявність збагачених телуром кулеподібних утворень, аналогічно як і в структурах Au-n-CdTe. Поверхневий розподіл хімічних елементів за фазовим складом вздовж заданого перерізу структури показує, що атоми Zn розподілені статистично рівномірно. В області кулеподібних утворень концентрація Те збільшується на 25%, тоді як вміст Cd зменшується приблизно вдвічі ( на 50%). На відміну від структур Au-n-CdTe в контактах Au-n-CdZnTe кореляція просторового розподілу хлору порівняно зі спектрами Cd значно зменшується.

Величина потенціального бар'єра контактів Au-n-CdZnTe при оптимальних режимах ІЛО складає _b=0,92 еВ і досить добре корелює з аналогічним значенням _b=0,93 еВ, розрахованим з C-V-вимірювань. Спектр фоточутливості опромінених кристалів CdZnTe зсувається в сторону більших довжин хвиль на 30ч50 нм і, при цьому, величина E_g зменшується від E_g=1,51 еВ до величини E_g=1,46 еВ, характерної для нелегованого CdTe.

На завершення розділу зроблено висновок, що в легованих кристалах CdTe:As, CdTe:Cl та твердих розчинах CdZnTe стабілізація гратки домішками позитивно впливає на процеси реструктуризації домішково-дефектних систем в CdTe при ІЛО і приводить до зменшення спектра енергій глибоких домішкових рівнів в ОПЗ КМХН та стабілізації їх ВАХ.

У четвертому розділі продемонстровано можливості корекції електрофізичних параметрів бар'єрних структур метал-(А³В⁶, А⁴В⁶)-напівпровідник за рахунок зміни фазового складу хімічних сполук, або зміни стехіометрії твердих розчинів у перехідному шарі КМХН при ІЛО.

Аналіз фазових спектрів у контрольних точках опромінених структур (рис.9, табл.2) підтверджує модель трансформації перехідного шару в КМХН Al-n-In₄Se₃ внаслідок дії термостимульованих механічних напруг при використовуваних дозах ІЛО. Установлено факт фазового перетворення сполуки In₄Se₃ у сполуки In₂Se та InSe у твердому стані при ІЛО. Збагачення перехідного шару киснем (можливо в молекулярному стані) пояснюється латеральною дифузією О₂ по границі розділу КМХН при механічній деформації двошарової структури.

Дослідження коефіцієнта пропускання кристалів підкладки, а також C-V-характеристик структури Au-n-In₄Se₃ після лазерного опромінення підтверджують, що крім основної фази In₄Se₃, для якої E_g=0,65еВ, у перехідному шарі контактів можливі значні включення фаз InSe з E_g=1,25еВ та In₂Se з E_g=0,9еВ. Аналіз ВАХ показує, що в структурах Al(Au)-n-In₄Se₃ також основними є ГРС і надбар'єрний струми. Збільшення інтенсивності ІЛО до значень 20кВт/см² приводить до поступової трансформації ВАХ від випрямляючих до омічних. Точкові прижимні контакти Au до неопроміненої області базового кристалу - є високоомними, в той час як до реструктурованої - інверсно випрямляючими, що узгоджується з результатами [8*].

Критичні значення інтенсивності ІЛО при опроміненні структур Al(Au)-PbTe і Al(Au)-Pb_1-xSn_xTe, які приводять до руйнування КМХН, складають І₀>2050 квт/см². Характер міжфазної взаємодії плівки Al і підкладки Pb_1-xSn_xTe аналогічний до процесу твердофазної епітаксії в системах Al-Sі та Іn₄Se₃ при ізотермічному відпалі та ІЛО.

Приповерхневий шар підкладки Pb_0,88Sn_0,12Te товщиною близько 0,5 мкм є збагаченим Те (рис.10, табл.3). При ІЛО контактів Al(Au)-Pb_1-xSn_xTe в режимах близьких до оптимальних значно активізується дифузія Te і сторонніх домішок. У приконтактному шарі як алюмінію, так і золота спостерігаються точкові вкраплення (рис.10а), збагачені Те. При більших інтенсивностях ІЛО у перехідному шарі КМХН виділяється фаза, наближена за складом до чистого PbTe (рис.10б).

Процес реструктуризації перехідного шару проідентифіковано також за результатами C-V вимірювань зміни величини згину зон бар'єра (рис.11б). Після ІЛО структури Al(Au)-Pb_1-xSn_xTe, як і Al(Au)-n-In₄Se₃, можуть схематично бути представлені паралельно ввімкненими бар'єрними структурами, які мають різні значення електрофізичних параметрів і описуються різними механізмами переносу заряду.

Оскільки Аl в ґратці PbTe є донором, то при твердофазній лазерній епітаксії на границі розділу Al-p-PbTe можливе формування нанорозмірного шару інверсного типу провідності і, відповідно, Al-p^--p-PbTe або Al-n-p-PbTe переходу. Важливо, що ІЛО при оптимальних режимах забезпечує стабілізацію системи структурно-домішкових дефектів в ОПЗ контакту, і відповідно, ВАХ бар'єрних структур Al(Au)-Pb_1-xSn_xTe і Al(Au)-PbTe (рис.11а).

імпульсний лазерний опромінювання електромагнітний

Основні результати і висновки

Проведені комплексні дослідження впливу малопотужного ІЛО на трансформацію дефектної підсистеми та фазові перетворення на границі метал-халькогенідний напівпровідник дали змогу отримати наступні основні результати і зробити такі висновки:

Застосування оптимізованих режимів малопотужного імпульсного лазерного опромінення (тривалість імпульсів 24 мс; інтенсивність І=10250 кВт/см²) дозволяє суттєво модифікувати електрофізичні параметри бар'єрних структур метал-халькогенідний напівпровідник за рахунок реструктуризації в твердій фазі та зміни фізико-хімічних властивостей перехідного шару на границі розділу метал-напівпровідник.

У структурах Au - нелегований CdTe стабілізація електрофізичних характеристик при малопотужному імпульсному лазерному опроміненні обумовлена змінами домішково-дефектної системи в області просторового заряду напівпровідника внаслідок активізації дифузійних процесів у полі термостимульваних механічних напруг. Основні механізми реструктуризації домішково-дефектної системи пов'язані з перебудовою дислокацій, антиструктурних дефектів TeCd і точкових дефектів VCd, Cdi та VTe. Більшою дифузійною активністю в полі механічних напруг володіють атоми Te, що приводить до утворення в перехідному шарі кластерів дефектів, збагачених за вмістом Te.

Модифікація домішково-дефектної системи в області просторового заряду напівпровідника при малопотужному імпульсному лазерному опроміненні приводить до зміни спектра енергетичних рівнів, які обумовлюють основний генераційно-рекомбінаційний струм в бар'єрних структурах Au - нелегований CdTe. При оптимальних режимах опромінення D11,8кДж/см² за рахунок гетерування точкових дефектів кластерами зменшується концентрація глибоких рівнів з енергією активації Ea=0,83 еВ в області просторового заряду і, відповідно, вклад генераційно-рекомбінаційного струму в загальний струм структури. При збільшенні інтенсивності опромінення збільшуються розміри кластерів дефектів, що є причиною збільшення польових механізмів протікання струму через неоднорідності перехідного шару структури.

Бар'єрні структури In-p-CdTe:As на високоомних кристалах (р10¹²10¹³ см^-3) є більш чутливі до режимів ІЛО ніж на низькоомних (р10¹⁶10¹⁷ см^-3). Хлор є активатором процесів перебудови домішково-дефектної системи в кристалах CdTe:Cl. Стабілізація цинком кристалічної гратки у твердих розчинах CdZnTe забезпечує стабільність контактної різниці потенціалів бар'єрних структур при ІЛО КМХН.